Spenningsregulering - Voltage regulation
I elektroteknikk , spesielt kraftteknikk , er spenningsregulering et mål på endring i spenningsstørrelsen mellom sende- og mottaksenden av en komponent, for eksempel en overførings- eller fordelingslinje. Spenningsregulering beskriver systemets evne til å gi nær konstant spenning over et bredt spekter av belastningsforhold . Begrepet kan referere til en passiv egenskap som resulterer i mer eller mindre spenningsfall under forskjellige belastningsforhold, eller til den aktive inngrepet med enheter for det spesifikke formålet å justere spenning.
Elektriske kraftsystemer
I elektriske systemer er spenningsregulering en dimensjonsløs mengde definert i mottaksenden av en overføringslinje som:
hvor V nl er spenning uten belastning og V fl er spenning ved full belastning. Prosent spenningsregulering av en ideell overføringslinje, som definert av en overføringsledning med null motstand og reaktans , ville være lik null på grunn av at V nl tilsvarer V fl som et resultat av at det ikke er noe spenningsfall langs linjen. Dette er grunnen til at en mindre verdi av spenningsregulering vanligvis er gunstig, noe som indikerer at linjen er nærmere idealet.
Spenningsreguleringsformelen kan visualiseres med følgende: "Vurder at strøm blir levert til en last slik at spenningen ved lasten er lastens nominelle spenning V Rated , hvis lasten forsvinner, vil spenningen ved lastpunktet stige til V nl . "
Spenningsregulering i overføringslinjer skjer på grunn av impedansen til linjen mellom dens sende- og mottaksender. Overføringslinjer har iboende en viss grad av motstand, induktans og kapasitans som alle endrer spenningen kontinuerlig langs linjen. Både størrelsen og fasevinkelen til spenningen endres langs en ekte overføringslinje. Effektene av linjeimpedans kan modelleres med forenklede kretser som tilnærming til kort linje (minst nøyaktig), tilnærming til mellomlinje (mer nøyaktig) og tilnærming til lang linje (mest nøyaktig).
Tilnærmingen til den korte linjen ignorerer kapasitansen til overføringslinjen og modellerer motstanden og reaktansen til overføringslinjen som en enkel seriemotstand og induktor. Denne kombinasjonen har impedans R + jL eller R + jX. Det er en enkelt linjestrøm I = I S = I R i den korte linjens tilnærming, forskjellig fra den medium og lange linjen. Den middels lang linje tilnærmelse tar hensyn til shunt- opptak, vanligvis ren kapasitans, ved å fordele halve admittans ved sending og mottakende ende av linjen. Denne konfigurasjonen blir ofte referert til som en nominell - π. Tilnærmingen til lang linje tar disse klumpede impedans- og adgangsverdiene og fordeler dem jevnt langs linjens lengde. Tilnærmingen til lang linje krever derfor løsning av differensialligninger og resulterer i den høyeste grad av nøyaktighet.
I spenningsreguleringsformelen er V ingen belastning spenningen målt ved mottakerenden når terminalen er en åpen krets. Hele kortlinjemodellen er en åpen krets i denne tilstanden, og det strømmer ingen strøm i en åpen krets, så I = 0 A og spenningsfallet over linjen gitt av Ohms lov V linjedråp = IZ -linje er 0 V. Senderen og mottak av ende spenninger er dermed det samme. Denne verdien er hva spenningen i mottakerenden ville være hvis transmisjonslinjen ikke hadde noen impedans. Spenningen ville ikke blitt endret i det hele tatt av linjen, som er et ideelt scenario i kraftoverføring.
V full belastning er spenningen over lasten i mottakerenden når lasten er tilkoblet og strøm strømmer i overføringsledningen. Nå er V line drop = IZ linje null, så spenningene og sende- og mottaksendene på overføringslinjen er ikke like. Strømmen I kan bli funnet ved å løse Ohms lov ved bruk av en kombinert linje og lastimpedansen: . Deretter er V R, full last gitt av .
Effekten av denne modulasjon på spenningsverdi og fasevinkel er illustrert ved hjelp av diagrammer phasor som tilordnes V R , V S , og de resistive og induktive komponenter av V spenningsfall . Tre effektfaktorscenarier er vist, hvor (a) linjen betjener en induktiv belastning slik at strømmen henger med mottakende ende spenning, (b) linjen betjener en helt reell belastning slik at strømmen og mottakende ende spenning er i fase, og (c) linjen tjener en kapasitiv belastning, slik at strømmen leder mottakende spenning. I alle tilfeller forårsaker linjemotstanden R et spenningsfall som er i fase med strøm, og reaktansen til linjen X forårsaker et spenningsfall som leder strøm med 90 grader. Disse suksessive spenningsfall blir summert til den mottakende sluttspenning, tracing bakover fra V R V S i kort linje tilnærmelse krets. Vektorsummen av V R og spenningsfallene er lik V S , og det er tydelig i diagrammene at V S ikke er lik V R i størrelse eller fasevinkel.
Diagrammene viser at fasevinkelen til strømmen i linjen påvirker spenningsreguleringen betydelig. Svingende strøm i (a) gjør den nødvendige størrelsen på å sende ende spenning ganske stor i forhold til mottakerenden. Fasevinkelforskjellen mellom sende- og mottaksenden er imidlertid minimert. Ledestrøm i (c) tillater faktisk størrelsen på sendende ende spenning å være mindre enn størrelsen på mottakerenden, slik at spenningen øker kontra intuitivt langs linjen. In-fasestrøm i (b) påvirker lite størrelsen på spenningen mellom sende- og mottaksenden, men fasevinkelen forskyves betraktelig.
Ekte overføringslinjer tjener vanligvis induktive belastninger, som er motorene som finnes overalt i moderne elektronikk og maskiner. Overføring av en stor mengde reaktiv kraft Q til induktive belastninger gjør linjestrømforsinkelsesspenningen, og spenningsreguleringen er preget av nedgang i spenningsstørrelse. Ved overføring av en stor mengde ekte kraft P til reelle belastninger, er strøm for det meste i fase med spenning. Spenningsreguleringen i dette scenariet er preget av en reduksjon i fasevinkel i stedet for størrelse.
Noen ganger brukes begrepet spenningsregulering for å beskrive prosesser der mengden VR reduseres, spesielt angående spesielle kretser og enheter for dette formålet (se nedenfor).
Elektroniske strømforsyningsparametere
Kvaliteten på et systems spenningsregulering er beskrevet av tre hovedparametere:
| Parameter | Symbol | Beskrivelse |
|---|---|---|
| Linjeregulering | S v | Måling av evnen til å opprettholde en konstant utgangsspenning, uavhengig av endringer i inngangsspenningen |
| Lastregulering | R o | Måling av evnen til å opprettholde en konstant utgangsspenning, uavhengig av størrelsen på systemets belastning |
| Temperaturavhengighet | S T | Måling av evnen til å opprettholde en konstant utgangsspenning, uavhengig av temperaturvariasjoner for elektriske komponenter i systemet, spesielt halvlederbaserte enheter. |
Regulering for distribusjonsmater
Elektriske verktøy har som mål å yte service til kunder på et bestemt spenningsnivå, for eksempel 220 V eller 240 V. På grunn av Kirchhoffs lover vil imidlertid spenningsstørrelsen og dermed tjenestespenningen til kundene faktisk variere langs en leder for eksempel en distribusjonsmater (se Distribusjon av elektrisk kraft ). Avhengig av lov og lokal praksis kan faktisk servicespenning innenfor et toleransebånd som ± 5% eller ± 10% anses som akseptabelt. For å opprettholde spenningen innenfor toleranse under endrede belastningsforhold, brukes tradisjonelt forskjellige typer enheter:
- en lastekranskifter (LTC) ved transformator transformatoren , som endrer svingningsforholdet som svar på belastningsstrømmen og derved justerer spenningen som sendes i senderenden av materen;
- spenningsregulatorer , som i hovedsak er transformatorer med trykkvekslere for å justere spenningen langs materen, for å kompensere for spenningsfallet over avstand; og
- kondensatorer , som reduserer spenningsfallet langs materen ved å redusere strømmen til belastninger som bruker reaktiv effekt .
En ny generasjon enheter for spenningsregulering basert på solid state-teknologi er i de tidlige kommersialiseringsstadiene.
Distribusjonsregulering innebærer et "reguleringspunkt": punktet der utstyret prøver å opprettholde konstant spenning. Kunder lenger enn dette punktet observerer en forventet effekt: høyere spenning ved lett belastning og lavere spenning ved høy belastning. Kunder nærmere enn dette punktet opplever den motsatte effekten: høyere spenning ved høy belastning og lavere spenning ved lett belastning.
Komplikasjoner på grunn av distribuert generasjon
Distribuert generasjon , spesielt fotovoltaikk tilkoblet på distribusjonsnivå, byr på en rekke betydelige utfordringer for spenningsregulering.
Konvensjonelt utstyr for spenningsregulering fungerer under antagelsen om at nettspenningen endres forutsigbart med avstanden langs materen . Nærmere bestemt faller materspenningen med økende avstand fra transformatorstasjonen på grunn av linjeimpedans og frekvensen for spenningsfall synker lenger bort fra nettstasjonen . Denne forutsetningen kan imidlertid ikke gjelde når GD er tilstede. For eksempel vil en lang mater med høy konsentrasjon av DG på slutten oppleve betydelig strøminjeksjon på punkter der spenningen normalt er lavest. Hvis belastningen er tilstrekkelig lav, vil strømmen strømme i motsatt retning (dvs. mot transformatorstasjonen), noe som resulterer i en spenningsprofil som øker med avstand fra nettstasjonen. Denne inverterte spenningsprofilen kan forvirre konvensjonelle kontroller. I et slikt scenario kan lastekranskiftere som forventer at spenningen reduseres med avstanden fra transformatorstasjonen velge et driftspunkt som faktisk får spenningen nedover linjen til å overskride driftsgrensene.
Spenningsreguleringsproblemene forårsaket av GD på distribusjonsnivå kompliseres av mangel på verktøy for overvåkning av utstyr langs distribusjonsmatere. Den relative mangelen på informasjon om fordelingsspenninger og belastninger gjør det vanskelig for verktøy å foreta justeringer som er nødvendige for å holde spenningsnivåene innenfor driftsgrenser.
Selv om GD utgjør en rekke betydelige utfordringer for spenningsregulering av distribusjonsnivå, kan DG i kombinasjon med intelligent kraftelektronikk faktisk tjene til å forbedre innsatsen for spenningsregulering. Et slikt eksempel er PV koblet til nettet gjennom omformere med volt-VAR-kontroll . I en studie utført i fellesskap av National Renewable Energy Laboratory (NREL) og Electric Power Research Institute (EPRI) , da volt-VAR-kontroll ble lagt til en distribusjonsmater med 20% PV-penetrasjon, ble de daglige spenningssvingene på materen betydelig redusert .
Transformatorer
Ett tilfelle av spenningsregulering er i en transformator . Transformatorens uidealkomponenter forårsaker en endring i spenning når strømmen strømmer. Uten last, når ingen strøm flyter gjennom sekundærspoler, V nl er gitt ved den ideelle modellen, hvor V S = V P * N S / N P . Når man ser på den tilsvarende kretsen og forsømmer shuntkomponentene, som det er en rimelig tilnærming, kan man henvise all motstand og reaktans til den sekundære siden og tydelig se at sekundærspenningen uten belastning faktisk vil bli gitt av den ideelle modellen. I kontrast, når transformatoren leverer full belastning, oppstår det et spenningsfall over viklingsmotstanden, noe som forårsaker at terminalspenningen over lasten blir lavere enn forventet. Ved definisjonen ovenfor fører dette til en spenningsregulering uten null som må vurderes ved bruk av transformatoren.