Inovativne rešitve stopnih napetostnih regulirnikov v sistemih distribucije električne energije

1 Povzetek​

​Tehnične težave pri upravljanju napetosti v sodobnih distribucijskih omrežjih:​​

• Dolge pripomočnice, ki povzročajo padec napetosti;
• Vključevanje porazdeljenih virov energije (DER), kar vodi do dvosmerne pretoka energije;
• Nihanja obremenitve, ki povzročajo pogoste spremembe napetosti.

​Tehnične značilnosti stopnjevalnikov napetosti (SVR):​​

• Uporablja tehnologijo spreminjanja klipov za spreminjanje razmerja zavojnic transformatorja, dosežejo ±10% obseg prilagoditve napetosti (običajno 32 stopnjic, 0.625% na stopnjo);
• Osnovne prednosti ležijo v zmogljivostih za realnočasno dinamično prilagajanje, kombiniranih z več kot eno strategijo nadzora, ki zagotavljajo prožno podporo napetosti za distribucijsko omrežje.

​Trendi tehnološkega razvoja:​​

• Od osnovnih mehaničnih klipskih preklopnikov do integriranih sistemov, ki vključujejo elektroniko moči, adaptivne algoritme nadzora in pametne komunikacijske module;
• Zastopni primer: ABB SPAU341C vključuje funkcionalnost kompenzacije padca na črti (LDC), ki simulira karakteristike impedanc omrežja za natančno nadzor napetosti na oddaljenih točkah obremenitve;
• Uporaba magnetno držanih relejev in TRIAC-ov zmanjša izgube opreme in njen prostorninski odtis, izboljšuje fleksibilnost namestitve in gospodarnost.

​2 Tehnični princip in struktura​

​Osnovni mehanizem regulacije napetosti:​​

• Doseže regulacijo napetosti s spreminjanjem razmerja zavojnic transformatorja, ki se oslanja na tehnologijo spreminjanja klipov na bremenu (OLTC).

​Zaprta zanka povratnega nadzora:​​

1. Transformatorji napetosti neprekinjeno zajemajo signale napetosti sistema;
2. Signali napak so generirani z primerjanjem zajetih vrednosti z nastavljenimi referenčnimi vrednostmi;
3. Enota nadzora odloči o smeri spremembe klipa (povišanje/znižanje) in velikosti koraka glede na signal napake.

​Ključni tehnični parametri sodobnih SVR-jev:​​

• Na primeru SPAU341C: Podpira natančne korake prilagoditve napetosti 0,625%, omogoča 32-stopnji natančni nadzor napetosti v obsegu ±10%.

​2.1 Osnovne komponente​

• ​Spreminjalnik klipov na bremenu (OLTC):​​ Osnovni aktuator regulatorja, ki uporablja vakuumne preklopnike za zmanjšanje luknjavanja. Prehodni upori zagotavljajo zveznost tokov med preklopanjem, da se prepreči prekinitev oskrbe z bremenom. Sodobne konstrukcije uporabljajo tehnologijo prehodnih dvojnih uporov, ki zmanjša čase preklopanja na 40-60 milisekund.
• ​Modul nadzora:​​ Izgradnjen na visokoperformantnih mikroprocesorjih (ARM/DSP), ki združuje več kot eno strategijo nadzora. ABB SPAU341C uporablja modulsko arhitekturo, ki vključuje povezovalne module, I/O module in avtomatski modul regulacije napetosti, ki podpira zvezno samonadziranje za hiter diagnostični pregled strojne opreme in programske opreme v realnem času.
• ​Merilna in zaščitna enota:​​ Transformatorji napetosti in toka (npr. PT1, PT2, TA1) neprekinjeno zajemajo parametre sistema. Enote so opremljene z funkcijami blokade pretoka v treh fazah in podnapetosti. Ob zaznavanju kratkega zaporedja ali resnega pada napetosti so operacije spreminjanja klipov takoj blokirane, da se prepreči poškodba opreme.
• ​Komunikacijski in operativni vmesnik:​​ Podpira protokole komunikacije, kot so Ethernet, GPRS in druge, za oddaljen nadzor in nastavitev parametrov. Modul prikaza zagotavlja lokalni operativni vmesnik, ki prikazuje ključne parametre, kot so referenčne vrednosti in merjene vrednosti v realnem času.

​2.2 Ključne operativne značilnosti​

​3 Uporabne rešitve v projektiranju distribucijskega sistema​

​3.1 Tipični uporabni scenariji​

• ​Dolge radialne pripomočnice:​​ Klasična uporaba SVR. V pokrajinskih distribucijskih omrežjih se 10 kV črte pogosto raztezajo na več kot 15 km, kar povzroča hud padec napetosti na koncu pripomočnice. Namestitev SVR-jev v sredini ali na koncu pripomočnice učinkovito kompenzira padec napetosti. Inženirske prakse kažejo, da lahko en SVR razširi polmer pripomočnice za 30%, izboljša stopnjo skladnosti napetosti na koncu pripomočnice s pod 70% na več kot 98%, zelo zmanjša strose za posodobitev črte.
• ​Visoko gostota urbana distribucijska omrežja:​​ Srečujejo se z izzivi nihanja obremenitve in neujemanja napetosti. SVR-ji so običajno nameščeni na izstopih podstanih ali vozlih kolobarne glavne enote (RMU). V projektu za obnovo trgovskega območja mesta je namestitev SVR-jev na 4 ključnih vozliscih zmanjšala nihanje napetosti v vrhu ure na ±2%, hkrati pa je zmanjšala izgube v črti za 12% preko optimizacije reaktivne moči.
• ​Območja z visoko penetracijo DER:​​ Zahtevajo upravljanje izzivov dvosmerne pretoka energije. Ko preseže penetracija fotovoltaikih (PV) 30%, tradicionalna distribucijska omrežja pogosto doživljajo kršitve napetosti. SVR-ji samodejno prilagajajo kontrolni logiki preko obratnega režima, aktivno znižujejo napetost ob presežku proizvodnje. Demonstracijski projekt PV z koordiniranim nadzorom med SVR-ji in PV inverterji je povečal lokalno kapaciteto prihvata PV za 25% in zmanjšal stopnjo omejevanja za 18%.

​3.2 Optimizacija strategije nadzora​

• ​Optimizacija napetosti-var (VVO):​​ Koordinira SVR-je s šunt kapacitorskimi bankami za minimizacijo izgub sistema.
• ​Večfazna koordinirana kontrola:​​ Za kaskadne namestitve več SVR-jev v kompleksnih omrežjih morajo biti izognili konflikti nadzora. Najbolj praktična rešitev je Metoda koordinacije s zamudo—nastavitev zamude zgornjega SVR-ja (običajno 30-60 sekund) najmanj dvojnega dolžine zamude spodnjega SVR-ja. Ob zaznavanju kršitve napetosti najprej ukrepa spodnji SVR. Če problem ostane za njegovo okno zamude, se vključi zgornji SVR. Ta pristop značilno zmanjša nepotrebnih operacij klipa (do 40%) medtem ko ohranja stabilnost napetosti.
• ​Adaptivne strategije nadzora:​​ Sodobni SVR-ji (npr. SPAU341C) vključujejo samoučne algoritme, ki napovedujejo potrebe po prilagoditvi napetosti glede na zgodovinske profile obremenitve. Sistem samodejno predhodno prilagodi položaje klipov ob podobnih dnevih obremenitve (npr. vrhovi zjutraj), zmanjša čas odziva prilagoditve napetosti z minut na sekunde. Ta strategija je posebno primerna za nihanja izhoda PV ali scenarije z koncentriranim nabiranjem električnih vozil (EV).

​3.3 Matrica izbire scenarijev​

​4 Optimizacija zmogljivosti in inovativne tehnologije​

​Tehnologija zmanjševanja izgub:​​

Hibridna tehnologija preklopanja je ključna inovacija za zmanjšanje izgub SVR-jev. Tradicionalni mehanični spreminjalniki klipov trpijo zaradi kontaktne upornosti v desetih mΩ in znatnih izgub zaradi luknjavanja. Sodobna rešitev uporablja hibridno strukturo Magnetnih držanih relejev in Grebenastih tiristorjev nazaj:

• ​Stalno stanje prevoda:​​ Obravnavano s Magnetnim držanim relejem (kontaktne upornosti <1mΩ)
• ​Prehodni trenutek:​​ Grebenasti tiristor nazaj zagotavlja potok (čas sprožitve <2μs)
• ​Stalno stanje po preklopu:​​ Mehanični kontakti se ponovno zaprejo, polprevodniški elementi se izklopijo.
  Ta dizajn zmanjša izgube pri preklopu za 80%, zmanjša prostorninski odtis opreme za 40%, doseže preklop brez luknjavanja in podaljša življenjski čas opreme. Dejanski operativni podatki kažejo, da imajo hibridni preklopi SVR-jev 55% nižje letne stroške vzdrževanja v primerjavi s tradicionalnimi modeli.

​Inovacija topologije​ tudi bistveno prispeva. Cascaded Voltage Regulator uporablja hibridno strukturo s serijnim transformatorjem in šunt kapacitorjem, ki ponuja tri opcionalne operativne načine:

1. ​Ekvivalentni način serijske kompenzacije:​​ Cilja na povišanje napetosti na koncu dolgih črt.
2. ​Način prilagoditve napetosti in var:​​ Koordinira prilagoditvene napetosti in reaktivne moči.
3. ​Čisti način regulacije napetosti:​​ Omogoča hitri odziv na pada napetosti.
   Ta dizajn zmanjša izgube sistema za 15-20% pri isti zmogljivosti, hkrati izboljša zmogljivost preživetja okvar.

​5 Primeri uporabe in praktična izkušnja​

​5.1 Povišanje napetosti na pokrajinskem dolgočasnem pripomočniku​

• ​Pozadje projekta:​​ 28 km dolgi 10 kV pripomočnik v gorskom območju oskrboval razpršene obremenitve. Končna napetost med vrhovnimi urami je pala na 8,7 kV (pod standardno spodnjo mejo: 9,7 kV), kar ni ustrezalo zahtevam za napajanje pump za navodnjavo. Tradicionalne rešitve zahtevali novo podstanico za preko 8 milijonov jenov.
• ​Rešitev:​​ Dva ABB SPAU341C regulatorja nameščena v seriji na 12 km in 22 km, z uporabo strategije Master-Slave koordinacije.
• Nastavitev naprave: Vsak SVR: 800 kVA, ±15% obseg, LDC omogočen.
• Strategija nadzora: Zamuda glavne postaje (22 km): 60 sekund; Zamuda podrejene postaje (12 km): 30 sekund.
• Parametri kompenzacije: Virtualni R = 0,32 Ω, X = 0,45 Ω (simulacija impedanc črte).
• ​Rezultati:​​
• Končna napetost stabilizirana na 9,8-10,2 kV; stopnja skladnosti se povečala s 61% na 99,6%.
• Popolnoma odpravljen problem nedostatka začetnega obračuna za pompe med vrhovno obremenitvijo sezona navodnjave.
• Skupni investicijski stroški: 1,8 milijona jenov (77,5% zmanjšanje stroškov v primerjavi s novo podstano).
• Letno zmanjšanje izgub energije: ~150 MWh, kar odgovarja letnemu zmanjšanju stroškov energije za ~120.000 jenov.

​5.2 Izboljšanje kakovosti energije v visoko gostem urbanskem območju​

• ​Pozadje projekta:​​ V območju oskrbe urbanske RMU, gomila trgovskih kompleksov in EV nabiralnih stolpov povzročala nihanja napetosti, ki so dosegle ±8%. Naložba transformatorja je dosegla 130% med vrhovnimi urami.
• ​Rešitev:​​ Namestitev sistema SVR + Dinamična kompenzacija var (SVG) na vhodu RMU.
• Izbira naprave: Regulator SPAU341C (1250 kVA) z ±200 kVar SVG.
• Arhitektura nadzora: VVO koordinacijski nadzornik, ki izvaja združeno optimizacijo vsakih 5 minut.
• Algoritem predvidenja: Napredno učenje temeljeno na predvidenju obremenitve (točnost >92%).
• ​Rezultati:​​
• Nihanje napetosti omejeno na ±2% (v skladu s standardom IEEE 519).
• Naložba transformatorja zmanjšana na 85%, sproščena 30% kapacitete.
• Kompleksne izgube v črti zmanjšane s 7,8% na 6,2%, kar prinaša letno prihranke ~80.000 jenov.
• Stopnja odpovedi nabiralnih stolpov zmanjšana za 40%; število pritožb uporabnikov zmanjšano za 90%.