Solucions Innovadores de Reguladors de Tensió en Sistemes de Distribució Elèctrica

1 Resum​

​Desafiaments de gestió de tensió en xarxes de distribució modernes:​​

• Alimentadors de llarga distància que causen una caiguda de tensió;
• Integració de recursos energètics distribuïts (RED) que porta a un flux de potència bidireccional;
• Fluctuacions de càrrega que causen variacions freqüents de tensió.

​Característiques tècniques dels reguladors de tensió per etapes (SVRs):​​

• Utilitza la tecnologia de canvi de toma per alterar la relació de voltatges de les bobines del transformador, assolint un rang d'ajustament de tensió de ±10% (habitualment en 32 passos, 0,625% per pas);
• Les principals avantatges es troben en les capacitats d'ajustament dinàmic en temps real combinades amb diverses estratègies de control, proporcionant suport flexible de tensió per a la xarxa de distribució.

​Tendències d'evolució tecnològica:​​

• Han evolucionat des de commutadors mecànics bàsics fins a sistemes integrats que incorporen electrònica de potència, algoritmes de control adaptatiu i mòduls de comunicació intel·ligent;
• Exemple representatiu: El ABB SPAU341C integra la funcionalitat de compensació de caiguda de línia (LDC), simulanta les característiques d'impedància de línia per a un control precís de tensió en punts de càrrega remots;
• L'ús de relés magnèticament mantenuts i TRIACs reduix les pèrdues d'equips i la superfície, millorant la flexibilitat de implementació i l'eficiència econòmica.

​2 Principi tècnic i estructura​

​Mecanisme central de regulació de tensió:​​

• Assolix la regulació de tensió canviant la relació de voltatges de les bobines del transformador, sota la tecnologia de canvi de toma de CTCs (On-Load Tap Changers).

​Procés de control de retroalimentació tancada:​​

1. Els transformadors de tensió adquiren continuament senyals de tensió del sistema;
2. Es generen senyals d'error comparant els valors adquirits amb els valors de referència establerts;
3. La unitat de control decideix la direcció del canvi de toma (augment/reducció) i la mida del pas basant-se en el senyal d'error.

​Paràmetres tècnics clau dels SVRs moderns:​​

• Prenent com a exemple el SPAU341C: Suporta ajustaments de tensió fina de 0,625%, permetent una regulació precisa de tensió en 32 passos dins d'un rang de ±10%.

​2.1 Components principals​

• ​Commutador de toma sota càrrega (CTC):​​ L'actuador central del regulador, utilitzant interruptors a buit per reduir l'arc voltaic. Les resistències de transició asseguren la continuitat de corrent durant el commutació, prevenint la interrupció de l'abast de càrrega. Els dissenys moderns utilitzen la tecnologia de doble resistor de transició, reduint els temps de commutació a 40-60 milisegons.
• ​Mòdul de control:​​ Basat en microprocessadors de alt rendiment (ARM/DSP), integrant diverses estratègies de control. El ABB SPAU341C adopta una arquitectura modular, composta per mòduls de connexió, mòduls I/O i un mòdul de regulació automàtica de tensió, suportant un monitoratge continu per a diagnòstics de hardware i software en temps real.
• ​Unitat de mesura i protecció:​​ Transformadors de tensió/corrent (per exemple, PT1, PT2, TA1) que recullen continuament paràmetres del sistema. Les unitats estan equipades amb funcions de bloqueig de sobreintensitat tri-fàsica i subtensió. En detectar un curtcircuí o una baixada severa de tensió, les operacions de canvi de toma són bloquejades immediatament per prevenir danys a l'equipament.
• ​Interfície de comunicació i operació:​​ Suporta protocols de comunicació com Ethernet, GPRS, entre altres, per a la monitorització remota i la configuració de paràmetres. El mòdul de visualització proporciona una interfície d'operació local, mostrant paràmetres clau com a punts de referència i valors mesurats en temps real.

​2.2 Característiques operatives clau​

​3 Solucions d'aplicació en el disseny de sistemes de distribució​

​3.1 Escenaris d'aplicació típics​

• ​Alimentadors radials llargs:​​ Una aplicació clàssica dels SVRs. En xarxes de distribució rural, les línies de 10kV sovint es estenen més de 15km, causant una desviació de tensió severa al final de l'alimentador. La instal·lació de SVRs a mig camí o al final de l'alimentador compensa eficientment la caiguda de tensió. Les pràctiques d'enginyeria mostren que un sol SVR pot estendre el radi de l'alimentador en un 30%, millorant la taxa de conformitat de tensió al final de l'alimentador de menys del 70% a més del 98%, reduint significativament els costos d'actualització de la línia.
• ​Xarxes de distribució urbana de alta densitat:​​ Enfronten desafiaments de fluctuació de càrrega i desacoblament de tensió. Els SVRs s'instalen habitualment a les sortides de subestacions o nodes de RMU. En un projecte de remodelació d'un districte comercial urbà, l'instal·lació de SVRs en 4 nodes clau va reduir la fluctuació de tensió en hora punta de ±8% a ±2%, mentre que simultàniament reduïa les pèrdues de línia en un 12% a través de l'optimització de reactiva.
• ​Àrees de alta penetració de RED:​​ Requereixen gestionar els desafiaments de flux de potència bidireccional. Quan la penetració de fotovoltaïca excedeix el 30%, les xarxes de distribució tradicionals sovint experimenten violacions de tensió. Els SVRs ajusten automàticament la lògica de control mitjançant un mode de potència reversa, reduint activament la tensió en períodes de sobrerenda de generació. Un projecte de demostració de fotovoltaïca utilitzant el control coordinat entre SVRs i inversors fotovoltaïcs va augmentar la capacitat local de fotovoltaïca en un 25% i reduir les taxes de curtailment en un 18%.

​3.2 Optimització de l'estratègia de control​

• ​Optimització de tensió-reactiva (VVO):​​ Coordinen els SVRs amb bancs de capacitadors shunt per minimitzar les pèrdues del sistema.
• ​Control coordinat en múltiples etapes:​​ Per a instal·lacions en cascada de diversos SVRs en xarxes complexes, s'ha de evitar conflictes de control. El Mètode de Coordinació amb Retard Temporal és la solució més pràctica: s'estableix el retard de l'SVR amont (habitualment 30-60 segons) com a mínim el doble del retard de l'SVR avall. En detectar una violació de tensió, l'SVR avall actua primer. Si el problema persisteix més enllà de la seva finestra de retard, l'SVR amont intervenix. Aquest enfocament redueix significativament les operacions de canvi de toma innecessàries (en un 40%) mentre manté l'estabilitat de tensió.
• ​Estratègies de control adaptatiu:​​ Els SVRs moderns (per exemple, SPAU341C) incorporen algoritmes d'aut-aprenentatge per preveure les necessitats d'ajustament de tensió basant-se en perfils de càrrega històrics. El sistema pre-ajusta automàticament les posicions de toma en períodes de patrons de càrrega diària similars (per exemple, pics matinals), reduint els temps de resposta de l'ajustament de tensió de minuts a segons. Aquesta estratègia és especialment adequada per a flotacions de rendiment fotovoltaïc o escenaris amb càrrega concentrada de vehicles elèctrics (VE).

​3.3 Matriu de selecció d'escenaris​

​4 Optimització de rendiment i tecnologies innovadores​

​Tecnologia de reducció de pèrdues:​​

La tecnologia de commutació híbrida és una innovació central per minimitzar les pèrdues dels SVRs. Els commutadors de toma mecànics tradicionals patixen una resistència de contacte en dezenes de mΩ i pèrdues d'arc voltaic significatives. La solució moderna utilitza una estructura híbrida de Relés de retenció magnètica i Tiristors en paral·lel:

• ​Conducció en estat estacionari:​​ Gestiona el Relé de retenció magnètica (resistència de contacte <1mΩ)
• ​Moment de transició:​​ El Tiristor en paral·lel proporciona un camí de corrent (temps de disparació <2μs)
• ​Estat estacionari post-commutació:​​ Tancament de nous contactes mecànics, apagada dels dispositius semiconductors.
  Aquest disseny redueix les pèrdues de commutació en un 80%, redueix el volum de l'equipament en un 40%, assolint una commutació sense arc voltaic i ampliant la vida útil de l'equipament. Les dades d'operació real mostren que els SVRs amb commutació híbrida tenen un 55% de costos de manteniment anual inferiors en comparació amb els models tradicionals.

​Innovació topològica​ també contribueix significativament. El Regulador de tensió en cascada adopta una estructura híbrida amb un transformador en sèrie i un capacitor en paral·lel, oferint tres modes d'operació opcionals:

1. ​Mode de compensació en sèrie equivalent:​​ Objectiu de majoració de tensió al final de línies llargues.
2. ​Mode d'ajustament de tensió-reactiva:​​ Coordina l'optimització de tensió i reactiva.
3. ​Mode de regulació pura de tensió:​​ Habilita una resposta ràpida a caigudes de tensió.
   Aquest disseny redueix les pèrdues del sistema en un 15-20% a la mateixa capacitat, mentre millora la capacitat de superació de falles.

​5 Casos d'aplicació i experiència pràctica​

​5.1 Majoració de tensió en alimentador rural de llarga distància​

• ​Context del projecte:​​ Un alimentador de 10kV de 28km en una zona muntanyosa que alimentava càrregues disperses. La tensió final en hora punta descendia a 8,7kV (per sota del límit inferior estàndard: 9,7kV), no complint amb els requisits d'energia per a bombes d'irrigació. Les solucions tradicionals requereixen una nova subestació a un cost superior als 8 milions de ienes.
• ​Solució:​​ S'han instal·lat dos reguladors ABB SPAU341C en sèrie als punts 12km i 22km, utilitzant una estratègia de coordinació Maestro-Esculler.
• Configuració del dispositiu: Cada SVR: 800kVA, rang ±15%, habilitat per LDC.
• Estratègia de control: Retard de la Maestro (22km): 60 segons; retard de l'Esculler (12km): 30 segons.
• Paràmetres de compensació: R virtual = 0,32Ω, X = 0,45Ω (simulant l'impedància de la línia).
• ​Resultats:​​
• Tensió final estabilitzada a 9,8-10,2kV; taxa de conformitat augmentada del 61% al 99,6%.
• El problema de torques insuficients per a les bombes durant la temporada d'irrigació en hora punta ha estat totalment eliminat.
• Inversió total: 1,8 milions de ienes (reducció del 77,5% en comparació amb una nova subestació).
• Reducció anual de pèrdues d'energia: ~150 MWh, corresponent a economies d'energia d'~120.000 ienes.

​5.2 Millora de la qualitat de l'energia en àrea urbana de alta densitat​

• ​Context del projecte:​​ Dins de l'àrea d'abast d'un RMU urbà, complexos comercials aglomerats i estacions de càrrega de VE causaven fluctuacions de tensió de ±8%. La càrrega del transformador arribava al 130% en hora punta.
• ​Solució:​​ Implementació d'un sistema SVR + Compensació de reactiva dinàmica (SVG) a l'entrada del RMU.
• Selecció de dispositiu: Regulador SPAU341C (1250kVA) amb ±200kVar SVG.
• Arquitectura de control: Controlador de coordinació VVO realitzant optimització conjunta cada 5 minuts.
• Algoritme de predicció: Previsió de càrrega basada en aprenentatge profúnd (precisió >92%).
• ​Resultats:​​
• Fluctuació de tensió controlada dins de ±2% (conforme amb IEEE 519).
• Càrrega del transformador reduïda al 85%, alliberant el 30% de la capacitat.
• Pèrdues de línia global reduïdes del 7,8% al 6,2%, produint economies anuals d'~80.000 ienes.
• Taxa de fallada de les piles de càrrega reduïda en un 40%; les reclamacions dels usuaris han disminuït en un 90%.