Giải pháp Đổi Mới của Bộ Điều Chỉnh Điện Áp Bước trong Hệ Thống Phân phối Điện

1 Tóm tắt Điều hành​

​Thách thức Quản lý Điện áp trong Mạng Phân phối Hiện đại:​​

• Đường dây cấp điện xa gây sụt giảm điện áp;
• Tích hợp nguồn năng lượng phân tán (DER) dẫn đến dòng điện hai chiều;
• Biến động tải gây ra sự thay đổi điện áp thường xuyên.

​Tính năng Kỹ thuật của Bộ Điều chỉnh Điện áp Bậc (SVRs):​​

• Sử dụng công nghệ thay đổi vị trí cuộn dây để thay đổi tỷ lệ vòng cuộn biến áp, đạt được phạm vi điều chỉnh điện áp ±10% (thông thường là 32 bước, mỗi bước 0,625%);
• Ưu điểm chính nằm ở khả năng điều chỉnh động thời gian thực kết hợp với nhiều chiến lược kiểm soát, cung cấp hỗ trợ điện áp linh hoạt cho lưới phân phối.

​Xu hướng Phát triển Công nghệ:​​

• Phát triển từ các công tắc cơ bản sang hệ thống tích hợp bao gồm điện tử công suất, thuật toán kiểm soát thích ứng và mô-đun truyền thông thông minh;
• Ví dụ tiêu biểu: ABB SPAU341C tích hợp chức năng Bù Trả Đổng (LDC), mô phỏng đặc tính trở kháng đường dây để kiểm soát điện áp chính xác tại các điểm tải xa;
• Sử dụng rơ-le giữ từ và TRIACs giảm tổn thất thiết bị và diện tích, tăng cường tính linh hoạt triển khai và hiệu quả chi phí.

​2 Nguyên lý Kỹ thuật & Cấu trúc​

​Mechanism Điều chỉnh Điện áp Cơ bản:​​

• Đạt được điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi tỷ lệ vòng cuộn biến áp, dựa trên công nghệ thay đổi vị trí cuộn dây của On-Load Tap Changers (OLTCs).

​Quá trình Kiểm soát Phản hồi Đóng vòng:​​

1. Biến áp điện áp liên tục thu thập tín hiệu điện áp hệ thống;
2. Tín hiệu lỗi được tạo ra bằng cách so sánh giá trị thu được với giá trị tham chiếu đã đặt;
3. Đơn vị điều khiển quyết định hướng thay đổi vị trí (nâng/giảm) và kích thước bước dựa trên tín hiệu lỗi.

​Các Thông số Kỹ thuật Chính của SVRs Hiện đại:​​

• Lấy SPAU341C làm ví dụ: Hỗ trợ các bước điều chỉnh điện áp tinh tế 0,625%, cho phép điều chỉnh điện áp chính xác trong phạm vi ±10% với 32 bước.

​2.1 Thành phần Chính​

• ​On-Load Tap Changer (OLTC):​​ Bộ phận thực thi chính của bộ điều chỉnh, sử dụng ngắt chân không để giảm hồ quang. Rơ-le chuyển tiếp đảm bảo tính liên tục của dòng điện trong quá trình chuyển mạch, ngăn chặn gián đoạn cung cấp tải. Thiết kế hiện đại sử dụng công nghệ chuyển tiếp hai rơ-le, giảm thời gian chuyển mạch xuống 40-60 miligiây.
• ​Mô-đun Điều khiển:​​ Xây dựng trên vi xử lý hiệu suất cao (ARM/DSP), tích hợp nhiều chiến lược kiểm soát. ABB SPAU341C sử dụng kiến trúc mô-đun, bao gồm các mô-đun kết nối, I/O và mô-đun điều chỉnh điện áp tự động, hỗ trợ giám sát liên tục cho chẩn đoán phần cứng và phần mềm theo thời gian thực.
• ​Đơn vị Đo lường và Bảo vệ:​​ Biến áp/Transformer Dòng điện (ví dụ: PT1, PT2, TA1) liên tục thu thập thông số hệ thống. Các đơn vị được trang bị chức năng chặn dòng điện ba pha và điện áp thấp. Khi phát hiện ngắn mạch hoặc sụt giảm điện áp nghiêm trọng, các hoạt động thay đổi vị trí được chặn ngay lập tức để ngăn ngừa hư hỏng thiết bị.
• ​Giao diện Truyền thông và Hoạt động:​​ Hỗ trợ các giao thức truyền thông như Ethernet, GPRS và các giao thức khác để giám sát từ xa và thiết lập thông số. Mô-đun hiển thị cung cấp giao diện hoạt động cục bộ, hiển thị các thông số chính như điểm đặt và giá trị đo lường theo thời gian thực.

​2.2 Đặc điểm Hoạt động Chính​

​3 Giải pháp Ứng dụng trong Thiết kế Hệ thống Phân phối​

​3.1 Các Kịch bản Ứng dụng Tiêu biểu​

• ​Đường dây Cấp điện Xa:​​ Một ứng dụng điển hình của SVR. Trong mạng phân phối nông thôn, các đường dây 10kV thường kéo dài hơn 15km, gây ra sự sai lệch điện áp nghiêm trọng tại cuối đường dây. Triển khai SVR giữa đường dây hoặc tại cuối đường dây có thể bù đắp hiệu quả sụt giảm điện áp. Thực tiễn kỹ thuật cho thấy một SVR duy nhất có thể mở rộng bán kính đường dây lên 30%, cải thiện tỷ lệ tuân thủ điện áp tại cuối đường dây từ dưới 70% lên trên 98%, giảm đáng kể chi phí nâng cấp đường dây.
• ​Mạng Phân phối Mật độ Cao ở Thành phố:​​ Đối mặt với thách thức biến động tải và không khớp điện áp. SVR thường được lắp đặt tại các đầu ra trạm hoặc các nút Ring Main Unit (RMU). Trong một dự án cải tạo khu thương mại thành phố, việc lắp đặt SVR tại 4 nút chính đã giảm biến động điện áp giờ cao điểm từ ±8% xuống ±2%, đồng thời giảm tổn thất đường dây 12% thông qua tối ưu hóa công suất phản kháng.
• ​Khu vực Có Tỷ lệ Thâm nhập DER Cao:​​ Yêu cầu quản lý thách thức dòng điện hai chiều. Khi tỷ lệ thâm nhập PV vượt quá 30%, các mạng phân phối truyền thống thường gặp phải vi phạm điện áp. SVR tự động điều chỉnh logic kiểm soát qua chế độ dòng điện ngược, chủ động giảm điện áp trong thời gian dư thừa sản xuất. Một dự án thí điểm PV sử dụng kiểm soát phối hợp giữa SVR và bộ nghịch lưu PV đã tăng khả năng chứa PV địa phương 25% và giảm tỷ lệ cắt giảm 18%.

​3.2 Tối ưu Hóa Chiến lược Kiểm soát​

• ​Tối ưu Hóa Điện áp-Công suất Phản kháng (VVO):​​ Phối hợp SVR với ngân hàng tụ điện shunt để giảm tổn thất hệ thống.
• ​Kiểm soát Phối hợp Nhiều Giai đoạn:​​ Đối với các lắp đặt SVR dạng thác nước trong các mạng phức tạp, cần tránh xung đột kiểm soát. Phương pháp Phối hợp Thời gian Trễ là giải pháp thực tế nhất - đặt thời gian trễ của SVR thượng nguồn (thông thường là 30-60 giây) ít nhất gấp đôi thời gian trễ của SVR hạ nguồn. Khi phát hiện vi phạm điện áp, SVR hạ nguồn sẽ hành động trước. Nếu vấn đề vẫn tồn tại sau thời gian trễ của nó, SVR thượng nguồn sẽ can thiệp. Cách tiếp cận này giảm đáng kể các hoạt động thay đổi vị trí không cần thiết (lên đến 40%) trong khi duy trì ổn định điện áp.
• ​Chiến lược Kiểm soát Tự thích ứng:​​ Các SVR hiện đại (ví dụ: SPAU341C) tích hợp thuật toán tự học để dự đoán nhu cầu điều chỉnh điện áp dựa trên hồ sơ tải lịch sử. Hệ thống tự động điều chỉnh trước vị trí cuộn dây trong các giai đoạn tải tương tự hàng ngày (ví dụ: đỉnh sáng), giảm thời gian phản hồi điều chỉnh điện áp từ vài phút xuống vài giây. Chiến lược này đặc biệt phù hợp cho các biến động sản xuất PV hoặc các kịch bản sạc xe điện tập trung.

​3.3 Ma trận Lựa chọn Kịch bản​

​4 Tối ưu Hóa Hiệu suất & Công nghệ Mới​

​Công nghệ Giảm Tổn thất:​​

Công nghệ chuyển mạch lai là một sáng tạo cốt lõi để giảm thiểu tổn thất của SVR. Các công tắc vị trí cơ khí truyền thống chịu tổn thất điện trở tiếp xúc từ vài mΩ và tổn thất hồ quang đáng kể. Giải pháp hiện đại sử dụng cấu trúc lai của Rơ-le Giữ Từ và Thyristor Đối xứng:

• ​Điều khiển Dòng điện Steady-State:​​ Được xử lý bởi Rơ-le Giữ Từ (điện trở tiếp xúc <1mΩ)
• ​Trong Thời điểm Chuyển mạch:​​ Thyristor Đối xứng cung cấp đường dẫn dòng điện (thời gian kích hoạt <2μs)
• ​Sau Chuyển mạch Steady-State:​​ Các tiếp xúc cơ khí đóng lại, các thiết bị bán dẫn tắt.
  Thiết kế này giảm tổn thất chuyển mạch 80%, giảm thể tích thiết bị 40%, đạt chuyển mạch không hồ quang và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Dữ liệu vận hành thực tế cho thấy SVR chuyển mạch lai có chi phí bảo dưỡng hàng năm thấp 55% so với các mô hình truyền thống.

​Sáng tạo Topology​ cũng đóng góp đáng kể. Bộ Điều chỉnh Điện áp Cascade sử dụng cấu trúc lai với biến áp nối tiếp và tụ điện song song, cung cấp ba chế độ hoạt động tùy chọn:

1. ​Chế độ Bù Trả Đổng Tương đương:​​ Nhắm vào việc tăng điện áp cuối đường dây dài.
2. ​Chế độ Điều chỉnh Điện áp-Công suất Phản kháng:​​ Phối hợp tối ưu hóa điện áp và công suất phản kháng.
3. ​Chế độ Điều chỉnh Điện áp Thuần túy:​​ Cho phép phản ứng nhanh với sụt giảm điện áp.
   Thiết kế này giảm tổn thất hệ thống 15-20% ở cùng công suất và cải thiện khả năng đi qua sự cố.

​5 Trường hợp Ứng dụng & Kinh nghiệm Thực tế​

​5.1 Nâng Điện áp trên Đường dây Cấp điện Xa ở Nông thôn​

• ​Bối cảnh Dự án:​​ Đường dây 10kV dài 28km ở vùng núi cung cấp cho tải phân tán. Điện áp cuối trong giờ cao điểm giảm xuống 8,7kV (dưới giới hạn tiêu chuẩn: 9,7kV), không đáp ứng yêu cầu điện cho máy bơm tưới. Giải pháp truyền thống yêu cầu xây dựng trạm mới với chi phí hơn ¥8 triệu.
• ​Giải pháp:​​ Triển khai hai bộ điều chỉnh ABB SPAU341C theo chuỗi tại các điểm 12km và 22km, sử dụng chiến lược phối hợp Master-Slave.
• Cấu hình Thiết bị: Mỗi SVR: 800kVA, phạm vi ±15%, có chức năng LDC.
• Chiến lược Kiểm soát: Trạm chính (22km) thời gian trễ: 60 giây; trạm phụ (12km) thời gian trễ: 30 giây.
• Tham số Bù đắp: R ảo = 0,32Ω, X = 0,45Ω (mô phỏng trở kháng đường dây).
• ​Kết quả:​​
• Điện áp cuối ổn định ở 9,8-10,2kV; tỷ lệ tuân thủ tăng từ 61% lên 99,6%.
• Vấn đề thiếu mô-men khởi động cho máy bơm trong mùa tưới tiêu hoàn toàn được giải quyết.
• Tổng vốn đầu tư: ¥1,8 triệu (giảm 77,5% so với trạm mới).
• Giảm tổn thất năng lượng hàng năm: ~150 MWh, tương đương tiết kiệm chi phí năng lượng ~¥120,000.

​5.2 Cải thiện Chất lượng Điện trong Khu vực Mật độ Cao ở Thành phố​

• ​Bối cảnh Dự án:​​ Trong khu vực cung cấp của RMU thành phố, các khu phức hợp thương mại và trạm sạc EV gây ra biến động điện áp lên đến ±8%. Tải biến áp đạt 130% trong giờ cao điểm.
• ​Giải pháp:​​ Triển khai hệ thống SVR + Bù Công suất Phản kháng Động (SVG) tại đầu vào RMU.
• Lựa chọn Thiết bị: Bộ điều chỉnh SPAU341C (1250kVA) với SVG ±200kVar.
• Kiến trúc Kiểm soát: Bộ điều khiển phối hợp VVO thực hiện tối ưu hóa chung mỗi 5 phút.
• Thuật toán Dự báo: Dự báo tải dựa trên học sâu (độ chính xác >92%).
• ​Kết quả:​​
• Biến động điện áp được kiểm soát trong ±2% (tuân thủ IEEE 519).
• Tải biến áp giảm xuống 85%, giải phóng 30% công suất.
• Tổn thất đường dây tổng cộng giảm từ 7,8% xuống 6,2%, tiết kiệm hàng năm ~¥80,000.
• Tỷ lệ hỏng hóc trạm sạc giảm 40%; khiếu nại của người dùng giảm 90%.