전력 분배 시스템에서의 단계 전압 조정기의 혁신적인 솔루션

Rockwill

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1. 요약

현대 배전망의 전압 관리 문제:

장거리 피더로 인한 전압 강하;
분산 에너지 자원(DER) 통합으로 인한 양방향 전력 흐름;
부하 변동으로 인한 빈번한 전압 변화.

단계별 전압 조정기(SVR)의 기술적 특징:

변압기 와인딩 회전수 비율을 변경하여 ±10% 범위의 전압 조정(일반적으로 32 단계, 각 단계당 0.625%)을 달성;
실시간 동적 조정 능력과 다양한 제어 전략을 결합하여 배전망에 유연한 전압 지원 제공.

기술 발전 동향:

기본적인 기계식 탭 스위치에서 전력 전자, 적응형 제어 알고리즘, 지능형 통신 모듈을 포함하는 통합 시스템으로 발전;
대표적인 예: ABB SPAU341C는 선로 저하 보상(LDC) 기능을 통합하여 원격 부하 지점에서 정확한 전압 제어를 가능하게 함;
자기 유지 릴레이와 TRIAC의 사용으로 장비 손실과 크기를 줄여 배치 유연성과 비용 효율성을 향상.

2. 기술 원리 및 구조

코어 전압 조절 메커니즘:

온-로드 탭 체인저(OLTCs)의 탭 변경 기술을 통해 변압기 와인딩 회전수 비율을 변경하여 전압 조절 달성.

폐루프 피드백 제어 과정:

전압 변환기가 시스템 전압 신호를 연속적으로 획득;
획득된 값과 설정된 참조 값 간의 오차 신호 생성;
제어 장치가 오차 신호를 기반으로 탭 변경 방향(증가/감소)과 단계 크기를 결정.

현대 SVR의 주요 기술 파라미터:

SPAU341C를 예로 들면: 0.625%의 미세한 전압 조정 단계를 지원하여 ±10% 범위 내에서 32 단계의 정밀한 전압 조절 가능.

2.1 핵심 구성 요소

온-로드 탭 체인저(OLTC): 규제기의 핵심 작동기로서 진공 중단기를 사용하여 아크 발생을 줄임. 전환 저항기는 전환 중 전류 연속성을 유지하여 부하 공급 중단을 방지. 현대 설계는 듀얼 저항 전환 기술을 채택하여 전환 시간을 40-60 밀리초로 줄임.
제어 모듈: 고성능 마이크로프로세서(ARM/DSP)를 기반으로 여러 제어 전략을 통합. ABB SPAU341C는 연결 모듈, I/O 모듈, 자동 전압 조절 모듈을 포함하는 모듈형 아키텍처를 채택하여 실시간 하드웨어 및 소프트웨어 진단을 위한 연속적인 자기 모니터링 지원.
측정 및 보호 장치: 전압/전류 변환기(예: PT1, PT2, TA1)가 시스템 매개변수를 연속적으로 수집. 장치는 3상 과전류 및 저전압 차단 기능을 갖추고 있음. 단락 회로 또는 심각한 전압 저하를 감지하면 즉시 탭 변경 작업을 차단하여 장비 손상을 방지.
통신 및 운영 인터페이스: 이더넷, GPRS 등의 통신 프로토콜을 지원하여 원격 모니터링 및 매개변수 설정 가능. 디스플레이 모듈은 로컬 운영 인터페이스를 제공하여 설정값 및 측정값 등 주요 매개변수를 실시간으로 표시.

2.2 주요 운용 특성

특성	기술적 설명	응용 가치
선로 저하 보상(LDC)	가상 임피던스 매개변수(R/X) 설정을 사용하여 선로 전압 저하를 보상.	원격 부하 지점에서 정밀한 전압 제어 가능; 추가 측정 장치 필요 없음.
양방향 전력 흐름 지원	백-투-백 트라이아크와 자기 유지 릴레이를 결합한 하이브리드 스위치 사용.	DER 통합 시나리오에 적응; 역방향 전력 흐름 하의 전압 조절 지원.
병렬 운용 능력	마스터/슬레이브 또는 순환 전류 최소화 원칙을 통해 최대 3개의 변압기 병렬 운용 지원.	시스템 용량 확장; 고부하 밀도 지역의 요구 충족.
고장 견인(FRT) 능력	전압 저하 감지 및 빠른 복구 논리를 통합.	민감한 부하에 대한 연속 공급 보장; 전력 공급 신뢰성 향상.

3. 배전 시스템 설계에서의 응용 솔루션

3.1 대표적인 응용 사례

장거리 방사형 피더: 전형적인 SVR 응용. 농촌 배전 네트워크에서 10kV 선로는 종종 15km 이상 연장되어 피더 끝에서 심각한 전압 편차를 초래. 중간 또는 피더 끝에 SVR을 배치하면 효과적으로 전압 강하를 보상. 엔지니어링 실제 사례에 따르면 하나의 SVR이 피더 반경을 30%까지 확장하고 피더 끝에서의 전압 준수율을 70% 미만에서 98% 이상으로 개선하여 선로 업그레이드 비용을 크게 줄임.
고밀도 도시 배전 네트워크: 부하 변동과 전압 불일치 문제에 직면. SVR은 일반적으로 변전소 출구 또는 링 메인 유닛(RMU) 노드에 설치. 도시 상업 지구 리노베이션 프로젝트에서 4개 주요 노드에 SVR을 설치하여 피크 시간 전압 변동을 ±8%에서 ±2%로 줄이고 동시에 무효전력 최적화를 통해 선로 손실을 12% 감소.
고 DER 침투 지역: 양방향 전력 흐름 문제 관리 필요. 태양광 발전량이 30%를 초과하면 전통적인 배전 네트워크는 종종 전압 위반을 경험. SVR은 역방향 전력 모드를 통해 자동으로 제어 논리를 조정하여 발전량이 넘치는 기간 동안 전압을 능동적으로 감소. 태양광 시범 프로젝트에서 SVR과 PV 인버터 간의 협조된 제어를 통해 지역 태양광 수용 용량을 25% 증가시키고 컷백률을 18% 감소.

3.2 제어 전략 최적화

전압-무효전력 최적화(VVO): SVR과 병렬 콘덴서 뱅크를 조정하여 시스템 손실 최소화.
다단계 협조 제어: 복잡한 네트워크에서 여러 SVR의 계단식 설치 시 제어 충돌을 피해야 함. 시간 지연 조정 방법이 가장 실용적—상류 SVR의 지연(일반적으로 30-60초)을 하류 SVR의 지연의 두 배 이상으로 설정. 전압 위반을 감지할 때 하류 SVR이 먼저 작동. 문제가 지연 윈도우를 넘어 계속되면 상류 SVR이 개입. 이 접근법은 불필요한 탭 작동(최대 40%)을 크게 줄이며 전압 안정성을 유지.
적응형 제어 전략: 현대 SVR(예: SPAU341C)은 역사적 부하 프로파일을 기반으로 전압 조정 필요성을 예측하는 자체 학습 알고리즘을 통합. 시스템은 일일 부하 패턴(예: 아침 피크)이 유사한 기간 동안 탭 위치를 자동으로 사전 조정하여 전압 조정 응답 시간을 분에서 초로 줄임. 이 전략은 특히 태양광 출력 변동이나 전기 자동차(EV) 충전 집중 시나리오에 적합.

3.3 시나리오 선택 매트릭스

응용 시나리오	장비 선택 기준	제어 전략	예상 결과
장거리 방사형 피더	큰 조정 범위(±15%), 강력한 열 방출	LDC + 지연 조정	끝 전압 증가: 8-12%, 피더 반경 확장: 30%
고밀도 도시 지역	빠른 응답(<1초), 컴팩트한 설계	VVO 조정 + 부하 예측	전압 변동 <±2%, 네트워크 손실 감소: 10-15%
고 DER 침투 지역	양방향 흐름 지원, 높은 과부하 능력	역방향 전력 모드 + 소스-그리드 조정	태양광 수용 용량 ↑25%, 전압 준수율 >99%

4. 성능 최적화 및 혁신 기술

손실 감소 기술:

하이브리드 스위칭 기술은 SVR 손실을 최소화하기 위한 핵심 혁신입니다. 전통적인 기계식 탭 체인저는 수십 mΩ의 접촉 저항과 큰 아크 손실이 있습니다. 현대적인 해결책은 자기 유지 릴레이와 백-투-백 트라이아크를 결합한 하이브리드 구조를 사용합니다:

정상 상태 전도: 자기 유지 릴레이(접촉 저항 <1mΩ)에 의해 처리
전환 순간: 백-투-백 트라이아크가 전류 경로를 제공(트리거 시간 <2μs)
포스트 스위치 정상 상태: 기계 접점이 다시 닫히고 반도체 장치가 꺼짐.
이 설계는 전환 손실을 80% 줄이고 장비 부피를 40% 줄이며 아크 없는 전환이 가능하며 장비 수명을 연장. 실제 운영 데이터에 따르면 하이브리드 스위치 SVR은 전통적인 모델보다 연간 유지보수 비용이 55% 낮음.

토폴로지 혁신 또한 중요한 기여를 합니다. 캐스케이드 전압 조정기는 시리즈 변압기와 병렬 콘덴서를 결합한 하이브리드 구조를 채택하며 세 가지 선택 가능한 운용 모드를 제공:

등가 시리즈 보상 모드: 장거리 선로 끝의 전압 증가를 목표로 함.
전압-무효전력 조정 모드: 전압과 무효전력 최적화를 조정.
순수 전압 조절 모드: 전압 강하에 대한 빠른 응답 가능.
이 설계는 같은 용량에서 시스템 손실을 15-20% 줄이고 고장 견인 능력을 개선.

5. 적용 사례 및 실무 경험

5.1 농촌 장거리 피더의 전압 증가

프로젝트 배경: 산악 지역의 28km 10kV 피더가 분산 부하를 공급. 피크 시간 동안 끝 전압이 8.7kV(표준 하한: 9.7kV 미만)로 떨어져 관개 펌프의 전력 요구를 충족하지 못함. 전통적인 해결책은 800만 엔 이상의 새로운 변전소가 필요.
해결책: 12km와 22km 지점에 두 개의 ABB SPAU341C 조정기를 시리즈로 배치하고 마스터-슬레이브 조정 전략을 활용.