Інноваційні рішення для крокових регуляторів напруги в системах електророзподілу

1 Виконавчий підсумок​

​Виклики управління напругою в сучасних розподільчих мережах:​​

• Довгі лінії живлення, що призводять до падіння напруги;
• Інтеграція розподілених джерел енергії (DER), що призводить до двостороннього потоку енергії;
• Флуктуації навантаження, що призводять до частих змін напруги.

​Технічні характеристики регуляторів крокової регулювання напруги (SVRs):​​

• Застосовує технологію зміни кількості витків для зміни співвідношення обмоток трансформатора, досягаючи діапазону регулювання напруги ±10% (звичайно в 32 кроках, по 0.625% на кожний крок);
• Основні переваги полягають у можливостях реального часу динамічного регулювання, поєднаних з різними стратегіями керування, що забезпечує гнучку підтримку напруги для розподільчої мережі.

​Тренд еволюції технологій:​​

• Еволюція від базових механічних переключників до інтегрованих систем, які включають силову електроніку, адаптивні алгоритми керування та інтелектуальні модулі зв'язку;
• Репрезентативний приклад: ABB SPAU341C інтегрує функцію компенсації падіння напруги (LDC), імітуючи характеристики опору лінії для точного керування напругою в віддалених точках навантаження;
• Використання магнітних реле та триаків зменшує втрати обладнання та його габарити, підвищуючи гнучкість розташування та ефективність вартості.

​2 Технічний принцип та структура​

​Основний механізм регулювання напруги:​​

• Досягає регулювання напруги шляхом зміни співвідношення обмоток трансформатора, спираючись на технологію зміни кількості витків On-Load Tap Changers (OLTCs).

​Процес закритого циклу зворотного зв'язку:​​

1. Напругові трансформатори постійно отримують сигнали напруги системи;
2. Сигнали помилок генеруються шляхом порівняння отриманих значень з заданими референтними значеннями;
3. Блок керування визначає напрямок зміни кількості витків (підсилення/зниження) та розмір кроку на основі сигналу помилки.

​Основні технічні параметри сучасних SVRs:​​

• На прикладі SPAU341C: Підтримує точні кроки регулювання напруги 0.625%, що дозволяє 32-крокове точне регулювання напруги в межах ±10%.

​2.1 Основні компоненти​

• ​On-Load Tap Changer (OLTC):​​ Основний актуатор регулятора, який використовує вакуумні преривачі для зменшення дуги. Перехідні резистори забезпечують безперервність струму під час переключення, запобігаючи перерві живлення навантаження. Сучасні конструкції використовують технологію подвійного резистора, що зменшує час переключення до 40-60 мілісекунд.
• ​Модуль керування:​​ Побудований на високопродуктивних мікропроцесорах (ARM/DSP), інтегрує різні стратегії керування. ABB SPAU341C використовує модульну архітектуру, що складається з модулів з'єднання, модулів вводу-виводу та модуля автоматичного регулювання напруги, підтримуючи постійне самонагляд за станом апаратного та програмного забезпечення.
• ​Одиниця вимірювання та захисту:​​ Напругові/Струмові трансформатори (наприклад, PT1, PT2, TA1) постійно збирають параметри системи. Одиниці оснащені функціями блокування трьохфазного надмірного струму та недостатньої напруги. При виявленні короткого замикання або серйозного падіння напруги, операції зміни кількості витків негайно блокуються, щоб запобігти пошкодженню обладнання.
• ​Зв'язок та інтерфейс управління:​​ Підтримує протоколи зв'язку Ethernet, GPRS та інші для віддаленого моніторингу та налаштування параметрів. Модуль відображення надає локальний інтерфейс управління, показуючи ключові параметри, такі як задані точки та виміряні значення в реальному часі.

​2.2 Основні експлуатаційні характеристики​

​3 Примінення рішень в проектуванні розподільчих систем​

​3.1 Типові сценарії застосування​

• ​Довгі радіальні лінії:​​ Класичне застосування SVR. У сільських розподільчих мережах, лінії 10 кВ часто простягаються на більше 15 км, що призводить до серйозного відхилення напруги на кінці лінії. Розташування SVR посередині лінії або на кінці лінії ефективно компенсує падіння напруги. Інженерні практики показують, що один SVR може збільшити радіус лінії на 30%, покращивши відповідність напруги на кінці лінії з менше 70% до понад 98%, значно зменшуючи витрати на модернізацію ліній.
• ​Густонаселені міські розподільні мережі:​​ Ступаються з викликами флуктуації навантаження та несумісності напруги. SVR зазвичай встановлюються на виходах підстанцій або вузлах кільцевих головних розподільних пристроїв (RMU). У проекті модернізації міського комерційного району, встановлення SVR на 4 ключових вузлах зменшило флуктуацію напруги під час пікових годин з ±8% до ±2%, одночасно зменшивши втрати на лініях на 12% через оптимізацію реактивної потужності.
• ​Області з високою проникністю DER:​​ Вимагають управління викликами двостороннього потоку енергії. Коли проникність фотоелементів перевищує 30%, традиційні розподільні мережі часто стикаються з порушеннями напруги. SVR автоматично змінюють логіку керування в режимі зворотного потоку, активно знижуючи напругу під час періодів надлишку генерації. Демонстраційний проект з координованого керування SVR та інверторами фотоелементів збільшив місцеву пропускну здатність фотоелементів на 25% та знизив коефіцієнт відсікання на 18%.

​3.2 Оптимізація стратегій керування​

• ​Оптимізація напруги-варіації (VVO):​​ Координує SVR з паралельно підключеніми конденсаторами для мінімізації втрат системи.
• ​Многоступеневе координоване керування:​​ Для каскадних встановлень багатьох SVR у складних мережах, треба уникати конфліктів керування. Найбільш практичним рішенням є метод координації за допомогою затримки—встановлення затримки верхнього SVR (зазвичай 30-60 секунд) принаймні удвічі довший, ніж нижнього SVR. При виявленні порушення напруги, нижній SVR діє першим. Якщо проблема триває після його вікна затримки, верхній SVR тоді втрутиться. Цей підхід значно зменшує непотрібні операції зміни кількості витків (до 40%) при підтримці стабільності напруги.
• ​Адаптивні стратегії керування:​​ Сучасні SVR (наприклад, SPAU341C) включають самонавчальні алгоритми для прогнозування потреб у регулюванні напруги на основі історичних профілів навантаження. Система автоматично попередньо налаштовує положення витків під час періодів подібних щоденних профілів навантаження (наприклад, пікові години ранку), зменшуючи час відгуку регулювання напруги з хвилин до секунд. Ця стратегія особливо підходить для флуктуацій виводу фотоелементів або сценаріїв зі сконцентрованим заряджанням електромобілів (EV).

​3.3 Матриця вибору сценаріїв​

​4 Оптимізація продуктивності та інноваційні технології​

​Технологія зменшення втрат:​​

Гібридна технологія переключення є ключовою інновацією для мінімізації втрат SVR. Традиційні механічні переключники відчувають контактний опір в десятки мОм і значні втрати від дуги. Сучасне рішення використовує гібридну структуру магнітних реле і паралельно підключених тирістрів:

• ​Стан стабільного провідництва:​​ Обробляється магнітним реле (контактний опір <1мОм)
• ​Перехідний момент:​​ Паралельно підключений тирістр забезпечує шлях струму (час запуску <2мкс)
• ​Стан стабільного провідництва після переключення:​​ Механічні контакти знову закриваються, полупровідникові пристрої вимикаються.
  Цей дизайн зменшує втрати при переключенні на 80%, зменшує об'єм обладнання на 40%, забезпечує переключення без дуги та продовжує термін служби. Реальні дані експлуатації показують, що гібридні SVR мають на 55% нижчі річні витрати на обслуговування порівняно з традиційними моделями.

​Інновації в топології​ також значно внесли свій вклад. Каскадний регулятор напруги використовує гібридну структуру з рядово підключеним трансформатором та паралельно підключеним конденсатором, пропонуючи три опційні режими роботи:

1. ​Рівносильний режим рядової компенсації:​​ Спрямований на підсилення напруги на кінці довгих ліній.
2. ​Режим регулювання напруги-варіації:​​ Координує оптимізацію напруги та реактивної потужності.
3. ​Чистий режим регулювання напруги:​​ Дозволяє швидку відповідь на падіння напруги.
   Цей дизайн зменшує втрати системи на 15-20% при тій же ємності, а також підвищує здатність до проходження аварій.

​5 Приклади застосування та практичний досвід​

​5.1 Підсилення напруги на сільській довгій лінії​

• ​Проектний контекст:​​ 28-кілометрова лінія 10 кВ в гористій місцевості забезпечувала розсіяне навантаження. Напруга на кінці лінії під час пікових годин опускалася до 8.7 кВ (нижче стандартного нижнього межі: 9.7 кВ), не задовольняючи потреби в насосах для поливу. Традиційні рішення вимагали нового підстанції за більш ніж ¥8 мільйонів.
• ​Рішення:​​ Два регулятори ABB SPAU341C встановлені в ряд на 12-км та 22-км точках, використовуючи стратегію координації Master-Slave.
• Конфігурація пристроїв: Кожен SVR: 800 кВА, ±15% діапазон, LDC-включено.
• Стратегія керування: Затримка головної станції (22 км): 60 секунд; Затримка вузлової станції (12 км): 30 секунд.
• Параметри компенсації: Віртуальний R = 0.32 Ом, X = 0.45 Ом (симулювання опору лінії).
• ​Результати:​​
• Напруга на кінці стабілізувалася на рівні 9.8-10.2 кВ; відповідність зросла з 61% до 99.6%.
• Повністю усунуто проблему недостатнього стартового моменту насосів під час пікових навантажень сезону поливу.
• Загальна інвестиція: ¥1.8 мільйонів (зниження вартості на 77.5% порівняно з новою підстанціє