Soluções Inovadoras de Reguladores de Tensão em Sistemas de Distribuição de Energia

1 Resumo Executivo​

​Desafios de Gestão de Tensão nas Redes de Distribuição Modernas:​​

• Alimentadores de longa distância causando queda de tensão;
• Integração de recursos energéticos distribuídos (DER) levando a fluxo de energia bidirecional;
• Flutuações de carga causando variações frequentes de tensão.

​Características Técnicas dos Reguladores de Tensão em Degraus (SVRs):​​

• Emprega tecnologia de mudança de derivação para alterar a relação de espiras do transformador, alcançando um intervalo de ajuste de tensão de ±10% (geralmente em 32 passos, 0,625% por passo);
• As principais vantagens residem nas capacidades de ajuste dinâmico em tempo real, combinadas com múltiplas estratégias de controle, fornecendo suporte de tensão flexível para a rede de distribuição.

​Tendências de Evolução Tecnológica:​​

• Evoluiu de interruptores de derivação mecânicos básicos para sistemas integrados que incorporam eletrônica de potência, algoritmos de controle adaptativo e módulos de comunicação inteligentes;
• Exemplo representativo: O ABB SPAU341C integra a funcionalidade de Compensação de Queda de Linha (LDC), simulando as características de impedância da linha para controle preciso de tensão em pontos de carga remotos;
• A utilização de relés mantidos magneticamente e TRIACs reduz as perdas de equipamento e o espaço ocupado, aumentando a flexibilidade de implantação e a eficiência custo-benefício.

​2 Princípio Técnico & Estrutura​

​Mecanismo Central de Regulação de Tensão:​​

• Realiza a regulação de tensão alterando a relação de espiras do transformador, confiando na tecnologia de Mudança de Derivação sob Carga (OLTCs).

​Processo de Controle de Retroalimentação em Loop Fechado:​​

1. Transformadores de tensão adquirem continuamente sinais de tensão do sistema;
2. Sinais de erro são gerados comparando os valores adquiridos com valores de referência definidos;
3. A unidade de controle decide a direção de mudança de derivação (aumento/redução) e o tamanho do passo com base no sinal de erro.

​Parâmetros Técnicos Chave dos SVRs Modernos:​​

• Tomando como exemplo o SPAU341C: Suporta passos de ajuste fino de 0,625%, permitindo regulação de tensão precisa em 32 passos dentro de um intervalo de ±10%.

​2.1 Componentes Principais​

• ​Mudança de Derivação sob Carga (OLTC):​​ O atuador central do regulador, utilizando interrompedores a vácuo para reduzir arcos. Resistores de transição garantem a continuidade da corrente durante a troca, evitando a interrupção do fornecimento de carga. Os designs modernos empregam tecnologia de transição de duplo resistor, reduzindo os tempos de troca para 40-60 milissegundos.
• ​Módulo de Controle:​​ Baseado em microprocessadores de alto desempenho (ARM/DSP), integrando múltiplas estratégias de controle. O ABB SPAU341C adota uma arquitetura modular, composta por módulos de conexão, módulos I/O e um módulo de regulação automática de tensão, suportando monitorização contínua para diagnósticos de hardware e software em tempo real.
• ​Unidade de Medição e Proteção:​​ Transformadores de Tensão/Corrente (por exemplo, PT1, PT2, TA1) coletam continuamente parâmetros do sistema. As unidades estão equipadas com funções de bloqueio de sobrecorrente trifásica e subtenção. Ao detectar um curto-circuito ou queda severa de tensão, as operações de mudança de derivação são imediatamente bloqueadas para evitar danos ao equipamento.
• ​Interface de Comunicação e Operação:​​ Suporta protocolos de comunicação Ethernet, GPRS e outros para monitorização remota e configuração de parâmetros. O módulo de exibição fornece uma interface de operação local, mostrando parâmetros-chave, como setpoints e valores medidos, em tempo real.

​2.2 Características Operacionais Chave​

​3 Soluções de Aplicação no Design de Sistemas de Distribuição​

​3.1 Cenários de Aplicação Típicos​

• ​Alimentadores Radiais Longos:​​ Uma aplicação clássica de SVR. Nas redes de distribuição rurais, linhas de 10kV frequentemente se estendem por mais de 15km, causando desvio severo de tensão no final do alimentador. A instalação de SVRs no meio da linha ou no final do alimentador compensa eficazmente as quedas de tensão. Práticas de engenharia mostram que um único SVR pode estender o raio do alimentador em 30%, melhorando a taxa de conformidade de tensão no final do alimentador de menos de 70% para mais de 98%, reduzindo significativamente os custos de atualização da linha.
• ​Redes de Distribuição Urbanas de Alta Densidade:​​ Enfrentam desafios de flutuação de carga e incompatibilidade de tensão. SVRs são tipicamente instalados nas saídas de subestações ou nos nós de unidades de anel principal (RMU). Em um projeto de retrofit de um distrito comercial urbano, a instalação de SVRs em 4 nós-chave reduziu a flutuação de tensão durante o horário de pico de ±8% para ±2%, enquanto simultaneamente reduzia as perdas de linha em 12% através da otimização de reativa.
• ​Áreas com Alta Penetração de DER:​​ Requerem gerenciar desafios de fluxo de energia bidirecional. Quando a penetração de PV ultrapassa 30%, as redes de distribuição tradicionais frequentemente enfrentam violações de tensão. SVRs ajustam automaticamente a lógica de controle via modo de potência reversa, reduzindo ativamente a tensão durante períodos de excesso de geração. Um projeto demonstrativo de PV usando controle coordenado entre SVRs e inversores de PV aumentou a capacidade local de hospedagem de PV em 25% e reduziu as taxas de restrição em 18%.

​3.2 Otimização de Estratégia de Controle​

• ​Otimização de Tensão-Reativa (VVO):​​ Coordena SVRs com bancos de capacitores shunt para minimizar as perdas do sistema.
• ​Controle Coordenado em Múltiplos Estágios:​​ Para instalações em cascata de múltiplos SVRs em redes complexas, devem ser evitados conflitos de controle. O Método de Coordenação por Atraso Temporal é a solução mais prática - definindo o atraso do SVR upstream (geralmente 30-60 segundos) para pelo menos o dobro do atraso do SVR downstream. Ao detectar uma violação de tensão, o SVR downstream age primeiro. Se o problema persistir além de sua janela de atraso, o SVR upstream então intervém. Esta abordagem reduz significativamente as operações desnecessárias de derivação (em até 40%) mantendo a estabilidade de tensão.
• ​Estratégias de Controle Adaptativas:​​ SVRs modernos (por exemplo, SPAU341C) incorporam algoritmos de autoaprendizagem para prever as necessidades de ajuste de tensão com base em perfis de carga históricos. O sistema ajusta automaticamente as posições de derivação durante períodos de padrões de carga diária semelhantes (por exemplo, picos matinais), reduzindo os tempos de resposta de ajuste de tensão de minutos para segundos. Esta estratégia é particularmente adequada para flutuações de saída de PV ou cenários com carregamento concentrado de veículos elétricos (EV).

​3.3 Matriz de Seleção de Cenários​

​4 Otimização de Desempenho & Tecnologias Inovadoras​

​Tecnologia de Redução de Perdas:​​

A tecnologia de comutação híbrida é uma inovação central para minimizar as perdas de SVR. Mudadores de derivação mecânicos tradicionais sofrem de resistência de contato na ordem de dezenas de mΩ e perdas significativas de arco. A solução moderna emprega uma estrutura híbrida de Relés de Trava Magnética e Tiristores Back-to-Back:

• ​Condução em Estado Estacionário:​​ Gerenciada pelo Relé de Trava Magnética (resistência de contato <1mΩ)
• ​Momento de Transição:​​ O Tiristor Back-to-Back fornece um caminho de corrente (tempo de acionamento <2μs)
• ​Estado Estacionário Pós-Troca:​​ Os contatos mecânicos fecham novamente, os dispositivos semicondutores desligam.
  Este design reduz as perdas de comutação em 80%, diminui o volume do equipamento em 40%, realiza comutação sem arco e prolonga a vida útil do equipamento. Dados de operação reais mostram que SVRs com comutação híbrida têm custos de manutenção anual 55% menores em comparação com modelos tradicionais.

​Inovação Topológica​ também contribui significativamente. O Regulador de Tensão em Cascata adota uma estrutura híbrida com um transformador em série e capacitor em derivação, oferecendo três modos de operação opcionais:

1. ​Modo de Compensação em Série Equivalente:​​ Visa o impulsionamento de tensão no final de linhas longas.
2. ​Modo de Ajuste de Tensão-Reativa:​​ Coordena a otimização de tensão e reativa.
3. ​Modo de Regulação de Tensão Pura:​​ Permite resposta rápida a afundamentos de tensão.
   Este design reduz as perdas do sistema em 15-20% na mesma capacidade, ao mesmo tempo em que melhora a capacidade de sobrevivência a falhas.

​5 Casos de Aplicação & Experiência Prática​

​5.1 Impulsionamento de Tensão em Alimentador Rural de Longa Distância​

• ​Contexto do Projeto:​​ Um alimentador de 28km a 10kV em uma área montanhosa fornecia cargas dispersas. A tensão final durante o horário de pico caía para 8,7kV (abaixo do limite inferior padrão: 9,7kV), não atendendo aos requisitos de energia para bombas de irrigação. Soluções tradicionais exigiam uma nova subestação com custo superior a ¥8 milhões.
• ​Solução:​​ Dois reguladores ABB SPAU341C implantados em série nos pontos de 12km e 22km, utilizando uma estratégia de coordenação Master-Slave.
• Configuração do Dispositivo: Cada SVR: 800kVA, intervalo ±15%, LDC habilitado.
• Estratégia de Controle: Estação Master (22km) atraso: 60 segundos; Estação Slave (12km) atraso: 30 segundos.
• Parâmetros de Compensação: R virtual = 0,32Ω, X = 0,45Ω (simulando a impedância da linha).
• ​Resultados:​​
• Tensão final estabilizada em 9,8-10,2kV; taxa de conformidade aumentou de 61% para 99,6%.
• Problema de torque de partida insuficiente para bombas durante a temporada de irrigação de pico de carga completamente eliminado.
• Investimento total: ¥1,8 milhão (redução de 77,5% em comparação com nova subestação).
• Redução anual de perdas de energia: ~150 MWh, correspondendo a economia de custos de energia de ~¥120.000.

​5.2 Melhoria da Qualidade de Energia em Área Urbana de Alta Densidade​

• ​Contexto do Projeto:​​ Dentro da área de abastecimento de uma RMU urbana, complexos comerciais agrupados e estações de recarga de VE causavam flutuações de tensão de ±8%. A carga do transformador atingiu 130% durante o horário de pico.
• ​Solução:​​ Implantação de um sistema SVR + Compensação Variável Dinâmica (SVG) na entrada da RMU.
• Seleção do Dispositivo: Regulador SPAU341C (1250kVA) com ±200kVar SVG.
• Arquitetura de Controle: Controlador de coordenação VVO realizando otimização conjunta a cada 5 minutos.
• Algoritmo de Previsão: Previsão de carga baseada em aprendizado profundo (precisão >92%).
• ​Resultados:​​
• Flutuação de tensão controlada dentro de ±2% (conforme IEEE 519).
• Carga do transformador reduzida para 85%, liberando 30% de capacidade.
• Perdas de linha totais reduzidas de 7,8% para 6,2%, resultando em economia anual de ~¥80.000.
• Taxa de falha das pilhas de recarga reduzida em 40%; reclamações de usuários diminuíram em 90%.