Innovative Lösungen für Stufenspannungsregler in elektrischen Verteilungssystemen

1. Executive Summary

Spannungswirtschaftliche Herausforderungen in modernen Verteilnetzen:

• Lange Speisern führen zu Spannungsabfall;
• Integration dezentraler Energiequellen (DER) führt zu bidirektionalem Leistungsfluss;
• Lastschwankungen verursachen häufige Spannungsschwankungen.

Technische Merkmale von Spannungsreglern (SVRs):

• Verwendung von Wickelumstellungstechnologie zur Änderung des Wickelverhältnisses der Transformatoren, um einen Spannungsanpassungsbereich von ±10% (in der Regel in 32 Stufen, 0,625% pro Stufe) zu erreichen;
• Kernvorteile liegen in den Fähigkeiten zur Echtzeit-Dynamikanpassung in Kombination mit mehreren Steuerstrategien, die eine flexible Spannungsführung für das Verteilnetz bieten.

Trends in der Technologieentwicklung:

• Entwickelt von grundlegenden mechanischen Wickelumschaltern zu integrierten Systemen, die Leistungselektronik, adaptive Steueralgorithmen und intelligente Kommunikationsmodule einbeziehen;
• Beispielhaft: Der ABB SPAU341C integriert die Funktion Line Drop Compensation (LDC), um die Leitungsimpedanzcharakteristiken zu simulieren und eine präzise Spannungssteuerung an entfernten Lastpunkten zu ermöglichen;
• Die Verwendung magnetisch gehaltener Relais und TRIACs reduziert Geräteverluste und den Platzbedarf, verbessert die Flexibilität bei der Installation und die Kosteneffizienz.

2. Technisches Prinzip & Struktur

Kernmechanismus der Spannungsregelung:

• Erreicht die Spannungsregelung durch Änderung des Wickelverhältnisses der Transformatoren, basierend auf der Wickelumstellungstechnologie von On-Load Tap Changers (OLTCs).

Geschlossener Regelkreisprozess:

1. Spannungswandler erfasst kontinuierlich die Systemspannungssignale;
2. Fehlersignale werden generiert, indem die erfassten Werte mit den vorgegebenen Referenzwerten verglichen werden;
3. Die Steuerungseinheit entscheidet über die Richtung der Wickelumstellung (Heben/Senken) und die Stufengröße basierend auf dem Fehlersignal.

Wesentliche technische Parameter moderner SVRs:

• Am Beispiel des SPAU341C: Unterstützt feine Spannungsanpassungsschritte von 0,625%, ermöglicht eine 32-Stufen-präzise Spannungsregelung im Bereich von ±10%.

2.1 Kernkomponenten

• On-Load Tap Changer (OLTC): Der zentrale Aktuator des Reglers, der Vakuumschalter verwendet, um Bogenbildung zu reduzieren. Übergangsresistoren gewährleisten die Stromkontinuität während der Schaltvorgänge, um Unterbrechungen der Lastversorgung zu vermeiden. Moderne Designs verwenden Doppelresistor-Übergangstechnologie, um die Schaltzeiten auf 40-60 Millisekunden zu reduzieren.
• Steuermodul: Basierend auf High-Performance-Mikroprozessoren (ARM/DSP) und Integration mehrerer Steuerstrategien. Der ABB SPAU341C verwendet eine modulare Architektur, bestehend aus Verbindungsmodulen, I/O-Modulen und einem automatischen Spannungsregelmodul, das eine kontinuierliche Selbstüberwachung für Echtzeit-Hardware- und Software-Diagnosen unterstützt.
• Mess- und Schutzgerät: Spannungs-/Stromwandler (z.B. PT1, PT2, TA1) erfassen kontinuierlich die Systemparameter. Die Geräte sind mit Dreiphasen-Überstrom- und Unterspannungssperrefunktionen ausgestattet. Bei Erkennung eines Kurzschlusses oder einer schweren Spannungseinbruch wird die Wickelumstellung sofort blockiert, um Geräteschäden zu verhindern.
• Kommunikations- und Bedienungsschnittstelle: Unterstützt Ethernet, GPRS und andere Kommunikationsprotokolle für Fernüberwachung und -parametrierung. Das Anzeigemodul bietet eine lokale Bedienungsschnittstelle, die wichtige Parameter wie Sollwerte und Messwerte in Echtzeit anzeigt.

2.2 Wesentliche Betriebsmerkmale

3. Anwendungslösungen im Verteilnetzdesign

3.1 Typische Anwendungsszenarien

• Lange Radialspeisern: Eine klassische Anwendung von SVRs. In ländlichen Verteilnetzen erstrecken sich 10-kV-Leitungen oft über 15 km, was zu starken Spannungsabweichungen am Ende der Speisern führt. Die Einrichtung von SVRs in der Mitte oder am Ende der Speisern kompensiert effektiv den Spannungsabfall. Ingenieurpraxis zeigt, dass ein einzelner SVR den Radius der Speisern um 30% erweitern kann, die Spannungsübereinstimmungsrate am Ende der Speisern von unter 70% auf über 98% steigert und die Kosten für Leitungsmodernisierungen signifikant reduziert.
• Hochdichte städtische Verteilnetze: Stellen Herausforderungen in Bezug auf Lastschwankungen und Spannungsungleichgewichte dar. SVRs werden typischerweise an Umspannwerksausgängen oder Ringknoten (RMU) installiert. In einem Stadtumbau-Projekt für einen Geschäftsviertel wurden SVRs an vier Schlüsselstellen eingesetzt, wodurch die Spannungsschwankungen während der Spitzenlast von ±8% auf ±2% reduziert wurden. Gleichzeitig wurde durch reaktive Leistungsoptimierung der Leitungsverlust um 12% reduziert.
• Bereiche mit hoher DER-Penetration: Erfordern die Bewältigung von Herausforderungen beim bidirektionalen Leistungsfluss. Wenn die PV-Penetration 30% überschreitet, erfahren traditionelle Verteilnetze oft Spannungsverstöße. SVRs passen ihre Steuerlogik automatisch über einen Rückwärtsleistung-Modus an, um die Spannung während Zeiträumen von Überproduktion aktiv zu senken. Ein PV-Demonstrationsprojekt, das koordinierte Steuerung zwischen SVRs und PV-Inverters nutzt, hat die lokale PV-Aufnahmekapazität um 25% erhöht und die Einschränkungsrate um 18% reduziert.

3.2 Optimierung der Steuerstrategie

• Spannungs-VAR-Optimierung (VVO): Koordiniert SVRs mit Schaltkondensatoren, um die Systemverluste zu minimieren.
• Mehrstufige koordinierte Steuerung: Für kaskadierte Installationen mehrerer SVRs in komplexen Netzen müssen Steuerkonflikte vermieden werden. Die Zeitverzögerungskoordinierungsmethode ist die praktischste Lösung – die Verzögerung des oberen SVRs (typischerweise 30-60 Sekunden) sollte mindestens doppelt so lang sein wie die des unteren SVRs. Bei Erkennung eines Spannungsverstoßes handelt der untere SVR zuerst. Wenn das Problem innerhalb seines Verzögerungszeitfensters weiterhin besteht, schaltet der obere SVR ein. Dieser Ansatz reduziert unnötige Wickelumstellungen (um bis zu 40%) und hält die Spannung stabil.
• Adaptive Steuerstrategien: Moderne SVRs (z.B. SPAU341C) integrieren selbstlernende Algorithmen, um Spannungsanpassungsbedarfe basierend auf historischen Lastprofilen vorherzusagen. Das System passt die Wickelpositionen automatisch während ähnlicher täglicher Lastmuster (z.B. Morgen-Spitzen) vor, was die Reaktionszeit von Minuten auf Sekunden reduziert. Diese Strategie ist besonders geeignet für PV-Fluktuationen oder Szenarien mit konzentrierter Elektrofahrzeug-Ladung.

3.3 Szenario-Auswahlmatrix

4. Leistungsoptimierung & innovative Technologien

Verlustreduzierende Technologie:

Hybride Schalttechnologie ist eine Kerninnovation zur Minimierung von SVR-Verlusten. Traditionelle mechanische Wickelumschalter leiden unter Kontaktwiderständen im Bereich von Zehnteln von mΩ und erheblichen Bogenverlusten. Die moderne Lösung verwendet eine hybride Struktur aus magnetisch gehaltenen Relais und Rück-zu-Rück-Thyristoren:

• Stationäre Leitung: Durchgeführt vom magnetisch gehaltenen Relais (Kontaktwiderstand <1mΩ)
• Übergangsmoment: Der Rück-zu-Rück-Thyristor bietet einen Strompfad (Triggerzeit <2μs)
• Post-Schaltestationärer Zustand: Mechanische Kontakte schließen wieder, Halbleiterbauteile schalten ab.
  Diese Konstruktion reduziert die Schaltverluste um 80%, verringert das Gerätenvolumen um 40%, ermöglicht bogenfreies Schalten und verlängert die Lebensdauer des Geräts. Tatsächliche Betriebsdaten zeigen, dass hybride SVRs 55% niedrigere jährliche Wartungskosten im Vergleich zu traditionellen Modellen aufweisen.

Topologieinnovationen tragen ebenfalls wesentlich bei. Der Kaskaden-Spannungsregler verwendet eine hybride Struktur mit Serientransformer und Shunt-Kondensator, die drei optionale Betriebsmodi bietet:

1. Äquivalenter Serienkompensationmodus: Zielt auf Spannungsanstieg am Ende langer Leitungen.
2. Spannungs-VAR-Anpassungsmodus: Koordiniert Spannungs- und reaktive Leistungsoptimierung.
3. Reiner Spannungsregelmodus: Ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Spannungseinbrüche.
   Diese Konstruktion reduziert die Systemverluste um 15-20% bei gleicher Kapazität und verbessert die Fault-Ride-Through-Fähigkeit.

5. Anwendungsbeispiele & praktische Erfahrungen

5.1 Spannungsanstieg in ländlichen Langstreckenspeisern

• Projekthintergrund: Ein 28 km langer 10-kV-Speiser in einem bergigen Gebiet versorgte verstreute Lasten. Die Endspannung während der Spitzenlast sank auf 8,7 kV (unterhalb des Standarduntergrenzwerts: 9,7 kV), was die Leistungsanforderungen für Bewässerungspumpen nicht erfüllte. Traditionelle Lösungen erforderten ein neues Umspannwerk mit Kosten von über 8 Millionen Yen.
• Lösung: Zwei ABB SPAU341C-Regler wurden in Serie an den 12-km- und 22-km-Punkten eingesetzt, unter Nutzung einer Master-Slave-Koordinationsstrategie.
• Gerätekonfiguration: Jeder SVR: 800 kVA, ±15% Bereich, LDC-fähig.
• Steuerstrategie: Verzögerung des Masterstations (22 km): 60 Sekunden; Verzögerung des Slave-Station (12 km): 30 Sekunden.
• Kompensationsparameter: Virtuelles R = 0,32 Ω, X = 0,45 Ω (Simulation der Leitungsimpedanz).
• Ergebnisse:
• Endspannung stabilisiert bei 9,8-10,2 kV; Konformitätsrate stieg von 61% auf 99,6%.
• Das Problem unzureichender Startmomente für Pumpen während der Bewässerungssaison-Spitzenlast wurde vollständig beseitigt.
• Gesamtinvestition: 1,8 Millionen Yen (77,5% Kosteneinsparung im Vergleich zu einem neuen Umspannwerk).
• Jährliche Energieverlustreduzierung: ~150 MWh, entsprechend Energiekosteneinsparungen von ~120.000 Yen.

5.2 Verbesserung der Netzqualität in städtischen Hochdichtegebieten

• Projekthintergrund: Im Versorgungsgebiet eines städtischen RMUs führten Cluster von Geschäftskomplexen und Elektrofahrzeug-Ladesäulen zu Spannungsschwankungen von ±8%. Die Transformatorbelastung erreichte 130% während der Spitzenlast.
• Lösung: Einbau eines SVR + Dynamische Var-Kompensation (SVG)-Systems am RMU-Eingang.
• Geräteauswahl: SPAU341C-Regler (1250 kVA) mit ±200 kVar SVG.
• Steuerarchitektur: VVO-Koordinierungscontroller, der alle 5 Minuten eine gemeinsame Optimierung durchführt.
• Vorhersagealgorithmus: Lastvorhersage basierend auf Deep Learning (Genauigkeit >92%).
• Ergebnisse:
• Spannungsschwankungen kontrolliert innerhalb von ±2% (entsprechend IEEE 519).
• Transformatorbelastung reduziert auf 85%, 30% Kapazität freigegeben.
• Gesamtleitungsverluste reduziert von 7,8% auf 6,2%, jährliche Einsparungen ~80.000 Yen.
• Ausfallrate der Ladepunkte reduziert um 40%; Benutzerbeschwerden um 90% gesunken.