Konstruktion och tillämpning av reglerbara reaktorer för smarta nät
Reaktorer är viktiga för reaktiv effektkompensation i elkraftsystem, med magnetiskt kontrollerade reaktorer som ett forskningsfokus. En smart nät, som uppgraderar det traditionella nätet genom avancerad teknik, ökar säkerheten och tillförlitligheten, vilket höjer kraven på kontrollerbara reaktorer. Därför är utvecklingen av nya typer viktig. Detta dokument, kombinerat med praktik, utforskar deras strukturella design och tillämpning för att främja innovation och förbättra konstruktionen av smarta nät.
1 Funktioner och tillämpningsstatus för kontrollerbara reaktorer
1.1 Funktioner
För nät, minskar kontrollerbara reaktorer nätverksförluster, höjer effektfaktorn över 0,9, minskar svängningar, expanderar dämpningsgränser, ökar överföringskapaciteten och förbättrar spänningsstabilitet. För användare: ① Stabiliserar spänningen, skyddar utrustning som transformatorer och förlänger tjänsteliv. ② Eliminerar harmoniska, minskar förluster och förbättrar säkerhet. ③ Begränsar spänningssvängningar, förbättrar elkvaliteten. ④ Minskar reaktiv förlust för användare med hög efterfrågan, sänker elpriserna. ⑤ Möjliggör kapacitetsutökning till låg kostnad genom dynamisk kompensation.
1.2 Tillämpningsstatus
Kontrollerbara reaktorer används vidhäftigt i elkraftsystem, såsom i kraftbolag, industriella anläggningar, ny energi generering och andra områden. Med ökande efterfrågan på kraft och uppgradering av kraftöverförings- och distributionsnät ökar marknadens efterfrågan på kontrollerbara reaktorer också.
Reaktorer delas in i tre typer: magnetisk kontroll, brytarkastning och elektronisk brytarkontroll. Magnetiskt kontrollerade reaktorer erbjuder kontinuerlig justering, stor kapacitet och låg kostnad men har långsam respons, höga vibrationsförluster och harmoniska. Brytarkastningsreaktorer undviker vibrationer/harmoniska men justeras diskontinuerligt, vilket begränsar användningen. Elektroniska brytarkontrollerade typer möjliggör kontinuerlig justering med snabb respons men lider av harmoniska och hög kostnad. Magnetiskt kontrollerade reaktorer föredras. För att passa smarta nät behövs material- och strukturuppdateringar samt nya designar.
2 Strukturell design av kontrollerbara reaktorer i smarta nät
Det smarta nätet, eller Nät 2.0, bygger på tvåvägs kommunikationsnät. Det använder ny utrustning, teknik och metoder för att öka nätets säkerhet, effektivitet, miljövänlighet och ekonomi, och bättre uppfylla användarnas behov av elkvalitet. Kontrollerbara reaktorer är viktiga för konstruktionen av smarta nät. Nedan följer deras strukturella design baserad på nanokompositmagnetiska material.
2.1 Valf av magnetiska material
Nanokompositmagnetiska material består av nanokristallina hårda och mjuka magnetiska faser. Deras korn interagerar, vilket genererar en kopplad växlingseffekt under ström. Mikroskopiskt, vid fasgränssnitt, riktar magnetiska moment om fält under interaktion, vilket ökar remanensen. I kontrollerbara reaktorer: DC applicerat på virv skapar en exciteringsfält, magnetiserar materialet; AC formar ett dämpande fält, demagnetiserar det.
Förberedt via smältning snabbkyling, undergår materialet temperering för att justera dess mikrostruktur. Detta ökar kornstorlek och minskar coercitivitet, vilket uppfyller justeringsbehoven.
2.2 Övergripande strukturell design
Strukturen för den kontrollerbara reaktorn består av binderspön, en järnkärna, klampar, arbetsvirv, kontrollvirv och nanokompositmagnetiska material. Exciteringskolonnen, gjord av magnetiska material och siliciumstålplåtar, sitter i mitten. Arbetsvirv flankerar den, med deras yttre lager som huvudmagnetiska kretsar. Kontrollvirvet omsluter de magnetiska materialen.
Princip: Under normal nätverksdrift (ingen harmoniskt undertryckning/reaktiv reglering behövs), upptäcker reaktorn spänning, ström och reaktiv effekt. Dessa data går till kontrollsystemet för nätstatusbedömning. För harmoniskt undertryckning eller reaktiv reglering, justerar kontrollsystemet virvström. Magnetiska material ändrar reaktans via magnetisering. När parametrarna uppfyller designspecifikationer, justeras virvströmmen igen för att demagnetisera materialen tillbaka till noll remanens.
Enligt designkretsen, bortsett från primär- och sekundärsidens läckageflöden, får vi:
Där: E1 representerar den inducerade elektromotoriska kraften av W1; E2 representerar den inducerade elektromotoriska kraften av W2; E3 representerar den inducerade elektromotoriska kraften av W3. Vidare, genom att använda en T-typ krets för att likställa tvåportsnätet av den kontrollerbara reaktorn, kan vi få:
Låt Ik = β Ig, och induktansvärdet för arbetsporten är:
Reaktanskontrollkoefficienten är α, och Ik = αIg. Förhållandet mellan reaktansen för arbetsporten och α är:
Genom att ansluta arbetsporten parallellt med kraftnätet och behandla U1 som en konstant, kan följande system av ekvationer erhållas:
Där: Ig och Ik betecknar effektivvärdena av strömmarna vid de två portarna; Uk representerar effektivvärdet av spänningen vid kontrollporten. Genom att lösa systemet av ekvationer i Formel (5) kan vi erhålla driftsprestandaindikatorerna för den kontrollerbara reaktorn.
2.3 Design av kontrollsystem
Kontrollsystemet består av en huvudkrets (justerar magnetiska material remanens) och en detektering-kontrollunderdel (övervakar elektriska parametrar), som tillsammans arbetar för att uppnå hanteringsmål. När nätverksdrift kräver reaktansjustering, applicerar huvudkretsen strömmar för att magnetisera/demagnetisera material, medan underdelen övervakar belastningar för att hålla parametrarna optimala, vilket garanterar nätstabilitet. Reaktansändringar kommer från kärnmagnetiska tillståndsändringar. Kontrollerbar rektifiering möjliggör millisekunds-nivå AC-utdata, vilket uppfyller snabba magnetiska tillståndsövergångsbehov. Systemet ger order för reaktorn att undertrycka harmoniska och reglera reaktiv effekt, vilket upprätthåller nätstabilitet.
Driftprocess: 1) Upptäck nätstatus, samlar in parametrar och bedömer stabilitet. 2) När spänningsfluktuationer/harmoniska inträffar, ger reaktorns kontrollsystem order. 3) Huvudkretsen ger ut justerbart induktans; material magnetiseras, ändrar remanens/kärntillstånd och därmed reaktorinduktans. 4) Efter justering, reversera justeringen av induktans för att demagnetisera materialen och återställa reaktorn. Matlab-simuleringar verifierade systemets noggrannhet: 15 A magnetiseringsström och 220 V demagnetiseringsspänning med stabila former, uppfyller magnetisering/demagnetisering krav.
3 Experimentell analys av reaktansjusteringsverkan
För att verifiera reaktorns reaktansjusteringsprestanda byggdes en prototyp och ett stödjande kontrollsystem enligt design och simuleringar. Experiment analyserade induktansfördelningskaraktäristika och utvärderade förändringar i nätets elkvalitet.
3.1 Stabilitet hos den kontrollerbara reaktorn
Under experimentet samlades data in för att rita upp volt-ampere karakteristikkurvan och driftströmskurvan för den kontrollerbara reaktorn. Resultaten visar att: ① När spänningsvärdet ökar, stiger strömmen i arbetsvirvet, och de båda visar en linjär relation, vilket indikerar att under olika magnetiseringspådrag, induktansvärdet hålls inom en relativt konstant gräns. ② När magnetiseringspådraget är 0–35 V, sjunker induktansen från 0,74 H till 0,61 H, och induktansutmatningen är stabil, vilket uppfyller kravet på slät justering. Förändringen av induktans med magnetiseringspådrag visas i Tabell 2.
I detta studie uppnås förändringen av induktansvärdet för den kontrollerbara reaktorn genom magnetisering och demagnetisering av magnetiska material, vilket i sin tur beror på alternerande ström och direktström som passerar in i kontrollvirvet. Denna operation kommer också att orsaka störningar i arbetsvirvet. Därför är det nödvändigt att ytterligare analysera dess drifttransientprocess. För detta ändamål användes en blandad-domänsoskop för att samla in strömförmånen av magnetiska material under magnetisering och demagnetisering. Resultaten visar att reaktorn svarar snabbt, och strömförmån är i ett stabilt tillstånd efter fullbordad magnetisering.
3.2 Mätresultat av induktansvärdet
Under den faktiska drift av den kontrollerbara reaktorn, erhålls induktansvärdena genom att tillämpa olika magnetiseringspådrag som visas i Tabell 3. Analysen visar att: ① Induktansvärdet för reaktorn ändras ungefär linjärt med variationen av remanent magnetism hos magnetiska material. Detta innebär att även en liten förändring av DC-spänningen kan effektivt justera induktansvärdet för reaktorn. ② Genom exakt reglering av magnetiska materialens magnetiska tillstånd kan den kontrollerbara reaktorn flexibelt ändra sitt induktansvärde, vilket leder till effektiv kompensation av reaktiv effekt i kraftledningen.
3.3 Förändringar i kraftnätets elkvalitet
I kraftsystemet registrerades ström- och spänningsförändringar på högspänningssidan av transformatorn innan och efter användning av den kontrollerbara reaktorn, och harmoniska karaktäristika observerades. Resultaten visas i Tabell 4. Analysen visar att: ① Innan användning av den kontrollerbara reaktorn var ström- och spänningsförändringarna på högspänningssidan komplexa, och deras former hade inga regelbundna egenskaper; efter användning av den kontrollerbara reaktorn förbättrades ström- och spänningsformerna på högspänningssidan och hade uppenbara regelbundna egenskaper. ② Efter användning av den kontrollerbara reaktorn minskade harmoniska innehåll, aktiv effekt ökade, och elkvaliteten förbättrades betydligt.
4 Slutsats
Sammanfattningsvis spelar reaktorer en viktig roll i elkraftsystem, stabiliserar spänningen, undertrycker harmoniska, dämpar svängningar och ökar effektfaktorn. Bland befintliga typer, är magnetiskt kontrollerade reaktorer, med kontinuerlig reaktansjustering, stor kapacitet och låg kostnad, vidhäftigt använda i elkraftsystem. För att adressera problem som långsam respons och höga vibrationsförluster hos magnetiskt kontrollerade reaktorer, utformar denna studie en kontrollerbar reaktor med hjälp av nanokompositmagnetiska material.
Experimentella slutsatser: ① Reaktorn svarar snabbt, med stabila strömförmån efter magnetisering. ② Även små förändringar i DC-spänningen kan effektivt justera induktans. Genom exakt reglering av magnetiska materialens magnetiska tillstånd kan reaktorn flexibelt ändra induktans för att kompensera reaktiv effekt i kraftledningen. ③ Efter tillämpning förbättras ström- och spänningsformer samt elkvaliteten på högspänningssidan betydligt, lämplig för smarta nätets främjande. Framöver, med nya material, teknologier och processer, kommer kontrollerbara reaktorer att optimeras för att bättre uppfylla smarta nätets behov och säkerställa stabil nätverksdrift.
