Aplicación de Reguladores Automáticos de Voltaje Bidireccionales en Redes de Distribución Montañosas

1. Visión general

Las redes de distribución en zonas montañosas están equipadas con numerosas pequeñas centrales hidroeléctricas, la mayoría de las cuales son centrales de paso sin capacidad de regulación. Estas centrales están conectadas a la misma línea que las cargas eléctricas, lo que trae ciertos impactos negativos en la operación de la red eléctrica. El problema más destacado entre ellos es el de la calidad del voltaje. Durante la temporada lluviosa, las pequeñas centrales hidroeléctricas generan electricidad para la red, y la falta de equilibrio local de potencia lleva a un aumento del voltaje de la línea. 

Durante la temporada seca, debido a la longitud de la línea, el pequeño diámetro del cable y la baja carga, el voltaje en los usuarios finales de la línea es extremadamente bajo. Dado que la generación y suministro de energía están integrados en la misma línea, la dirección del flujo de potencia en la línea es variable, resultando en un voltaje altamente inestable. La instalación de reguladores automáticos de voltaje bidireccionales en líneas de distribución largas puede resolver el problema de la calidad del voltaje. Centrándose en los problemas de calidad del voltaje en líneas de distribución montañosas con pequeñas centrales hidroeléctricas, este documento toma como ejemplo la Línea Bibei de una determinada Oficina de Suministro de Energía y propone una nueva solución de regulador automático de voltaje bidireccional.

1.1 Información básica de la Línea Bibei de 10kV

Como un representativo típico de las líneas de red de distribución en zonas montañosas, la información básica de la Línea Bibei de 10kV se muestra en la Tabla 1 a continuación. 

Las estadísticas de los indicadores de la tasa de calificación de voltaje de 39 transformadores de distribución en el área de suministro en 2012 muestran que la tasa máxima es del 99.8%, la mínima es del 54.4% y solo 6 transformadores de distribución cumplen con los requisitos estándar de la tasa de calificación de voltaje, lo que representa el 15.3%. El valor máximo de voltaje registrado es de 337V, superando el valor permitido en un 43%. El problema de voltaje es prominente, con frecuentes casos de daño a electrodomésticos entre los usuarios y numerosas quejas sobre el voltaje.

1.2 Análisis de las anomalías de voltaje

Las principales razones que llevan al problema de calidad de voltaje de la línea Bibei son las siguientes:

(1) Contradicción prominente entre las estaciones húmeda y seca. El modo de operación de las unidades hidroeléctricas de paso libre está estrechamente relacionado con el caudal de agua. Dado que la capacidad instalada de las pequeñas centrales hidroeléctricas es mucho mayor que la capacidad de carga, una gran cantidad de energía eléctrica sobrante se transmite a la red durante la estación húmeda. Durante la estación seca, la carga de suministro local depende principalmente de la suplementación de la red, lo que resulta en cambios significativos en el modo de operación entre las estaciones húmeda y seca, afectando seriamente la calidad del suministro eléctrico y dificultando que el nivel de voltaje en el área alcance el nivel calificado.

(2) Falta de un despacho y monitoreo efectivos para las pequeñas centrales hidroeléctricas. Debido a la pequeña capacidad unitaria, la gran cantidad, la amplia distribución, la diversidad de propiedades y el impacto significativo de la temporada en la operación de las pequeñas centrales hidroeléctricas, es difícil lograr un monitoreo y control unificados. Por lo tanto, los ajustes locales para áreas individuales de transformadores tienen un efecto insignificante en la mejora de la calidad del voltaje.

(3) Dificultad en la operación y regulación de los transformadores. La dirección del flujo de potencia de la línea cambia con frecuencia. Durante la estación húmeda, se genera electricidad para la red y los transformadores de distribución se operan con los selectores de toma ajustados para reducir el voltaje, asegurando que el voltaje en el extremo del usuario no dañe los electrodomésticos debido a niveles excesivos. Durante la estación seca, se absorbe electricidad de la red y los transformadores de distribución se operan con los selectores de toma ajustados para aumentar el voltaje, asegurando que el voltaje en el extremo del usuario pueda usarse normalmente sin ser demasiado bajo. Por lo tanto, los requisitos para la operación de disminución y aumento de tensión de los transformadores cambian con frecuencia, lo que dificulta realizar ajustes operativos en coordinación con los cambios en el flujo de potencia.

(4) El transformador principal del suministro superior adopta un cambio de toma sin carga con un número limitado de tomas y un rango de regulación limitado.

2. Aplicación de transformadores reguladores de voltaje bidireccional

2.1 Selección de soluciones

A través del estudio de las características operativas de las redes de distribución montañosas con un gran número de pequeñas centrales hidroeléctricas y el análisis de la aplicabilidad de los métodos existentes de regulación de voltaje, este documento selecciona una solución de regulador automático de voltaje bidireccional con fuerte operatividad y buena practicidad.

2.2 Principio y Efectos de los Transformadores Reguladores de Voltaje Bidireccionales

2.2.1 Principio de Funcionamiento del Regulador Automático de Voltaje Bidireccional para Alimentadores

El regulador automático de voltaje bidireccional para alimentadores se compone principalmente de cuatro partes: un regulador de voltaje autotransformador trifásico, un cambiador de tomas bajo carga trifásico, un controlador y un módulo de identificación del flujo de potencia. El módulo de identificación del flujo de potencia detecta la dirección actual para identificar la dirección del flujo de potencia en la línea y envía esta señal al controlador. El controlador juzga si debe subir o bajar el voltaje basándose en las señales de voltaje y corriente, luego controla la operación del motor dentro del cambiador de tomas bajo carga para hacer que el cambiador de tomas cambie. Esto cambia la relación de espiras del transformador para lograr una regulación automática de voltaje bajo carga. El cambiador de tomas bajo carga trifásico ajusta la relación de espiras del transformador para cambiar su voltaje de salida.

2.2.2 Análisis Teórico del Efecto

Temporada Seca:Los cambios en el voltaje de la línea antes y después de la instalación de BSVR se muestran en la Figura 1.

Durante la temporada seca, después de instalar el regulador de voltaje bidireccional BSVR, los voltajes al final de la línea principal y en cada línea secundaria aumentan. Esto resuelve el problema de un voltaje de línea no calificado y asegura la calidad del consumo de electricidad para los usuarios en la línea durante la temporada seca.

Temporada Húmeda:Los voltajes en varios puntos de la línea antes y después de la instalación de BSVR durante la temporada húmeda se muestran en la Figura 2.

Durante la temporada húmeda, la instalación del regulador de voltaje bidireccional BSVR mejora los voltajes al final de la línea principal y en cada línea secundaria. No solo asegura la transmisión normal de energía desde las pequeñas centrales hidroeléctricas a la red, sino que también garantiza la calidad del consumo de electricidad de los usuarios en las secciones media y trasera de la línea.

2.3 Efectos de Aplicación

De acuerdo con las condiciones reales de la línea, el regulador de voltaje bidireccional se instala en el poste 63 de la línea principal con una capacidad de 3000 kVA. Considerando las condiciones reales tanto de la temporada seca como de la húmeda, se selecciona un rango de ajuste del regulador de -15% a +15%.

La calidad del voltaje de esta línea ha mejorado significativamente. No solo reduce el voltaje umbral para que las pequeñas centrales hidroeléctricas transmitan energía a la red principal (por lo que las centrales hidroeléctricas no necesitan elevar el voltaje excesivamente), sino que también aumenta el voltaje en la sección inicial de la línea a través del regulador. Esto asegura que las centrales hidroeléctricas puedan inyectar energía a la red, mientras también aumenta la tasa de calificación del voltaje para los clientes en la línea y garantiza la operación segura y estable de la red eléctrica.

3. Conclusión

Cuando el dispositivo de regulación automática de voltaje bidireccional se aplica a líneas suministradas por pequeñas centrales hidroeléctricas, tanto los cálculos teóricos como las aplicaciones prácticas muestran que la instalación de un regulador automático de voltaje bidireccional para alimentadores puede mejorar enormemente la calidad del voltaje, resolviendo de manera integral el conflicto de regulación de voltaje entre las temporadas húmeda y seca.