Transformatoare de distribuție pe medie tensiune cu reglajul sub sarcină

Începând din anul 2012, transformatorul de distribuție pe medie tensiune cu reglajul sub sarcina (VRDT = Voltage Regulation Distribution Transformer), a fost implementat ca un element al rețelelor inteligente și principal activ care să faciliteze integrarea surselor regenerabile de energie în rețelele publice într-un mod cât mai economic. VRDT este un transformator de distribuție
pe medie/joasă tensiune echipat cu un comutator de reglaj sub sarcină. Inițial, el a fost dezvoltat cu un scop foarte precis, și anume acela de a compensa efectul răspândirii unităților descentralizate de generare din surse regenerabile de energie, cu debitare în rețelele de medie și joasă tensiune. În mod interesant, odată cu răspândirea acestei tehnologii, a devenit evident că prezintă avantaje
pentru o serie întreagă de domenii de utilizare, dincolo de integrarea energiilor din surse regenerabile și că nu este limitată la rețele publice de distribuție, putând găsi aplicații și în rețele industriale și în structurile de generare.
Motorul principal din spatele acestor noi domenii de aplicare pentru transformatoarele de distribuție cu comutatoare de reglaj sub sarcină, este noua generație de astfel de comutatoare, care sunt mult mai compacte și mult mai economice decât comutatoarele tradiționale.

 

Fig. 1. Schema sistemului VRDT

Cheia succesului pentru răspandirea rapidă în rețelele publice de electricitate este faptul că VRDT transferă o tehnologie verificată din rețelele de înaltă tensiune în rețelele de distribuție și este în mare măsură compatibil cu standardele și procesele operatorilor de rețea. De aproape un secol, transformatoarele de putere din rețelele de înaltă tensiune au fost echipate cu comutatoare cu reglaj sub sarcină pentru a regla dinamic tensiunea unor astfel de transformatoare. Tehnologia de bază a fost inițial industrializată de către Maschinenfabrik Reinhausen și se bazează pe schimbarea numărului de spire în înfășurările active ale unui transformator, cu ajutorul unui sistem electromecanic.
Figura 1 arată cum acest concept verificat poate fi aplicat la modul general în rețeaua de distribuție cu ajutorul unui VRDT.
De exemplu, o stație secundară care leagă rețeaua de 20 kV cu cea de 400 V, este echipată cu un transformator de distribuție special care vine cu un element de acționare precum comutatorul de reglaj sub sarcină și care permite modificarea tensiunii transformatorului sub sar cină în mod dinamic.
Piața oferă diferite concepte tehnologice pentru astfel de elemente de acționare. Soluții avansate permit ca un element de acționare (comutator) să fie instalat fără să se modifice dimensiunile transformatorului. Acesta este singurul mod de a asigura că un VRDT poate fi utilizat în toate stațiile secundare existente. Această cerință este un punct central pentru aproape toți operatorii din rețelele de distribuție, în special cu privire la baza mare a stațiilor compacte instalate. În plus, o durată de viață a elementului de acționare care corespunde cu cea a transformatorului, doar cu o minimă mentenanță sau fără, este în mod uzual o cerință de bază din punct de vedere economic. În mod frecvent această cerință este greu de îndeplinit pentru conceptele bazate pe electronică de
putere. Mai mult, conceptele avantajoase de VRDT permit o bandă largă de reglaj prin care pot modifica tensiunea transformatorului, permițând în același timp trepte de reglaj fin cu scopul de a evita efecte nedorite precum oscilațiile din rețea.
Pentru ca elementul de acționare să faciliteze modi ficările de tensiune necesare pentru stabilizarea rețelei este nevoie de inteligență, pentru a determina ce acțiuni sunt adecvate și când. Acesta este rolul regulatorului automat de tensiune care se bazează pe algoritmi pentru a determina reacțiile corecte date de starea curentă a rețelei. Pentru evaluarea acestora, el se bazează pe senzori
care în configurația cea mai simplă măsoară valorile de pe bara de rețea de joasă tensiune a stației secundare. Provocarea la transferul conceptului de transformator cu comutator de reglaj sub sarcină de la înaltă tensiune în rețeaua de medie tensiune, constă în îndeplinirea cerințelor privind rentabilitatea, dimensiunile, greutatea și necesitățile de mentenanță. De abia acum câțiva ani au devenit disponibile primele concepte care îndeplinesc toate aceste cerințe. Între timp, ele și-au dovedit valoarea pentru operatorii rețelelor de distribuție publice și industriale, numărul total de VRDT-uri instalate fiind estimat în prezent la aproximativ 1.500 de unități.
În comparație cu alte soluții admisibile pentru controlul tensiunii din rețelele de distribuție, precum stocarea energiei distribuite sau invertoare pentru putere reactivă, VRDT-urile par să fie avantajoase, deoarece tehnologia pe care se bazează este dovedită de-a lungul multor decenii în rețelele de înaltă tensiune. Mai mult, ele par să fie extrem de economice, deoarece permit un grad înalt de compatibilitate cu infrastructurile de rețea existente și cu metodele operatorilor de rețea. Când un operator de rețea alege un concept tehnic potrivit, practic nu există diferențe între operarea unui transformator de distribuție convențional și a unui VRDT. Figura 2 prezintă fotografia unui VRDT care la exterior este greu de deosebit de un transformator de distribuție.
Pentru VRDT-urile echipate cu comutatoare de reglaj sub sarcină raportul de transformare al transformatorului și, prin urmare, tensiunea pot fi modificate în trepte atunci când regulatorul de tensiune detectează o tensiune secundară care se abate de la o referință predefinită. În mod normal, un VRDT poate să controleze tensiunea într-un domeniu de +/-10 % din tensiunea nominală. Acest domeniu va fi împărțit într-un număr fix de trepte ale comutatorului de reglaj sub sarcină. În mod uzual sunt 9 trepte care permit modificări ale tensiunii cu 2,5 % pentru fiecare treaptă. În cele mai multe cazuri sunt două niveluri de prag la care este emis un semnal de comutare.

Primul: dacă tensiunea secundară depășește pentru un interval de timp predefinit o anumită valoare de prag, atunci va fi declanșată o comandă de comutare.

Al doilea: un alt prag de tensiune, pragul de mare viteză, poate fi parametrizat pentru comutare rapidă. Dacă tensiunea se modifică cu o valoare mai mare decât primul nivel și atinge a doua valoare înainte ca temporizarea să fie încheiată, este declanșată de asemenea o operație de comutare.

Exemple de utilizare
• Optimizarea economică a rețelelor de distribuție

O rețea eficientă de distribuție are cât mai puține echipamente. Astfel se economisesc cheluieli cu investiția cât și cheltuieli de exploatare. VRDT-urile contribuie la îmbunătățirea eficienței secțiunilor de retea. Instalarea și acționarea acestora pot reduce numărul total de stații secundare. Numărul de stații secundare necesare pentru o zonă de rețea, este determinat în primul rând de cererea maximă care trebuie acoperită și/sau de cantitatea maximă de alimentare care trebuie transportată și în al doilea rând, de distanța maximă posibilă dintre stația secundară și punctele de racordare a rețelei din punct de vedere al tensiunii.
VRDT-urile adaptează dinamic tensiunea și permit o rază mai mare de alimentare electrică în jurul fiecărei stații secundare. În acest fel, pot fi conectați chiar și consumatorii sau punctele de alimentare care se află la o distanță mare față de stația secundară.
Reducerea numărului de stații secundare este posibilă numai prin extinderea razei de aprovizionare a unor stații selectate. Aceasta, la rândul său, înseamnă că tensiunea de ieșire a acestor stații trebuie să fie mărită. Cu VRDT, este disponibil un echipament de rețea pentru a realiza acest lucru. Acest mod de operare este posibil, deoarece un VRDT este capabil să determine domeniul de tensiune specificat în rețeaua de joasă tensiune, în mod autonom față de domeniul de tensiune existent în grila de medie tensiune.

Fig. 2. Transformator de distribuție cu tensiune reglabilă

Limita acestor noi raze de aprovizionare poate fi extinsă până la capacitatea termică și/sau la căderea de tensiune permisă a liniei.

• Stabilizarea proceselor industriale în rețelele volatile
Pentru ca procesele industriale să funcționeze stabil și fiabil, ele necesită o sursă stabilă de tensiune într-o bandă bine definită. În rețelele cu putere de generare limitată, distanțe lungi sau  consumatori și producători volatili, alimentarea de medie tensiune poate fi supusă unor fluctuații mari de tensiune. Ca urmare, ciclurile de producție pot fi întrerupte, motoarele pot să nu pornească sau sistemele de comandă se pot prăbuși. Acest lucru poate provoca daune grave, în special în procesele industriale sensibile.

Fig. 3. Optimizarea topologiei de rețea cu VRDT

 

Spitalele sunt deosebit de importante în acest sens. Pe lângă impactul direct asupra proceselor, modificările frecvente ale tensiunii pot  avea un impact negativ asupra duratei de viață a echipamen telor. Un VRDT în rețeaua de distribuție industrială asigură o sursă stabilă de tensiune la orice sarcină, indiferent de volatilitatea tensiunii pe partea de medie tensiune, așa cum este exemplificat în Figura 4.  VRDT -urile cu un do meniu mare de reglaj, care sunt capabile să regleze în mod fiabil fluctuațiile mari de pe partea de medie tensiune pentru mulți ani fără întreținere, sunt adecvate pentru această aplicație. Dimensiunile compacte ajută la menținerea costurilor scăzute, deoarece VRDT poate fi instalat în locul transformatorului fără reglaj.

• Conformitatea economică cu codurile rețelei
Pentru integrarea în rețea, unitățile de generare dis persate, bazate pe energii regenerabile trebuie să îndeplinească cerințele respective ale operatorului de rețea sub formă de coduri de rețea. Furnizarea puterii reactive este deosebit de critică. Mai ales când este subexcitată, capacitatea centralelor de generare de a furniza putere reactivă este limitată în cazul unei subtensiuni. În consecință, codurile rețelei pot fi adesea îndeplinite fie prin supra dimensionarea invertoarelor, fie prin necesitatea ca instalația de generare să funcționeze astfel încât să reducă cantitatea de
energie activă întrodusă în rețea, pentru a se conforma situației.

VRDT -urile pot evita supradimensionarea invertoarelor sau reducerea cantității de energie activă alimentată în rețeaua electrică și în consecință, pot face ca instalația de generare să devină mai rentabilă. Datorită capacității lor de a menține tensiunea pe partea de joasă tensiune la un nivel aproape constant, furnizarea unei puteri reactive nu duce în mod necesar la restricții în
capacitatea invertorului.
Deși sunt disponibile pe piață de abia începând cu anul 2012, VRDT -urile au găsit deja o gamă largă de aplicare și este probabil ca, pe  măsură ce tot mai mulți operatori se vor familiariza cu această tehnologie, domeniile în care se va dovedi utilă, vor continua să se multiplice.

Fig. 4. Proces industrial de stabilizare cu VRDT

Dr. Manuel Sojer:
„Transformatoarele de distribuție cu tensiune reglabilă, ca un nou activ de rețea”,
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH

Pentru detalii, contactați: S.C. PROMAD SRL, office@promad-srl.ro, www.promad-srl.ro