Инновативни решения за регулатори на стъпково напрежение в системите за разпределение на електроенергия

1 Извлечение​

​Преодоляване на предизвикателствата свързани с управлението на напрежението в съвременните разпределителни мрежи:​​

• Дълги линии, които причиняват падане на напрежението;
• Интеграция на разпределени източници на енергия (DER), водеща до двупосочен поток на мощността;
• Флуктуации на нагрузката, причиняващи често променящо се напрежение.

​Технически характеристики на регулаторите на стъпковото напрежение (SVRs):​​

• Използва технология за промяна на контакти, за да промени отношението на обмотките на трансформатора, постигайки диапазон за регулиране на напрежението ±10% (обикновено в 32 стъпки, 0.625% на стъпка);
• Основните предимства са в реално-временни динамични възможности за регулиране в комбинация с много контролни стратегии, предоставящи гъвкава поддръжка на напрежението за разпределителната мрежа.

​Тенденции в развитието на технологията:​​

• Еволюира от основни механични контактни ключове до интегрирани системи, включващи силна електроника, адаптивни алгоритми за контрол и интелигентни комуникационни модули;
• Репрезентативен пример: ABB SPAU341C интегрира функционалността за компенсиране на падането на напрежението (LDC), имитираща характеристиките на импеданса на линията за точен контрол на напрежението в отдалечени точки на нагрузката;
• Използването на магнитно задържащи реле и TRIACs намалява загубите на оборудването и размера му, повишавайки гъвкавостта при разполагането и икономичността.

​2 Технически принцип и структура​

​Основен механизъм за регулиране на напрежението:​​

• Постига регулиране на напрежението, като променя отношението на обмотките на трансформатора, използвайки технологията за промяна на контакти на On-Load Tap Changers (OLTCs).

​Процес на затворена петлова обратна връзка:​​

1. Напряженостните трансформатори непрекъснато получават сигнали за напрежението на системата;
2. Сигналите за грешка се генерират, сравнявайки получените стойности със зададени референтни стойности;
3. Контролната единица определя посоката на промяна на контакта (повишение/понижаване) и големината на стъпката, базирайки се на сигнала за грешка.

​Основни технически параметри на съвременните SVRs:​​

• Вземайки за пример SPAU341C: Поддържа фини стъпки за регулиране на напрежението от 0.625%, позволяващи 32-стъпкова точна регулация на напрежението в диапазон ±10%.

​2.1 Основни компоненти​

• ​On-Load Tap Changer (OLTC):​​ Основният актьор на регулатора, използващ вакуумни прекъсватели за намаляване на дъгата. Превключващите резистори осигуряват непрекъснатост на тока по време на превключването, предотвратявайки прекъсване на доставката на мощност. Съвременните дизайни използват двоен резисторен превключващ механизъм, намалявайки времето за превключване до 40-60 милисекунди.
• ​Контролен модул:​​ Изграден върху високопроизводителни микропроцесори (ARM/DSP), интегриращ множество контролни стратегии. ABB SPAU341C използва модуларна архитектура, включваща модули за свързване, I/O модули и автоматичен модул за регулиране на напрежението, поддържащ непрекъснато само-мониторинг за реално време диагностика на хардуера и софтуера.
• ​Модул за измерване и защита:​​ Напряженостни/токови трансформатори (например PT1, PT2, TA1) непрекъснато събират параметрите на системата. Единиците са оборудвани с трифазни функции за блокиране на прекомерен ток и понижаване на напрежението. При откриване на късо замыкание или сериозно понижаване на напрежението операциите за превключване на контакти се блокират незабавно, за да се предотврати повреда на оборудването.
• ​Комуникационен и операционен интерфейс:​​ Поддържа протоколи за комуникация като Ethernet, GPRS и други за отдалечен мониторинг и настройка на параметри. Модулът за изобразяване предоставя локален операционен интерфейс, показвайки ключови параметри като зададени точки и измерени стойности в реално време.

​2.2 Ключови експлуатационни характеристики​

​3 Приложни решения в проектирането на разпределителната система​

​3.1 Типични приложни сценарии​

• ​Дълги радиални линии:​​ Класическо приложение на SVR. В селските разпределителни мрежи, 10kV линиите често се простират над 15km, причинявайки сериозно отклонение на напрежението в края на линията. Разположението на SVRs в средата на линията или в края й ефективно компенсира падането на напрежението. Инженерната практика показва, че един SVR може да увеличи радиуса на линията с 30%, подобрявайки процентния показател за спазване на напрежението в края на линията от под 70% до над 98%, значително намалявайки разходите за модернизация на линията.
• ​Гъсто населени градски райони:​​ Изправят се пред предизвикателствата на флуктуации на нагрузката и несъответствие на напрежението. SVRs обикновено се инсталират на изходите на трансформаторни станции или на узлови точки на RMU. В проект за реновация на градски търговски район, инсталирането на SVRs на 4 ключови точки намали флуктуацията на напрежението в часовете на връхна нагрузка от ±8% до ±2%, като същевременно намали загубите в линията с 12% чрез оптимизация на реактивната мощност.
• ​Области с висока проникновеност на DER:​​ Изискват управление на предизвикателствата, свързани с двупосочния поток на мощността. Когато проникновението на PV надхвърли 30%, традиционните разпределителни мрежи често изпитват нарушения на напрежението. SVRs автоматично коригират контролната логика чрез режим на обратна мощност, активно намалявайки напрежението по време на периода на излишък на генерирана мощност. Проект с демонстрационна PV система, използващ координирано управление между SVRs и PV инвертори, увеличи местната капацитетна способност на PV с 25% и намали ставката на ограничаване с 18%.

​3.2 Оптимизация на контролната стратегия​

• ​Оптимизация на напрежението-вар (VVO):​​ Координира SVRs с шунтови кондензаторни банки, за да минимизира загубите в системата.
• ​Многоетапно координирано управление:​​ За каскадни инсталации на многобройни SVRs в сложни мрежи, трябва да се избегне конфликтът при управлението. Методът на координация чрез времева закъснение е най-практичното решение - задаване на закъснение на горната станция (обикновено 30-60 секунди) да е поне два пъти по-голямо от закъснението на долната станция. При откриване на нарушение на напрежението, долната станция действа първо. Ако проблемът продължи след нейния период на закъснение, горната станция после възлага. Този подход значително намалява ненужните операции за превключване (до 40%), докато се поддържа стабилността на напрежението.
• ​Адаптивни контролни стратегии:​​ Съвременните SVRs (например SPAU341C) интегрират самолеренди алгоритми, за да предвиждат нуждите за регулиране на напрежението, основавайки се на исторически профили на нагрузката. Системата автоматично предварително регулира положението на контакти в периоди с подобни дневни профили на нагрузката (например върховни часове), намалявайки времето за отговор на регулирането на напрежението от минути до секунди. Тази стратегия е особено подходяща за флуктуации на изхода на PV или сценарии с концентрирано зареждане на електромобили (EV).

​3.3 Матрица за избор на сценарии​

​4 Оптимизация на производителността и иновативни технологии​

​Технология за намаляване на загубите:​​

Хибридната технология за превключване е основна иновация за минимизиране на загубите в SVR. Традиционните механични превключватели на контакти са с контактно съпротивление в десетки mΩ и значителни загуби от дъга. Съвременното решение използва хибридна структура от магнитни задържащи реле и back-to-back thyristors:

• ​Стационарна проводимост:​​ Обеспечавана от магнитното задържащо реле (съпротивление <1mΩ)
• ​Момент на превключване:​​ Back-to-back thyristor предоставя път за тока (време за активиране <2μs)
• ​Стационарен момент след превключване:​​ Механичните контакти се затварят отново, полупроводниковите устройства се изключват.
  Този дизайн намалява загубите при превключването с 80%, намалява обема на оборудването с 40%, постига бездъгово превключване и удължава живота на оборудването. Реалните данни за експлоатация показват, че хибридните SVRs имат 55% по-ниски годишни разходи за поддръжка в сравнение с традиционните модели.

​Топологичната иновация​ също дава значителен принос. Каскадният регулатор на напрежението използва хибридна структура с серия трансформатор и шунтов кондензатор, предлагайки три опционални режима на работа:

1. ​Еквивалентен режим на серийна компенсация:​​ Целта е повишаване на напрежението в края на дълги линии.
2. ​Режим на регулиране на напрежението-вар:​​ Координира оптимизацията на напрежението и реактивната мощност.
3. ​Чист режим на регулиране на напрежението:​​ Позволява бърз отговор на падането на напрежението.
   Този дизайн намалява загубите в системата с 15-20% при същата капацитетна способност, като същевременно подобрява способността за преодоляване на дефекта.

​5 Приложни случаи и практически опит​

​5.1 Повишаване на напрежението в селска дълга линия​

• ​Фон на проекта:​​ 28km 10kV линия в планински район, обслужващ разпръснати потребители. Напрежението в края на линията по време на връхна нагрузка падаше до 8.7kV (под стандартния нижнен предел: 9.7kV), не отговарящо на изискванията за насоси за орошение. Традиционните решения изискваха нова трансформаторна станция със стойност над ¥8 млн.
• ​Решение:​​ Две ABB SPAU341C регулатора, разположени в серия на 12km и 22km, използващи стратегия за координация Master-Slave.
• Конфигурация на устройствата: Всяко SVR: 800kVA, ±15% диапазон, LDC-включено.
• Контролна стратегия: Закъснение на главната станция (22km): 60 секунди; закъснение на второстепенната станция (12km): 30 секунди.
• Параметри за компенсация: Виртуално R = 0.32Ω, X = 0.45Ω (симулиращи импеданса на линията).
• ​Резултати:​​
• Напрежението в края на линията беше стабилизирано на 9.8-10.2kV; показателят за спазване на напрежението се увеличи от 61% до 99.6%.
• Проблемът с недостатъчна започваща момента на насосите по време на сезон на орошение с връхна нагрузка беше напълно елиминиран.
• Общата инвестиция: ¥1.8 млн (77.5% намаление на разходите в сравнение с нова трансформаторна станция).
• Годишно намаляване на загубите на енергия: ~150 MWh, съответстващо на спестявания на разходите за енергия ~¥120,000.

​5.2 Подобряване на качеството на енергията в гъсто населен градски район​

• ​Фон на проекта:​​ В областта, обслужвана от градски RMU, групираните търговски комплекси и зарядни станции за електромобили причиниха флуктуации на напрежението, достигащи ±8%. Зареждането на трансформатора достигна 130% по време на връхна нагрузка.
• ​Решение:​​ Инсталиране на система SVR + Dynamic Var Compensation (SVG) на входа на RMU.
• Избор на устройство: Регулатор SPAU341C (1250kVA) с ±200kVar SVG.
• Архитектура на контрола: VVO контролен контролер, извършващ обща оптимизация всяка 5 минути.
• Прогнозиращ алгоритъм: