Innovative løsninger for stegspenningsregulatoren i kraftdistributionsystemer

1 Eksekutiv sammendrag​

​Utviklingsutfordringer i moderne distribusjonsnett:​​

• Langt fra forsyningspunktet fører til spenningsfall;
• Integrering av fordelt energiressurs (DER) fører til toveis effektkjøring;
• Lastfluktuerasjoner fører til frekvente spenningsvariasjoner.

​Tekniske egenskaper ved stegspenningsregulatorer (SVRs):​​

• Bruker tap-forandringsteknologi for å endre transformatorvindingens vindingforhold, og oppnår en ±10% spenningsjusteringsområde (typisk 32 trinn, 0.625% per trinn);
• Kjernefordeler ligger i sanntid dynamiske justeringsmuligheter kombinert med flere kontrollstrategier, som gir fleksibel spenningstilpasning for distribusjonsnettverket.

​Teknologieuviklingstrekk:​​

• Utviklet fra grunnleggende mekaniske tapbrytere til integrerte systemer som inkluderer strømteknologi, adaptive kontrollalgoritmer og intelligente kommunikasjonsmoduler;
• Representativ eksempel: ABB SPAU341C inneholder Line Drop Compensation (LDC)-funksjonalitet, som simulerer linjeimpedanskarakteristika for nøyaktig spenningkontroll ved fjerne lastpunkter;
• Bruk av magnetisk holdte reléer og TRIACs reduserer utstyrstap og fotavtrykk, og øker innføringsfleksibilitet og kostnadseffektivitet.

​2 Teknisk prinsipp & struktur​

​Kjerne spenningstilpasningsmekanisme:​​

• Oppnår spenningstilpasning ved å endre transformatorvindingens vindingforhold, basert på tap-forandringsteknologi hos On-Load Tap Changers (OLTCs).

​Lukket sløyfe feedback-kontrollprosess:​​

1. Spenningstransformatorer henter kontinuerlig systemspenningssignaler;
2. Feilsignaler genereres ved å sammenligne de hentede verdiene med forhåndsbestemte referanseverdier;
3. Kontrolleenhet bestemmer tapendringretningen (opp/ned) og trinnsstørrelsen basert på feilsignalet.

​Nøkkletekniske parametre for moderne SVRs:​​

• Med ABB SPAU341C som eksempel: Støtter fine spenningstilpasningstrinn på 0.625%, som muliggjør 32-trinns nøyaktig spenningstilpasning innen et ±10% område.

​2.1 Kjernekomponenter​

• ​On-Load Tap Changer (OLTC):​​ Regulatorens kjernedriver, bruker vakuumavbrytere for å redusere bueild. Overgangsresistorer sikrer strømføring under skifte, unngår lastforsyningstap. Moderne design bruker dobbelt-resistor overgangsteknologi, reduserer skiftetid til 40-60 millisekunder.
• ​Kontrollmodul:​​ Bygget på høyytelses mikroprosessorer (ARM/DSP), integrerer flere kontrollstrategier. ABB SPAU341C bruker modulær arkitektur, består av forbindelsesmoduler, I/O-moduler og en automatisk spenningstilpasningsmodul, støtter kontinuerlig selvovervåking for sanntidshardware- og programvare-diagnostikk.
• ​Måling og beskyttelse enhet:​​ Spenning/Strømtransformatorer (f.eks., PT1, PT2, TA1) henter kontinuerlig systemparametre. Enheter er utstyrt med trefas overstrømning og undervoltage blokkeringsfunksjoner. Ved oppdagelse av kortslutning eller alvorlig spenningsnedgang, blir tapendringoperasjoner umiddelbart blokkert for å unngå utstyrsskade.
• ​Kommunikasjon og driftsgrensesnitt:​​ Støtter Ethernet, GPRS og andre kommunikasjonsprotokoller for fjernovervåking og parameterinnstillinger. Visningsmodulen gir et lokalt driftsgrensesnitt, viser nøkkelparametre som settpunkter og målte verdier i sanntid.

​2.2 Nøkkeldriftsegenskaper​

​3 Anvendelsesløsninger i distribusjonsystemdesign​

​3.1 Typiske anvendelsesscenarier​

• ​Lange radiale forsyningslinjer:​​ En klassisk SVR-anvendelse. I landlige distribusjonsnett, strekker 10kV-linjer ofte over 15km, som fører til alvorlig spenningsavvik ved linjes endepunkt. Midt i linjen eller ved linjes endepunkt plassert SVRs kompenserer effektivt for spenningsfall. Ingeniørfaglige praksiser viser at en enkelt SVR kan utvide linjeradiusen med 30%, forbedre spenningsoverholdelsen ved linjes endepunkt fra under 70% til over 98%, noe som betydelig reduserer kostnader for linjeoppgradering.
• ​Høy tetthet bydistribusjonsnett:​​ Møter utfordringer med lastfluktuerasjoner og spenningsuoverensstemmelser. SVRs installeres typisk ved utgangspunktet for understationer eller ringhovedenheter (RMU). I et bykommercielt område moderniseringsprosjekt, installerte SVRs ved 4 nøkkelpunkter reduserte spenningsfluktuerasjoner under topptid fra ±8% til ±2%, samtidig reduserte linjetap med 12% gjennom reaktiv effekt-optimalisering.
• ​Områder med høy DER-penetrering:​​ Krever håndtering av utfordringer med toveis effektkjøring. Når solcellepenetrering overstiger 30%, opplever tradisjonelle distribusjonsnett ofte spenningsbrudd. SVRs justerer automatisk kontrolllogikk gjennom en revers effektkjøring, aktivt reduserer spenning under perioder med overskuddsgenerering. Et solcelledemonstrasjonsprosjekt med koordinert kontroll mellom SVRs og solcelleinvertorer økte lokal solcellekjempestørrelse med 25% og reduserte nedtoningsrater med 18%.

​3.2 Kontrollstrategioptimalisering​

• ​Spenning-Reaktiv effekt-optimalisering (VVO):​​ Koordinerer SVRs med shunt-kondensatorbanker for å minimalisere systemtap.
• ​Flertydig koordinert kontroll:​​ For kaskademonterte flere SVRs i komplekse nett, må kontrollkonflikter unngås. Tidsforsinkelsekoordinasjonsmetoden er den mest praktiske løsningen - setter forsinkelsen for upstream SVR (typisk 30-60 sekunder) til minst dobbelt så lang som downstream SVR. Ved oppdagelse av spenningsbrudd, handler downstream SVR først. Hvis problemet fortsetter utenfor sin forsinkelsesperiode, griper da upstream SVR inn. Dette tilnærmingen reduserer betydelig unødvendige tapendringer (opp til 40%) mens spenningstabiliteten beholdes.
• ​Tilpasningsmessige kontrollstrategier:​​ Moderne SVRs (f.eks., SPAU341C) inkluderer selvstudiealgoritmer for å forutsi spenningstilpasningsbehov basert på historiske lastprofiler. Systemet foretar automatisk forhåndsjustering av tapposisjoner under perioder med liknende daglige lastmønstre (f.eks., morgenstopper), reduserer spenningstilpasningssvarstider fra minutter til sekunder. Denne strategien er spesielt passende for solcelleproduksjonsfluktuerasjoner eller scenarier med koncentrert elbil (EV) oplading.

​3.3 Scenario seleksjonsmatrise​

​4 Ytelsesoptimalisering & innovativ teknologi​

​Tapreduseringsteknologi:​​

Hybrid switching teknologi er en kjerneinnovasjon for å minimere SVR-tap. Tradisjonelle mekaniske tapbrytere har kontaktmotstand i tiere av mΩ og betydelige buelos. Det moderne løpet bruker en hybridstruktur av Magnetiske Holdere og Back-to-Back Thyristorer:

• ​Stabil strømføring:​​ Håndteres av magnetiske holder (kontaktmotstand <1mΩ)
• ​Overgangsmoment:​​ Back-to-Back Thyristor gir en strømbane (trigger tid <2μs)
• ​Post-switch stabil strømføring:​​ Mekaniske kontakter lukkes igjen, halvleder-enheter slukkes.
  Dette designet reduserer switch-tap med 80%, forminner utstyrsvolum med 40%, oppnår bueløs switch, og utvider utstyrsliv. Reelle driftsdata viser at hybrid-switch SVRs har 55% lavere årlige vedlikeholdsomkostninger sammenlignet med tradisjonelle modeller.

​Topologisk innovasjon​ bidrar også betydelig. Cascaded Voltage Regulator bruker en hybridstruktur med serie-transformator og shunt-kondensator, tilbyr tre valgbare driftsmodi:

1. ​Ekvivalent serie kompensasjonsmodus:​​ Målretter spenningsoverskudd ved slutten av lange linjer.
2. ​Spenning-Reaktiv effekt justeringsmodus:​​ Koordinerer spenning og reaktiv effekt optimalisering.
3. ​Ren spenningstilpasningsmodus:​​ Muliggjør rask respons til spenningsnedgang.
   Dette designet reduserer systemtap med 15-20% ved samme kapasitet, samtidig forbedrer feilhåndteringskapasiteten.

​5 Anvendelseseksempler & praktisk erfaring​

​5.1 Spenningsoverskudd på landlig langdistanselinje​

• ​Prosjektbakgrunn:​​ En 28km 10kV linje i et fjellområde forsyningsdispersert last. Sluttspenning under topptid falt til 8.7kV (under standard nederstgrense: 9.7kV), klarte ikke å møte strømkrefter for irrigasjonspumper. Tradisjonelle løsninger krevede en ny understation med en kostnad på over ¥8 millioner.
• ​Løsning:​​ To ABB SPAU341C regulatorer installert i serie ved 12km og 22km punkter, bruker en Master-Slave koordinasjonsstrategi.
• Enhetskonfigurasjon: Hver SVR: 800kVA, ±15% område, LDC-aktivert.
• Kontrollstrategi: Master stasjon (22km) forsinkelse: 60 sekunder; Slave stasjon (12km) forsinkelse: 30 sekunder.
• Kompensasjonsparametre: Virtuell R = 0.32Ω, X = 0.45Ω (simulerer linjeimpedans).
• ​Resultat:​​
• Sluttspenning stabilisert på 9.8-10.2kV; overholdelsesrate økte fra 61% til 99.6%.
• Mangel på startmoment for pumper under irrigasjonssesongtopptid fullstendig eliminert.
• Total investering: ¥1.8 millioner (77.5% kostnadsreduksjon sammenlignet med ny understation).
• Årlig energitapredusjon: ~150 MWh, tilsvarer energikostnadsbesparelse på ~¥120,000.

​5.2 Strømkvalitetsforbedring i byhøydetetthetsområde​

• ​Prosjektbakgrunn:​​ Innenfor et by-RMU-forsyningsområde, forårsaket klustrede kommersielle komplekser og EV-oppladingsstasjoner spenningsfluktuerasjoner på ±8%. Transformatorbelastning nådde 130% under topptid.
• ​Løsning:​​ Installering av et SVR + Dynamisk Var-kompensasjon (SVG)-system ved RMU-inngang.
• Enhetsvalg: SPAU341C Regulator (1250kVA) med ±200kVar SVG.
• Kontrollarkitektur: VVO-koordinasjonskontroller utfører felles optimalisering hvert 5 minutter.
• Prognosealgoritme: Dyphjernen basert lastprognose (nøyaktighet >92%).
• ​Resultat:​​
• Spenningsfluktuerasjon kontrollert innen ±2% (samsvarer med IEEE 519).
• Transformatorbelastning redusert til 85%, frigjør 30% kapasitet.
• Samlet linjetap redusert fra 7.8% til 6.2%, gir årlig besparing ~¥80,000.
• Oppladingsstasjon mislykkelsesrate redusert med 40%; brukerklager redusert med 90%.