
1. Oversigt
Udfordringer med spændingshåndtering i moderne distributionsnet:
- Lange forsyningsledninger, der fører til spændningsfald;
- Integration af decentraliserede energikilder (DER), der resulterer i tovejsstrøm;
- Lastfluktuationer, der fører til hyppige spændingsvariationer.
Tekniske egenskaber ved trinregulerbare spændingsregulatører (SVRs):
- Anvender tap-changing teknologi til at ændre transformatorvindingsforhold, hvilket giver en ±10% spændingsjusteringsområde (typisk i 32 trin, 0,625% pr. trin);
- Kernefordele ligger i realtid dynamiske justeringsmuligheder kombineret med flere kontrolstrategier, der giver fleksibel spændingstilskud til distributionsnettet.
Teknologiske udviklingstendenser:
- Udviklet fra grundlæggende mekaniske tap-switches til integrerede systemer, der inkluderer strømteknologi, adaptive kontrolalgoritmer og intelligente kommunikationsmoduler;
- Repræsentativ eksempel: ABB SPAU341C integrerer Line Drop Compensation (LDC) funktionalitet, der simulerer linjeimpedanskarakteristika for præcis spændingskontrol ved fjerne lastpunkter;
- Brug af magnetisk holdte relæer og TRIACs reducerer udstyrstab og fodaftryk, hvilket øger installationsflexibilitet og kostnadseffektivitet.
2. Teknisk princip & struktur
Kerneregulering af spændingen:
- Opnår spændingsregulering ved at ændre transformatorvindingsforhold, baseret på tap-changing teknologi af On-Load Tap Changers (OLTCs).
Lukket feedback-kontrolproces:
- Spændingstransformatorer indsamler kontinuerligt systemspændingssignaler;
- Fejlsignaler genereres ved at sammenligne de indsamlede værdier med sætte referenceværdier;
- Kontrolenheden bestemmer tap change retning (boost/buck) og trinstørrelse baseret på fejl-signalet.
Vigtige tekniske parametre for moderne SVRs:
- Med ABB SPAU341C som eksempel: Understøtter fine spændingsjusteringstrin på 0,625%, der gør 32-trins præcis spændingsregulering mulig inden for et ±10% område.
2.1 Kernekomponenter
- On-Load Tap Changer (OLTC): Regulatorens kerneaktuator, der anvender vakuumavbrydere for at reducere bue. Overgangsmodstand sikrer strømføring under skift, hvilket undgår afbrydelse af lastforsyningen. Moderne design anvender dual-resistor overgangsteknologi, der reducerer skiftetider til 40-60 millisekunder.
- Kontrolmodul: Bygget på højtydende mikroprocessorer (ARM/DSP), der integrerer flere kontrolstrategier. ABB SPAU341C anvender et modulær arkitektur, der består af forbindelsesmoduler, I/O-moduler og et automatisk spændingsreguleringsmodul, der understøtter kontinuerlig selvovervågning for realtid hardwaresoftware-diagnostik.
- Måling og beskyttelsesenhed: Spændings-/strømtransformatorer (f.eks. PT1, PT2, TA1) indsamler kontinuerligt systemparametre. Enheder er udstyret med trefase overstrømning og undervoltage blokeringsfunktioner. Ved opdagelse af kortslutning eller alvorligt spændningsfald bliver tap-changing operationer umiddelbart blokeret for at forhindre udstyrsskader.
- Kommunikation og driftsgrænseflade: Understøtter Ethernet, GPRS og andre kommunikationsprotokoller for fjernovervågning og parameterindstillinger. Displaymodulen leverer en lokal driftsgrænseflade, der viser nøgleparametre som referencer og målte værdier i realtid.
2.2 Vigtige driftsegenskaber
Egenskab
|
Teknisk beskrivelse
|
Anvendelsesværdi
|
Line Drop Compensation (LDC)
|
Anvender virtuelle impedansparametre (R/X) indstillinger til at kompensere for linjespændingsfald.
|
Gør præcis spændingskontrol mulig ved fjerne lastpunkter; eliminere behovet for yderligere måleenheder.
|
Tovejsstrømsupport
|
Anvender hybridswitches, der kombinerer back-to-back thyristorer og magnetiske låserelæer.
|
Tilpasses scenarier med DER-integration; understøtter spændingsregulering under reverse strøm.
|
Fællesdriftsfunktion
|
Understøtter parallel drift af op til 3 transformatorer via Master/Slave eller Circulating Current Minimization principper.
|
Udvider systemkapacitet; opfylder kravene i områder med høj lasttæthed.
|
Fejlride-through (FRT) kapacitet
|
Inkluderer spændingsnedgangsdetection og hurtig genoprettelseslogik.
|
Sikrer kontinuerlig forsyning til følsomme laster; forbedrer strømforsyningsreliabilitet.
|
3. Anvendelsesløsninger i distributionsnetdesign
3.1 Typiske anvendelsesscenarier
- Lange radiale forsyningsledninger: En klassisk SVR-anvendelse. I landlige distributionsnet kan 10kV-ledninger ofte strække sig over 15 km, hvilket fører til alvorlige spændingsafvigelser ved ledningsenden. Installation af SVRs midt på linjen eller ved ledningsenden effektivt kompenserer for spændingsfald. Ingeniørpraksis viser, at en enkelt SVR kan forlænge ledningsradius med 30%, forbedre spændingsoverholdelsen ved ledningsenden fra under 70% til over 98%, og betydeligt reducere omkostningerne til linjeopgradering.
- Højtbebyggede urbane distributionsnet: Står over for udfordringer med lastfluktuationer og spændingsmismatch. SVRs installeres typisk ved understationsudgange eller ringmain unit (RMU)-noder. I et byområdes kommercielle distriktsmoderniseringsprojekt blev installation af SVRs på 4 nøglespunkter reduceret peak-time spændingsfluktuation fra ±8% til ±2%, samtidig med at line loss blev reduceret med 12% gennem reaktiv strømoptimering.
- Områder med høj DER-penetration: Kræver håndtering af udfordringer med tovejsstrøm. Når PV-penetration overstiger 30%, oplever traditionelle distributionsnet ofte spændingskrænkninger. SVRs justerer automatisk kontrollogik via en reverse power mode, der aktivt reducerer spænding under perioder med overskudsproduktion. Et PV-demonstrationsprojekt, der anvender koordineret kontrol mellem SVRs og PV-invertere, øgede den lokale PV-hosting kapacitet med 25% og reducede curtailment-rater med 18%.
3.2 Kontrolstrategioptimering
- Spændings-VAR-optimering (VVO): Koordinerer SVRs med shunt kapacitetsbanker for at minimere systemtab.
- Flertrins koordineret kontrol: For kaskadestallinger af flere SVRs i komplekse net, skal kontrolkonflikter undgås. Tidsforsinkelseskoordinationsmetoden er den mest praktiske løsning – indstilling af det upstream SVRs forsinkelse (typisk 30-60 sekunder) til mindst dobbelt så lang tid som det downstream SVRs forsinkelse. Ved registrering af en spændingskrænkning handler det downstream SVR først. Hvis problemet fortsætter ud over dets forsinkelsesvindue, griber det upstream SVR derefter ind. Denne metode reducerer betydeligt unødvendige tap-operationer (op til 40%) mens spændingsstabiliteten bevares.
- Adaptive kontrolstrategier: Moderne SVRs (f.eks. SPAU341C) inkluderer selv-læringsalgoritmer til at forudsige spændingsjusteringsbehov baseret på historiske lastprofiler. Systemet justerer automatisk tap-positioner under perioder med lignende daglige lastmønstre (f.eks. morgenpeaks), hvilket reducerer spændingsjusteringsrespons-tiden fra minutter til sekunder. Denne strategi er især velegnet til PV-produktionsfluktuationer eller scenarier med koncentreret el-biloplading.
3.3 Scenarievalgsmatrix
Anvendelsesscenarie
|
Udstyrsvælgelseskriterier
|
Kontrolstrategi
|
Forventet resultat
|
Lange radiale forsyningsledninger
|
Stort justeringsområde (±15%), stærk varmeafledning
|
LDC + Forsinkelseskoordination
|
Endespændingsoverbust: 8-12%, Ledningsradiusudvidelse: 30%
|
Højtbebyggede urbane områder
|
Hurtig respons (<1s), kompakt design
|
VVO Koordination + Lastprognose
|
Spændingsfluktuation <±2%, Nettabreduktion: 10-15%
|
Højt DER-penetration områder
|
Tovejsstrømsupport, høj overbelastningskapacitet
|
Reverse Power Mode + Kilde-net Koordination
|
PV-hosting kapacitet ↑25%, Spændingsoverholdelsesrate >99%
|
4. Ydelsesoptymisation & innovative teknologier
Tabreduktionsteknologi:
Hybrid switching teknologi er en kerneinnovation for at minimere SVR-tab. Traditionelle mekaniske tap changers lider af kontaktmodstand i tiere af mΩ og betydelige bue-tab. Den moderne løsning anvender en hybridstruktur af Magnetiske Låserelæer og Back-to-Back Thyristorer:
- Stabil strømføring: Håndteret af Magnetiske Låserelæer (kontaktmodstand <1mΩ)
- Overgangsmoment: Back-to-Back Thyristor leverer en strømbane (trigger tid <2μs)
- Post-switch stabiltilstand: Mekaniske kontakter lukkes igen, halvleder-enheder slukkes.
Dette design reducerer switching tab med 80%, formindsker udstyrs-volumen med 40%, opnår bue-fri switching, og forlænger udstyrs levetid. Reelle driftsdata viser, at hybrid-switch SVRs har 55% lavere årlige vedligeholdelsesomkostninger sammenlignet med traditionelle modeller.
Topologi innovation bidrager også betydeligt. Cascaded Voltage Regulator anvender en hybridstruktur med en serie-transformator og shunt kapacitor, der tilbyder tre valgfrie driftsmoder:
- Ækvivalent seriel kompensationstilstand: Målretter spændingsboost ved slutningen af lange linjer.
- Spændings-VAR Justeringstilstand: Koordinerer spænding og reaktiv strøm optimering.
- Rent spændingsreguleringstilstand: Gør hurtig respons til spændingsfald mulig.
Dette design reducerer systemtab med 15-20% ved samme kapacitet, samtidig med at det forbedrer fejlride-through kapacitet.
5. Anvendelseseksempler & praktisk erfaring
5.1 Spændingsboost på landlig langdistancesforsyningsledning
- Projektbaggrund: En 28 km 10kV forsyningsledning i et bjergområde, der forsyner spredte laster. Endespænding under peak-tider faldt til 8,7 kV (under standard nedre grænse: 9,7 kV), hvilket ikke opfyldte strømkravene til irrigationspumper. Traditionelle løsninger krævede en ny understation til over ¥8 millioner.
- Løsning: To ABB SPAU341C regulatører installeret i serie ved 12 km og 22 km punkter, ved hjælp af en Master-Slave koordinationsstrategi.
- Enhedskonfiguration: Hver SVR: 800 kVA, ±15% område, LDC-aktiveret.
- Kontrolstrategi: Master station (22 km) forsinkelse: 60 sekunder; Slave station (12 km) forsinkelse: 30 sekunder.
- Kompensationsparametre: Virtuel R = 0,32 Ω, X = 0,45 Ω (simulerer linjeimpedans).
- Resultater:
- Endespænding stabiliseret ved 9,8-10,2 kV; overholdelsesrate steg fra 61% til 99,6%.
- Problem med utilstrækkelig starttorque for pumper under irrigationssæsonens peak-last fuldstændig elimineret.
- Total investering: ¥1,8 millioner (77,5% kostnadsreduktion sammenlignet med ny understation).
- Årlig energitabreduktion: ~150 MWh, svarende til energiomkostningsbesparelse på ~¥120,000.
5.2 Forbedring af strømkvalitet i tætbefolket byområde
- Projektbaggrund: Inden for et urbant RMU's forsyningsområde, hvor klustrede kommercielle komplekser og EV-opladelser forårsagede spændingsfluktuationer på ±8%. Transformerlast nåede 130% under peak-tider.
- Løsning: Installation af et SVR + Dynamic Var Compensation (SVG) system ved RMU-indgangen.
- Enhedsvalg: SPAU341C Regulatør (1250 kVA) med ±200 kVar SVG.
- Kontrolarkitektur: VVO koordinationscontroller, der udfører fælles optimering hvert 5. minut.
- Prognosealgoritme: Dyb læring-baseret lastprognose (nøjagtighed >92%).
- Resultater:
- Spændingsfluktuation kontrolleret inden for ±2% (overholder IEEE 519).
- Transformerlast reduceret til 85%, frigør 30% kapacitet.
- Komplette linjetab reduceret fra 7,8% til 6,2%, resulterer i årlige besparelser på ~¥80,000.
- Opladelingspilefejlrate reduceret med 40%; brugerklager reduceret med 90%.