Thiết kế Cấu trúc và Ứng dụng của Máy biến áp Điều khiển cho Mạng lưới Trí tuệ

Các bộ phản ứng là chìa khóa cho việc bù công suất phản kháng trong hệ thống điện, với các bộ phản ứng được điều khiển từ tính là trọng tâm nghiên cứu. Mạng lưới thông minh, nâng cấp mạng lưới truyền thống thông qua công nghệ tiên tiến, tăng cường an toàn và độ tin cậy, làm tăng nhu cầu về các bộ phản ứng có thể kiểm soát. Do đó, phát triển các loại mới rất quan trọng. Bài báo này, kết hợp thực tế, khám phá thiết kế cấu trúc và ứng dụng của chúng để thúc đẩy đổi mới và tăng cường xây dựng mạng lưới thông minh.

1 Chức năng và Trạng thái Ứng dụng của Bộ Phản Ứng Có Thể Kiểm Soát
1.1 Chức năng

Đối với lưới điện, các bộ phản ứng có thể kiểm soát giảm tổn thất mạng, nâng cao hệ số công suất trên 0,9, giảm dao động, mở rộng giới hạn giảm chấn, tăng cường khả năng truyền tải và cải thiện độ ổn định điện áp. Đối với người dùng, chúng: ① ổn định điện áp, bảo vệ thiết bị như biến áp, và kéo dài tuổi thọ sử dụng. ② loại bỏ sóng hài, giảm tổn thất, và cải thiện an toàn. ③ giảm nhấp nháy điện áp, nâng cao chất lượng điện. ④ giảm tổn thất phản kháng cho người dùng có nhu cầu cao, giảm chi phí điện. ⑤ cho phép mở rộng công suất với chi phí thấp thông qua bù đắp động.

1.2 Trạng thái Ứng dụng

Các bộ phản ứng có thể kiểm soát được áp dụng rộng rãi trong hệ thống điện, chẳng hạn như trong các công ty điện lực, công nghiệp, phát điện năng lượng mới và các lĩnh vực khác. Với sự gia tăng nhu cầu điện và nâng cấp lưới truyền tải và phân phối, nhu cầu thị trường đối với các bộ phản ứng có thể kiểm soát cũng đang tăng lên.

Bộ phản ứng được chia thành ba loại: điều khiển từ tính, ném công tắc, và điều khiển bằng công tắc điện tử. Bộ phản ứng điều khiển từ tính cung cấp điều chỉnh liên tục, dung lượng lớn, và chi phí thấp nhưng có phản hồi chậm, rung động và sóng hài cao. Loại ném công tắc tránh rung động/sóng hài nhưng điều chỉnh không liên tục, hạn chế sử dụng. Loại công tắc điện tử cho phép điều chỉnh liên tục với phản hồi nhanh nhưng chịu ảnh hưởng bởi sóng hài và chi phí cao. Bộ phản ứng điều khiển từ tính được ưa chuộng. Để phù hợp với mạng lưới thông minh, cần nâng cấp vật liệu/cấu trúc và thiết kế mới.

2 Thiết kế Cấu trúc của Bộ Phản Ứng Có Thể Kiểm Soát trong Mạng Lưới Thông Minh

Mạng lưới thông minh, hay Grid 2.0, dựa trên mạng lưới giao tiếp hai chiều. Nó sử dụng thiết bị, công nghệ, và phương pháp mới để tăng cường an toàn, hiệu quả, thân thiện với môi trường, và kinh tế của lưới, đáp ứng tốt hơn nhu cầu chất lượng điện của người dùng. Các bộ phản ứng có thể kiểm soát là chìa khóa trong việc xây dựng mạng lưới thông minh. Dưới đây là thiết kế cấu trúc của chúng dựa trên vật liệu từ nano tổng hợp.

2.1 Chọn Vật liệu Từ

Vật liệu từ nano tổng hợp bao gồm pha từ cứng và mềm ở dạng tinh thể nano. Các hạt tương tác, tạo ra hiệu ứng trao đổi ghép dưới dòng điện. Vi mô, tại giao diện pha, các moment từ định hướng lại trường trong quá trình tương tác, tăng cường từ dư. Trong các bộ phản ứng có thể kiểm soát: DC áp dụng vào cuộn dây tạo ra trường kích thích, từ hóa vật liệu; AC tạo ra trường suy giảm, khử từ nó.

Chuẩn bị thông qua quá trình làm lạnh nhanh sau khi chảy, vật liệu trải qua quá trình xử lý nhiệt để điều chỉnh cấu trúc vi mô. Điều này làm toả các hạt và giảm độ coercive, đáp ứng nhu cầu điều chỉnh.

2.2 Thiết kế Cấu trúc Tổng thể

Cấu trúc của bộ phản ứng có thể kiểm soát bao gồm thanh nối, lõi sắt, kẹp, cuộn dây làm việc, cuộn dây điều khiển, và vật liệu từ nano tổng hợp. Cột kích thích, làm bằng vật liệu từ và tấm thép silic, nằm ở trung tâm. Cuộn dây làm việc bao quanh nó, với lớp ngoài cùng là mạch từ chính. Cuộn dây điều khiển quấn xung quanh vật liệu từ.

Nguyên lý: Trong quá trình hoạt động bình thường của lưới (không cần ức chế sóng hài hoặc điều chỉnh phản kháng), bộ phản ứng phát hiện điện áp, dòng điện, và công suất phản kháng. Những dữ liệu này được gửi đến hệ thống điều khiển để đánh giá trạng thái lưới. Để ức chế sóng hài hoặc điều chỉnh phản kháng, hệ thống điều khiển điều chỉnh dòng điện cuộn dây. Vật liệu từ thay đổi cảm ứng thông qua từ hóa. Khi các tham số đạt yêu cầu thiết kế, dòng điện cuộn dây được điều chỉnh lại để khử từ vật liệu trở về từ dư không.

Theo mạch thiết kế, bỏ qua rò rỉ từ phía sơ cấp và thứ cấp, ta có:

Trong đó: E₁ đại diện cho điện thế cảm ứng của W₁; E₂ đại diện cho điện thế cảm ứng của W₂; E₃ đại diện cho điện thế cảm ứng của W₃. Hơn nữa, bằng cách sử dụng mạch T để cân bằng mạng hai cổng của bộ phản ứng có thể kiểm soát, ta có thể thu được:

Đặt I_k = β I_g, và giá trị cảm ứng của cổng làm việc là:

Hệ số điều khiển cảm ứng là α, và I_k = αI_g. Mối quan hệ giữa cảm ứng của cổng làm việc và α là:

Bằng cách kết nối cổng làm việc song song với lưới điện và coi U₁ là hằng số, ta có thể thu được hệ phương trình sau:

Trong đó: I_g và I_k biểu thị các giá trị hiệu dụng của dòng điện tại hai cổng; U_k biểu thị giá trị hiệu dụng của điện áp tại cổng điều khiển. Giải hệ phương trình trong Công thức (5) cho phép ta thu được các chỉ số hiệu suất hoạt động của bộ phản ứng có thể kiểm soát.

2.3 Thiết kế Hệ thống Điều khiển

Hệ thống điều khiển bao gồm mạch chính (điều chỉnh từ dư của vật liệu từ) và hệ thống con giám sát-điều khiển (theo dõi các tham số điện), cùng làm việc để đạt được mục tiêu quản lý. Khi hoạt động lưới yêu cầu điều chỉnh cảm ứng, mạch chính áp dụng dòng điện để từ hóa/khử từ vật liệu, trong khi hệ thống con theo dõi tải để giữ các tham số tối ưu, đảm bảo sự ổn định của lưới. Sự thay đổi cảm ứng xuất phát từ sự chuyển dịch trạng thái từ của lõi. Chỉnh lưu có thể kiểm soát cho phép đầu ra AC ở mức mili giây, đáp ứng nhu cầu chuyển đổi trạng thái từ nhanh chóng. Hệ thống phát lệnh cho bộ phản ứng để ức chế sóng hài và điều chỉnh công suất phản kháng, duy trì sự ổn định của lưới.

Quá trình hoạt động: 1) Phát hiện trạng thái lưới, thu thập tham số, và đánh giá sự ổn định. 2) Khi xảy ra dao động điện áp hoặc sóng hài, hệ thống điều khiển của bộ phản ứng phát lệnh. 3) Mạch chính đưa ra cảm ứng có thể điều chỉnh; vật liệu từ hóa, thay đổi từ dư/trạng thái lõi và do đó cảm ứng của bộ phản ứng. 4) Sau khi điều chỉnh, điều chỉnh ngược cảm ứng để khử từ vật liệu và đặt lại bộ phản ứng. Các mô phỏng Matlab đã xác nhận độ chính xác của hệ thống: dòng điện từ hóa 15 A và điện áp khử từ 220 V với hình dạng sóng ổn định, đáp ứng yêu cầu từ hóa/khử từ.

3 Phân tích Thí nghiệm về Hiệu quả Điều chỉnh Cảm ứng

Để xác minh hiệu suất điều chỉnh cảm ứng của bộ phản ứng, một mẫu thử và hệ thống điều khiển hỗ trợ đã được xây dựng theo thiết kế và mô phỏng. Các thí nghiệm phân tích đặc điểm phân bố cảm ứng và đánh giá sự thay đổi chất lượng điện lưới.

3.1 Độ ổn định của Bộ Phản Ứng Có Thể Kiểm Soát

Trong thí nghiệm, dữ liệu được thu thập để vẽ đường cong đặc tính điện áp-dòng điện và đường cong dòng điện hoạt động của bộ phản ứng có thể kiểm soát. Kết quả cho thấy rằng: ① Khi giá trị điện áp tăng, dòng điện của cuộn dây làm việc tăng, và cả hai có mối quan hệ tuyến tính, cho thấy rằng dưới các điện áp từ hóa khác nhau, giá trị cảm ứng nằm trong phạm vi tương đối ổn định. ② Khi điện áp từ hóa là 0-35 V, cảm ứng giảm từ 0,74 H xuống 0,61 H, và đầu ra cảm ứng ổn định, đáp ứng yêu cầu điều chỉnh mượt mà. Sự thay đổi cảm ứng theo điện áp từ hóa được hiển thị trong Bảng 2.

Trong nghiên cứu này, sự thay đổi giá trị cảm ứng của bộ phản ứng có thể kiểm soát được thực hiện thông qua từ hóa và khử từ vật liệu từ, điều này phụ thuộc vào dòng điện xoay chiều và một chiều được đưa vào cuộn dây điều khiển. Việc này cũng sẽ mang lại nhiễu loạn cho cuộn dây làm việc. Do đó, cần phải phân tích thêm quá trình chuyển tiếp làm việc của nó. Để thực hiện điều này, một máy đo đa miền đã được sử dụng để thu thập các hình dạng sóng dòng điện của vật liệu từ trong quá trình từ hóa và khử từ. Kết quả cho thấy bộ phản ứng phản ứng nhanh, và hình dạng sóng dòng điện ổn định sau khi từ hóa hoàn tất.

3.2 Kết quả Đo Giá trị Cảm ứng

Trong quá trình hoạt động thực tế của bộ phản ứng có thể kiểm soát, các giá trị cảm ứng thu được bằng cách áp dụng các điện áp từ hóa khác nhau được hiển thị trong Bảng 3. Phân tích cho thấy rằng: ① Giá trị cảm ứng của bộ phản ứng thay đổi gần như tuyến tính theo sự thay đổi của từ dư của vật liệu từ. Điều này có nghĩa là ngay cả một thay đổi nhỏ về điện áp một chiều cũng có thể hiệu quả điều chỉnh giá trị cảm ứng của bộ phản ứng. ② Bằng cách điều chỉnh chính xác trạng thái từ của vật liệu từ, bộ phản ứng có thể kiểm soát có thể linh hoạt thay đổi giá trị cảm ứng của mình, từ đó đạt được bù đắp công suất phản kháng hiệu quả trong đường dây điện.

3.3 Sự Thay đổi Chất lượng Điện Mạng

Trong hệ thống điện, các thay đổi về dòng điện và điện áp ở phía cao áp của biến áp trước và sau khi sử dụng bộ phản ứng có thể kiểm soát đã được ghi lại, và đặc tính sóng hài được quan sát. Kết quả được hiển thị trong Bảng 4. Phân tích cho thấy rằng: ① Trước khi sử dụng bộ phản ứng có thể kiểm soát, các thay đổi về dòng điện và điện áp ở phía cao áp phức tạp, và hình dạng sóng không có quy luật rõ ràng; sau khi sử dụng bộ phản ứng có thể kiểm soát, hình dạng sóng dòng điện và điện áp ở phía cao áp được cải thiện và có quy luật rõ ràng. ② Sau khi sử dụng bộ phản ứng có thể kiểm soát, hàm lượng sóng hài giảm, công suất hữu ích tăng, và chất lượng điện được cải thiện đáng kể.

4 Kết luận

Tóm lại, các bộ phản ứng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện, ổn định điện áp, ức chế sóng hài, giảm dao động, và tăng cường hệ số công suất. Trong số các loại hiện có, các bộ phản ứng được điều khiển từ tính, với điều chỉnh cảm ứng liên tục, dung lượng lớn, và chi phí thấp, được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện. Để giải quyết các vấn đề như phản hồi chậm và rung động mất mát cao của các bộ phản ứng được điều khiển từ tính, nghiên cứu này thiết kế một bộ phản ứng có thể kiểm soát sử dụng vật liệu từ nano tổng hợp.

Kết luận thí nghiệm: ① Bộ phản ứng phản ứng nhanh, với hình dạng sóng dòng điện ổn định sau khi từ hóa. ② Ngay cả những thay đổi nhỏ về điện áp một chiều cũng có thể hiệu quả điều chỉnh cảm ứng. Bằng cách điều chỉnh chính xác trạng thái từ của vật liệu, bộ phản ứng linh hoạt thay đổi cảm ứng để bù đắp công suất phản kháng trong đường dây điện. ③ Sau khi áp dụng, hình dạng sóng dòng điện và điện áp ở phía cao áp và chất lượng điện được cải thiện đáng kể, phù hợp cho việc quảng bá mạng lưới thông minh. Trong tương lai, với vật liệu, công nghệ, và quy trình mới, các bộ phản ứng có thể kiểm soát sẽ được tối ưu hóa để đáp ứng tốt hơn nhu cầu của mạng lưới thông minh và đảm bảo hoạt động ổn định của lưới.