Inovativne rješenja za stupnjeve naponskih regulatora u sustavima raspodjele električne energije

1 Izvršni sažetak​

​Izazovi upravljanja naponom u modernim distribucijskim mrežama:​​

• Dugotrajni prevođači koji uzrokuju pad napona;
• Integracija raspodijeljenih izvora energije (DER) koja dovodi do dvosmjernog toka struje;
• Fluktuacije opterećenja koje uzrokuju česte varijacije napona.

​Tehničke značajke regulatora stupnjevitog napona (SVR):​​

• Koristi tehnologiju promjene stupnjeva da bi promijenila omjer zavojnice transformatora, postižući raspon prilagodbe napona od ±10% (obično u 32 koraka, 0,625% po koraku);
• Glavne prednosti leže u mogućnostima stvarnog vremenskog dinamičkog prilagođavanja kombinirane s više kontrolnih strategija, pružajući fleksibilnu podršku napona za distribucijsku mrežu.

​Trendovi evolucije tehnologije:​​

• Evoluirala od osnovnih mehaničkih prekidača stupnjeva do integriranih sustava koji uključuju elektroniku snage, adaptivne algoritme kontrole i inteligentne komunikacijske module;
• Reprezentativan primjer: ABB SPAU341C integriše funkcionalnost kompenzacije padanja na liniji (LDC), simulirajući karakteristike impedancije linije za preciznu kontrolu napona na udaljenim tačkama opterećenja;
• Upotreba magnetno držanih releja i TRIAC-a smanjuje gubitke opreme i površinu, poboljšavajući fleksibilnost implementacije i ekonomičnost.

​2 Tehnički princip i struktura​

​Osnovni mehanizam regulacije napona:​​

• Postiže regulaciju napona mijenjajući omjer zavojnice transformatora, oslanjajući se na tehnologiju promjene stupnjeva On-Load Tap Changera (OLTC).

​Zatvoreni proces povratne kontrolne petlje:​​

1. Transformatori napona neprekidno prikupljaju signale napona sistema;
2. Generiraju se signali greške usporedbom prikupljenih vrijednosti s referentnim postavljenim vrijednostima;
3. Jedinica kontrole odlučuje smjer promjene stupnja (pojačanje/smanjenje) i veličinu koraka temeljem signala greške.

​Ključni tehnički parametri modernih SVR-ova:​​

• Na primjeru SPAU341C: Podržava fino podebljivanje napona u koracima od 0,625%, omogućujući preciznu regulaciju napona u 32 koraka unutar raspona od ±10%.

​2.1 Ključni komponenti​

• ​On-Load Tap Changer (OLTC):​​ Osnovni aktuator regulatora, koristi vakuumne prekidače za smanjenje lukovanja. Prekidnici prijenosa osiguravaju kontinuitet struje tijekom preklapanja, spreučavajući prekid isporuke opterećenja. Moderne dizajne koriste tehnologiju prelaska dvostrukim otpornicima, smanjujući vrijeme prelaska na 40-60 milisekundi.
• ​Modul kontrole:​​ Izgrađen na visokoperformantnim mikroprocesorima (ARM/DSP), integrira više kontrolnih strategija. ABB SPAU341C koristi modularni arhitekturu, sastoji se od modula veza, I/O modula i automatskog modula regulacije napona, podupružujući kontinuiranu samonadgledanje za stvarnou dijagnostiku hardvera i softvera.
• ​Jedinica mjerenja i zaštite:​​ Transformatori napona/struje (npr., PT1, PT2, TA1) neprekidno prikupljaju parametre sustava. Jedinice su opremljene tri-faznim funkcijama blokiranja prekomjernog toka struje i nedostatka napona. Ukoliko detektiraju kratak spoj ili ozbiljnu padu napona, operacije promjene stupnjeva odmah se blokiraju kako bi se spriječili oštećenja opreme.
• ​Komunikacijski i operativni sučelja:​​ Podržavaju protokole komunikacije kao što su Ethernet, GPRS i drugi za daljinsko nadgledanje i postavljanje parametara. Modul prikaza pruža lokalno operativno sučelje, prikazujuci ključne parametre poput postavljenih vrijednosti i izmjerene vrijednosti u stvarnom vremenu.

​2.2 Ključne operativne karakteristike​

​3 Primjene u projektiranju distribucijskog sustava​

​3.1 Tipični scenariji primjene​

• ​Dugi radialni prevođači:​​ Klasična primjena SVR-a. U ruralnim distribucijskim mrežama, 10kV linije često se proširuju na preko 15km, uzrokujući ozbiljan pad napona na kraju prevođača. Instalacija SVR-a na sredini linije ili na kraju prevođača efektivno kompenzira pad napona. Inženjerske prakse pokazuju da jedan SVR može proširiti radijus prevođača za 30%, poboljšavajući stopu usklađenosti napona na kraju prevođača sa ispod 70% na preko 98%, značajno smanjujući troškove nadogradnje linija.
• ​Visoko gustoćne urbanne distribucijske mreže:​​ Suvrstavaju se sa izazovima fluktuacija opterećenja i neusklađenosti napona. SVR-ovi obično se instaliraju na izlazima podstaniča ili nodovima ring glavnog jedinice (RMU). U projektu rekonstrukcije trgovinskog dijela grada, instalacija SVR-ova na 4 ključna čvora smanjila je fluktuaciju napona u vrhunskim satima s ±8% na ±2%, istovremeno smanjujući gubitke na liniji za 12% putem optimizacije reaktivne snage.
• ​Područja s visokom penetracijom DER-a:​​ Zahtijevaju upravljanje izazovima dvosmjernog toka struje. Kada penetracija fotovoltaičnih panela premaši 30%, tradicionalne distribucijske mreže često iskazuju poništavanja napona. SVR-ovi automatski prilagođavaju kontrolnu logiku putem obrnutog režima napajanja, aktivno smanjujući napon tijekom razdoblja prekomjernog proizvodnje. Demonstracijski projekt koristeći koordiniranu kontrolu između SVR-ova i invertera fotovoltaičnih panela povećao je lokalnu kapacitet fotovoltaičnih panela za 25% i smanjio stopu ograničenja za 18%.

​3.2 Optimizacija strategije kontrole​

• ​Optimizacija napona i reaktivne snage (VVO):​​ Koordinira SVR-ove s shunt kondenzatorskim bankama kako bi minimizirao gubitke sustava.
• ​Višestruka koordinirana kontrola:​​ Za kaskadne instalacije više SVR-ova u složenim mrežama, moraju se izbjegavati konflikti kontrole. Metoda koordinacije s vremenskim kašnjenjem je najpraktičnije rješenje - postavljanje kašnjenja nadređenog SVR-a (obično 30-60 sekundi) najmanje dvostruko veće od kašnjenja podređenog SVR-a. Ukoliko se detektira poništavanje napona, prvi djeluje podređeni SVR. Ako problem nastavi izvan njegovog prozora kašnjenja, tada se uključuje nadređeni SVR. Ovaj pristup značajno smanjuje neophodne operacije promjene stupnjeva (do 40%) dok održava stabilnost napona.
• ​Adaptivne strategije kontrole:​​ Moderni SVR-ovi (npr. SPAU341C) uključuju algoritme samoučenja za predviđanje potreba za prilagodbom napona temeljem povijesnih profila opterećenja. Sustav automatski pre-prilagođava položaje stupnjeva tijekom perioda sličnih dnevnih profila opterećenja (npr. vrhunske sati), smanjujući vrijeme odgovora na prilagodbu napona s minuta na sekunde. Ova strategija posebno je prikladna za fluktuacije izlaza fotovoltaičnih panela ili scenariji s koncentriranim nabavljanjem električnih vozila (EV).

​3.3 Matrica odabira scenarija​

​4 Optimizacija performansi i inovativne tehnologije​

​Tehnologija smanjenja gubitaka:​​

Hibridna tehnologija prekida je ključna inovacija za smanjenje gubitaka SVR-ova. Tradicionalni mehanički prekidači stupnjeva patnju od otpora kontakta u desetinama mΩ i značajnih gubitaka lukovanja. Moderno rješenje koristi hibridnu strukturu magnetskih zaklopača i thyristora pomoću back-to-back:

• ​Stabilno provođenje:​​ Obavljeno magnetskim zaklopačem (otpornost kontakta <1mΩ)
• ​Moment prelaska:​​ Thyristor pomoću back-to-back pruža put struje (vrijeme aktivacije <2μs)
• ​Stabilno stanje nakon preklapanja:​​ Mekanički kontakti se ponovno zatvaraju, poluprovodnički uređaji se isključuju.
  Ovaj dizajn smanjuje gubitke preklapanja za 80%, smanjuje zapreminu opreme za 40%, ostvaruje preklapanje bez lukovanja i produžuje životnu dobu opreme. Stvarni podaci o radu pokazuju da hibridni prekidači SVR-a imaju 55% niže godišnje troškove održavanja u usporedbi s tradicionalnim modelima.

​Inovacije topologije​ također donose značajan doprinos. Cascaded Voltage Regulator koristi hibridnu strukturu s serijalnim transformatorom i šunt kondenzatorom, pružajući tri opcionalna načina rada:

1. ​Ekvivalentni režim serijske kompensacije:​​ Cilja je pojačanje napona na kraju dugih linija.
2. ​Režim prilagodbe napona i reaktivne snage:​​ Koordinira optimizaciju napona i reaktivne snage.
3. ​Pure Voltage Regulation Mode:​​ Omogućuje brz odgovor na pad napona.
   Ovaj dizajn smanjuje gubitke sustava za 15-20% na istoj kapacitetu, unatoč tome poboljšava sposobnost prelaska kroz grešku.

​5 Primjeri primjene i praktično iskustvo​

​5.1 Pojačanje napona na dugo udaljenom prevođaču u ruralnom području​

• ​Pozadina projekta:​​ 28km 10kV prevođač u planinskom području isporučivao je disperzivno opterećenje. Napon na kraju tijekom vrhunskih sati pao je na 8.7kV (ispod standardnog donjeg limita: 9.7kV), ne zadovoljavajući potrebe za pompe za navodnjavanje. Tradicionalna rješenja zahtijevala su novu podstanicu s troškovima preko 8 milijuna Yen.
• ​Rješenje:​​ Dva ABB SPAU341C regulatora instalirana u seriju na 12km i 22km točkama, koristeći strategiju Master-Slave koordinacije.
• Konfiguracija uređaja: Svaki SVR: 800kVA, ±15% raspon, LDC-omogućen.
• Strategija kontrole: Kašnjenje nadređene stanice (22km): 60 sekundi; Kašnjenje podređene stanice (12km): 30 sekundi.
• Parametri kompenzacije: Virtualni R = 0.32Ω, X = 0.45Ω (simulacija impedancije linije).
• ​Rezultati:​​
• Napon na kraju stabiliziran na 9.8-10.2kV; stopa usklađenosti porasla s 61% na 99.6%.
• Potpuno eliminiran nedostatak početnog momenta za pompe tijekom sezonskog vrhunskog opterećenja za navodnjavanje.
• Ukupna investicija: 1.8 milijuna Yen (77.5% smanjenje troškova u usporedbi s novom podstanicom).
• Godišnje smanjenje gubitaka energije: ~150 MWh, što odgovara uštedi na troškovima energije od ~120.000 Yen.

​5.2 Poboljšanje kvalitete struje u visoko gustoćnom urbanom području​

• ​Pozadina projekta:​​ Unutar područja snabdijevanja urbanog RMU-a, grupirani trgovinski kompleksi i stanice za punjenje EV-a uzrokovali su fluktuacije napona koje dosegu ±8%. Opterećenje transformatora dostiglo je 130% tijekom vrhunskih sati.
• ​Rješenje:​​ Instalacija sustava SVR + Dinamička kompensacija reaktivne snage (SVG) na ulazu RMU-a.
• Odabir uređaja: Regulator SPAU341C (1250kVA) s ±200kVar SVG.
• Arhitektura kontrole: Kontroler VVO koordinacije koji obavlja zajedničku optimizaciju svakih 5 minuta.
• Algoritam predviđanja: Predviđanje opterećenja temeljeno na dubokom učenju (točnost >92%).
• ​Rezultati:​​
• Fluktuacija napona kontrolirana unutar ±2% (usklađeno s IEEE 519).
• Opterećenje transformatora smanjeno na 85%, oslobađajući 30% kapaciteta.
• Kompleksni gubitci na liniji smanjeni s 7.8% na 6.2%, donoseći godišnju uštedu od ~80.000 Yen.
• Stopa neuspjeha stanica za punjenje smanjena za 40%; broj prigovora korisnika smanjen za 90%.