การออกแบบโครงสร้างและการประยุกต์ใช้ตัวต้านทานที่ควบคุมได้สำหรับระบบไฟฟ้าอัจฉริยะ
รีแอคเตอร์เป็นสิ่งสำคัญในการชดเชยพลังงาน реактивной в системах электропередачи, с магнитно-управляемыми реакторами как фокус исследований. Интеллектуальная энергетическая система, модернизированная с использованием передовых технологий, повышает безопасность и надежность, увеличивая потребности в управляемых реакторах. Таким образом, разработка новых типов имеет значение. В данной статье, объединяя практику, исследуется их структурное проектирование и применение для стимулирования инноваций и улучшения строительства интеллектуальных сетей.
1 ฟังก์ชันและการใช้งานของรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้
1.1 ฟังก์ชัน
สำหรับระบบไฟฟ้า, รีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้ลดการสูญเสียในเครือข่าย, เพิ่มตัวประกอบกำลังให้มากกว่า 0.9, ลดการสั่น, ขยายขีดจำกัดการหน่วง, เพิ่มความสามารถในการส่งผ่าน, และเพิ่มความมั่นคงของแรงดัน. สำหรับผู้ใช้, พวกเขารักษาความมั่นคงของแรงดัน, ปกป้องอุปกรณ์เช่นหม้อแปลง, และยืดอายุการใช้งาน. ② กำจัดฮาร์โมนิก, ลดการสูญเสีย, และเพิ่มความปลอดภัย. ③ ควบคุมการกระพริบของแรงดัน, เพิ่มคุณภาพไฟฟ้า. ④ ลดการสูญเสียพลังงาน реактивной дляผู้ใช้ที่มีความต้องการสูง, ลดค่าไฟฟ้า. ⑤ ทำให้สามารถขยายกำลังการผลิตได้ในราคาถูกผ่านการชดเชยแบบไดนามิก.
1.2 การใช้งาน
รีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้ถูกใช้อย่างแพร่หลายในระบบไฟฟ้า เช่น ในระบบสาธารณูปโภคไฟฟ้า, ระบบสาธารณูปโภคทางอุตสาหกรรม, การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานใหม่ และสาขาอื่น ๆ ด้วยการเพิ่มขึ้นของความต้องการพลังงานและการปรับปรุงระบบส่งและกระจายไฟฟ้า ความต้องการตลาดสำหรับรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้ก็เพิ่มขึ้นด้วยเช่นกัน.
รีแอคเตอร์แบ่งออกเป็นสามประเภท: ควบคุมโดยแม่เหล็ก, โยนสวิตช์, และควบคุมด้วยสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์. รีแอคเตอร์ควบคุมโดยแม่เหล็กให้การปรับต่อเนื่อง, ความจุสูง, และต้นทุนต่ำ แต่มีการตอบสนองช้า, สูญเสียสั่นสะเทือนสูง, และฮาร์โมนิก. รีแอคเตอร์โยนสวิตช์หลีกเลี่ยงสั่นสะเทือน/ฮาร์โมนิก แต่ปรับไม่ต่อเนื่อง จำกัดการใช้งาน. รีแอคเตอร์ควบคุมด้วยสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ให้การปรับต่อเนื่องด้วยการตอบสนองเร็ว แต่มีฮาร์โมนิกและต้นทุนสูง. รีแอคเตอร์ควบคุมโดยแม่เหล็กเป็นที่นิยม. เพื่อให้เหมาะสมกับสมาร์ทกริด จำเป็นต้องมีการปรับปรุงวัสดุ/โครงสร้างและการออกแบบใหม่.
2 การออกแบบโครงสร้างของรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้ในสมาร์ทกริด
สมาร์ทกริด หรือ Grid 2.0, สร้างบนเครือข่ายสื่อสารสองทาง. มันใช้อุปกรณ์ เทคโนโลยี และวิธีการใหม่เพื่อเพิ่มความปลอดภัย ประสิทธิภาพ ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และเศรษฐกิจของกริด, ตอบสนองความต้องการคุณภาพไฟฟ้าของผู้ใช้ได้ดีขึ้น. รีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้เป็นสิ่งสำคัญในการสร้างสมาร์ทกริด. ด้านล่างนี้คือการออกแบบโครงสร้างของพวกมันตามวัสดุแม่เหล็กนาโนคอมโพสิต.
2.1 การเลือกวัสดุแม่เหล็ก
วัสดุแม่เหล็กนาโนคอมโพสิตประกอบด้วยเฟสแม่เหล็กแข็งและอ่อนในระดับนาโนคริสตัล. เม็ดของพวกมันมีปฏิสัมพันธ์, สร้างผลกระทบการแลกเปลี่ยนที่เชื่อมโยงภายใต้กระแสไฟฟ้า. ในระดับไมโครสโคป, ที่ขอบเขตเฟส, โมเมนต์แม่เหล็กปรับสนามระหว่างการปฏิสัมพันธ์, เพิ่มความเหลือ. ในรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้: กระแสไฟฟ้าตรงที่นำไปยังวงจรพันสร้างสนามกระตุ้น, ทำให้วัสดุมีแม่เหล็ก; กระแสไฟฟ้าสลับสร้างสนามที่ลดลง, ทำให้วัสดุหมดแม่เหล็ก.
เตรียมโดยการหลอมและทำให้เย็นอย่างรวดเร็ว, วัสดุผ่านกระบวนการอบเพื่อปรับโครงสร้างไมโคร. นี่ขยายเม็ดและลดค่าความจำเป็น, ตอบสนองความต้องการในการปรับ.
2.2 การออกแบบโครงสร้างโดยรวม
โครงสร้างของรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้ประกอบด้วยแกนยึด, แกนเหล็ก, คลิป, วงจรพันทำงาน, วงจรพันควบคุม, และวัสดุแม่เหล็กนาโนคอมโพสิต. แกนกระตุ้น, ทำจากวัสดุแม่เหล็กและแผ่นเหล็กซิลิคอน, ตั้งอยู่ที่ศูนย์กลาง. วงจรพันทำงานอยู่ข้างๆ, ด้วยชั้นนอกสุดเป็นวงจรแม่เหล็กหลัก. วงจรพันควบคุมห่อรอบวัสดุแม่เหล็ก.
หลักการ: ระหว่างการทำงานปกติของระบบไฟฟ้า (ไม่ต้องการการยับยั้งฮาร์โมนิก/การควบคุมพลังงาน реактивной), รีแอคเตอร์ตรวจจับแรงดัน, กระแส, และพลังงาน реактивной. ข้อมูลเหล่านี้ไปยังระบบควบคุมเพื่อประเมินสถานะของระบบ. สำหรับการยับยั้งฮาร์โมนิกหรือการควบคุมพลังงาน реактивной, ระบบควบคุมปรับกระแสวงจรพัน. วัสดุแม่เหล็กเปลี่ยนค่าความต้านทานผ่านการมีแม่เหล็ก. เมื่อพารามิเตอร์ตรงตามข้อกำหนดการออกแบบ, กระแสวงจรพันจะถูกปรับใหม่เพื่อทำให้วัสดุหมดแม่เหล็กกลับมาที่ความเหลือศูนย์.
ตามวงจรการออกแบบ, โดยละเว้นฟลักซ์รั่วไหลฝั่งหลักและฝั่งรอง, เราได้:
ที่ไหน: E1 แทนแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำของ W1; E2 แทนแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำของ W2; E3 แทนแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำของ W3. ต่อไป, โดยใช้วงจร T-ประเภทเพื่อเท่ากับวงจรสองพอร์ตของรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้, เราสามารถได้:
ให้ Ik = β Ig, และค่าความเหนี่ยวนำของพอร์ตทำงานคือ:
สัมประสิทธิ์ควบคุมความต้านทานคือ α, และ Ik = αIg. ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานของพอร์ตทำงานและ α คือ:
โดยการเชื่อมต่อพอร์ตทำงานขนานกับระบบไฟฟ้าและพิจารณา U1 เป็นค่าคงที่, ระบบสมการต่อไปนี้สามารถได้:
ที่ไหน: Ig และ Ik หมายถึงค่ามีผลของกระแสที่สองพอร์ต; Uk หมายถึงค่ามีผลของแรงดันที่พอร์ตควบคุม. การแก้ระบบสมการในสูตร (5) ทำให้เราได้ตัวชี้วัดประสิทธิภาพการทำงานของรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้.
2.3 การออกแบบระบบควบคุม
ระบบควบคุมประกอบด้วยวงจรหลัก (ปรับความเหลือของวัสดุแม่เหล็ก) และระบบย่อยตรวจจับ-ควบคุม (ตรวจสอบพารามิเตอร์ไฟฟ้า), ทำงานร่วมกันเพื่อบรรลุเป้าหมายการจัดการ. เมื่อการทำงานของระบบไฟฟ้าต้องการการปรับความต้านทาน, วงจรหลักใช้กระแสเพื่อมีแม่เหล็ก/หมดแม่เหล็กวัสดุ, ในขณะที่ระบบย่อยตรวจจับโหลดเพื่อรักษาพารามิเตอร์ให้เหมาะสม, รับประกันความมั่นคงของระบบ. การเปลี่ยนแปลงความต้านทานมาจากการเปลี่ยนแปลงสถานะแม่เหล็กของแกน. การแปลงกระแสควบคุมทำให้ได้เอาต์พุต AC ระดับมิลลิวินาที, ตอบสนองความต้องการการแปลงสถานะแม่เหล็กอย่างรวดเร็ว. ระบบส่งคำสั่งให้รีแอคเตอร์ยับยั้งฮาร์โมนิกและควบคุมพลังงาน реактивной, รักษาความมั่นคงของระบบ.
กระบวนการดำเนินงาน: 1) ตรวจจับสถานะระบบ, รวบรวมพารามิเตอร์, และประเมินความมั่นคง. 2) เมื่อเกิดการแกว่งของแรงดัน/ฮาร์โมนิก, ระบบควบคุมของรีแอคเตอร์ส่งคำสั่ง. 3) วงจรหลักส่งออกความเหนี่ยวนำที่ปรับได้; วัสดุมีแม่เหล็ก, ทำให้ความเหลือและสถานะแกนเปลี่ยนแปลง, ทำให้ความเหนี่ยวนำของรีแอคเตอร์เปลี่ยนแปลง. 4) หลังการปรับ, ทำการปรับกลับความเหนี่ยวนำเพื่อทำให้วัสดุหมดแม่เหล็กและรีเซ็ตรีแอคเตอร์. การจำลองด้วย Matlab ยืนยันความแม่นยำของระบบ: กระแสแม่เหล็ก 15 A และแรงดันหมดแม่เหล็ก 220 V ด้วยรูปคลื่นที่มั่นคง, ตอบสนองความต้องการในการมีแม่เหล็ก/หมดแม่เหล็ก.
3 การวิเคราะห์ผลของการปรับความต้านทาน
เพื่อยืนยันประสิทธิภาพการปรับความต้านทานของรีแอคเตอร์, ต้นแบบและระบบควบคุมที่สนับสนุนถูกสร้างขึ้นตามการออกแบบและจำลอง. การทดลองวิเคราะห์ลักษณะการกระจายของความเหนี่ยวนำและประเมินการเปลี่ยนแปลงคุณภาพไฟฟ้าของระบบ.
3.1 ความมั่นคงของรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้
ในการทดลอง, ข้อมูลถูกรวบรวมเพื่อวาดกราฟลักษณะแรงดัน-กระแสและกราฟกระแสทำงานของรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้. ผลลัพธ์แสดงว่า: ① เมื่อค่าแรงดันเพิ่มขึ้น, กระแสของวงจรพันทำงานเพิ่มขึ้น, และทั้งสองมีความสัมพันธ์เชิงเส้น, แสดงว่าภายใต้แรงดันแม่เหล็กต่างๆ, ค่าความเหนี่ยวนำอยู่ในช่วงที่ค่อนข้างคงที่. ② เมื่อแรงดันแม่เหล็กอยู่ระหว่าง 0-35 V, ความเหนี่ยวนำลดลงจาก 0.74 H เป็น 0.61 H, และความเหนี่ยวนำที่ส่งออกมายังคงที่, ตอบสนองความต้องการในการปรับที่ราบรื่น. การเปลี่ยนแปลงของความเหนี่ยวนำกับแรงดันแม่เหล็กแสดงในตาราง 2.
ในการศึกษานี้, การเปลี่ยนแปลงของค่าความเหนี่ยวนำของรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้ถูกทำผ่านการมีแม่เหล็กและหมดแม่เหล็กของวัสดุแม่เหล็ก, ซึ่งขึ้นอยู่กับกระแสสลับและกระแสตรงที่ผ่านวงจรพันควบคุม. การดำเนินการนี้จะทำให้เกิดการรบกวนวงจรพันทำงาน. ดังนั้น, จำเป็นต้องวิเคราะห์กระบวนการชั่วขณะการทำงานต่อ. เพื่อเป็นการนี้, โอสโคปโดเมนผสมถูกใช้เพื่อรวบรวมรูปคลื่นของกระแสของวัสดุแม่เหล็กระหว่างการมีแม่เหล็กและหมดแม่เหล็ก. ผลลัพธ์แสดงว่ารีแอคเตอร์ตอบสนองอย่างรวดเร็ว, และรูปคลื่นของกระแสอยู่ในสภาพที่มั่นคงหลังจากการมีแม่เหล็กเสร็จสิ้น.
3.2 ผลการวัดค่าความเหนี่ยวนำ
ในการทำงานจริงของรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้, ค่าความเหนี่ยวนำที่ได้จากการใช้แรงดันแม่เหล็กต่างๆ แสดงในตาราง 3. การวิเคราะห์พบว่า: ① ค่าความเหนี่ยวนำของรีแอคเตอร์เปลี่ยนแปลงประมาณเชิงเส้นกับการเปลี่ยนแปลงของความเหลือของวัสดุแม่เหล็ก. นี่หมายความว่าแม้กระทั่งการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของแรงดัน DC ก็สามารถปรับค่าความเหนี่ยวนำของรีแอคเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ. ② โดยการควบคุมสถานะแม่เหล็กของวัสดุแม่เหล็กอย่างแม่นยำ, รีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้สามารถเปลี่ยนแปลงค่าความเหนี่ยวนำได้อย่างยืดหยุ่น, ทำให้สามารถชดเชยพลังงาน реактивнойในสายส่งไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ.
3.3 การเปลี่ยนแปลงคุณภาพไฟฟ้าของระบบไฟฟ้า
ในระบบไฟฟ้า, การเปลี่ยนแปลงของกระแสและความดันบนฝั่งแรงดันสูงของหม้อแปลงก่อนและหลังการใช้รีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้ถูกบันทึก, และคุณลักษณะฮาร์โมนิกถูกสังเกต. ผลลัพธ์แสดงในตาราง 4. การวิเคราะห์พบว่า: ① ก่อนการใช้รีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้, การเปลี่ยนแปลงของกระแสและความดันบนฝั่งแรงดันสูงมีความซับซ้อน, และรูปคลื่นไม่มีลักษณะที่แน่นอน; หลังการใช้รีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้, รูปคลื่นของกระแสและความดันบนฝั่งแรงดันสูงได้รับการปรับปรุงและมีลักษณะที่ชัดเจน. ② หลังการใช้รีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้, ปริมาณฮาร์โมนิกลดลง, พลังงานใช้งานเพิ่มขึ้น, และคุณภาพไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ.
4 สรุป
สรุปแล้ว, รีแอคเตอร์มีบทบาทสำคัญในระบบไฟฟ้า, รักษาความมั่นคงของแรงดัน, ยับยั้งฮาร์โมนิก, ลดการสั่น, และเพิ่มตัวประกอบกำลัง. ระหว่างประเภทที่มีอยู่, รีแอคเตอร์ควบคุมโดยแม่เหล็ก, ด้วยการปรับความต้านทานต่อเนื่อง, ความจุสูง, และต้นทุนต่ำ, ถูกใช้อย่างแพร่หลายในระบบไฟฟ้า. เพื่อแก้ปัญหาการตอบสนองช้าและการสูญเสียสั่นสะเทือนสูงของรีแอคเตอร์ควบคุมโดยแม่เหล็ก, การศึกษานี้ออกแบบรีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้โดยใช้วัสดุแม่เหล็กนาโนคอมโพสิต.
สรุปผลการทดลอง: ① รีแอคเตอร์ตอบสนองอย่างรวดเร็ว, รูปคลื่นของกระแสมั่นคงหลังการมีแม่เหล็ก. ② แม้การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของแรงดัน DC ก็สามารถปรับความเหนี่ยวนำได้อย่างมีประสิทธิภาพ. โดยการควบคุมสถานะแม่เหล็กของวัสดุอย่างแม่นยำ, รีแอคเตอร์สามารถเปลี่ยนแปลงความเหนี่ยวนำอย่างยืดหยุ่นเพื่อชดเชยพลังงาน реактивнойในสายส่งไฟฟ้า. ③ หลังการใช้งาน, รูปคลื่นของกระแสและความดันบนฝั่งแรงดันสูงและคุณภาพไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ, เหมาะสำหรับการส่งเสริมสมาร์ทกริด. ในอนาคต, ด้วยวัสดุใหม่, เทคโนโลยี, และกระบวนการ, รีแอคเตอร์ที่ควบคุมได้จะได้รับการปรับปรุงเพื่อตอบสนองความต้องการของสมาร์ทกริดและรับประกันการทำงานของระบบอย่างมั่นคง.
