راه‌حل‌های نوآورانه تنظیم‌کننده‌های ولتاژ مرحله‌ای در سیستم‌های توزیع برق

Rockwill

17yrs 700++ staff 108000m²+m² US$150,000,000+ China

1 خلاصه اجرایی

چالش‌های مدیریت ولتاژ در شبکه‌های توزیع مدرن:

خوردن‌های طولانی مسافت منجر به کاهش ولتاژ؛
یکپارچگی منابع انرژی توزیع شده (DER) منجر به جریان دوطرفه برق؛
نوسانات بار منجر به تغییرات مکرر ولتاژ.

ویژگی‌های فنی تنظیم‌کننده‌های ولتاژ مرحله‌ای (SVRs):

استفاده از فناوری تغییر تاپ برای تغییر نسبت دورهای ترانسفورماتور، با دامنه تنظیم ولتاژ ±10% (معمولاً در 32 مرحله، 0.625% در هر مرحله)؛
مزایای اصلی در قابلیت‌های تنظیم دینامیکی در زمان واقعی با استراتژی‌های کنترل چندگانه، ارائه حمایت ولتاژ انعطاف‌پذیر برای شبکه توزیع.

روند تحول فنی:

از سوئیچ‌های تاپ مکانیکی پایه‌ای به سیستم‌های یکپارچه شامل الکترونیک قدرت، الگوریتم‌های کنترل تطبیقی و ماژول‌های ارتباطی هوشمند؛
مثال نماینده: ABB SPAU341C که عملکرد جبران کاهش خط (LDC) را یکپارچه می‌کند، ویژگی‌های امپدانس خط را شبیه‌سازی می‌کند برای کنترل دقیق ولتاژ در نقاط بار دور.
استفاده از رله‌های مغناطیسی و TRIACs کاهش ضایعات تجهیزات و حجم آن‌ها را افزایش می‌دهد، قابلیت نصب و کاهش هزینه را بهبود می‌بخشد.

2 اصل فنی و ساختار

مکانیسم تنظیم ولتاژ اصلی:

تنظیم ولتاژ را با تغییر نسبت دورهای ترانسفورماتور، با استفاده از فناوری تغییر تاپ در زمان بار (OLTCs) انجام می‌دهد.

فرآیند کنترل بازخورد حلقه بسته:

ترانسفورماتورهای ولتاژ به صورت مداوم سیگنال‌های ولتاژ سیستم را بدست می‌آورند؛
سیگنال‌های خطا با مقایسه مقادیر بدست آمده با مقادیر مرجع تعیین شده تولید می‌شوند؛
واحد کنترل بر اساس سیگنال خطا تصمیم می‌گیرد در جهت تغییر تاپ (افزایش/کاهش) و اندازه مرحله.

پارامترهای فنی کلیدی SVRs مدرن:

به عنوان مثال ABB SPAU341C: پشتیبانی از مراحل تنظیم ولتاژ دقیق 0.625%，在翻译过程中，我注意到您提供的文本需要翻译成波斯语（fa_IR）。以下是根据您的要求翻译的内容： ```html

1 خلاصه اجرایی

چالش‌های مدیریت ولتاژ در شبکه‌های توزیع مدرن:

خوردن‌های طولانی مسافت منجر به کاهش ولتاژ؛
یکپارچگی منابع انرژی توزیع شده (DER) منجر به جریان دوطرفه برق؛
نوسانات بار منجر به تغییرات مکرر ولتاژ.

ویژگی‌های فنی تنظیم‌کننده‌های ولتاژ مرحله‌ای (SVRs):

استفاده از فناوری تغییر تاپ برای تغییر نسبت دورهای ترانسفورماتور، با دامنه تنظیم ولتاژ ±10% (معمولاً در 32 مرحله، 0.625% در هر مرحله)؛
مزایای اصلی در قابلیت‌های تنظیم دینامیکی در زمان واقعی با استراتژی‌های کنترل چندگانه، ارائه حمایت ولتاژ انعطاف‌پذیر برای شبکه توزیع.

روند تحول فنی:

از سوئیچ‌های تاپ مکانیکی پایه‌ای به سیستم‌های یکپارچه شامل الکترونیک قدرت، الگوریتم‌های کنترل تطبیقی و ماژول‌های ارتباطی هوشمند؛
مثال نماینده: ABB SPAU341C که عملکرد جبران کاهش خط (LDC) را یکپارچه می‌کند، ویژگی‌های امپدانس خط را شبیه‌سازی می‌کند برای کنترل دقیق ولتاژ در نقاط بار دور.
استفاده از رله‌های مغناطیسی و TRIACs کاهش ضایعات تجهیزات و حجم آن‌ها را افزایش می‌دهد، قابلیت نصب و کاهش هزینه را بهبود می‌بخشد.

2 اصل فنی و ساختار

مکانیسم تنظیم ولتاژ اصلی:

تنظیم ولتاژ را با تغییر نسبت دورهای ترانسفورماتور، با استفاده از فناوری تغییر تاپ در زمان بار (OLTCs) انجام می‌دهد.

فرآیند کنترل بازخورد حلقه بسته:

ترانسفورماتورهای ولتاژ به صورت مداوم سیگنال‌های ولتاژ سیستم را بدست می‌آورند؛
سیگنال‌های خطا با مقایسه مقادیر بدست آمده با مقادیر مرجع تعیین شده تولید می‌شوند؛
واحد کنترل بر اساس سیگنال خطا تصمیم می‌گیرد در جهت تغییر تاپ (افزایش/کاهش) و اندازه مرحله.

پارامترهای فنی کلیدی SVRs مدرن:

به عنوان مثال ABB SPAU341C: پشتیبانی از مراحل تنظیم ولتاژ دقیق 0.625%，支持在±10%范围内进行32步精确电压调节。

2.1 主要组件

带载分接开关 (OLTC)： 调压器的核心执行器，利用真空断路器减少电弧。过渡电阻确保切换过程中的电流连续性，防止负载供电中断。现代设计采用双电阻过渡技术，将切换时间缩短至40-60毫秒。
控制模块： 基于高性能微处理器（ARM/DSP），集成多种控制策略。ABB SPAU341C采用模块化架构，包括连接模块、I/O模块和自动电压调节模块，支持持续自监测，实现实时硬件和软件诊断。
测量与保护单元： 电压/电流互感器（如PT1、PT2、TA1）持续收集系统参数。单元配备三相过流和欠压闭锁功能。检测到短路或严重电压下降时，立即阻止分接开关操作，以防止设备损坏。
通信与操作接口： 支持以太网、GPRS等通信协议，实现远程监控和参数设置。显示模块提供本地操作界面，实时显示设定值和测量值等关键参数。

2.2 关键运行特性

特征	技术描述	应用价值
线路降压补偿 (LDC)	使用虚拟阻抗参数（R/X）设置来补偿线路电压降。	实现远端负载点的精确电压控制；消除对额外测量设备的需求。
双向功率流支持	采用背靠背晶闸管和磁保持继电器结合的混合开关。	适应分布式能源集成场景；支持反向功率流下的电压调节。
并联运行能力	通过主/从或环流最小化原则支持最多3台变压器的并联运行。	扩展系统容量；满足高负荷密度区域的需求。
故障穿越 (FRT) 能力	包含电压跌落检测和快速恢复逻辑。	确保敏感负载的连续供电；提高供电可靠性。

3 配电系统设计中的应用解决方案

3.1 典型应用场景

长径向馈线： 经典的SVR应用场景。在农村配电网络中，10kV线路通常延伸超过15公里，在馈线末端造成严重的电压偏差。在中线或馈线末端部署SVR可以有效补偿电压下降。工程实践表明，单个SVR可以将馈线半径延长30%，将馈线末端的电压合格率从低于70%提高到98%以上，显著降低线路升级成本。
高密度城市配电网： 面临负荷波动和电压不匹配的挑战。SVR通常安装在变电站出口或环网单元（RMU）节点。在一个城市商业区改造项目中，在4个关键节点安装SVR，将高峰时段电压波动从±8%降至±2%，同时通过无功优化将线路损耗减少了12%。
高DER渗透区域： 需要管理双向功率流带来的挑战。当光伏渗透率超过30%时，传统配电网经常出现电压越限。SVR通过反向功率模式自动调整控制逻辑，在发电过剩期间主动降低电压。一个使用SVR和光伏逆变器协调控制的光伏示范项目，将当地光伏承载能力提高了25%，并将弃光率降低了18%。

3.2 控制策略优化

电压-无功优化 (VVO)： 协调SVR与并联电容器组以最小化系统损耗。
多级协调控制： 对于复杂网络中的多个SVR级联安装，必须避免控制冲突。时间延迟协调方法是最实用的解决方案——将上游SVR的延迟（通常为30-60秒）设置为至少是下游SVR延迟的两倍。检测到电压越限时，下游SVR首先动作。如果问题在其延迟窗口内仍未解决，则上游SVR介入。这种方法显著减少了不必要的分接操作（高达40%），同时保持了电压稳定性。
自适应控制策略： 现代SVR（例如SPAU341C）集成了自学习算法，基于历史负荷曲线预测电压调整需求。系统在类似日负荷模式期间（如早高峰）自动预调分接位置，将电压调整响应时间从几分钟缩短到几秒钟。这种策略特别适用于光伏输出波动或集中电动汽车充电场景。

3.3 场景选择矩阵

应用场景	设备选择标准	控制策略	预期结果
长径向馈线	大调整范围（±15%），强散热	LDC + 延迟协调	末端电压提升：8-12%，馈线半径延长：30%
高密度城市区域	快速响应（<1秒），紧凑设计	VVO协调 + 负荷预测	电压波动<±2%，网络损耗减少：10-15%
高DER渗透区域	双向流动支持，高过载能力	反向功率模式 + 源-网协调	光伏承载能力↑25%，电压合格率>99%

4 性能优化与创新技术

损耗减少技术：

混合开关技术是减少SVR损耗的核心创新。传统的机械分接开关存在数十毫欧姆的接触电阻和显著的电弧损耗。现代解决方案采用磁保持继电器和背靠背晶闸管的混合结构：

稳态导通： 由磁保持继电器处理（接触电阻<1毫欧姆）
过渡时刻： 背靠背晶闸管提供电流路径（触发时间<2微秒）
后切换稳态： 机械触点再次闭合，半导体器件关断。
这种设计减少了80%的切换损耗，缩小了40%的设备体积，实现了无电弧切换，并延长了设备寿命。实际运行数据显示，混合开关SVR的年维护成本比传统型号低55%。

拓扑创新 也做出了重要贡献。级联电压调节器采用串联变压器和并联电容器的混合结构，提供了三种可选操作模式：

等效串联补偿模式： 目标是长线路末端的电压提升。
电压-无功调整模式： 协调电压和无功优化。
纯电压调节模式： 实现对电压暂降的快速响应。
这种设计在同一容量下减少了15-20%的系统损耗，并提高了故障穿越能力。

5 应用案例与实践经验

5.1 农村长距离馈线电压提升

项目背景： 一条28公里的10kV馈线位于山区，供应分散的负荷。高峰时段末端电压降至8.7kV（低于标准下限9.7kV），无法满足灌溉泵的电力需求。传统解决方案需要新建一座变电站，成本超过800万日元。
解决方案： 在12公里和22公里处串联部署两台ABB SPAU341C调节器，采用主从协调策略。