Innovativa lösningar för stegspänningsregulatorer i elkraftfördelningsystem

1 Exekutivsammanfattning​

​Uppföljning av spänningshantering i moderna distributionsnät:​​

• Långsträckta försörjningsledningar som orsakar spänningssänkning;
• Integration av distribuerade energiresurser (DER) som leder till tvåvägspowerflöde;
• Belastningsfluktuationer som orsakar frekventa spänningsvariationer.

​Tekniska egenskaper hos stegvisa spänningsregulatorer (SVRs):​​

• Använder tap-changing-teknik för att ändra transformatorvindningsförhållanden, vilket ger en ±10% spänningsjusteringsomfattning (typiskt i 32 steg, 0.625% per steg);
• Kärnegenskaper ligger i realtidsdynamiska justeringsmöjligheter kombinerat med flera kontrollstrategier, vilket ger flexibel spänningsstöd för distributionsnätet.

​Teknikutvecklingstrender:​​

• Utvecklades från grundläggande mekaniska tap-switchar till integrerade system som inkluderar strömförstärkare, adaptiva kontrollalgoritmer och intelligenta kommunikationsmoduler;
• Representativ exempel: ABB SPAU341C integrerar Line Drop Compensation (LDC)-funktion, simulerar linjeimpedanskaraktäristiker för exakt spänningskontroll vid fjärrbelastningspunkter;
• Användningen av magnetiskt hållna reläer och TRIACs minskar utrustningsförluster och fotavtryck, vilket ökar flexibiliteten vid distribution och kostnadseffektivitet.

​2 Teknisk princip & struktur​

​Kärnspänningsregleringsmekanism:​​

• Uppnår spänningsreglering genom att ändra transformatorvindningsförhållanden, beroende på tap-changing-tekniken hos On-Load Tap Changers (OLTCs).

​Stängd slänk feedback-kontrollprocess:​​

1. Spänningstransformatorer samlar kontinuerligt in systemspänningsignaler;
2. Felfrekvens genereras genom att jämföra insamlade värden med inställda referensvärden;
3. Kontrollenhet bestämmer tap-bytte riktning (boost/buck) och steglängd baserat på felfrekvens.

​Viktiga tekniska parametrar för moderna SVRs:​​

• Med SPAU341C som exempel: Stöder fina spänningsjusteringssteg på 0.625%, vilket möjliggör 32-steg exakt spänningsreglering inom en ±10% omfattning.

​2.1 KärnkompONENTER​

• ​On-Load Tap Changer (OLTC):​​ Regulatorns kärnverktyg, använder vakuumavbrytare för att minska bågningsförlust. Övergångsomstånd säkerställer strömkontinuitet under växling, förhindrar belastningsavbrott. Moderna designar använder dual-resistor övergångsteknik, minskar växlingstid till 40-60 millisekunder.
• ​Kontrollmodul:​​ Bygger på högpresterande mikroprocessorer (ARM/DSP), integrerar flera kontrollstrategier. ABB SPAU341C antar en modulär arkitektur, består av anslutningsmoduler, I/O-moduler och en automatisk spänningsregleringsmodul, stöder kontinuerlig självövervakning för realtidshardware- och programvarudiagnostik.
• ​Mät- och skyddsenhet:​​ Spännings-/Ströms-transformatorer (t.ex., PT1, PT2, TA1) samlar kontinuerligt in systemparametrar. Enheter är utrustade med trefasöverströmning och undervoltsblockering. Vid upptäckt av kortslutning eller allvarlig spänningssänkning blockerar tap-byttet omedelbart för att förhindra utrustningskada.
• ​Kommunikation och driftgränssnitt:​​ Stöder Ethernet, GPRS och andra kommunikationsprotokoll för fjärrövervakning och parameterinställningar. Displaymodulen ger ett lokalt driftgränssnitt, visar viktiga parametrar som inställningsvärden och mätvärden i realtid.

​2.2 Viktiga driftkarakteristika​

​3 Tillämpningslösningar i distributionsnätsdesign​

​3.1 Typiska tillämpningsscenario​

• ​Långa radieledningar:​​ En klassisk SVR-tillämpning. I landsbygdsdistributionsnät, 10kV-ledningar sträcker ofta sig över 15km, vilket orsakar allvarliga spänningssvikten vid ledningsslutet. Att installera SVRs mitt i ledningen eller vid ledningsslutet kompenserar effektivt spänningssänkning. Ingenjörspraxis visar att en enda SVR kan utöka ledningsradien med 30%, förbättra spänningsöverensstämmelsen vid ledningsslutet från under 70% till över 98%, vilket drastiskt minskar kostnaden för ledningsuppgradering.
• ​Högbelägna urbana distributionsnät:​​ Möter utmaningar av belastningsfluktuationer och spänningsmissmatch. SVRs installeras vanligtvis vid utgången av understationer eller ringmainenheter (RMU). I ett projekt för ombyggnad av en stadsaffärskvarter, installerade SVRs vid 4 viktiga noder, minskade spänningsfluktuationer under topparbetstider från ±8% till ±2%, samtidigt som linjeavkastning minskades med 12% genom reaktiv effektsoptimering.
• ​Områden med hög DER-penetration:​​ Kräver hantering av utmaningar med tvåvägspowerflöde. När solcellspenetration överstiger 30%, upplever traditionella distributionsnät ofta spänningsöverträdelser. SVRs justerar automatiskt kontrolllogik via en omvänd powerläge, aktivt minskar spänning under perioder av produktionsexcess. Ett solcellsdemonstrationsprojekt med koordinerad kontroll mellan SVRs och solcellsinverterare ökade lokal solcellskapacitet med 25% och minskade begränsningsfrekvens med 18%.

​3.2 Kontrollstrategioptimering​

• ​Spännings-Reaktiv effektsoptimering (VVO):​​ Koordinerar SVRs med shunt capacitorbankar för att minimera systemförluster.
• ​Flervalvet koordinerad kontroll:​​ För kaskadinstallationer av flera SVRs i komplexa nät, måste kontrollkonflikter undvikas. Tidsfördröjningskoordineringsmetoden är den mest praktiska lösningen - inställa den uppförs SVRs fördröjning (vanligtvis 30-60 sekunder) till minst dubbelt så lång som den nedre SVRs fördröjning. Vid upptäckt av spänningsöverträdelse agerar den nedre SVR först. Om problemet fortgår efter dess fördröjningsfönster ingriper den uppförs SVR. Denna metod reducerar onödiga tap-operationer (upp till 40%) samtidigt som spänningsstabilitet bibehålls.
• ​Anpassade kontrollstrategier:​​ Moderna SVRs (t.ex., SPAU341C) integrerar sjävlärande algoritmer för att predicera spänningsjusteringsbehov baserat på historiska belastningsprofiler. Systemet justerar automatiskt tap-positioner under perioder med liknande dagliga belastningsmönster (t.ex., morgonstop), minskar spänningsjusteringsrespons tid från minuter till sekunder. Denna strategi är särskilt lämplig för solcellsutmatningsfluktuationer eller scenarier med koncentrerad elbilsladdning.

​3.3 Scenarioutvalsmatris​

​4 Prestandaoptimering & innovativa teknologier​

​Förlustminskningsteknik:​​

Hybridväxlingsteknik är en kärninnovation för att minimera SVR-förluster. Traditionella mekaniska tap-changers lider av kontaktmotstånd i tiotals mΩ och betydande bågningsförluster. Den moderna lösningen använder en hybridstruktur av Magnetiska Latching Reläer och Back-to-Back Thyristorer:

• ​Stillastående konduktion:​​ Hanteras av den Magnetiska Latching Relä (kontaktmotstånd <1mΩ)
• ​Övergångsmoment:​​ Back-to-Back Thyristor ger en strömban (trigger tid <2μs)
• ​Efter växling stillastående:​​ Mekaniska kontakter stängs igen, halvledardetaljer stängs av.
  Denna design minskar växlingsförluster med 80%, minskar utrustningsvolym med 40%, uppnår bågningsfria växlingar och förlänger utrustningens livslängd. Faktiska driftdata visar att hybridväxlande SVRs har 55% lägre årliga underhållskostnader jämfört med traditionella modeller.

​Topologiinnovation​ bidrar också betydande. Cascaded Voltage Regulator använder en hybridstruktur med serie-transformator och shunt-kondensator, erbjuder tre valbara driftlägen:

1. ​Äkvivalent Seriekompenstionsläge:​​ Riktar in sig på spänningsökning i slutet av långa ledningar.
2. ​Spännings-Reaktiv effektjusteringsläge:​​ Koordinerar spänning och reaktiv effektsoptimering.
3. ​Rent spänningsregleringsläge:​​ Möjliggör snabb respons vid spänningssänkning.
   Denna design minskar systemförluster med 15-20% vid samma kapacitet samtidigt som felridningsegenskaperna förbättras.

​5 Tillämpningsfall & praktisk erfarenhet​

​5.1 Spänningsökning på landsbygdsfjärrförsörjningsledning​

• ​Projektbakgrund:​​ En 28km lång 10kV-ledning i ett bergigt område försörjer spridda belastningar. Slutspänning under topparbetstider sjönk till 8.7kV (under standardens nedre gräns: 9.7kV), misslyckades med att uppfylla elkrav för irrigationspumpar. Traditionella lösningar krävde en ny understation till över ¥8 miljon kostnad.
• ​Lösning:​​ Två ABB SPAU341C-regulatorer installerade i serie vid 12km och 22km punkter, använder en Master-Slave koordineringsstrategi.
• Enhetstillagnings: Varje SVR: 800kVA, ±15% omfattning, LDC-aktiverad.
• Kontrollstrategi: Master station (22km) fördröjning: 60 sekunder; Slave station (12km) fördröjning: 30 sekunder.
• Kompensationsparametrar: Virtuell R = 0.32Ω, X = 0.45Ω (simulerar linjeimpedans).
• ​Resultat:​​
• Slutspänning stabiliserades vid 9.8-10.2kV; överensstämmelsesgrad steg från 61% till 99.6%.
• Otillräcklig startmomentproblem för pumpar under irrigationsperiodens toppbelastning helt elimineras.
• Total investering: ¥1.8 miljon (77.5% kostnadsreduktion jämfört med ny understation).
• Årlig energiförlustreduktion: ~150 MWh, motsvarande energikostnadsbesparingar av ~¥120 000.

​5.2 Förbättring av elkvalitet i tättbebyggda urbana områden​

• ​Projektbakgrund:​​ Inom en RMUs försörjningsområde, grupperade affärskomplex och elbilsladdningsstationer orsakade spänningsfluktuationer som nådde ±8%. Transformerbelastning nådde 130% under topparbetstider.
• ​Lösning:​​ Installation av en SVR + Dynamisk Var-kompensation (SVG)-system vid RMU-inloppet.
• Enhetstillagnings: SPAU341C Regulator (1250kVA) med ±200kVar SVG.
• Kontrollarkitektur: VVO-koordineringskontrollant utför samordnad optimering var femte minut.
• Prediktionssystem: Djupinlärningsbaserad belastningsprognos (precision >92%).
• ​Resultat:​​
• Spänningsfluktuation kontrollerad inom ±2% (överensstämmer med IEEE 519).
• Transformerbelastning minskade till 85%, frigjorde 30% kapacitet.
• Sammanlagda linjeavkastningar minskade från 7.8% till 6.2%, resulterade i årliga besparingar ~¥80 000.
• Laddningsstapel misslyckandefrekvens minskade med 40%; användarklagomål minskade med 90%.