Penyelesaian Inovatif bagi Pemangkin Voltan Berperingkat dalam Sistem Pengagihan Elektrik

1 Ringkasan Eksekutif​

​Cabar Penyelenggaraan Voltan dalam Rangkaian Pengagihan Modern:​​

• Pemakanan jarak jauh menyebabkan penurunan voltan;
• Pengintegrasian sumber tenaga teragih (Distributed Energy Resource - DER) mengakibatkan aliran kuasa dua hala;
• Fluktuasi beban menyebabkan variasi voltan yang kerap.

​Ciri-ciri Teknikal Pengatur Voltan Bertingkat (Step Voltage Regulators - SVRs):​​

• Menggunakan teknologi perubahan tap untuk mengubah nisbah lilitan transforma, mencapai julat penyesuaian voltan ±10% (biasanya dalam 32 tahap, 0.625% setiap tahap);
• Kelebihan utama terletak pada keupayaan penyesuaian dinamik masa nyata bersama pelbagai strategi kawalan, memberikan sokongan voltan yang fleksibel untuk rangkaian pengagihan.

​Trend Evolusi Teknologi:​​

• Berkembang dari switch tap mekanikal asas kepada sistem terintegrasi yang merangkumi elektronik kuasa, algoritma kawalan adaptif, dan modul komunikasi pintar;
• Contoh representatif: ABB SPAU341C mengintegrasikan fungsi Kompensasi Jatuh Garis (Line Drop Compensation - LDC), mensimulasikan ciri-ciri impedans garis untuk kawalan voltan tepat di titik beban jauh;
• Penggunaan rel magnetik dan TRIAC mengurangkan kerugian peralatan dan jejak, meningkatkan fleksibiliti pemasangan dan kos-efektiviti.

​2 Prinsip Teknikal & Struktur​

​Mekanisme Pengaturan Voltan Utama:​​

• Mencapai pengaturan voltan dengan mengubah nisbah lilitan transforma, bergantung pada teknologi On-Load Tap Changers (OLTCs).

​Proses Kawalan Maklum Balas Gelung Tertutup:​​

1. Transforma voltan secara berterusan mengambil isyarat voltan sistem;
2. Isyarat ralat dihasilkan dengan membandingkan nilai yang diperoleh dengan nilai rujukan yang ditetapkan;
3. Unit kawalan memutuskan arah perubahan tap (boost/buck) dan saiz langkah berdasarkan isyarat ralat.

​Parameter Teknikal Utama SVR Modern:​​

• Mengambil SPAU341C sebagai contoh: Menyokong langkah penyesuaian voltan halus sebanyak 0.625%, membolehkan pengaturan voltan tepat dalam 32 langkah dalam julat ±10%.

​2.1 Komponen Utama​

• ​On-Load Tap Changer (OLTC):​​ Aktuator utama pengatur, menggunakan pemutus vakum untuk mengurangkan busuran. Resistor transisi memastikan kesinambungan arus semasa beralih, mencegah gangguan bekalan beban. Reka bentuk moden menggunakan teknologi transisi dual-resistor, mengurangkan masa beralih kepada 40-60 milisekon.
• ​Modul Kawalan:​​ Dibina berdasarkan mikropemproses prestasi tinggi (ARM/DSP), mengintegrasikan pelbagai strategi kawalan. ABB SPAU341C mengambil aliran arkitektur modular, terdiri daripada modul sambungan, modul I/O, dan modul pengaturan voltan automatik, menyokong pemantauan diri berterusan untuk diagnosis peranti keras dan perisian masa nyata.
• ​Unit Pengukuran dan Perlindungan:​​ Transforma Voltan/Arus (contohnya, PT1, PT2, TA1) secara berterusan mengumpul parameter sistem. Unit dilengkapi dengan fungsi pemblokiran overcurrent tiga fasa dan undervoltage. Semasa mendeteksi hubungan pendek atau penurunan voltan yang serius, operasi perubahan tap segera diblokir untuk mencegah kerosakan peralatan.
• ​Antara Muka Komunikasi dan Operasi:​​ Menyokong protokol komunikasi Ethernet, GPRS, dan lain-lain untuk pemantauan jauh dan penyetelan parameter. Modul paparan menyediakan antara muka operasi tempatan, menunjukkan parameter penting seperti setpoint dan nilai yang diukur secara masa nyata.

​2.2 Ciri-ciri Operasi Utama​

​3 Penyelesaian Aplikasi dalam Reka Bentuk Sistem Pengagihan​

​3.1 Skenario Aplikasi Biasa​

• ​Pemakanan Radial Panjang:​​ Aplikasi SVR klasik. Dalam rangkaian pengagihan luar bandar, garis 10kV sering meluas lebih 15km, menyebabkan penyimpangan voltan yang serius di hujung pemakan. Pemasangan SVR di tengah-tengah garis atau di hujung pemakan secara efektif mengimbangi penurunan voltan. Amalan kejuruteraan menunjukkan bahawa SVR tunggal dapat memperpanjang jejari pemakan sebanyak 30%, meningkatkan kadar patuhan voltan di hujung pemakan dari kurang 70% kepada lebih 98%, mengurangkan kos peningkatan garis secara signifikan.
• ​Rangkaian Pengagihan Padat Bandar:​​ Menghadapi cabaran fluktuasi beban dan ketidaksepadanan voltan. SVR biasanya dipasang di saluran keluar stesen transforma atau nod unit ring main (RMU). Dalam projek pemulihan zon komersial bandar, pemasangan SVR di 4 nod utama mengurangkan fluktuasi voltan pada jam puncak dari ±8% kepada ±2%, sementara mengurangkan kerugian garis sebanyak 12% melalui pengoptimuman kuasa reaktif.
• ​Kawasan dengan Penetrasi DER Tinggi:​​ Memerlukan pengurusan cabaran aliran kuasa dua hala. Apabila penetrasi PV melebihi 30%, rangkaian pengagihan tradisional sering mengalami pelanggaran voltan. SVR secara automatik menyesuaikan logik kawalan melalui mod kuasa songsang, mengurangkan voltan secara aktif semasa kelebihan generasi. Projek demonstrasi PV menggunakan kawalan berkoordinasi antara SVR dan inverter PV meningkatkan kapasiti hos PV tempatan sebanyak 25% dan mengurangkan kadar pengurangan sebanyak 18%.

​3.2 Pengoptimuman Strategi Kawalan​

• ​Pengoptimuman Voltan-Var (VVO):​​ Mengkoordinasikan SVR dengan bank kapasitor shunt untuk mengurangkan kerugian sistem.
• ​Kawalan Berkoordinasi Berperingkat:​​ Untuk pemasangan bertingkat SVR dalam rangkaian kompleks, konflik kawalan mesti dielakkan. Kaedah Koordinasi Tempoh Leburn adalah penyelesaian yang paling praktikal—menetapkan leburn SVR hulu (biasanya 30-60 saat) sekurang-kurangnya dua kali leburn SVR hilir. Semasa mendeteksi pelanggaran voltan, SVR hilir bertindak dahulu. Jika masalah berlanjutan di luar tetingkap leburnnya, SVR hulu kemudian campur tangan. Pendekatan ini mengurangkan operasi tap tidak perlu (sebanyak 40%) sambil mengekalkan kestabilan voltan.
• ​Strategi Kawalan Adaptif:​​ SVR moden (contohnya, SPAU341C) mengintegrasikan algoritma belajar sendiri untuk meramal keperluan penyesuaian voltan berdasarkan profil beban historikal. Sistem secara automatik menyesuaikan kedudukan tap sebelumnya semasa corak beban harian yang serupa (contohnya, puncak pagi), mengurangkan masa tindak balas penyesuaian voltan dari minit kepada saat. Strategi ini sangat sesuai untuk fluktuasi output PV atau skenario dengan pengecasan kenderaan elektrik (EV) berkumpulan.

​3.3 Matriks Pilihan Skenario​

​4 Pengoptimuman Prestasi & Teknologi Inovatif​

​Teknologi Pengurangan Kerugian:​​

Teknologi penukaran hibrid adalah inovasi inti untuk mengurangkan kerugian SVR. Tap changer mekanikal tradisional mengalami rintangan kontak dalam puluhan mΩ dan kerugian busuran yang signifikan. Penyelesaian moden menggunakan struktur hibrid Rel Magnetik dan Thyristor Back-to-Back:

• ​Penjalanan Steady-State:​​ Ditangani oleh Rel Magnetik (rintangan kontak <1mΩ)
• ​Momen Transisi:​​ Thyristor Back-to-Back menyediakan laluan arus (masa trigger <2μs)
• ​Steady-State Selepas Beralih:​​ Kontak mekanikal ditutup semula, peranti semikonduktor dimatikan.
  Reka bentuk ini mengurangkan kerugian beralih sebanyak 80%, mengurangkan isi padu peralatan sebanyak 40%, mencapai beralih tanpa busuran, dan memanjangkan usia peralatan. Data operasi sebenar menunjukkan SVR penukaran hibrid mengeluarkan kos penyelenggaraan tahunan 55% lebih rendah berbanding model tradisional.

​Inovasi Topologi​ juga memberi sumbangan yang signifikan. Regulator Voltan Bertingkat mengambil struktur hibrid dengan transforma siri dan kapasitor shunt, menawarkan tiga mod operasi pilihan:

1. ​Mod Kompensasi Siri Setara:​​ Sasaran peningkatan voltan di hujung garis panjang.
2. ​Mod Penyesuaian Voltan-Var:​​ Mengkoordinasikan pengoptimuman voltan dan kuasa reaktif.
3. ​Mod Pengaturan Voltan Saja:​​ Mengekalkan respons pantas terhadap penyusutan voltan.
   Reka bentuk ini mengurangkan kerugian sistem sebanyak 15-20% pada kapasiti yang sama sambil meningkatkan keupayaan fault ride-through.

​5 Kes Kasus & Pengalaman Praktikal​

​5.1 Peningkatan Voltan pada Pemakanan Jarak Jauh Luar Bandar​

• ​Latar Belakang Projek:​​ Pemakanan 10kV sepanjang 28km di kawasan pergunungan menyediakan beban tersebar. Voltan hujung semasa jam puncak turun ke 8.7kV (di bawah had bawah piawai: 9.7kV), gagal memenuhi keperluan kuasa untuk pam irigasi. Penyelesaian tradisional memerlukan stesen transforma baru dengan kos lebih ¥8 juta.
• ​Penyelesaian:​​ Dua regulator ABB SPAU341C dikerahkan secara bersiri pada titik 12km dan 22km, menggunakan strategi koordinasi Master-Slave.
• Konfigurasi Peranti: Setiap SVR: 800kVA, julat ±15%, LDC-dibenarkan.
• Strategi Kawalan: Stesen Master (22km) leburn: 60 saat; Stesen Slave (12km) leburn: 30 saat.
• Parameter Kompensasi: R maya = 0.32Ω, X = 0.45Ω (mensimulasikan impedans garis).
• ​Keputusan:​​
• Voltan hujung stabil pada 9.8-10.2kV; kadar patuhan meningkat dari 61% kepada 99.6%.
• Masalah tork permulaan yang tidak mencukupi untuk pam semasa musim irigasi pada beban puncak sepenuhnya dihilangkan.
• Pelaburan total: ¥1.8 juta (pengurangan kos 77.5% berbanding stesen transforma baru).
• Pengurangan kerugian tenaga tahunan: ~150 MWh, setara dengan simpanan kos tenaga ~¥120,000.

​5.2 Peningkatan Kualiti Bekalan dalam Kawasan Bandar Padat​

• ​Latar Belakang Projek:​​ Dalam kawasan bekalan RMU bandar, kompleks komersial berkelompok dan stesen pengecas EV menyebabkan fluktuasi voltan mencapai ±8%. Beban transforma mencapai 130% semasa jam puncak.
• ​Penyelesaian:​​ Pemasangan SVR + Sistem Pengimbangan Var Dinamik (SVG) pada saluran masuk RMU.
• Pilihan Peranti: Regulator SPAU341C (1250kVA) dengan ±200kVar SVG.
• Arkitektur Kawalan: Pengendali koordinasi VVO menjalankan pengoptimuman bersama setiap 5 minit.
• Algoritma Ramalan: Ramalan beban berdasarkan pembelajaran mendalam (ketepatan >92%).
• ​Keputusan:​​
• Fluktuasi voltan dikawal dalam ±2% (patuh dengan IEEE 519).
• Beban transforma berkurang kepada 85%, membebaskan 30% kapasiti.
• Kerugian garis secara menyeluruh berkurang dari 7.8% kepada 6.2%, menghasilkan simpanan tahunan ~¥80,000.
• Kadar kegagalan stesen pengecas berkurang sebanyak 40%; aduan pengguna berkurang sebanyak 90%.