Innovaatiot vaihtojännitekoneiden käytössä sähköjakelujärjestelmissä

1 Yleiskatsaus​

​Jännitteen hallinnan haasteet modernissa jakeluverkossa:​​

• Pitkät syöttölinjat aiheuttavat jännitteen laskun;
• Jakautuneiden energianlähteiden (DER) integrointi johtaa kaksisuuntaiseen voimansiirtoon;
• Latausvaihtelut aiheuttavat usein jännitteen vaihtelua.

​Vaihtojännitteiden säädintä (SVR):n tekniset ominaisuudet:​​

• Käyttää tapa-muutos-teknologiaa muuttaakseen muuntajan vuoroviivien suhdetta, saavuttaen ±10% jännitteen säätelyalueen (yleensä 32 askelta, 0.625% per askel);
• Ydinominaisuudet ovat reaaliaikaisessa dynaamisessa säätelyssä yhdistettynä monipuolisiin ohjausstrategioihin, tarjoten joustavan jänniteen tuen jakeluverkolle.

​Teknologian kehityssuunnat:​​

• Keittyneet perustavanlaatuisista mekaanisista tapasulkuista integroituihin järjestelmiin, jotka sisältävät voimasähkötekniikan, sopeutuvia ohjausalgoritmeja ja älykkäitä viestintämoduuleja;
• Edustava esimerkki: ABB SPAU341C sisältää linjan pudotuskompensoinnin (LDC) toiminnallisuuden, simuloi linjan impedanssiongelmaa tarkkaan jännitteen säätelyyn etäisellä latauspisteellä;
• Magneettisesti pidettyjen relaidien ja TRIAC-ohjainten käyttö vähentää laiterahdusta ja pohjanaluetta, parantaa käyttöjoustavuutta ja kustannustehokkuutta.

​2 Tekninen periaate & rakenne​

​Ydinjännitteen säädysmekanismi:​​

• Saavuttaa jännitteen säätelyn muuttamalla muuntajan vuoroviivien suhdetta, nojaten On-Load Tap Changers (OLTCs) tapa-muutos-teknologiaan.

​Suljetun silmukan palautteellinen ohjausprosessi:​​

1. Jänniteenmuuntajat noutavat jatkuvasti järjestelmän jännitesignaaleja;
2. Virhesignaalit luodaan vertaamalla noudettuja arvoja asetettuihin viitearvoihin;
3. Ohjausyksikkö päättää tapa-muutoksen suunnasta (boost/buck) ja askeleen koon virhesignaalin perusteella.

​Modernien SVR:n keskeiset tekniset parametrit:​​

• SPAU341C:n esimerkkinä: Tukee tarkkoja jännitteen säätelyaskelia 0.625%, mahdollistaa 32-askelin tarkan jännitteen säätelyn ±10% alueella.

​2.1 Ytimkomponentit​

• ​On-Load Tap Changer (OLTC):​​ Säädinteen ytimkonttori, joka käyttää vakiovientijanoja vähentääkseen kaarileikiä. Siirtymäresistorsit varmistavat sähkövirran jatkuvuuden siirtymässä, estävät latauksen keskeytyksen. Modernit suunnitelmat käyttävät kaksiresistoriteknologiaa, vähentävät siirtymisaikoja 40-60 millisekuntiin.
• ​Ohjausmoduuli:​​ Perustuu korkeasuoriuksesta mikroprosesoreille (ARM/DSP), integroi useita ohjausstrategioita. ABB SPAU341C hyödyntää modulaarista arkkitehtuuria, joka koostuu yhteyshenkilömoduuleista, I/O-moduuleista ja automaattisesta jännitteen säätelymoduulista, tukee jatkuvaa itsevalvontaa reaaliaikaiselle ohjaimelle ja ohjelmistodiagnostiikalle.
• ​Mittaussuojayksikkö:​​ Jännite-/virtamuuntajat (esim. PT1, PT2, TA1) noutavat jatkuvasti järjestelmän parametreja. Yksiköt on varustettu kolmifaseisilla ylivirtasuojauksilla ja alijännitesuojauksilla. Kun havaitaan lyhyyskierros tai vakava jännitetten lasku, tapa-muutoksia estetään välittömästi laitteen vaurioitumisen estämiseksi.
• ​Viestintä- ja operaatio-liittymä:​​ Tukee Ethernet-, GPRS- ja muiden viestintäprotokollien avulla etävalvonnalle ja parametrien asettamiselle. Näyttömoduuli tarjoaa paikallisen operaatio-liittymän, näyttää keskeisiä parametreja, kuten asetusarvoja ja mitatuja arvoja reaaliajassa.

​2.2 Keskeiset toimintamääritykset​

​3 Sovellusratkaisut jakeluverkon suunnittelussa​

​3.1 Tyypilliset sovellusasetelmat​

• ​Pitkät radiaaliset syöttölinjat:​​ Klassinen SVR-sovellus. Maaseudun jakeluverkossa 10 kV -linjat usein ulottuvat yli 15 km, aiheuttaen vakavan jännitteen poikkeaman syöttölinjan päässä. SVR:n käyttö linjan keskellä tai syöttölinjan päässä kompensoi tehokkaasti jännitteen pudotusta. Insinöörimenetelmät osoittavat, että yksi SVR voi laajentaa syöttölinjan sädeä 30%, parantaa jännitteen täytäntöönpanokelpoisuuden prosenttiosuutta syöttölinjan päässä alle 70% yli 98%, vähentää huomattavasti linjan päivityskustannuksia.
• ​Korkean tiheyden kaupunkijakeluverkot:​​ Kohtaavat latausvaihtelujen ja jännitteen epäyhteneväisyyden haasteet. SVR:t asennetaan tyypillisesti alijärjestyslaitosten ulosajoissa tai renkaanmainituksen (RMU) solmuissa. Kaupungin kauppakeskuksen uudistusprojektissa, SVR:n asentaminen 4 avainpisteeseen vähensi huippuhetken jännitteen vaihtelua ±8%:sta ±2%:iin, samalla vähentäen linjahäviöitä 12% reaktiivisen voiman optimoinnin avulla.
• ​Korkea DER-penetrointi:​​ Edellyttää kaksisuuntaisen voimansiirron haasteiden hallintaa. Kun aurinkopaneelien osuus ylittää 30%, perinteisissä jakeluverkoissa usein ilmenee jännitteen poikkeamia. SVR:t sopeuttavat automaattisesti ohjauslogiikkaansa käänteisessä voimansiirrossa, aktiivisesti vähentäen jännitettä tuotannon ylijäämäajoissa. Aurinkopaneeliesimerkkiprojekti, jossa SVR:t ja aurinkopaneelinvertterit koordinoitiin, lisäsi paikallista aurinkopaneelien otettavuutta 25% ja vähensi rajustamisprosenttia 18%.

​3.2 Ohjausstrategian optimointi​

• ​Jännite-var-optimoiminen (VVO):​​ Koordinoi SVR:t sivusuuntaisiin kondensaattoripankkeihin minimoidakseen järjestelmän häviöt.
• ​Monitasoinen koordinoitu ohjaus:​​ Monimutkaisten verkkojen monia SVR:ia käsittelevissä kaskadeasemoinnissa on vältettävä ohjausristiriitoja. Aikaviiveen koordinaatiomenetelmä on käytännöllisin ratkaisu – asetetaan ylöspäin sijoitetun SVR:n viive (yleensä 30-60 sekuntia) ainakin kaksinkertaiseksi alaspäin sijoitetun SVR:n viiveen verrattuna. Kun havaitaan jännitteen poikkeama, alaspäin sijoitettu SVR toimii ensin. Jos ongelma jatkuu sen viiveikkunan ulkopuolella, ylöspäin sijoitettu SVR puuttuu sitten asiaan. Tämä lähestymistapa vähentää huomattavasti tarpeettomia tapa-muutoksia (jopa 40%) säilyttäen samalla jännitteen vakauden.
• ​Sopeutuvat ohjausstrategiat:​​ Modernit SVR:t (esim. SPAU341C) sisältävät itsensä oppineita algoritmeja ennustamaan jännitteen säätelytarvetta historiallisten latausprofiilien perusteella. Järjestelmä automaattisesti ennakoivasti säätää tapa-asetuksia samankaltaisilla päivittäisillä latausmalleilla (esim. aamupuitteet), vähentäen jännitteen säätelyvastetta minuuteista sekunteihin. Tämä strategia on erityisen sopiva aurinkopaneelien tuotannon vaihteluille tai tilanteille, joissa on kokoontunut sähköautojen lataus.

​3.3 Asetelman valintamatriisi​

​4 Suorituskyvyn optimointi & innovatiiviset teknologiat​

​Häviöiden vähentäminen teknologiassa:​​

Hybridi-sulku on ydininnovaatio SVR-häviöiden vähentämiseksi. Perinteiset mekaaniset tapasulut kärsivät kontaktiresistansseista, jotka ovat kymmeniä mΩ, ja merkittävistä kaarileikistä. Moderni ratkaisu käyttää Magneettisesti pidettyjen relaidien ja Takaisin takaisin -thyristorien hybridi-rakennetta:

• ​Steady-State Conduction:​​ Handled by the Magnetic Latching Relay (contact resistance <1mΩ)
• ​Transition Moment:​​ The Back-to-Back Thyristor provides a current path (trigger time <2μs)
• ​Post-Switch Steady-State:​​ Mechanical contacts close again, semiconductor devices turn off.
  This design reduces switching losses by 80%, shrinks equipment volume by 40%, achieves arc-less switching, and extends equipment lifespan. Actual operating data shows hybrid-switch SVRs incur 55% lower annual maintenance costs compared to traditional models.

​Rakenteen innovaatio​ myös vaikuttaa merkittävästi. Cascaded Voltage Regulator hyödyntää sarjasyrjämuuntajan ja sivusuuntaisen kondensaattorin hybridi-rakennetta, tarjoaa kolme valinnaisia toimintatapaa:

1. ​Equivalent Series Compensation Mode:​​ Targets voltage boost at the end of long lines.
2. ​Voltage-Var Adjustment Mode:​​ Coordinates voltage and reactive power optimization.
3. ​Pure Voltage Regulation Mode:​​ Enables rapid response to voltage sags.
   This design reduces system losses by 15-20% at the same capacity while improving fault ride-through capability.

​5 Sovellus tapaukset & käytännön kokemukset​

​5.1 Jännitteen nosto maaseudun pitkällä syöttölinjalla​

• ​Hankkeen tausta:​​ 28 km pituinen 10 kV -syöttölinja vuoristoalueella, joka tarjossee hajautettuja latauksia. Huippuhetken loppujännite laskeutui 8.7 kV:ksi (standardin alaraja: 9.7 kV), eikä se täyttänyt vesimyrskyjen pumppujen sähkövaatimuksia. Perinteiset ratkaisut vaativat uuden alijärjestyslaitoksen rakentamista yli 8 miljoonan yuanin kustannuksella.
• ​Ratkaisu:​​ Kaksi ABB SPAU341C -regulatoria käytettiin sarjassa 12 km ja 22 km -pisteissä, käyttäen Master-Slave -koordinointistrategiaa.
• Laitteiston konfigurointi: Jokainen SVR: 800 kVA, ±15% alue, LDC-käytössä.
• Ohjausstrategia: Master-asema (22 km) viive: 60 sekuntia; Slave-asema (12 km) viive: 30 sekuntia.
• Kompensaatio-parametrit: Virtuaalinen R = 0.32 Ω, X = 0.45 Ω (simuloi linjan impedanssiongelmaa).
• ​Tulokset:​​
• Loppujännite stabiloitu 9.8-10.2 kV:ksi; täytäntöönpanokelpoisuuden prosenttiosuus nousi 61%:sta 99.6%:iin.
• Puutteellinen aloitusmomentti vesimyrskyjen pumppujen huippuhetken latauksessa poistettu kokonaan.
• Yhteensä investoitu 1.8 miljoonaa yuania (77.5% kustannussäästö uuden alijärjestyslaitoksen verrattuna).
• Vuoden energiahäviöt vähentyivät ~150 MWh, vastaava energiakustannussäästö ~120 000 yuania.

​5.2 Tehokvaliteuden parantaminen tiheässä kaupunkialueessa​

• ​Hankkeen tausta:​​ Kaupungin RMU:n toimitusalueella, ryhmässä olevat kauppakompleksit ja sähköautojen latausasemat aiheuttivat jännitteen vaihtelun, joka saavutti ±8%. Muuntajan lataus oli 130% huippuhetkisin.
• ​Ratkaisu:​​ SVR + Dynaaminen Var-kompensaatio (SVG) -järjestelmän käyttöönotto RMU:n sisäänkäynnissä.
• Laitteiston valinta: SPAU341C -regulatori (1250 kVA) ±200 kVar SVG.
• Ohjausrakenne: VVO-koordinointiohjain, joka suorittaa yhteisen optimoinnin joka 5 minuutissa.
• Ennustusalgoritmi: Syväoppimispohjainen latausennustus (tarkkuus >92%).
• ​Tulokset:​​
• Jännitteen vaihtelu kontrolloitu ±2%:iin (sopii IEEE 519 -standardiin).
• Muuntajan lataus vähentynyt 85%, vapautettu 30% kapasiteettia.
• Yhteiset linjahäviöt vähentyivät 7.8%:sta 6.2%:iin, vuosittaiset säästöt ~80 000 yuania.
• Latausaseman epäonnistumisprosentti vähentynyt 40%; käyttäjien valitukset vähentyneet 90%.