Aplicação de Reguladores Automáticos de Tensão Bidirecionais em Redes de Distribuição Montanhosas

1. Visão Geral

As redes de distribuição em montanhas estão equipadas com numerosas pequenas centrais hidrelétricas, a maioria das quais são centrais de fio d'água sem capacidade de regulação. Essas centrais estão conectadas à mesma linha que as cargas elétricas, trazendo certos impactos negativos na operação da rede elétrica. O problema mais proeminente entre eles é o problema de qualidade de tensão. Durante a estação chuvosa, as pequenas centrais hidrelétricas geram eletricidade para a rede, e a falha em alcançar o equilíbrio local de energia leva ao aumento da tensão da linha.

Durante a estação seca, devido ao longo comprimento da linha, pequeno diâmetro do fio e baixa carga, a tensão no final da linha para os usuários finais é extremamente baixa. Como a geração e o fornecimento de energia são integrados na mesma linha, a direção do fluxo de potência na linha é variável, resultando em uma tensão altamente instável. A instalação de reguladores automáticos de tensão bidirecionais em linhas de distribuição longas pode resolver o problema de qualidade de tensão. Focando nos problemas de qualidade de tensão em linhas de distribuição em montanhas com pequenas centrais hidrelétricas, este artigo toma como exemplo a Linha Bibei de um certo Escritório de Distribuição de Energia e propõe uma nova solução de regulador automático de tensão bidirecional.

1.1 Informações Básicas da Linha Bibei 10kV

Como representante típico das linhas de rede de distribuição em montanhas, as informações básicas da Linha Bibei 10kV são mostradas na Tabela 1 abaixo.

As estatísticas sobre os indicadores de taxa de qualificação de tensão de 39 transformadores de distribuição na área de abastecimento em 2012 mostram que a taxa máxima é de 99,8%, a mínima é de 54,4% e apenas 6 transformadores de distribuição atendem aos requisitos padrão de taxa de qualificação de tensão, representando 15,3%. O valor máximo de tensão registrado é de 337V, excedendo o valor permitido por 43%. O problema de tensão é proeminente, com ocorrências frequentes de danos a equipamentos elétricos entre os usuários e inúmeras reclamações sobre a tensão.

1.2 Análise das Anomalias de Tensão

As principais razões que levam ao problema de qualidade da tensão na linha Bibei são as seguintes:

(1) Contradição proeminente entre as estações chuvosa e seca. O modo de operação das unidades hidrelétricas a fio d'água está intimamente relacionado à entrada de água. Como a capacidade instalada das pequenas centrais hidrelétricas é muito maior do que a capacidade de carga, uma grande quantidade de energia elétrica excedente é transmitida para a rede durante a estação chuvosa. Durante a estação seca, a carga local de fornecimento de energia depende principalmente do suprimento da rede, resultando em mudanças significativas no modo de operação entre as estações chuvosa e seca, o que afeta seriamente a qualidade da energia e dificulta que o nível de tensão na área atinja o nível qualificado.

(2) Falta de despacho e monitoramento eficaz para pequenas centrais hidrelétricas. Devido à pequena capacidade unitária, grande quantidade, ampla distribuição, diversidade de propriedade e impacto sazonal significativo na operação das pequenas centrais hidrelétricas, é difícil alcançar um monitoramento e controle unificados. Portanto, ajustes locais para áreas individuais de transformadores têm um efeito insignificante na melhoria da qualidade da tensão.

(3) Difícil operação e regulação dos transformadores. A direção do fluxo de energia na linha muda frequentemente. Durante a estação chuvosa, a energia é gerada para a rede, e os transformadores de distribuição são operados com reatores ajustados para redução de tensão para garantir que a tensão no extremo do usuário não cause danos a aparelhos elétricos devido a níveis excessivos. Durante a estação seca, a energia é absorvida da rede, e os transformadores de distribuição são operados com reatores ajustados para elevação de tensão para garantir que a tensão no extremo do usuário possa ser utilizada normalmente sem ser muito baixa. Portanto, as exigências para operação de redução e elevação de tensão dos transformadores mudam frequentemente, tornando difícil realizar ajustes de operação em coordenação com as mudanças no fluxo de energia.

(4) O transformador principal do fornecimento superior adota troca de derivação sob carga com um pequeno número de derivações e um alcance de regulação limitado.

2. Aplicação de Transformadores Reguladores de Tensão Bidirecionais

2.1 Seleção de Soluções

Ao estudar as características operacionais das redes de distribuição montanhosas com um grande número de pequenas centrais hidrelétricas e analisar a aplicabilidade dos métodos existentes de regulação de tensão, este artigo seleciona uma solução de regulador automático bidirecional de tensão com forte operabilidade e boa praticidade.

2.2 Princípio e Efeitos dos Transformadores Reguladores de Tensão Bidirecionais

2.2.1 Princípio de Funcionamento do Regulador Automático de Tensão Bidirecional para Alimentação

O regulador automático de tensão bidirecional para alimentação consiste principalmente em quatro partes: um regulador de tensão autotransformador trifásico, um comutador de derivas sob carga trifásico, um controlador e um módulo de identificação de fluxo de potência. O módulo de identificação de fluxo de potência detecta a direção da corrente para identificar a direção do fluxo de potência na linha e envia esse sinal ao controlador. O controlador faz um julgamento sobre se deve aumentar ou diminuir a tensão com base nos sinais de tensão e corrente, então controla a operação do motor dentro do comutador de derivas sob carga para impulsionar o comutador a mudar as derivas. Isso altera a relação de espiras do transformador para alcançar a regulação automática de tensão sob carga. O comutador de derivas sob carga trifásico ajusta a relação de espiras do transformador para mudar sua tensão de saída.

2.2.2 Análise Teórica do Efeito

Estação Seca: As mudanças na tensão da linha antes e depois da instalação do BSVR são mostradas na Figura 1.

Durante a estação seca, após a instalação do regulador de tensão bidirecional BSVR, as tensões no final da linha principal e em cada linha de ramificação são aumentadas. Isso resolve o problema de tensão da linha não qualificada e garante a qualidade do consumo de eletricidade para os usuários na linha durante a estação seca.

Estação Chuvosa: As tensões em vários pontos da linha antes e depois da instalação do BSVR durante a estação chuvosa são mostradas na Figura 2.

Durante a estação chuvosa, a instalação do regulador de tensão bidirecional BSVR melhora as tensões no final da linha principal e em cada linha de ramificação. Não apenas garante a transmissão normal de energia das pequenas centrais hidrelétricas para a rede, mas também garante a qualidade do consumo de eletricidade para os usuários nas seções média e traseira da linha.

2.3 Efeitos da Aplicação

De acordo com as condições reais da linha, o regulador de tensão bidirecional é instalado no poste 63 da linha principal com capacidade de 3000kVA. Considerando as condições reais tanto da estação seca quanto da chuvosa, a faixa de ajuste do regulador é selecionada como -15% a +15%.

A qualidade da tensão desta linha foi significativamente melhorada. Não apenas reduz o limiar de tensão para que as pequenas centrais hidrelétricas transmitam energia à rede principal (para que as centrais hidrelétricas não precisem elevar a tensão excessivamente), mas também aumenta a tensão na seção inicial da linha através do regulador. Isso garante que as centrais hidrelétricas possam alimentar energia na rede, enquanto também aumenta a taxa de qualificação de tensão para os clientes na linha e garante a operação segura e estável da rede elétrica.

3. Conclusão

Quando o dispositivo de regulação automática de tensão bidirecional é aplicado a linhas abastecidas por pequenas centrais hidrelétricas, tanto os cálculos teóricos quanto as aplicações práticas mostram que a instalação de um regulador automático de tensão bidirecional para alimentação pode melhorar significativamente a qualidade da tensão, resolvendo de forma abrangente o conflito de regulação de tensão entre as estações seca e chuvosa.