Akıllı Elektrik Ağları için Kontrollü Reaktörlerin Yapısal Tasarımı ve Uygulaması
Reaktörler, güç sistemlerinde reaktif güç kompansasyonu için kritik öneme sahiptir ve manyetik kontrol edilebilir reaktörler araştırma odak noktasıdır. Akıllı şebeke, gelişmiş teknoloji ile geleneksel şebekeleri yükselterek güvenliği ve güvenilirliği artırır, bu da kontrol edilebilir reaktörler için talebi artırmaktadır. Bu nedenle, yeni türlerinin geliştirilmesi önemlidir. Bu makale, uygulamayla birleştirerek yapısal tasarım ve kullanımını inceleyerek yenilikleri teşvik etme ve akıllı şebeke inşasını geliştirmeyi amaçlamaktadır.
1 Kontrol Edilebilir Reaktörlerin Fonksiyonları ve Uygulama Durumu
1.1 Fonksiyonlar
Şebekeler için, kontrol edilebilir reaktörler ağ kayıplarını azaltır, güç faktörünü 0,9'un üzerinde çıkarır, salınımları azaltır, sönümleme sınırlarını genişletir, iletim kapasitesini artırır ve gerilim istikrarını iyileştirir. Kullanıcılar için: ① Gerilimi istikrarlı tutar, trafo gibi ekipmanları korur ve hizmet ömrünü uzatır. ② Harmonikleri ortadan kaldırır, kayıpları azaltır ve güvenliği artırır. ③ Gerilim parlamasını azaltarak güç kalitesini geliştirir. ④ Yüksek talep gören kullanıcıların reaktif kayıplarını düşürerek elektrik maliyetlerini azaltır. ⑤ Düşük maliyetle dinamik kompansasyon yoluyla kapasiteyi genişletmeyi sağlar.
1.2 Uygulama Durumu
Kontrol edilebilir reaktörler, elektrik dağıtım kuruluşları, endüstriyel tesisler, yeni enerji üretim ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Elektrik talebinin artması ve güç iletim ve dağıtım şebekelerinin yükseltmesiyle birlikte, kontrol edilebilir reaktörler için piyasa talebi de artmaktadır.
Reaktörler üç türe ayrılır: manyetik kontrol, anahtar değiştirme ve elektronik anahtar kontrol. Manyetik kontrol reaktörleri sürekli ayarlama, büyük kapasite ve düşük maliyet sunar ancak tepki süresi yavaş, kayıp titreşim ve harmonikleri yüksektir. Anahtar değiştirme türü, titreşim/harmonikleri önler ancak kesintisiz olmayan ayarlamaya izin verir, bu nedenle kullanımı sınırlıdır. Elektronik anahtar türleri hızlı tepki ile sürekli ayarlama sağlar ancak harmonikleri ve yüksek maliyeti vardır. Manyetik kontrol reaktörleri tercih edilir. Akıllı şebekelere uygun olması için malzeme/ yapısal yükseltmeler ve yeni tasarımlara ihtiyaç vardır.
2 Akıllı Şebekelerde Kontrol Edilebilir Reaktörlerin Yapısal Tasarımı
Akıllı şebeke, iki yönlü iletişim ağlarına dayanır. Yeni ekipman, teknoloji ve yöntemler kullanılarak şebeke güvenliğini, verimliliğini, çevre dostluluğunu ve ekonomisini artırır, böylece kullanıcıların güç kalitesi ihtiyaçlarını daha iyi karşılar. Kontrol edilebilir reaktörler akıllı şebeke inşasında kilit rol oynar. Aşağıda nanokompozit manyetik malzemeler temel alınarak yapısal tasarımı bulunmaktadır.
2.1 Manyetik Malzemelerin Seçimi
Nanokompozit manyetik malzemeler, nanokristal zor ve yumuşak manyetik fazlardan oluşur. Bu granüller, akım altında etkileşime girer ve birleşik değişim etkisi oluşturur. Mikroskopik olarak, faz arayüzlerinde, manyetik anlamlar etkileşim sırasında alanları yeniden oryantasyonlandırarak rezidü manyetizmayı artırır. Kontrol edilebilir reaktörlerde: bobinlere uygulanan DC, malzemeyi manyetize eden bir tahrik alanı oluşturur; AC ise demagnetize eden bir alana dönüşür.
Malzeme, eritme hızlı soğutma ile hazırlanır ve mikro yapısını ayarlamak için paslanmaya tabi tutulur. Bu, granülleri büyütür ve kıyaslama değerini azaltarak ayarlama ihtiyaçlarını karşılar.
2.2 Genel Yapısal Tasarım
Kontrol edilebilir reaktörün yapısı, bağlayıcı çubuklar, demir çekirdek, kıskaçlar, çalışma bobinleri, kontrol bobinleri ve nanokompozit manyetik malzemelerden oluşur. Merkezde, manyetik malzemeler ve silikon çeliğin olduğu tahrik sütunu bulunur. Çalışma bobinleri onun her iki tarafına yerleştirilir ve en dış katmanları ana manyetik devrelerdir. Kontrol bobini manyetik malzemeleri sarar.
Prinsip: Normal şebeke işletimi sırasında (harmonik baskıya veya reaktif düzenleme ihtiyacının olmadığı durumlarda), reaktör gerilim, akım ve reaktif gücü algılar. Bu veriler, şebeke durumunu değerlendirmek için kontrol sistemi tarafından kullanılır. Harmonik baskıya veya reaktif düzenlemeye ihtiyaç olduğunda, kontrol sistemi bobin akımını ayarlar. Manyetik malzemeler manyetize edilerek reaktansı değiştirir. Parametreler tasarım özelliklerine uymaya başladığında, bobin akımı tekrar ayarlanarak malzemeler sıfır rezidü manyetizma haline getirilir.
Tasarım devresine göre, birincil ve ikincil taraf sızıntı akımlarını göz ardı ederek, aşağıdaki formül elde edilir:
Burada: E1 , W1'in indüklenmiş elektromanyetik kuvvetini temsil eder; E2, W2'nin indüklenmiş elektromanyetik kuvvetini temsil eder; E3, W3'ün indüklenmiş elektromanyetik kuvvetini temsil eder. Ayrıca, T tipi devre kullanılarak kontrol edilebilir reaktörün iki portlu ağı eşitlenirse, aşağıdaki sonuç elde edilir:
Ik = β Ig olsun, ve çalışma portun indüktans değeri şu şekildedir:
Reaktans kontrol katsayısı α ve Ik = αIg. Çalışma portun reaktansı ile α arasındaki ilişki şu şekildedir:
Çalışma portu güç şebekesiyle paralel bağlandığında ve U1 sabit kabul edildiğinde, aşağıdaki denklem sistemi elde edilir:
Burada: Ig ve Ik, iki porttaki akımların etkin değerlerini temsil eder; Uk, kontrol portundaki voltajın etkin değerini temsil eder. Formül (5) denklem sisteminin çözümü, kontrol edilebilir reaktörün işletim performans göstergelerini sağlar.
2.3 Kontrol Sistemi Tasarımı
Kontrol sistemi, manyetik malzemenin rezidü manyetizmasını ayarlayan ana devre ve elektrik parametrelerini izleyen bir algılama-kontrol alt sistemi içerir. İkisi birlikte yönetim hedeflerini gerçekleştirmek için çalışır. Şebeke işlemi reaktans ayarlaması gerektirdiğinde, ana devre manyetik malzemeleri manyetize/demagnetize etmek için akımlar uygular, alt sistem ise yükleri izleyerek parametrelerin optimal kalmasını sağlar, şebeke istikrarını korur. Reaktans değişiklikleri çekirdekteki manyetik durum değişimlerinden kaynaklanır. Kontrollü rediktifiye, milisaniye düzeyinde AC çıktısı sağlayarak hızlı manyetik durum dönüştürme ihtiyaçlarını karşılar. Sistem, reaktörün harmonikleri bastırmasına ve reaktif güce düzenlemesine yönelik komutlar verir, şebeke istikrarını korur.
İşlem süreci: 1) Şebeke durumunu tespit edin, parametreleri toplayın ve istikrarı değerlendirin. 2) Gerilim dalgalanmaları/harmonikler olduğunda, reaktörün kontrol sistemi komutlar verir. 3) Ana devre ayarlanabilir indüktans üretir; malzemeler manyetize edilir, rezidü manyetizma/çekirdek durumu değişir ve reaktörün indüktansı değişir. 4) Ayarlama sonrası, indüktans ters ayarlanarak malzemeler demagnetize edilir ve reaktör sıfırlanır. Matlab simülasyonları, sistemin doğruluğunu doğruladı: 15 A manyetize akım ve 220 V demagnetize gerilim ile dalgalar istikrarlı, manyetize/demagnetize gerekliliklerini karşılar.
3 Reaktans Ayarlaması Etkisinin Deneysel Analizi
Reaktörün reaktans ayarlaması performansını doğrulamak için, tasarım ve simülasyonlara göre prototip ve destekleyici kontrol sistemi oluşturuldu. Deneysel analiz, indüktans dağılım karakteristiklerini inceledi ve şebeke güç kalitesindeki değişiklikleri değerlendirdi.
3.1 Kontrol Edilebilir Reaktörün İstikrarı
Deneyde, kontrol edilebilir reaktörün volt-ampere karakteristik eğrisi ve çalışma akımı eğrisi çizmek için veriler toplandı. Sonuçlar gösteriyor ki: ① Gerilim değeri arttıkça, çalışma bobinindeki akım artar ve ikisi arasında doğrusal bir ilişki vardır, bu da farklı manyetize gerilimler altında indüktans değeri oldukça sabit olduğunu gösterir. ② Manyetize gerilim 0-35 V aralığında olduğunda, indüktans 0,74 H'den 0,61 H'ye düşer ve indüktans çıkışı istikrarlıdır, düzgün ayarlamaya uygunluk sağlar. Manyetize gerilimle indüktans arasındaki ilişki Tablo 2'de gösterilmiştir.
Bu çalışmada, kontrol edilebilir reaktörün indüktans değeri, manyetik malzemelerin manyetize ve demagnetize edilmesi yoluyla değiştirilmiştir, bu da kontrol bobinine geçirilen alterne ve direk akıma bağlıdır. Bu işlem, çalışma bobininde de pertürbasyonlar oluşturacaktır. Bu nedenle, çalışma geçiş sürecini daha da analiz etmek gerekir. Bu amaçla, manyetize ve demagnetize sırasında manyetik malzemelerin akım dalgalarını toplamak için karma alan osiloskopu kullanılmıştır. Sonuçlar, reaktörün hızlı tepki verdiği ve manyetize tamamlandıktan sonra akım dalgasının istikrarlı bir durumda olduğunu göstermektedir.
3.2 Indüktans Değerinin Ölçüm Sonuçları
Kontrol edilebilir reaktörün gerçek işletim sırasında, farklı manyetize gerilimler uygulanarak elde edilen indüktans değerleri Tablo 3'te gösterilmiştir. Analiz, şu sonucu ortaya koymuştur: ① Reaktörün indüktans değeri, manyetik malzemenin rezidü manyetizması ile yaklaşık doğrusal olarak değişir. Bu, DC voltajındaki hafif bir değişikliğin bile reaktörün indüktans değerini etkili bir şekilde ayarlayabileceğini gösterir. ② Manyetik malzemenin manyetik durumunu hassas bir şekilde düzenleyerek, kontrol edilebilir reaktör, indüktans değerini esnek bir şekilde değiştirebilir ve bu sayede güç hattında reaktif gücün etkili bir şekilde kompansasyonunu sağlar.
3.3 Güç Şebekesinde Güç Kalitesindeki Değişiklikler
Güç sisteminde, kontrol edilebilir reaktör kullanmadan önce ve sonrasında, transformatörün yüksek gerilimli tarafındaki akım ve gerilim değişiklikleri kaydedildi ve harmonik özellikleri gözlemlendi. Sonuçlar Tablo 4'te gösterilmiştir. Analiz, şu sonucu ortaya koymuştur: ① Kontrol edilebilir reaktör kullanılmadan önce, yüksek gerilimli taraftaki akım ve gerilim değişiklikleri karmaşık ve dalgaları düzensizdi; kontrol edilebilir reaktör kullanıldıktan sonra, yüksek gerilimli taraftaki akım ve gerilim dalgaları iyileşti ve belirgin bir düzenlilik gösterdi. ② Kontrol edilebilir reaktör kullanıldıktan sonra, harmonik içerik azaldı, aktif güç arttı ve güç kalitesi önemli ölçüde iyileşti.
4 Sonuç
Sonuç olarak, reaktörler, güç sistemlerinde gerilimi istikrarlı tutma, harmonikleri baskılama, salınımları azaltma ve güç faktörünü artırma konusunda kritik bir rol oynamaktadır. Mevcut türler arasında, sürekli reaktans ayarlaması, büyük kapasite ve düşük maliyet sunan manyetik kontrol edilebilir reaktörler, güç sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Manyetik kontrol edilebilir reaktörlerin yavaş tepki süresi ve yüksek kayıp titreşim sorunlarını çözmek için, bu çalışma nanokompozit manyetik malzemeler kullanılarak kontrol edilebilir bir reaktör tasarlamıştır.
Deneysel sonuçlar: ① Reaktör hızlı tepki verir ve manyetize tamamlandıktan sonra akım dalgası istikrarlıdır. ② Hatta küçük DC voltaj değişiklikleri bile indüktansı etkili bir şekilde ayarlayabilir. Manyetik malzemelerin manyetik durumunu hassas bir şekilde düzenleyerek, reaktör, güç hatlarında reaktif gücün etkili bir şekilde kompansasyonunu sağlamak için indüktansını esnek bir şekilde değiştirebilir. ③ Uygulandıktan sonra, yüksek gerilimli taraftaki akım/gerilim dalgaları ve güç kalitesi önemli ölçüde iyileşir, bu da akıllı şebeke tanıtımına uygun hale gelir. Gelecekte, yeni malzemeler, teknolojiler ve süreçlerle, kontrol edilebilir reaktörler, akıllı şebeke ihtiyaçlarını daha iyi karşılamak ve şebeke işlemlerinin istikrarını sağlamak için optimize edilecektir.
