Solutions Innovantes de Régulateurs de Tension à Paliers dans les Systèmes de Distribution d'Électricité

1 Résumé exécutif​

​Défis de la gestion de tension dans les réseaux de distribution modernes:​​

• Les alimentations à longue distance entraînant une chute de tension;
• L'intégration des sources d'énergie distribuées (SED) conduisant à un flux de puissance bidirectionnel;
• Les fluctuations de charge causant des variations fréquentes de tension.

​Caractéristiques techniques des régulateurs de tension par étages (RTE):​​

• Utilise la technologie de changement de rapport de bobinage pour modifier le rapport de tours du transformateur, permettant un ajustement de tension de ±10% (généralement en 32 étapes, 0,625% par étape);
• Les avantages principaux résident dans les capacités d'ajustement dynamique en temps réel combinées à plusieurs stratégies de contrôle, offrant un soutien de tension flexible pour le réseau de distribution.

​Tendances d'évolution technologique:​​

• Évolué des interrupteurs de dérivation mécaniques de base vers des systèmes intégrés incorporant l'électronique de puissance, des algorithmes de contrôle adaptatif et des modules de communication intelligents;
• Exemple représentatif : Le ABB SPAU341C intègre la fonctionnalité de compensation de chute de ligne (CCL), simulant les caractéristiques d'impédance de ligne pour un contrôle précis de la tension aux points de charge éloignés;
• L'utilisation de relais magnétiques et de TRIACs réduit les pertes d'équipement et l'encombrement, améliorant la flexibilité de déploiement et l'efficacité économique.

​2 Principe technique et structure​

​Mécanisme de régulation de tension principal:​​

• Réalise la régulation de tension en modifiant le rapport de tours du transformateur, en s'appuyant sur la technologie de changement de rapport de bobinage des changeurs de dérivation sous charge (CCD).

​Processus de contrôle en boucle fermée:​​

1. Les transformateurs de tension acquièrent continuellement les signaux de tension du système;
2. Des signaux d'erreur sont générés en comparant les valeurs acquises avec les valeurs de référence définies;
3. L'unité de commande décide de la direction de changement de dérivation (augmentation/diminution) et de la taille de l'étape en fonction du signal d'erreur.

​Paramètres techniques clés des RTE modernes:​​

• En prenant l'exemple du SPAU341C : Supporte des étapes d'ajustement de tension fines de 0,625%, permettant une régulation précise de la tension en 32 étapes dans une plage de ±10%.

​2.1 Composants clés​

• ​Changeur de dérivation sous charge (CCD):​​ L'actuateur central du régulateur, utilisant des interrupteurs à vide pour réduire l'arc. Les résistances de transition assurent la continuité du courant pendant le commutage, évitant l'interruption de l'alimentation de la charge. Les conceptions modernes emploient une technologie de transition à double résistance, réduisant les temps de commutation à 40-60 millisecondes.
• ​Module de contrôle:​​ Basé sur des microprocesseurs haute performance (ARM/DSP), intégrant plusieurs stratégies de contrôle. Le ABB SPAU341C adopte une architecture modulaire, comprenant des modules de connexion, des modules E/S et un module de régulation automatique de la tension, supportant une surveillance continue pour la diagnostics en temps réel du matériel et du logiciel.
• ​Unité de mesure et de protection:​​ Les transformateurs de tension/courant (par exemple, PT1, PT2, TA1) acquièrent continuellement les paramètres du système. Les unités sont équipées de fonctions de blocage de surintensité triphasée et de sous-tension. En cas de court-circuit ou de baisse de tension sévère détectée, les opérations de changement de dérivation sont immédiatement bloquées pour prévenir les dommages à l'équipement.
• ​Interface de communication et d'exploitation:​​ Soutient les protocoles de communication Ethernet, GPRS, etc., pour la surveillance à distance et la configuration des paramètres. Le module d'affichage fournit une interface d'exploitation locale, affichant en temps réel des paramètres clés tels que les consignes et les valeurs mesurées.

​2.2 Caractéristiques opérationnelles clés​

​3 Solutions d'application dans la conception du système de distribution​

​3.1 Scénarios d'application typiques​

• ​Alimentations radiales longues:​​ Une application classique des RTE. Dans les réseaux de distribution ruraux, les lignes 10kV s'étendent souvent sur plus de 15 km, causant des écarts de tension sévères à l'extrémité de l'alimentation. Le déploiement de RTE au milieu de la ligne ou à l'extrémité de l'alimentation compense efficacement les chutes de tension. Les pratiques d'ingénierie montrent qu'un seul RTE peut augmenter le rayon de l'alimentation de 30%, améliorant le taux de conformité de la tension à l'extrémité de l'alimentation de moins de 70% à plus de 98%, réduisant considérablement les coûts de mise à niveau de la ligne.
• ​Réseaux de distribution urbains à haute densité:​​ Font face aux défis de fluctuation de charge et de désaccord de tension. Les RTE sont généralement installés aux sorties des postes de transformation ou aux nœuds des unités de réseau en anneau (RNA). Dans un projet de rénovation d'un quartier commercial urbain, l'installation de RTE à 4 nœuds clés a réduit la fluctuation de tension pendant les heures de pointe de ±8% à ±2%, tout en réduisant les pertes de ligne de 12% grâce à l'optimisation de la puissance réactive.
• ​Zones à forte pénétration de SED:​​ Nécessitent la gestion des défis de flux de puissance bidirectionnel. Lorsque la pénétration de PV dépasse 30%, les réseaux de distribution traditionnels connaissent souvent des violations de tension. Les RTE ajustent automatiquement la logique de contrôle via un mode de puissance inverse, réduisant activement la tension pendant les périodes de surplus de production. Un projet de démonstration PV utilisant un contrôle coordonné entre les RTE et les onduleurs PV a augmenté la capacité d'accueil locale de PV de 25% et réduit les taux de limitation de 18%.

​3.2 Optimisation de la stratégie de contrôle​

• ​Optimisation de la tension-réactance (VVO):​​ Coordonne les RTE avec les banques de condensateurs shunt pour minimiser les pertes du système.
• ​Contrôle coordonné multi-étage:​​ Pour les installations en cascade de plusieurs RTE dans des réseaux complexes, il faut éviter les conflits de contrôle. La méthode de coordination par retard est la solution la plus pratique - en fixant le retard de l'RTE en amont (généralement 30-60 secondes) au moins deux fois celui de l'RTE en aval. En cas de violation de tension détectée, l'RTE en aval agit en premier. Si le problème persiste au-delà de sa fenêtre de retard, l'RTE en amont intervient alors. Cette approche réduit considérablement les opérations de dérivation inutiles (jusqu'à 40%) tout en maintenant la stabilité de la tension.
• ​Stratégies de contrôle adaptatives:​​ Les RTE modernes (par exemple, SPAU341C) intègrent des algorithmes d'apprentissage automatique pour prédire les besoins d'ajustement de tension en fonction des profils de charge historiques. Le système ajuste automatiquement les positions de dérivation pendant les périodes de motifs de charge quotidiens similaires (par exemple, les pics du matin), réduisant les temps de réponse d'ajustement de tension de minutes à secondes. Cette stratégie est particulièrement adaptée aux fluctuations de production PV ou aux scénarios de charge concentrée de véhicules électriques (VE).

​3.3 Matrice de sélection des scénarios​

​4 Optimisation des performances et technologies innovantes​

​Technologie de réduction des pertes:​​

La technologie de commutation hybride est une innovation centrale pour minimiser les pertes des RTE. Les changeurs de dérivation mécaniques traditionnels souffrent d'une résistance de contact de l'ordre de dizaines de mΩ et de pertes d'arc importantes. La solution moderne utilise une structure hybride de relais de verrouillage magnétique et de thyristors en face à face :

• ​Conduction en régime permanent:​​ Gérée par le relais de verrouillage magnétique (résistance de contact <1mΩ)
• ​Moment de transition:​​ Le thyristor en face à face fournit un chemin de courant (temps de déclenchement <2μs)
• ​Régime permanent post-commutation:​​ Les contacts mécaniques se referment, les dispositifs semi-conducteurs s'éteignent.
  Cette conception réduit les pertes de commutation de 80%, réduit le volume de l'équipement de 40%, réalise une commutation sans arc et prolonge la durée de vie de l'équipement. Les données d'exploitation réelles montrent que les RTE à commutation hybride ont des coûts de maintenance annuels 55% inférieurs par rapport aux modèles traditionnels.

​L'innovation topologique​ contribue également de manière significative. Le régulateur de tension en cascade adopte une structure hybride avec un transformateur en série et un condensateur en dérivation, offrant trois modes de fonctionnement optionnels :

1. ​Mode de compensation en série équivalente:​​ Cible l'augmentation de tension à l'extrémité des lignes longues.
2. ​Mode d'ajustement de la tension-réactance:​​ Coordonne l'optimisation de la tension et de la puissance réactive.
3. ​Mode de régulation pure de la tension:​​ Permet une réponse rapide aux creux de tension.
   Cette conception réduit les pertes du système de 15-20% à la même capacité tout en améliorant la capacité de traversée de défaut.

​5 Cas d'application et expérience pratique​

​5.1 Augmentation de la tension sur une alimentation rurale à longue distance​

• ​Contexte du projet:​​ Une alimentation de 28 km en 10 kV dans une zone montagneuse alimentait des charges dispersées. La tension finale pendant les heures de pointe tombait à 8,7 kV (en dessous de la limite inférieure standard de 9,7 kV), ne répondant pas aux besoins de puissance des pompes d'irrigation. Les solutions traditionnelles nécessitaient la construction d'un nouveau poste de transformation à un coût supérieur à 8 millions de yens.
• ​Solution:​​ Deux régulateurs ABB SPAU341C déployés en série aux points 12 km et 22 km, utilisant une stratégie de coordination Maître/Esclave.
• Configuration de l'appareil: Chaque RTE : 800 kVA, plage ±15%, CCL activée.
• Stratégie de contrôle: Retard de la station maître (22 km) : 60 secondes ; retard de la station esclave (12 km) : 30 secondes.
• Paramètres de compensation: R virtuel = 0,32Ω, X = 0,45Ω (simulant l'impédance de ligne).
• ​Résultats:​​
• La tension finale stabilisée à 9,8-10,2 kV ; le taux de conformité est passé de 61% à 99,6%.
• Le problème de couple de démarrage insuffisant pour les pompes pendant la saison d'irrigation à pleine charge a été complètement éliminé.
• Investissement total : 1,8 million de yens (réduction de 77,5% par rapport à un nouveau poste de transformation).
• Réduction annuelle des pertes d'énergie : ~150 MWh, correspondant à une économie de coûts d'énergie de ~120 000 yens.

​5.2 Amélioration de la qualité de l'énergie dans une zone urbaine à haute densité​

• ​Contexte du projet:​​ Dans la zone d'alimentation d'une unité de réseau en anneau (RNA) urbaine, des complexes commerciaux groupés et des stations de recharge de véhicules électriques causaient des fluctuations de tension atteignant ±8%. Le chargement du transformateur atteignait 130% pendant les heures de pointe.
• ​Solution:​​ Déploiement d'un système RTE + Compensation de puissance réactive dynamique (SVG) à l'entrée de la RNA.
• Sélection de l'appareil: Régulateur SPAU341C (1250 kVA) avec ±200 kVar SVG.
• Architecture de contrôle: Contrôleur de coordination VVO effectuant une optimisation conjointe toutes les 5 minutes.
• Algorithme de prédiction: Prévision de la charge basée sur l'apprentissage profond (précision >92%).
• ​Résultats:​​
• La fluctuation de tension contrôlée dans ±2% (conforme à la norme IEEE 519).
• Le chargement du transformateur réduit à 85%, libérant 30% de capacité.
• Les pertes de ligne globales réduites de 7,8% à 6,2%, générant des économies annuelles de ~80 000 yens.
• Le taux de panne des bornes de recharge réduit de 40% ; les plaintes des utilisateurs diminuées de 90%.