Инновационные решения шаговых регуляторов напряжения в системах электроснабжения

1 Исполнительный обзор​

​Проблемы управления напряжением в современных распределительных сетях:​​

• Длинные линии питания, вызывающие падение напряжения;
• Интеграция распределенных источников энергии (DER), приводящая к двунаправленному потоку мощности;
• Колебания нагрузки, вызывающие частые изменения напряжения.

​Технические характеристики регуляторов напряжения с шаговым переключением (SVRs):​​

• Использует технологию переключения отводов для изменения соотношения числа витков трансформатора, обеспечивая диапазон регулирования напряжения ±10% (обычно 32 ступени, 0,625% на ступень);
• Основные преимущества заключаются в возможностях динамической настройки в реальном времени и различных стратегиях управления, предоставляющих гибкую поддержку напряжения в распределительной сети.

​Тенденции эволюции технологии:​​

• Развитие от базовых механических переключателей отводов до интегрированных систем, включающих силовую электронику, адаптивные алгоритмы управления и интеллектуальные модули связи;
• Представительный пример: ABB SPAU341C интегрирует функциональность компенсации падения напряжения по линии (LDC), имитируя характеристики импеданса линии для точного управления напряжением в удаленных точках нагрузки;
• Использование магнитных реле и триаков снижает потери оборудования и его габариты, повышая гибкость развертывания и экономическую эффективность.

​2 Технический принцип и структура​

​Основной механизм регулирования напряжения:​​

• Достигается регулирование напряжения путем изменения соотношения числа витков трансформатора, используя технологию переключения отводов при нагрузке (OLTCs).

​Процесс управления с обратной связью:​​

1. Трансформаторы напряжения непрерывно собирают сигналы напряжения системы;
2. Сигналы ошибки генерируются путем сравнения собранных значений с заданными эталонными значениями;
3. Блок управления принимает решение о направлении переключения (повышение/понижение) и размере шага на основе сигнала ошибки.

​Ключевые технические параметры современных SVRs:​​

• На примере SPAU341C: Поддерживает точные шаги регулирования напряжения 0,625%, обеспечивая 32-ступенчатое точное регулирование напряжения в диапазоне ±10%.

​2.1 Основные компоненты​

• ​Переключатель отводов при нагрузке (OLTC):​​ Основной исполнительный механизм регулятора, использующий вакуумные прерыватели для уменьшения дугового разряда. Переходные резисторы обеспечивают непрерывность тока во время переключения, предотвращая прерывание подачи нагрузки. Современные конструкции используют двухрезисторную технологию перехода, сокращая время переключения до 40-60 миллисекунд.
• ​Модуль управления:​​ Построен на высокопроизводительных микропроцессорах (ARM/DSP), интегрирующих несколько стратегий управления. ABB SPAU341C использует модульную архитектуру, состоящую из модулей подключения, модулей ввода-вывода и модуля автоматического регулирования напряжения, поддерживающего непрерывный самоконтроль для диагностики аппаратного и программного обеспечения в реальном времени.
• ​Измерительный и защитный блок:​​ Трансформаторы напряжения/ток (например, PT1, PT2, TA1) непрерывно собирают параметры системы. Блоки оснащены трехфазными функциями защиты от перегрузки по току и понижения напряжения. При обнаружении короткого замыкания или резкого падения напряжения операции переключения отводов немедленно блокируются, чтобы предотвратить повреждение оборудования.
• ​Модуль связи и интерфейса управления:​​ Поддерживает протоколы связи Ethernet, GPRS и другие для удаленного мониторинга и настройки параметров. Модуль отображения предоставляет локальный интерфейс управления, показывая ключевые параметры, такие как уставки и измеренные значения, в реальном времени.

​2.2 Ключевые эксплуатационные характеристики​

​3 Применение решений в проектировании распределительных систем​

​3.1 Типичные сценарии применения​

• ​Длинные радиальные линии питания:​​ Классическое применение SVR. В сельских распределительных сетях линии 10 кВ часто простираются более чем на 15 км, вызывая значительное отклонение напряжения на конце линии. Размещение SVR в середине линии или на ее конце эффективно компенсирует падение напряжения. Инженерные практики показывают, что один SVR может увеличить радиус линии на 30%, улучшая коэффициент соответствия напряжения на конце линии с менее 70% до более 98%, значительно снижая затраты на модернизацию линии.
• ​Густонаселенные городские распределительные сети:​​ Столкнулись с проблемами колебания нагрузки и несоответствия напряжения. SVR обычно устанавливаются на выходах подстанций или узловых точках кольцевых главных установок (RMU). В проекте реконструкции коммерческого района города установка SVR на 4 ключевых узлах снизила колебания напряжения в часы пик с ±8% до ±2%, одновременно снизив потери в линии на 12% за счет оптимизации реактивной мощности.
• ​Области с высокой степенью проникновения DER:​​ Требуют управления проблемами двунаправленного потока мощности. Когда проникновение фотоэлектрической энергии превышает 30%, традиционные распределительные сети часто сталкиваются с нарушениями напряжения. SVR автоматически корректируют логику управления в режиме обратного потока, активно снижая напряжение в периоды избытка генерации. Демонстрационный проект с координированным управлением между SVR и инверторами PV увеличил местную способность приема PV на 25% и снизил уровень ограничения на 18%.

​3.2 Оптимизация стратегии управления​

• ​Оптимизация напряжения-вар (VVO):​​ Координирует SVR с шунтирующими конденсаторными банками для минимизации потерь в системе.
• ​Многоступенчатое координированное управление:​​ Для каскадных установок нескольких SVR в сложных сетях необходимо избегать конфликтов управления. Наиболее практичным решением является метод временной задержки координации — установка задержки верхнего SVR (обычно 30-60 секунд) вдвое больше, чем задержка нижнего SVR. При обнаружении нарушения напряжения сначала действует нижний SVR. Если проблема сохраняется после его задержки, вмешивается верхний SVR. Этот подход значительно сокращает ненужные операции переключения (до 40%) при сохранении стабильности напряжения.
• ​Адаптивные стратегии управления:​​ Современные SVR (например, SPAU341C) включают самообучающиеся алгоритмы для прогнозирования потребностей в регулировании напряжения на основе исторических профилей нагрузки. Система автоматически предварительно настраивает положения отводов в периоды схожих суточных профилей нагрузки (например, утренние пики), сокращая время реакции на регулирование напряжения с минут до секунд. Эта стратегия особенно подходит для колебаний выработки PV или сценариев с концентрированной зарядкой электромобилей (EV).

​3.3 Матрица выбора сценариев​

​4 Оптимизация производительности и инновационные технологии​

​Технология снижения потерь:​​

Гибридная технология переключения является ключевым нововведением для минимизации потерь SVR. Традиционные механические переключатели отводов страдают от контактного сопротивления в десятки мОм и значительных потерь на дуговом разряде. Современное решение использует гибридную структуру из магнитных реле с фиксацией и парных тиристоров:

• ​Стационарное проводимое состояние:​​ Обеспечивается магнитным реле с фиксацией (контактное сопротивление <1мОм)
• ​Момент перехода:​​ Парные тиристоры предоставляют путь для тока (время срабатывания <2мкс)
• ​После-переключения стационарное состояние:​​ Механические контакты снова закрываются, полупроводниковые устройства выключаются.
  Этот дизайн снижает потери при переключении на 80%, уменьшает объем оборудования на 40%, обеспечивает бесдуговое переключение и продлевает срок службы оборудования. Реальные данные эксплуатации показывают, что гибридные SVR имеют на 55% меньшие годовые затраты на обслуживание по сравнению с традиционными моделями.

​Инновации в топологии​ также вносят значительный вклад. Каскадный регулятор напряжения использует гибридную структуру с последовательным трансформатором и шунтирующим конденсатором, предлагая три варианта режимов работы:

1. ​Режим эквивалентной последовательной компенсации:​​ Направлен на увеличение напряжения на конце длинных линий.
2. ​Режим регулирования напряжения и вар:​​ Координирует оптимизацию напряжения и реактивной мощности.
3. ​Чистый режим регулирования напряжения:​​ Обеспечивает быстрый отклик на провалы напряжения.
   Этот дизайн снижает потери системы на 15-20% при той же мощности, улучшая способность прохождения аварий.

​5 Примеры применения и практический опыт​

​5.1 Увеличение напряжения на сельской длинной линии питания​

• ​Фон проекта:​​ 28-километровая линия 10 кВ в горной местности, питающая распределенные нагрузки. Напряжение на конце линии в часы пик падало до 8,7 кВ (ниже стандартного нижнего предела: 9,7 кВ), не удовлетворяя требованиям насосов для орошения. Традиционные решения требовали строительства новой подстанции стоимостью более 8 миллионов юаней.
• ​Решение:​​ Два регулятора ABB SPAU341C установлены последовательно на 12-километровом и 22-километровом участках, используя стратегию координации Master-Slave.
• Конфигурация оборудования: Каждый SVR: 800 кВА, диапазон ±15%, LDC включен.
• Стратегия управления: Задержка главной станции (22 км): 60 секунд; задержка ведомой станции (12 км): 30 секунд.
• Параметры компенсации: Виртуальное R = 0,32 Ом, X = 0,45 Ом (имитация импеданса линии).
• ​Результаты:​​
• Напряжение на конце линии стабилизировалось в диапазоне 9,8-10,2 кВ; коэффициент соответствия повысился с 61% до 99,6%.
• Проблема недостаточной начальной крутящего момента насосов в пиковые часы сезона орошения полностью устранена.
• Общие инвестиции: 1,8 миллиона юаней (снижение стоимости на 77,5% по сравнению с новой подстанцией).
• Ежегодное сокращение потерь энергии: ~150 МВт*ч, что соответствует экономии энергетических затрат ~120,000 юаней.

​5.2 Улучшение качества электроэнергии в густонаселенном городском районе​

• ​Фон проекта:​​ В зоне питания городского RMU, скопление коммерческих комплексов и станций зарядки электромобилей вызывали колебания напряжения до ±8%. Загрузка трансформатора достигала 130% в часы пик.
• ​Решение:​​ Развертывание системы SVR + динамическая компенсация вар (SVG) на входе RMU.
• Выбор оборудования: Регулятор SPAU341C (1250 кВА) с ±200 кВар SVG.
• Архитектура управления: Контроллер координации VVO, выполняющий совместную оптимизацию каждые 5 минут.
• Алгоритм прогнозирования: Прогнозирование нагрузки на основе глубокого обучения (точность >92%).
• ​Результаты:​​
• Колебания напряжения контролировались в пределах ±2% (соответствие IEEE 519).
• Загрузка трансформатора снизилась до 85%, освободив 30% емкости.
• Общие потери в линии снизились с 7,8% до 6,2%, что дало ежегодную экономию ~80,000 юаней.
• Уровень отказов зарядных столбов снизился на 40%; количество жалоб пользователей снизилось на 90%.