浅谈电压暂降的几种治理方案的对比分析

浅谈电压暂降的几种治理方案的对比分析

彭有刚,吉翔,杨超,李海,彭冯杰

中国工程物理研究院激光聚变研究中心  绵阳市621000

摘要：近年来，非线性、冲击性和不对称负荷造成的诸如电压波动、电压跌落、谐波等电能质量问题，引起了业界广泛关注。随着现代电力工业的快速发展和系统中用电负荷结构的重大变化，工厂和办公自动化对电子设备的依赖性快速增长。对于电力用户来说，电压暂降正成为一个主要的问题。电能从发出到使用的整个过程中要跨越广阔的地理区域，这其中整个传输系统普遍遭遇闪电、暴雨、大风、施工、人员误操作等意外，引起短路故障导致的电压暂降现象，有些足以影响到敏感设备的正常运行。据统计和案例反映，以雷击、大风和冰雪灾害为代表的恶劣天气是电力系统发生暂态电压扰动事件的重要诱因。因此，大部分的暂态电压扰动无法从系统侧避免，用户应根据自身情况，针对电压敏感的关键设备，就地采取相应的治理措施。本文针对四种治理方案分别进行拓扑对比分析，阐述各自的优势与特点，以实现在不同的需求下达到最优的设计。

关键词：暂降；暂升；电力电子调压装置；

一、引言

由于电能从发出到使用的整个过程中要跨越广阔的地理区域，这其中整个传输系统普遍遭遇闪电、暴雨、大风、施工、人员误操作等意外，引起短路故障导致的电压暂降现象，有些足以影响到敏感设备的正常运行[[1]]，而随着现代工业的发展，用户对供电质量的要求不断提高，对电网供电质量越来越高。目前针对暂降/暂升等现象，较通用的方案有：双电源供电、采用加装UPS方案、或者采用在线式AVC方案。

采用双电源SSTS，因为双电源来自同一变电站或者切换时间较长等问题，通常无法解决短暂的电压暂降问题；采用不间断电源（UPS），由于需要UPS处于在线模式下才能有效解决，导致用电损耗、散热以及电池空间的各方面原因，经济性方面有待加强，而且在一些特定的改造环境中不适用，而在线式AVC，目前由于设备治理电压跌落深度不够，所以针对深度电压暂降无法适应。后备式AVC-RTS（动态电压调节器）采用IGBT/MOSFET半导体器件作为高频开关器件，对于电网电压出现的暂降、暂升等供电问题，具有无差级调节、输出电压精准平稳、高效、高功率密度、可靠性高等特点，同时具备无功与谐波补偿能力，能够有效降低线路损耗与谐波等优点[[2]]，为电网与用户创造了双赢。

本文针对四种治理装置的拓扑分别进行对比分析，探究各自的特点与优势，以实现在不同的需求下达到最优的设计。

二、双电源SSTS方案

固态高速切换开关Solid State Transfer Switch，简称SSTS，为电源二选一自动切换系统，第一路出现故障后SSTS自动切换到第二路给负载供电(前提第二路电正常且和第一路电基本同步)，第二路故障的话SSTS自动切换到第一路给负载供电(前提第一路电正常且和第二路电基本同步)，适合用于UPS-UPS，UPS-发电机，UPS-市电，市电等任意两路电源的不断电转换，前提是以上所有电源间切换时都要保证同步装置的两路电源基本同步，否则SSTS无法切换[[3]]。拓扑如下图1所示，当工厂或者用户配电系统是由两条不同母线或者不同变电所的线路供电时，为了防止供电中断及电压暂降的影响，当一路电压有问题时，可快速（SSTS切换速度为5～12ms）切换至另一路电源，从而保证负荷供电的连续性。

关于响应速度，一般SSTS厂家设定的电压变化响应速度为10ms，但实际测试表明，SSTS对电压暂降的响应速度大于10ms，尤其是两条完全不同电源点取电的两路负载，考虑同期问题响应时间会更长[[4]]，对一些特别敏感的负荷，无法满足其电压要求。因此，SSTS是供电可靠性的选择，而非特别敏感的负荷电压暂降治理的选项。

图1 SSTS拓扑图

三、不间断电源（UPS）方案

不间断电源，简称UPS。UPS是广为所知的一种设备，主要采取电池等化学能来进行储能，当电网断电时，UPS是解决供电中断的有效方法。

工作原理：

UPS处于在线运行模式下，当电网电压正常时，全部电能先通过整流器整流，然后再通过逆变器逆变成交流给负载供电。系统大部分时间两级变换同时在运行（损耗很高）。当电网出现电压跌落或断电时，逆变器从电池组获取电能，逆变成交流给负载供电。

图2 UPS在线运行模式拓扑图

UPS处于ECO运行模式下,ECO模式为经济运行模式，即通常所说的旁路运行模式/离线式UPS/后备式UPS等。在此工作模式下市电正常时由市电通过静态开关给负载供电（如图3箭头所示），逆变器处于待机/空载状态；当市电异常时快速切换至逆变器给负载供电。可以在一定程度上降低UPS损耗，但其性能及可靠性也会相应降低[[5]]。

图3 UPS后备式运行模式拓扑图

切换时间：

ECO模式不能预知未来，只能响应已经发生的问题并切换到逆变器，其瞬态响应需要经历以下几个过程：

1、电源问题被监测到；

2、UPS确定是否响应以及如何响应；

3、逆变器被激活使用（某些高级ECO模式逆变器待机运行）；

4、静态旁路开关执行切换动作（断开）

因此UPS ECO模式的典型切换时间为10ms左右，实际5~20ms不等。

综上，UPS较适合IT设备等稳定性负载，在预防断电方面具有重要作用，但是UPS如用来保护电压暂降有如下缺点：

（1）UPS不适用于负荷剧烈变动的负载，如变频电机、伺服驱动系统、智能机器人等对电网冲击性大的负荷，否则很容易导致UPS电池损坏，从而造成更大安全隐患。SEMI F47国际半导体设备电压暂降耐受标准明确声明：不建议采用UPS等电池类蓄能产品来进行电压暂降保护。

（2）在线式UPS能耗较大，典型耗能为8％、12％[[6]]，运行使用成本非常高。

（3）较好的离线式UPS响应速度一般10~20ms，无法为敏感负荷提供及时保护响应。

（4）UPS的运行维护对设备维护人员要求较高，大大增加运维人员工作量，如：需要定期对其电池进行充放电，定期检测电池状态等。

（5）UPS每2、3年需要全部更换电池，费用不菲。如果企业敏感负荷所占比重较大，此时需要大功率UPS，所需费用太大而不现实。

（6）UPS对运行环境要求较高，一般要求26摄氏度左右恒温运行，且通风良好。增加了额外的制冷费用。

（7）UPS占地面积较大，不适合工厂电力改造工作。

四、在线式AVC治理方案

在线式动态电压恢复器，简称AVC。拓扑如下图4所示，在线式AVC主要由一个电压源逆变器、旁路和串联在供电电网和负载之间的补偿变压器组成。在线式AVC不需要储能元件，因为它能从电网中吸取所需的额外能量用于补偿骤降的电压。

其工作原理如下：在线式AVC时刻监测输入电源电压，一旦电压偏离设定值，它即控制IGBT逆变器通过串联的补偿变压器在主回路中加入适当的补偿电压，极其快速地将输出端电压调节到设定值，从而消除了来自电网输出端电压暂降对负载的影响，在这期间，能量从电网中获得[[7]]。

图4 在线式AVC拓扑

AVC能在毫秒级的时间内给负荷侧补偿适当的跌落电压，让负载侧恢复正常电压，消除电压暂降影响。目前市面上的AVC产品，都可以补偿三相电压发生40%跌落的电压。单相电压补偿能力会比三相补偿更好些。短时电压扰动是造成工厂设备产生次品的主要原因，AVC能在5ms内能产生补偿电压，抵消市电所受干扰，使工厂设备几乎感受不到电压扰动，保证了工厂设备的安全可靠运行。不过AVC具有一个明显的缺陷，即电网电压跌至50%以下，或完全中断时，AVC无法进行有效补偿[[8]]。

五、储能型动态电压调节器（AVC-RTS）治理方案

储能型动态电压调节器又叫实时控制型动态电压调节器，简称AVC-RTS，其提供离线式短时能量存储解决方案。当发生电压暂降时，实时控制型动态电压调节器（AVC-RTS）是一种成本有效的电压暂降解决方案，它使用极其快速的电压矫正来去除工厂或办公室电源中的电压暂降、暂升，保证负载继续运转而不被中断。设备支持负载继续工作直至后备电源启动或电源自动切换开关切换完成。实际的支撑时间取决于负载的大小以及储能单元的容量大小，储能单元为超级电容。由于革命性的逆变整流关断技术的应用，设备运转的瞬态特性得到提高，这使得AVC-RTS有效而快速的中断切换负载至后备储能单元的连接只引起最小的干扰传导至负载[[9]]。AVC-RTS能实现0～130% 剩余电压补偿至100%；常规支撑时间3s，可通过增加超级电容的形式，延长支撑时间；其快速响应时间小于100us，全响应时间典型2ms。可满足100%电压暂降深度治理。设备拓扑如下图5所示。

电网正常时，市电供电：

电网异常时，超级电容供电：

电网恢复正常时，市电供电，同时给电容充电：

图5 AVC-RTS工作拓扑图

六、方案对比分析

基于上述四种治理方案进行对比分析，从治理的性能，设备的投资，可靠性等多个方面进行比较，可得到如下对比分析表格：

表一 方案对比表

表二 方案使用范围对比表

综上所述，现实的供电系统难以保证能够提供完美的电力，并且往往也并不能要求设备制造商提供免疫电压暂降的设备。因此，目前应用最普遍也是比较推荐的治理电压暂降的措施是在供电系统与用户设备之间加装电压暂降治理装置。从本文分析可知，负载对电压暂降敏感程度低，增加供电可靠性可以选择SSTS；UPS适合负载稳定，需要长时间离网运行场合；电压跌落40%以内，需考量经济性可选择AVC；而AVC-RTS则结合了UPS与AVC的优点，有效的降低了系统成本，可以实现0~130%范围内的电压暂降治理。

[[1]] 王宾, 潘贞存, 徐丙垠. 配电系统电压跌落问题的分析[J]. 电网技术, 2004, 28(2):4.

[[2]] 陶顺, 肖湘宁, 刘晓娟. 电压暂降对配电系统可靠性影响及其评估指标的研究[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(21):7.

[[3]] 卜凡鹏. 固态切换开关(SSTS)的研究. 北京交通大学, 2011.

[[4]] 刘志良. 固态切换开关SSTS在化工企业供配电系统中的应用[J]. 电力科学与工程, 2011, 27(4):4.

[[5]] 蒋晨,薛士龙,耿攀,李帆.单极性SPWM调制方式下逆变器效率对比[J].电源学报,2014(03):70-74+79.

[[6]] 韩微, 岳玫君, 黄冶. 新型双变流器UPS系统的效率分析[J]. 电气应用, 2010(18):4.

[[7]] 郝志娟. 电压自动调控(AVC)系统的应用[J]. 电子世界, 2014(16):1.

[[8]] 曹树宇. AVC系统电压调节异常的分析与防范[J]. 化工管理, 2017(14):2.

[[9]] 庞绍宗. 电压无功自动控制(AVC)系统在保定电网的应用[D]. 华北电力大学.