Soluzioni innovative dei regolatori di tensione a gradini nei sistemi di distribuzione elettrica

1 Riepilogo Esecutivo​

​Sfide di Gestione della Tensione nelle Reti di Distribuzione Moderne:​​

• Alimentatori a lunga distanza che causano calo di tensione;
• Integrazione di risorse energetiche distribuite (DER) che porta a un flusso di potenza bidirezionale;
• Fluttuazioni del carico che causano frequenti variazioni di tensione.

​Caratteristiche Tecniche dei Regolatori di Tensione a Gradini (SVRs):​​

• Utilizza la tecnologia di cambio di gradini per modificare il rapporto delle spire del trasformatore, ottenendo una regolazione della tensione di ±10% (tipicamente in 32 passi, 0,625% per passo);
• I vantaggi principali risiedono nelle capacità di regolazione dinamica in tempo reale combinate con diverse strategie di controllo, fornendo un supporto di tensione flessibile per la rete di distribuzione.

​Tendenze Evolutive della Tecnologia:​​

• Evoluzione da interruttori a gradini meccanici di base a sistemi integrati che incorporano elettronica di potenza, algoritmi di controllo adattivi e moduli di comunicazione intelligenti;
• Esempio rappresentativo: l'ABB SPAU341C integra la funzionalità di Compensazione della Caduta di Tensione (LDC), simulando le caratteristiche dell'impedenza della linea per un controllo preciso della tensione nei punti di carico remoti;
• L'utilizzo di relè magnetici e TRIAC riduce le perdite degli apparecchi e la loro ingombro, migliorando la flessibilità di installazione e la convenienza economica.

​2 Principio Tecnico & Struttura​

​Mechanismo Core di Regolazione della Tensione:​​

• Raggiunge la regolazione della tensione cambiando il rapporto delle spire del trasformatore, basandosi sulla tecnologia di cambio di gradini degli On-Load Tap Changers (OLTCs).

​Processo di Controllo a Retroazione Chiusa:​​

1. I trasformatori di tensione acquisiscono continuamente i segnali di tensione del sistema;
2. I segnali di errore vengono generati confrontando i valori acquisiti con i valori di riferimento impostati;
3. L'unità di controllo decide la direzione del cambio di gradino (alzata/abbassata) e la dimensione del passo in base al segnale di errore.

​Parametri Tecnici Chiave degli SVRs Moderni:​​

• Prendendo come esempio lo SPAU341C: supporta passi di regolazione della tensione fini di 0,625%, consentendo una regolazione precisa della tensione in 32 passi all'interno di un range di ±10%.

​2.1 Componenti Chiave​

• ​On-Load Tap Changer (OLTC):​​ L'attuatore centrale del regolatore, utilizzando interruttori a vuoto per ridurre l'arco. I resistori di transizione assicurano la continuità del corrente durante il commutazione, prevenendo l'interruzione dell'alimentazione del carico. Le progettazioni moderne utilizzano la tecnologia di transizione a doppio resistore, riducendo i tempi di commutazione a 40-60 millisecondi.
• ​Modulo di Controllo:​​ Costruito su microprocessori ad alte prestazioni (ARM/DSP), integrando diverse strategie di controllo. Lo SPAU341C ABB adotta un'architettura modulare, composta da moduli di connessione, moduli I/O e un modulo di regolazione automatica della tensione, supportando il monitoraggio continuo per la diagnosi hardware e software in tempo reale.
• ​Unità di Misurazione e Protezione:​​ Trasformatori di tensione/corrente (ad esempio, PT1, PT2, TA1) che acquisiscono continuamente i parametri del sistema. Le unità sono dotate di funzioni di blocco di sovratensione e sottotensione trifase. In caso di cortocircuito o caduta di tensione grave, le operazioni di cambio di gradino vengono immediatamente bloccate per prevenire danni agli apparecchi.
• ​Interfaccia di Comunicazione e Operativa:​​ Supporta protocolli di comunicazione come Ethernet, GPRS e altri per il monitoraggio remoto e l'impostazione dei parametri. Il modulo di visualizzazione fornisce un'interfaccia operativa locale, mostrando in tempo reale i parametri chiave come i setpoint e i valori misurati.

​2.2 Caratteristiche Operative Chiave​

​3 Soluzioni Applicative nel Progetto del Sistema di Distribuzione​

​3.1 Scenari Applicativi Tipici​

• ​Alimentatori Radiali Lunghi:​​ Un'applicazione classica degli SVR. Nelle reti di distribuzione rurali, le linee a 10kV spesso si estendono oltre 15km, causando una deviazione di tensione significativa alla fine dell'alimentatore. La disposizione di SVR a metà linea o alla fine dell'alimentatore compensa efficacemente i cali di tensione. Le pratiche ingegneristiche dimostrano che un singolo SVR può estendere il raggio dell'alimentatore del 30%, migliorando il tasso di conformità della tensione alla fine dell'alimentatore dal 70% inferiore all'98% superiore, riducendo notevolmente i costi di aggiornamento della linea.
• ​Reti di Distribuzione Urbane ad Alta Densità:​​ Affrontano sfide di fluttuazione del carico e disallineamento della tensione. Gli SVR sono tipicamente installati all'uscita delle stazioni di trasformazione o nei nodi di unità di anello principale (RMU). In un progetto di retrofit di un distretto commerciale urbano, l'installazione di SVR in 4 nodi chiave ha ridotto la fluttuazione di tensione durante l'ora di punta da ±8% a ±2%, mentre contemporaneamente riduceva le perdite di linea del 12% attraverso l'ottimizzazione del potere reattivo.
• ​Aree con Alta Penetrazione di DER:​​ Richiedono la gestione delle sfide del flusso di potenza bidirezionale. Quando la penetrazione di energia solare fotovoltaica supera il 30%, le reti di distribuzione tradizionali spesso presentano violazioni di tensione. Gli SVR regolano automaticamente la logica di controllo tramite una modalità di potenza inversa, riducendo attivamente la tensione durante i periodi di sovrapproduzione. Un progetto dimostrativo di energia solare fotovoltaica utilizzando il controllo coordinato tra SVR e inversori PV ha aumentato la capacità di accoglienza locale di energia solare fotovoltaica del 25% e ridotto i tassi di limitazione del 18%.

​3.2 Ottimizzazione della Strategia di Controllo​

• ​Ottimizzazione Tensione-Var (VVO):​​ Coordina gli SVR con banchi di condensatori shunt per minimizzare le perdite del sistema.
• ​Controllo Coordinato Multi-stadio:​​ Per l'installazione a cascata di più SVR in reti complesse, è necessario evitare conflitti di controllo. Il Metodo di Coordinazione con Ritardo Temporale è la soluzione più pratica - impostando il ritardo dell'SVR upstream (tipicamente 30-60 secondi) almeno il doppio del ritardo dell'SVR downstream. In caso di rilevazione di una violazione di tensione, l'SVR downstream agisce per primo. Se il problema persiste oltre la sua finestra di ritardo, l'SVR upstream interviene. Questo approccio riduce significativamente le operazioni di cambio di gradino non necessarie (fino al 40%) mantenendo la stabilità della tensione.
• ​Strategie di Controllo Adattivo:​​ Gli SVR moderni (ad esempio, SPAU341C) incorporano algoritmi di apprendimento automatico per prevedere le esigenze di regolazione della tensione in base ai profili di carico storici. Il sistema pre-regola automaticamente le posizioni dei gradini durante periodi di simili schemi di carico giornaliero (ad esempio, picchi mattutini), riducendo i tempi di risposta della regolazione della tensione da minuti a secondi. Questa strategia è particolarmente adatta alle fluttuazioni della produzione PV o agli scenari con ricarica concentrata di veicoli elettrici (EV).

​3.3 Matrice di Selezione dello Scenario​

​4 Ottimizzazione delle Prestazioni & Tecnologie Innovative​

​Tecnologia di Riduzione delle Perdite:​​

La tecnologia di commutazione ibrida è un'innovazione fondamentale per minimizzare le perdite degli SVR. I tradizionali cambiatori di gradini meccanici subiscono resistenze di contatto nell'ordine delle decine di mΩ e perdite significative per arco. La soluzione moderna utilizza una struttura ibrida di Relè a Tenuta Magnetica e Tiristori Back-to-Back:

• ​Conduttività in Stato Stazionario:​​ Gestita dal Relè a Tenuta Magnetica (resistenza di contatto <1mΩ)
• ​Momento di Transizione:​​ Il Tiristoro Back-to-Back fornisce un percorso di corrente (tempo di trigger <2μs)
• ​Stato Stazionario Post-Commutazione:​​ I contatti meccanici si chiudono nuovamente, i dispositivi semiconduttori si spegnono.
  Questo design riduce le perdite di commutazione del 80%, riduce il volume dell'equipaggiamento del 40%, realizza la commutazione senza arco e prolunga la durata dell'equipaggiamento. I dati di operazione effettivi mostrano che gli SVR a commutazione ibrida hanno costi di manutenzione annuali inferiori del 55% rispetto ai modelli tradizionali.

​Innovazione Topologica​ contribuisce significativamente. Il Regolatore di Tensione a Cascata adotta una struttura ibrida con un trasformatore in serie e un condensatore shunt, offrendo tre modalità operative opzionali:

1. ​Modalità di Compensazione Serie Equivalente:​​ Mirata all'aumento della tensione alla fine delle linee lunghe.
2. ​Modalità di Regolazione Tensione-Var:​​ Coordinazione ottimizzazione tensione e potenza reattiva.
3. ​Modalità di Regolazione Pura della Tensione:​​ Abilita risposta rapida ai crolli di tensione.
   Questo design riduce le perdite del sistema del 15-20% alla stessa capacità, migliorando la capacità di superamento dei guasti.

​5 Casi di Applicazione & Esperienze Pratiche​

​5.1 Aumento della Tensione su Alimentatore a Lunga Distanza in Area Rurale​

• ​Contesto del Progetto:​​ Un alimentatore a 10kV lungo 28km in un'area montuosa che alimentava carichi dispersi. La tensione finale durante le ore di punta scendeva a 8,7kV (al di sotto del limite inferiore standard: 9,7kV), non riuscendo a soddisfare i requisiti di potenza per le pompe di irrigazione. Le soluzioni tradizionali richiedevano una nuova sottostazione a un costo superiore a ¥8 milioni.
• ​Soluzione:​​ Due regolatori ABB SPAU341C dispiegati in serie ai punti 12km e 22km, utilizzando una strategia di coordinazione Master-Slave.
• Configurazione del Dispositivo: Ogni SVR: 800kVA, range ±15%, abilitato LDC.
• Strategia di Controllo: Ritardo stazione Master (22km): 60 secondi; ritardo stazione Slave (12km): 30 secondi.
• Parametri di Compensazione: Impedenza virtuale R = 0,32Ω, X = 0,45Ω (simulando l'impedenza della linea).
• ​Risultati:​​
• Tensione finale stabilizzata a 9,8-10,2kV; tasso di conformità passato dal 61% all'99,6%.
• Problema di coppia insufficiente per le pompe durante la stagione di irrigazione con carico di punta completamente eliminato.
• Investimento totale: ¥1,8 milioni (riduzione del 77,5% rispetto a una nuova sottostazione).
• Riduzione annuale delle perdite di energia: ~150 MWh, corrispondente a risparmi sui costi dell'energia di ~¥120.000.

​5.2 Miglioramento della Qualità dell'Energia in Area Urbana ad Alta Densità​

• ​Contesto del Progetto:​​ All'interno dell'area di fornitura di un RMU urbano, complessi commerciali raggruppati e stazioni di ricarica VE causavano fluttuazioni di tensione fino a ±8%. Il carico del trasformatore raggiungeva il 130% durante le ore di punta.
• ​Soluzione:​​ Dispiegamento di un sistema SVR + Compensazione Var Dinamica (SVG) all'ingresso del RMU.
• Selezione del Dispositivo: Regolatore SPAU341C (1250kVA) con ±200kVar SVG.
• Architettura di Controllo: Controller di coordinazione VVO che esegue l'ottimizzazione congiunta ogni 5 minuti.
• Algoritmo di Predizione: Previsione del carico basata su deep learning (accuratezza >92%).
• ​Risultati:​​
• Fluttuazione della tensione controllata entro ±2% (conforme allo standard IEEE 519).
• Carico del trasformatore ridotto al 85%, liberando il 30% della capacità.
• Perdite di linea complessive ridotte dall'7,8% al 6,2%, con risparmi annuali di circa ¥80.000.
• Tasso di guasto delle colonnine di ricarica ridotto del 40%; reclami degli utenti diminuiti del 90%.