Strukturni dizajn i primena upravljackih reaktora za pametne mreže
Reaktori su ključni za kompenzaciju reaktivne snage u električnim sistemima, a magnetno upravljivi reaktori predstavljaju fokus istraživanja. Pametna mreža, koja unapređuje tradicionalnu mrežu putem naprednih tehnologija, povećava sigurnost i pouzdanost, podižehto zahtev za upravljivim reaktorima. Stoga je razvoj novih tipova značajan. Ovaj rad, kombinujući praksu, istražuje njihov strukturni dizajn i primenu kako bi se potakla inovacija i poboljšala izgradnja pametne mreže.
1 Funkcije i status primene upravljivih reaktora
1.1 Funkcije
Za mreže, upravljivi reaktori smanjuju gubitke mreže, podižu faktor snage iznad 0.9, smanjuju oscilacije, šire granice dušenja, povećavaju kapacitet prenosa i poboljšavaju stabilnost napona. Za korisnike oni: ① Stabilizuju napon, štite opremu poput transformatora i produžavaju vreme službe. ② Eliminišu harmonike, smanjuju gubitke i poboljšavaju sigurnost. ③ Smanjuju treperenje napona, poboljšavaju kvalitet energije. ④ Smanjuju reaktivne gubitke za korisnike sa velikim potrebama, smanjujući troškove struje. ⑤ Omogućavaju proširenje kapaciteta na nisku cenu putem dinamičke kompensacije.
1.2 Status primene
Upravljivi reaktori su široko primenjeni u električnim sistemima, kao što su električne kompanije, industrijski sistemi, novi izvori energije i druga polja. Sa porastom potrebe za snagom i nadogradnjom sistema prenosa i distribucije, tržišna potražnja za upravljivim reaktorima takođe raste.
Reaktori se dele na tri vrste: magnetno upravljanje, prekidano upravljanje i elektronsko preključno upravljanje. Magnetno upravljivi reaktori nude kontinuiranu regulaciju, veliku kapacitet i niske troškove, ali imaju spor odgovor, visoke gubitke vibracije i harmonike. Prekidano upravljani reaktori izbegavaju vibracije/harmonike, ali ne omogućavaju kontinuiranu regulaciju, ograničavajući njihovu upotrebu. Elektronsko preključno upravljani tipovi omogućavaju kontinuiranu regulaciju sa brzim odgovorom, ali trpe harmonike i visokim troškovima. Magnetno upravljivi reaktori su preferirani. Da bi odgovarali pametnim mrežama, potrebne su unapređenja materijala i struktura i novi dizajni.
2 Strukturni dizajn upravljivih reaktora u pametnim mrežama
Pametna mreža, ili Mreža 2.0, zasniva se na dvosmernim komunikacionim mrežama. Koristi novu opremu, tehnologije i metode da unapredi sigurnost, efikasnost, ekološku prihvatljivost i ekonomičnost mreže, bolje ispunjavajući potrebe korisnika za kvalitetom energije. Upravljivi reaktori su ključni za izgradnju pametnih mreža. Ispod je njihov strukturni dizajn baziran na nanokompozitnim magnetnim materijalima.
2.1 Izbor magnetnih materijala
Nanokompozitni magnetni materijali sastoje se od nanokristalnih tvrdih i mekih magnetnih faza. Njihove zrna interagiraju, generišući spojeni menjanski efekat pod uticajem struje. Mikroskopski, na granicama faza, magnetni momenti reorientiraju polja tokom interakcije, povećavajući ostatak magnetizacije. U upravljivim reaktorima: DC struja primenjena na obmotke stvara polje ohrabrenja, magnetizujući materijal; AC formira oslabljujuće polje, demagnetizujući ga.
Pripremljeni putem brzog hlađenja taložene tečnosti, materijal podvrgnut je temperiranju da bi se prilagodila mikrostruktura. To povećava zrna i smanjuje koercitivnost, ispunjavajući potrebe za prilagođavanjem.
2.2 Opšti strukturni dizajn
Struktura upravljivog reaktora sastoji se od veznih čvorova, železnog jezgra, klešta, radnih obmotki, kontrolnih obmotki i nanokompozitnih magnetnih materijala. Stup ohrabrenja, izrađen od magnetnih materijala i silicijskih listića, smešten je u centru. Radne obmotke su sa obe strane, a njihove najspoljnije slojeve predstavljaju glavne magnetne krugove. Kontrolna obmotka okružuje magnetne materijale.
Princip: Tijekom normalne operacije mreže (bez potrebe za supresijom harmonika/regulacijom reaktivne snage), reaktor detektuje napon, struju i reaktivnu snagu. Ovi podaci idu u kontrolni sistem za procenu stanja mreže. Za supresiju harmonika ili regulaciju reaktivne snage, kontrolni sistem prilagođava struju u obmotkama. Magnetni materijali menjaju reaktancu putem magnetizacije. Kada parametri zadovoljavaju projektne specifikacije, struja u obmotkama se prilagođava ponovo kako bi se materijali demagnetizovali do nulte ostatne magnetizacije.
Prema projektiranom krugu, ignorirajući curenja na primarnoj i sekundarnoj strani, dobijamo:
Gdje: E1 predstavlja induciranu elektromotornu snagu W1; E2 predstavlja induciranu elektromotornu snagu W2; E3 predstavlja induciranu elektromotornu snagu W3. Dalje, korišćenjem T - tipa kruga za ekvivalenciju dvoportne mreže upravljivog reaktora, možemo dobiti:
Neka Ik = β Ig, a vrednost induktivnosti radnog porta je:
Koeficijent upravljanja reaktancijom je α, i Ik = αIg. Odnos reaktancije radnog porta i α je:
Spajanjem radnog porta paralelno sa elektroenergetsom mrežom i uzimanjem U1 kao konstante, može se dobiti sledeći sistem jednačina:
Gdje: Ig i Ik označavaju efektivne vrednosti struja na dva porta; Uk predstavlja efektivnu vrednost napona na kontrolnom portu. Rešavanjem sistema jednačina u Formuli (5) mogu se dobiti pokazatelji radnog performansa upravljivog reaktora.
2.3 Dizajn kontrolnog sistema
Kontrolni sistem sastoji se od glavnog kruga (prilagođavanje ostatka magnetizacije magnetnih materijala) i podsistema za detekciju i kontrolu (monitoring električnih parametara), koji zajedno ostvaruju ciljeve upravljanja. Kada operacija mreže zahteva prilagođavanje reaktancije, glavni krug primenjuje struje da magnetizuje/demagnetizuje materijale, dok podsistem monitoriše opterećenja kako bi držao parametre optimalnim, osiguravajući stabilnost mreže. Promene reaktancije dolaze od promena magnetnog stanja jezgra. Upravljiva rektifikacija omogućava milisekundske AC izlaze, ispunjavajući potrebe za brzim prelaskom magnetnog stanja. Sistem emituje naredbe za reaktor da suprimira harmonike i reguliše reaktivnu snagu, održavajući stabilnost mreže.
Proces rada: 1) Detektujte stanje mreže, sakupite parametre i procenite stabilnost. 2) Kada se dogode fluktuacije napona/harmonike, kontrolni sistem reaktora emituje naredbe. 3) Glavni krug daje prilagodljivu induktivnost; materijali se magnetizuju, menjajući ostatak magnetizacije/stanje jezgra i time induktivnost reaktora. 4) Nakon prilagođavanja, obrnutim prilagođavanjem induktivnosti demagnetizuju se materijali i resetuje se reaktor. Simulacije u Matlabu su verificirale tačnost sistema: 15 A magnetizacijska struja i 220 V demagnetizacijski napon sa stabilnim valnicima, ispunjavajući zahteve za magnetizaciju i demagnetizaciju.
3 Eksperimentalna analiza efekta prilagođavanja reaktancije
Da bi se verifikovala performansa prilagođavanja reaktancije reaktora, prema projektu i simulacijama, izgrađeni su prototip i podržavajući kontrolni sistem. Eksperimenti su analizirali karakteristike raspodele induktivnosti i evaluirali promene kvaliteta energije u mreži.
3.1 Stabilnost upravljivog reaktora
Tokom eksperimenta, prikupljeni su podaci za crtanje karakteristične krive volt-ampere i radne struje upravljivog reaktora. Rezultati pokazuju da: ① Kako se vrednost napona povećava, struja u radnoj obmotci raste, a ova dva pokazuju linearnu vezu, ukazivajući da se pod različitim magnetizacijskim naponima vrednost induktivnosti zadržava u relativno konstantnom opsegu. ② Kada je magnetizacijski napon 0–35 V, induktivnost se smanjuje sa 0.74 H na 0.61 H, a izlaz induktivnosti je stabilan, ispunjavajući zahtev za gladkim prilagođavanjem. Promena induktivnosti sa magnetizacijskim naponom prikazana je u Tabeli 2.
U ovom istraživanju, promena vrednosti induktivnosti upravljivog reaktora postignuta je kroz magnetizaciju i demagnetizaciju magnetnih materijala, što zavisno je od struje strujnice i struje pravca. Ova operacija će takođe doneti perturbacije u radnu obmotku. Stoga je potrebno dalje analizirati njegov radni prelazni proces. Radi toga, koriscen je osciloskop sa mešovitim domenom za prikupljanje valnih oblika struje magnetnih materijala tokom magnetizacije i demagnetizacije. Rezultati pokazuju da reaktor brzo reaguje, a valni oblik struje je u stabilnom stanju nakon završetka magnetizacije.
3.2 Mereni rezultati vrednosti induktivnosti
Tokom stvarnog rada upravljivog reaktora, vrednosti induktivnosti koje su dobiene primenom različitih magnetizacijskih napona prikazane su u Tabeli 3. Analiza pokazuje da: ① Vrednost induktivnosti reaktora se približno linearno menja sa promenom ostatka magnetizacije magnetnog materijala. To znači da čak i mala promena DC napona može efektivno prilagoditi vrednost induktivnosti reaktora. ② Preciznim regulisanjem magnetnog stanja magnetnog materijala, upravljivi reaktor može fleksibilno menjati svoju induktivnost, time ostvarujući efektivnu kompenzaciju reaktivne snage u energetskom liniji.
3.3 Promene kvaliteta energije u mreži
U električnom sistemu, zapisi su činjeni o promenama struje i napona na visokonaponskoj strani transformatora pre i posle korišćenja upravljivog reaktora, a ispitivane su harmonijske karakteristike. Rezultati su prikazani u Tabeli 4. Analiza pokazuje da: ① Pre korišćenja upravljivog reaktora, promene struje i napona na visokonaponskoj strani bile su kompleksne, a njihovi valni oblici nisu imali regularne karakteristike; posle korišćenja upravljivog reaktora, valni oblici struje i napona na visokonaponskoj strani su poboljšani i imaju očigledne regularne karakteristike. ② Posle korišćenja upravljivog reaktora, smanjio se sadržaj harmonika, povećana je aktivna snaga, a kvalitet energije je značajno poboljšan.
4 Zaključak
Zaključno, reaktori igraju ključnu ulogu u električnim sistemima, stabilizuju napone, suprimiraju harmonike, dušenjuju oscilacije i povećavaju faktor snage. Među postojećim tipovima, magnetno upravljivi reaktori, sa kontinuiranim prilagođavanjem reaktancije, velikim kapacitetom i niskim troškovima, široko su korišćeni u električnim sistemima. Da bi se rešili problemi poput sporo
