Innovatieve oplossingen van traptensionsregelaars in elektriciteitsdistributiesystemen

1 Uitvoerige Samenvatting​

​Spanningsbeheersing uitdagingen in moderne distributienetten:​​

• Lange voeders die leiden tot spanningsdaling;
• Integratie van gedistribueerde energiebronnen (DER) die leidt tot tweerichtings stroomverloop;
• Lastfluctuaties die frequent spanningsvariaties veroorzaken.

​Technische kenmerken van Spanningsregelaars (SVRs):​​

• Gebruikt tap-wisseltechnologie om de verhouding van de transformatorwindingen te wijzigen, waardoor een ±10% spanningsaanpassingsbereik wordt bereikt (typisch in 32 stappen, 0.625% per stap);
• De kernvoordelen liggen in real-time dynamische aanpassingsmogelijkheden gecombineerd met meerdere besturingstrategieën, wat flexibele spanningondersteuning biedt voor het distributienet.

​Trend in technologische evolutie:​​

• Gevolgd van basismechanische tap-schakelaars naar geïntegreerde systemen die kracht elektronica, adaptieve besturingsalgoritmen en intelligente communicatiemodules integreren;
• Representatief voorbeeld: De ABB SPAU341C integreert Line Drop Compensation (LDC)-functionaliteit, simuleert lijnimpedantie-eigenschappen voor precies spanningsbeheer op afgelegen lastpunten;
• Het gebruik van magnetisch gehouden relais en TRIACs vermindert apparatuurverliezen en -voetafdruk, waardoor de inzetflexibiliteit en kosteneffectiviteit worden verbeterd.

​2 Technisch Principe & Structuur​

​Kernspanningsregeling mechanisme:​​

• Bereikt spanningsregeling door de verhouding van de transformatorwindingen te wijzigen, afhankelijk van de tap-wisseltechnologie van On-Load Tap Changers (OLTCs).

​Gesloten-lus feedback besturingsproces:​​

1. Spanningstransformatoren nemen continu systeemspanningssignalen op;
2. Foutsignalen worden gegenereerd door vergelijking van de verkregen waarden met ingestelde referentiewaarden;
3. De besturingseenheid beslist over de richting van de tap-wisseling (boost/buck) en de stapgrootte op basis van het foutsignaal.

​Belangrijke technische parameters van moderne SVRs:​​

• Met de SPAU341C als voorbeeld: Ondersteunt fijne spanningsaanpassingsstappen van 0.625%, waardoor 32-staps precisievolle spanningsregeling binnen een ±10% bereik mogelijk is.

​2.1 Kerncomponenten​

• ​On-Load Tap Changer (OLTC):​​ De kernactuator van de regelaar, die vacuümonderbrekers gebruikt om boogvorming te verminderen. Overgangsweerstanden zorgen voor stroomcontinuïteit tijdens schakeling, waardoor onderbreking van de lastvoorziening wordt voorkomen. Moderne ontwerpen maken gebruik van dubbelresistor-overgangstechnologie, waarmee de schakeltijden tot 40-60 milliseconden worden teruggebracht.
• ​Besturingmodule:​​ Gebouwd op high-performance microprocessors (ARM/DSP), die meerdere besturingstrategieën integreren. De ABB SPAU341C maakt gebruik van een modulaire architectuur, bestaande uit aansluitmodules, I/O-modules en een automatische spanningregelingsmodule, die continue zelfcontrole ondersteunen voor real-time hardware- en software-diagnostiek.
• ​Meting- en beschermingseenheid:​​ Spanning/Stroomtransformatoren (bijv., PT1, PT2, TA1) nemen continu systeemparameters op. Eenheid is uitgerust met driefase overstroom- en onderspanningsblokkeringsfuncties. Bij detectie van een kortsluiting of ernstige spanningsspanning worden tap-wisseloperaties onmiddellijk geblokkeerd om apparatuurschade te voorkomen.
• ​Communicatie- en bedieningsinterface:​​ Ondersteunt Ethernet, GPRS en andere communicatieprotocollen voor externe monitoring en parameterinstellingen. Het displaymodul biedt een lokale bedieningsinterface, waarmee belangrijke parameters zoals instelpunten en gemeten waarden in real-time worden weergegeven.

​2.2 Belangrijke Operationele Kenmerken​

​3 Toepassingsoplossingen in distributiesysteemontwerp​

​3.1 Typische toepassingsscenario's​

• ​Lange radiale voeders:​​ Een klassieke SVR-toepassing. In landelijke distributienetten strekken 10kV-lijnen zich vaak uit over 15km, wat leidt tot ernstige spanningsschommelingen aan het einde van de voeder. Door SVRs midden op de lijn of aan het einde van de voeder te plaatsen, wordt effectief gecompenseerd voor spanningsdaling. Ingenieurspraktijken laten zien dat één SVR de straal van de voeder kan verlengen met 30%, de spanningconformiteitsgraad aan het einde van de voeder kan verhogen van onder de 70% naar meer dan 98%, wat aanzienlijk bijdraagt aan de vermindering van kosten voor lijnupgrade.
• ​Hoge-dichtheidstedelijke distributienetten:​​ Tegenkomen uitdagingen van lastfluctuaties en spanningonovereenkomst. SVRs worden typisch geïnstalleerd bij substation outlets of ring main unit (RMU) knooppunten. In een stadse commerciële district renovatieproject, werden SVRs geïnstalleerd op 4 sleutelknooppunten, wat de piekurenspanningsfluctuaties reduceerde van ±8% naar ±2%, terwijl tegelijkertijd de lijnverliezen met 12% werden verlaagd door reactieve vermogensoptimalisatie.
• ​Gebieden met hoge DER-penetratie:​​ Vereisen beheer van uitdagingen van tweerichtings stroomverloop. Wanneer de PV-penetratie 30% overschrijdt, ervaren traditionele distributienetten vaak spanningsovertredingen. SVRs passen automatisch de besturinglogica aan via een reverse power mode, actief de spanning verlagend tijdens periodes van generatieoverschot. Een PV-demonstratieproject met gecoördineerde besturing tussen SVRs en PV-inverteren verhoogde de lokale PV-hostingcapaciteit met 25% en verlaagde de curtailment-ratio met 18%.

​3.2 Besturingstrategie optimalisatie​

• ​Voltage-Var Optimalisatie (VVO):​​ Coördineert SVRs met shunt condensatorbanken om systeemverliezen te minimaliseren.
• ​Meerfasige gecoördineerde besturing:​​ Voor cascade-installaties van meerdere SVRs in complexe netwerken moeten besturingsconflicten worden vermeden. De Time Delay Coordination Method is de meest praktische oplossing—het instellen van de upstream SVR-vertraging (typisch 30-60 seconden) ten minste twee keer zo lang als de downstream SVR-vertraging. Bij detectie van een spanningsovertreding handelt de downstream SVR eerst. Als het probleem blijft bestaan na zijn vertraggingsvenster, komt de upstream SVR dan in actie. Deze benadering vermindert aanzienlijk onnodige tap-operaties (tot wel 40%) terwijl de spanningstabiliteit wordt behouden.
• ​Aanpasbare besturingstrategieën:​​ Moderne SVRs (bijv., SPAU341C) integreren self-learning algoritmen om spanningaanpassingsbehoeften te voorspellen op basis van historische lastprofielen. Het systeem past automatisch vooraf tapposities aan tijdens perioden van soortgelijke dagelijkse lastpatronen (bijv., ochtendpieken), wat de spanningaanpassingsreactietijden vermindert van minuten naar seconden. Deze strategie is bijzonder geschikt voor PV-uitvoerfluctuaties of scenario's met geconcentreerde elektrische voertuig (EV) oplaadactiviteiten.

​3.3 Scenario Selectie Matrix​

​4 Prestatieoptimalisatie & Innovatieve Technologieën​

​Verliesreductietechnologie:​​

Hybride schakeltechnologie is een kerninnovatie voor het minimaliseren van SVR-verliezen. Traditionele mechanische tap-changers hebben contactweerstanden in de tientallen mΩ en aanzienlijke boogverliezen. De moderne oplossing maakt gebruik van een hybride structuur van Magnetisch Vasthoudende Relais en Back-to-Back Thyristors:

• ​Steady-State Conduction:​​ Handled by the Magnetic Latching Relay (contact resistance <1mΩ)
• ​Transition Moment:​​ The Back-to-Back Thyristor provides a current path (trigger time <2μs)
• ​Post-Switch Steady-State:​​ Mechanical contacts close again, semiconductor devices turn off.
  Dit ontwerp vermindert schakelverliezen met 80%, verkleint de apparaaturvolume met 40%, bereikt boogloze schakeling en verlengt de levensduur van de apparatuur. Actuele operatiegegevens tonen aan dat hybride schakel-SVRs 55% lagere jaarlijkse onderhoudskosten hebben ten opzichte van traditionele modellen.

​Topologie-innovatie​ draagt ook aanzienlijk bij. De Cascaded Voltage Regulator maakt gebruik van een hybride structuur met een serie-transformator en shunt-condensator, en biedt drie optionele bedrijfsmodi:

1. ​Equivalent Series Compensation Mode:​​ Gericht op spanningverhoging aan het einde van lange lijnen.
2. ​Voltage-Var Adjustment Mode:​​ Coördineert spanning- en reactieve vermogensoptimalisatie.
3. ​Pure Voltage Regulation Mode:​​ Stelt snelle respons mogelijk op spanningsspanningen.
   Dit ontwerp vermindert systeemverliezen met 15-20% bij dezelfde capaciteit en verbetert de fault ride-through-capaciteit.

​5 Toepassingsvoorbeelden & Praktijkervaringen​

​5.1 Spanningsverhoging op landelijke langeafstandsvoeder​

• ​Projectachtergrond:​​ Een 28km 10kV-voeder in een bergachtig gebied voor verspreide lasten. Eindspanning tijdens piektijden daalde tot 8.7kV (onder de standaard ondergrens: 9.7kV), waardoor de stroomvereisten voor irrigatiepompen niet werden voldaan. Traditionele oplossingen vereisten een nieuwe substation tegen een kosten van meer dan ¥8 miljoen.
• ​Oplossing:​​ Twee ABB SPAU341C-regelaars geïnstalleerd in serie op de 12km en 22km punten, met gebruik van een Master-Slave coördinatiestrategie.
• Apparatuurconfiguratie: Elke SVR: 800kVA, ±15% bereik, LDC-ingeschakeld.
• Besturingstrategie: Master station (22km) vertraging: 60 seconden; Slave station (12km) vertraging: 30 seconden.
• Compensatieparameters: Virtuele R = 0.32Ω, X = 0.45Ω (simulerend lijnimpedantie).
• ​Resultaten:​​
• Eindspanning gestabiliseerd op 9.8-10.2kV; conformiteitsratio steeg van 61% naar 99.6%.
• Onvoldoende startmomentprobleem voor pompen tijdens de irrigatieperiode pieklast volledig geëlimineerd.
• Totale investering: ¥1.8 miljoen (77.5% kostenreductie ten opzichte van nieuwe substation).
• Jaarlijkse energieverliesreductie: ~150 MWh, wat overeenkomt met energiekostbesparingen van ~¥120.000.

​5.2 Verbetering van kwaliteit van elektriciteit in stedelijk hoogdichtheidsgebied​

• ​Projectachtergrond:​​ Binnen een stedelijk RMU-voorzieningsgebied veroorzaakten geclusterde commerciële complexen en EV-laadstations spanningsschommelingen van ±8%. Transformatorbelasting bereikte 130% tijdens piektijden.
• ​Oplossing:​​ Implementatie van een SVR + Dynamische Var Compensatie (SVG) systeem bij de RMU-ingang.
• Apparatuurselectie: SPAU341C Regelaar (1250kVA) met ±200kVar SVG.
• Besturingarchitectuur: VVO-coördinatiecontroller die elke 5 minuten gezamenlijke optimalisatie uitvoert.
• Voorspelalgoritme: Dieplearning-gebaseerde lastvoorspelling (accurates >92%).
• ​Resultaten:​​
• Spanningsfluctuaties beheerst binnen ±2% (conform met IEEE 519).
• Transformatorbelasting verlaagd tot 85%, vrijgekomen capaciteit van 30%.
• Comprehensieve lijnverliezen verlaagd van 7.8% naar 6.2%, resulterend in jaarlijkse besparingen van ~¥80.000.
• Laadpaalstoringen verminderd met 40%; klachten van gebruikers verminderd met 90%.