Anwendung bidirektionaler automatischer Spannungsregler in Bergnetzen

1. Übersicht

Bergverteilnetze sind mit zahlreichen kleinen Wasserkraftwerken ausgestattet, von denen die meisten Flusskraftwerke ohne Regulierungskapazität sind. Diese Kraftwerke sind an der gleichen Leitung wie die elektrischen Lasten angeschlossen, was bestimmte negative Auswirkungen auf den Betrieb des Stromnetzes hat. Das auffälligste Problem dabei ist die Spannungsqualität. In der Regenzeit erzeugen die kleinen Wasserkraftwerke Strom für das Netz, und da eine lokale Energiebilanz nicht erreicht wird, führt dies zu erhöhten Leitungsspannungen. 

In der Trockenzeit hingegen ist die Spannung am Ende der Leitung aufgrund der langen Leitungslänge, dem kleinen Drahtdurchmesser und der geringen Last extrem niedrig. Da Erzeugung und Versorgung in der gleichen Leitung integriert sind, variiert die Richtung des Leistungsflusses, was zu einer sehr unstabilen Spannung führt. Die Installation bidirektionaler automatischer Spannungsregler in langen Verteilungsleitungen kann das Problem der Spannungsqualität lösen. Mit Fokus auf die Spannungsqualitätsprobleme von Bergverteilungsleitungen mit kleinen Wasserkraftwerken nimmt dieser Artikel die Bibei-Leitung eines bestimmten Versorgungsamtes als Beispiel und schlägt eine neue Lösung für bidirektionale automatische Spannungsregler vor.

1.1 Grundinformationen zur 10kV Bibei-Leitung

Als typischer Vertreter von Bergverteilnetzleitungen sind die grundlegenden Informationen zur 10kV Bibei-Leitung in Tabelle 1 unten dargestellt. 

Statistiken zu den Spannungsqualifikationsraten von 39 Verteilungstransformatoren im Versorgungsgebiet aus dem Jahr 2012 zeigen, dass die höchste Rate 99,8 % beträgt, die niedrigste 54,4 %, und nur 6 Verteilungstransformatoren den Anforderungen an die Spannungsqualifikationsrate entsprechen, was 15,3 % ausmacht. Der maximal aufgezeichnete Spannungswert beträgt 337 V, was 43 % über dem zulässigen Wert liegt. Das Spannungsproblem ist ausgeprägt, mit häufigem Auftreten von Schäden an elektrischen Geräten bei Benutzern und zahlreichen Beschwerden über Spannungsprobleme.

1.2 Analyse der Spannungsanomalien

Die Hauptgründe für das Spannungsqualitätsproblem der Bibei-Leitung sind wie folgt:

(1) Auffälliger Widerspruch zwischen Regen- und Trockenzeit. Der Betriebsmodus von Laufwasser-Kraftwerken hängt eng mit dem Wassereinfluss zusammen. Da die installierte Leistung kleiner Wasserkraftwerke viel größer als die Lastkapazität ist, wird während der Regenzeit eine große Menge überschüssiger elektrischer Energie ins Netz eingespeist. Während der Trockenzeit hingegen beruht die lokale Stromversorgung hauptsächlich auf Netzzuschüssen, was zu erheblichen Veränderungen des Betriebsmodus zwischen Regen- und Trockenzeit führt, was die Stromqualität ernsthaft beeinträchtigt und es schwierig macht, den Spannungsniveau im Gebiet auf ein qualifiziertes Niveau zu bringen.

(2) Fehlen effektiver Steuerung und Überwachung für kleine Wasserkraftwerke. Aufgrund der geringen Einheitenspannung, der großen Anzahl, der weiten Verbreitung, der vielfältigen Eigentumsrechte und des erheblichen saisonalen Einflusses auf den Betrieb kleiner Wasserkraftwerke ist es schwierig, eine einheitliche Überwachung und Steuerung zu erreichen. Daher haben lokale Anpassungen in einzelnen Transformatorbereichen keinen signifikanten Effekt auf die Verbesserung der Spannungsqualität.

(3) Schwierige Bedienung und Regelung von Transformator. Die Stromrichtung der Leitung ändert sich häufig. Während der Regenzeit wird Energie ins Netz eingespeist, und die Verteilungstransformatoren werden mit Stufenwechseln zur Spannungsreduzierung betrieben, um sicherzustellen, dass die Endnutzer-Spannung nicht zu hoch ist, um elektrische Geräte zu beschädigen. Während der Trockenzeit wird Energie aus dem Netz aufgenommen, und die Verteilungstransformatoren werden mit Stufenwechseln zur Spannungssteigerung betrieben, um sicherzustellen, dass die Endnutzer-Spannung nicht zu niedrig ist. Daher ändern sich die Anforderungen an die Abstufung und Hochstufung der Transformatoren häufig, was die koordinierte Durchführung von Betriebsanpassungen in Übereinstimmung mit den Änderungen des Stromflusses erschwert.

(4) Der Haupttransformator der oberen Versorgungsstufe verwendet eine unbelastete Stufenverstellung mit wenigen Stufen und einem begrenzten Regelbereich.

2. Anwendung bidirektionaler Spannungsregler-Transformatoren

2.1 Auswahl von Lösungen

Durch die Untersuchung der Betriebscharakteristika von Bergnetzen mit einer großen Anzahl kleiner Wasserkraftwerke und die Analyse der Anwendbarkeit bestehender Spannungsregelmethoden wählt dieser Artikel eine Lösung mit bidirektionalen automatischen Spannungsreglern, die über eine starke Handhabbarkeit und gute Praktikabilität verfügt.

2.2 Prinzip und Wirkung bidirektionaler Spannungsregler-Transformatoren

2.2.1 Arbeitsprinzip des bidirektionalen Leitungsautomatischen Spannungsreglers

Der bidirektionale Leitungsautomatische Spannungsregler besteht hauptsächlich aus vier Teilen: einem dreiphasigen Autotransformerspannungsregler, einem dreiphasigen Unterlast-Schaltgetriebe, einem Steuergerät und einem Stromfluss-Erkennungsmodul. Das Stromfluss-Erkennungsmodul erkennt die Richtung des Stroms, um die Richtung des Leitungsstromflusses zu identifizieren, und sendet dieses Signal an das Steuergerät. Das Steuergerät entscheidet auf der Grundlage der Spannungs- und Stromsignale, ob die Spannung erhöht oder verringert werden soll, und steuert dann den Motor innerhalb des Unterlast-Schaltgetriebes, um den Schalter zu bewegen und die Stufen zu wechseln. Dies ändert das Verhältnis der Wicklungen des Transformers, um eine automatische Spannungsregelung unter Last zu erreichen. Das dreiphasige Unterlast-Schaltgetriebe passt das Verhältnis der Wicklungen des Transformers an, um seine Ausgangsspannung zu verändern.

2.2.2 Theoretische Wirkungsanalyse

Trockene Jahreszeit: Die Änderungen der Leitungsspannung vor und nach der Installation des BSVR sind in Abbildung 1 dargestellt.

Während der trockenen Jahreszeit wird durch die Installation des bidirektionalen Spannungsreglers BSVR die Spannung am Ende der Hauptleitung und auf jeder Nebenleitung erhöht. Dies löst das Problem der nicht qualifizierten Leitungsspannung und gewährleistet die Qualität der Stromversorgung für die Nutzer an der Leitung während der trockenen Jahreszeit.

Regenreiche Jahreszeit: Die Spannungen an verschiedenen Punkten der Leitung vor und nach der Installation des BSVR während der regenreichen Jahreszeit sind in Abbildung 2 dargestellt.

Während der regenreichen Jahreszeit verbessert die Installation des bidirektionalen Spannungsreglers BSVR die Spannungen am Ende der Hauptleitung und auf jeder Nebenleitung. Es sichert nicht nur die normale Energieübertragung von Kleinkraftwerken ins Netz, sondern garantiert auch die Qualität der Stromversorgung für Nutzer in den mittleren und hinteren Abschnitten der Leitung.

2.3 Anwendungswirkungen

Gemäß den tatsächlichen Bedingungen der Leitung wird der bidirektionale Spannungsregler an Pfahl 63 der Hauptleitung mit einer Kapazität von 3000kVA installiert. In Betracht der tatsächlichen Bedingungen sowohl der trockenen als auch der regenreichen Jahreszeiten wurde der Einstellbereich des Reglers auf -15% bis +15% festgelegt.

Die Spannungskualität dieser Leitung wurde signifikant verbessert. Sie senkt nicht nur die Schwelle der Spannung, bei der Kleinkraftwerke in das Hauptnetz einspeisen (so dass die Kraftwerke die Spannung nicht übermäßig erhöhen müssen), sondern steigert auch die Spannung im Startabschnitt der Leitung über den Regler. Dies stellt sicher, dass die Kleinkraftwerke in das Netz einspeisen können, während gleichzeitig die Spannungqualifikationsrate für Kunden an der Leitung erhöht und die sichere und stabile Betriebsweise des Stromnetzes gewährleistet wird.

3. Schlussfolgerung

Bei der Anwendung des bidirektionalen automatischen Spannungsreglers auf Leitungen, die von Kleinkraftwerken versorgt werden, zeigen sowohl theoretische Berechnungen als auch praktische Anwendungen, dass die Installation eines bidirektionalen Leitungsautomatischen Spannungsreglers die Spannungskualität erheblich verbessern kann und den Spannungsregelungskonflikt zwischen trockener und regenreicher Jahreszeit umfassend lösen kann.