Pangmatnubay na disenyo at aplikasyon ng mga kontroladong reaktor para sa smart grid

Ang mga reactor ay mahalaga para sa kompensasyon ng reactive power sa mga sistema ng kuryente, na ang magnetically controlled reactors ang sentro ng pagsasaliksik. Ang isang smart grid, na nag-uugnay sa tradisyonal na grid sa pamamagitan ng advanced na teknolohiya, ay nagpapataas ng kaligtasan at reliabilidad, na nagdudulot ng pagtaas ng pangangailangan para sa controllable reactors. Kaya, ang pagbuo ng bagong uri ng mga ito ay mahalaga. Ang papel na ito, na nakabatay sa praktikal na karanasan, ay nag-aaral ng kanilang disenyo ng istraktura at aplikasyon upang mapadali ang inobasyon at mapaunlad ang konstruksyon ng smart grid.

1 Mga Pungsiyon at Katayuan ng Aplikasyon ng Controllable Reactors
1.1 Mga Pungsiyon

Para sa mga grid, ang controllable reactors ay nagbabawas ng network losses, nagpapataas ng power factor sa higit sa 0.9, nagbabawas ng oscillations, nagpapalawak ng damping limits, nagpapataas ng transmission capacity, at nagpapataas ng voltage stability. Para sa mga user, sila: ① Nagpapatibay ng voltage, nagprotekta ng mga equipment tulad ng transformers, at nagpapahaba ng serbisyo. ② Nagwawala ng harmonics, nagbabawas ng losses, at nagpapataas ng kaligtasan. ③ Nagbabawas ng voltage flicker, nagpapataas ng kalidad ng kuryente. ④ Nagbabawas ng reactive losses para sa mga user na may mataas na demand, nagbabawas ng gastos sa kuryente. ⑤ Nagbibigay ng kapasidad na expansion sa mababang cost sa pamamagitan ng dynamic compensation.

1.2 Katayuan ng Aplikasyon

Ang controllable reactors ay malawakang ginagamit sa mga sistema ng kuryente, tulad ng sa mga power utilities, industrial utilities, new energy power generation, at iba pang larangan. Sa pagtaas ng demand para sa kuryente at ang upgrade ng power transmission at distribution grids, ang market demand para sa controllable reactors ay patuloy na tumataas.

Ang mga reactor ay may tatlong uri: magnetic control, switch-throwing, at electronic-switch control. Ang magnetic control reactors ay nagbibigay ng continuous adjustment, malaking kapasidad, at mababang cost ngunit may mabagal na response, mataas na loss vibration, at harmonics. Ang switch-throwing ones ay nag-iwas ng vibration/harmonics ngunit hindi nag-adjust continuously, limitado ang gamit. Ang electronic-switch types ay nagbibigay ng continuous adjustment na may mabilis na response ngunit may harmonics at mataas na cost. Ang magnetic control reactors ang pinili. Upang tugunan ang smart grids, kailangan ng material/structural upgrades at bagong disenyo.

2 Disenyo ng Istraktura ng Controllable Reactors sa Smart Grids

Ang smart grid, o Grid 2.0, ay binubuo ng two-way communication networks. Ito ay gumagamit ng bagong equipment, teknolohiya, at pamamaraan upang mapataas ang kaligtasan, efisiensiya, environmental-friendliness, at ekonomiya ng grid, mas magandang tugunan ang mga pangangailangan ng kalidad ng kuryente ng mga user. Ang controllable reactors ay mahalaga para sa konstruksyon ng smart grid. Sa ibaba ay ang kanilang disenyo ng istraktura batay sa nanocomposite magnetic materials.

2.1 Pagpili ng Magnetic Materials

Ang nanocomposite magnetic materials ay binubuo ng nanocrystalline hard at soft magnetic phases. Ang kanilang grains ay sumasama, nagbibigay ng coupled exchange effect sa ilalim ng current. Microscopically, sa phase interfaces, ang magnetic moments ay reorient fields sa panahon ng interaksiyon, nagpapataas ng remanence. Sa controllable reactors: DC applied to windings creates an excitation field, magnetizing the material; AC forms an attenuating field, demagnetizing it.

Pinaghandaan sa pamamagitan ng melt rapid quenching, ang materyal ay dadaan sa tempering upang ayusin ang microstructure nito. Ito ay nagpapalaki ng grains at nagpapababa ng coercivity, tugon sa mga pangangailangan ng adjustment.

2.2 Kabuuang Disenyo ng Istraktura

Ang istraktura ng controllable reactor ay binubuo ng tie rods, iron core, clamps, working windings, control windings, at nanocomposite magnetic materials. Ang excitation column, gawa ng magnetic materials at silicon steel sheets, ay nakaupo sa sentro. Ang working windings ay nasa gilid nito, ang kanilang pinakababang layers ay ang pangunahing magnetic circuits. Ang control winding ay nakabalot sa magnetic materials.

Prinsipyo: Sa normal na operasyon ng grid (walang harmonic suppression/reactive regulation needed), ang reactor ay nagdedetect ng voltage, current, at reactive power. Ang mga data na ito ay pumapasok sa control system para sa evaluasyon ng status ng grid. Para sa harmonic suppression o reactive regulation, ang control system ay nag-adjust ng winding current. Ang magnetic materials ay nagbabago ng reactance sa pamamagitan ng magnetization. Kapag ang mga parameter ay sumasabay sa design specs, ang winding current ay naadjust ulit upang demagnetize ang materials back to zero remanence.

Ayon sa disenyo circuit, ignoring primary- and secondary-side leakage fluxes, kami ay nakakakuha:

Kung saan: E₁ represent ang induced electromotive force ng W₁; E₂ represent ang induced electromotive force ng W₂; E₃ represent ang induced electromotive force ng W₃. Mas lalo pa, sa pamamagitan ng paggamit ng T-type circuit upang equate ang two-port network ng controllable reactor, kami ay makakakuha:

Hayaan I_k = β I_g, at ang inductance value ng working port ay:

Ang reactance control coefficient ay α, at I_k = αI_g. Ang relasyon sa pagitan ng reactance ng working port at α ay:

Sa pamamagitan ng pagkonekta ng working port in parallel with the power grid at treating U₁ bilang constant, ang sumusunod na system of equations ay makukuha:

Kung saan: I_g at I_k represent ang effective values ng currents sa dalawang ports; U_k represent ang effective value ng voltage sa control port. Solving the system of equations in Formula (5) allows us to obtain the operating performance indicators of the controllable reactor.

2.3 Disenyo ng Control System

Ang control system ay binubuo ng main circuit (adjusting magnetic material remanence) at detection-control subsystem (monitoring electrical parameters), nagtatrabaho nang sama-sama upang maabot ang mga layunin ng management. Kapag ang operasyon ng grid ay nangangailangan ng adjust ng reactance, ang main circuit ay naglalapat ng currents upang magnetize/demagnetize ang materials, habang ang subsystem ay nagmomonitor ng loads upang panatilihin ang mga parameter na optimal, tiyakin ang estabilidad ng grid. Ang pagbabago ng reactance ay nagmumula sa shift ng magnetic state ng core. Ang controllable rectification ay nagbibigay ng millisecond-level AC output, tugon sa mga pangangailangan ng mabilis na conversion ng magnetic state. Ang sistema ay nagbibigay ng mga utos para sa reactor upang suppresin ang harmonics at regulate ang reactive power, panatilihin ang estabilidad ng grid.

Operasyon process: 1) Detect grid status, collect parameters, at assess stability. 2) Kapag ang voltage fluctuations/harmonics ay nangyayari, ang control system ng reactor ay nagbibigay ng mga utos. 3) Ang main circuit ay lumilikha ng adjustable inductance; ang materials ay magnetize, nagbabago ng remanence/core state at kaya naman ang inductance ng reactor. 4) Pagkatapos ng adjustment, reverse-adjust ang inductance upang demagnetize ang materials at i-reset ang reactor. Ang Matlab simulations ay napatunayan ang accuracy ng sistema: 15 A magnetizing current at 220 V demagnetizing voltage na may stable waveforms, tugon sa mga pangangailangan ng magnetization/demagnetization.

3 Experimental Analysis ng Epekto ng Adjust ng Reactance

Upang ipapatunayan ang performans ng adjust ng reactance ng reactor, isang prototype at suportadong control system ay binuo batay sa disenyo at simulations. Ang mga eksperimento ay analisa ang mga katangian ng distribusyon ng inductance at evaluate ang mga pagbabago sa kalidad ng kuryente ng grid.

3.1 Estabilidad ng Controllable Reactor

Sa eksperimento, ang mga data ay kinolekta upang plot ang volt-ampere characteristic curve at operating current curve ng controllable reactor. Ang resulta ay nagpapakita na: ① Habang tumaas ang halaga ng voltage, ang current ng working winding ay tumaas, at ang dalawa ay nagpapakita ng linear relationship, nagpapahiwatig na sa iba't ibang magnetizing voltages, ang inductance value ay nasa isang relatibong constant range. ② Kapag ang magnetizing voltage ay 0-35 V, ang inductance ay bumaba mula 0.74 H hanggang 0.61 H, at ang inductance output ay stable, tugon sa requirement para sa smooth adjustment. Ang pagbabago ng inductance sa magnetizing voltage ay ipinapakita sa Table 2.

Sa pag-aaral na ito, ang pagbabago ng inductance value ng controllable reactor ay natutukoy sa pamamagitan ng magnetization at demagnetization ng magnetic materials, na sa kanyang pagkakabigo ay depende sa alternating current at direct current na ipinapasok sa control winding. Ang operasyong ito ay magdadala rin ng disturbance sa working winding. Kaya, kinakailangan ng mas karagdagang analisis ng transient process nito. Para dito, isang mixed-domain oscilloscope ay ginamit upang kolektahin ang mga waveform ng current ng magnetic materials sa panahon ng magnetization at demagnetization. Ang resulta ay nagpapakita na ang reactor ay mabilis na sumasagot, at ang waveform ng current ay nasa stable state pagkatapos ng pagtapos ng magnetization.

3.2 Resulta ng Pagmeasure ng Inductance Value

Sa aktwal na operasyon ng controllable reactor, ang inductance values na nakuha sa pamamagitan ng pag-apply ng iba't ibang magnetizing voltages ay ipinapakita sa Table 3. Ang analisis ay nagpapakita na: ① Ang inductance value ng reactor ay nagbabago nang medyo linear sa pagbabago ng remanence ng magnetic material. Ito ay nangangahulugan na kahit na maliit na pagbabago sa DC voltage ay maaaring epektibong ayusin ang inductance value ng reactor. ② Sa pamamagitan ng precise regulation ng magnetic state ng magnetic material, ang controllable reactor ay maaaring flexible na baguhin ang kanyang inductance value, kaya naman nagagampanan ang epektibong kompensasyon ng reactive power sa power line.

3.3 Pagbabago sa Kalidad ng Kuryente ng Power Grid

Sa power system, ang mga pagbabago sa current at voltage sa high-voltage side ng transformer bago at pagkatapos gamitin ang controllable reactor ay na-record, at ang mga katangian ng harmonics ay na-observe. Ang resulta ay ipinapakita sa Table 4. Ang analisis ay nagpapakita na: ① Bago gamitin ang controllable reactor, ang mga pagbabago sa current at voltage sa high-voltage side ay komplikado, at ang kanilang mga waveform ay walang regular na katangian; pagkatapos gamitin ang controllable reactor, ang mga waveform ng current at voltage sa high-voltage side ay nabago at may obvious na regular na katangian. ② Pagkatapos gamitin ang controllable reactor, ang harmonic content ay bumaba, ang active power ay tumaas, at ang kalidad ng kuryente ay malaki ang pagbabago.

4 Kasimpulan

Sa kasimpulan, ang mga reactor ay may mahalagang papel sa mga sistema ng kuryente, na nagpapatibay ng voltage, nag-suppress ng harmonics, nag-damping ng oscillations, at nagpapataas ng power factor. Sa mga umiiral na uri, ang magnetically controlled reactors, na may continuous reactance adjustment, malaking kapasidad, at mababang cost, ay malawakang ginagamit sa mga sistema ng kuryente. Upang tugunan ang mga isyu tulad ng mabagal na response at mataas na loss vibration ng magnetically controlled reactors, ang pag-aaral na ito ay nagdisenyo ng controllable reactor gamit ang nanocomposite magnetic materials.

Experimental conclusions: ① Ang reactor ay mabilis na sumasagot, may stable current waveforms pagkatapos ng magnetization. ② Kahit maliit na pagbabago sa DC voltage ay maaaring epektibong ayusin ang inductance. Sa pamamagitan ng precise regulation ng magnetic state ng materials, ang reactor ay maaaring flexible na baguhin ang inductance upang kompensahin ang reactive power sa power lines. ③ Pagkatapos ng application, ang high-voltage side current/voltage waveforms at kalidad ng kuryente ay malaki ang pagbabago, angkop para sa promotion ng smart grid. Sa hinaharap, sa pamamagitan ng bagong materials, teknolohiya, at proseso, ang controllable reactors ay maaaring optimized upang mas maayos na tugunan ang mga pangangailangan ng smart grid at tiyakin ang stable na operasyon ng grid.