基于超級電容技術的敏感用戶電壓暫降解決措施

馬金濤

摘 要：隨著電子技術的日益普及，電壓暫降已經(jīng)成為影響用戶正常用電的突出問題。文章闡述了系統(tǒng)電壓暫降（凹陷）對典型敏感負荷的影響，分析了電壓暫降產(chǎn)生的原因，并結合超級電容的特點給出了一種配電網(wǎng)電壓暫降問題的解決方法，能有效提高敏感用戶的電能質量。

關鍵詞：超級電容；電壓暫降；敏感負荷；電能質量

中圖分類號：TM726 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0067-02

引言

電壓暫降是指電壓均方根值在很短時間驟降到額定值的90%到10%，并在幾個周波到幾秒鐘的時間內恢復正常的事件。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術及人民生活水平的提高，電壓暫降問題日益凸顯，成為國內外電網(wǎng)企業(yè)普遍關注的問題。僅2016年，廣州市就發(fā)生多起因電壓暫降導致低壓甩負荷事件，造成了較大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。

1 電壓暫降對典型敏感負荷的影響分析

電壓暫降發(fā)生的次數(shù)要遠遠超過電壓中斷的次數(shù)，根據(jù)美國電力研究院（EPRI）的統(tǒng)計，超過90%的電能質量問題是由電壓暫降或電壓突升引發(fā)的，這也是事故的主要原因。如果電氣設備對電壓暫降較為敏感，則由電壓暫降引發(fā)的問題將會顯著增加，因此掌握用電設備對電壓暫降的敏感程度或耐受能力，對供電部門來說是非常重要的。電壓暫降對典型敏感負荷的影響如下：（1）計算機。計算機是應用極為廣泛的電子設備，幾乎所有用戶都有涉及，對電壓暫降的敏感度較高。當系統(tǒng)電壓降至60%，持續(xù)時間達到240毫秒時，其正常運行會受到影響，導致數(shù)據(jù)丟失、重啟、關機等。（2）工業(yè)機器人。對零部件進行鉆孔、切割等精密加工都是由機器人控制，工作電壓閾值為90%，當電壓低于此值、持續(xù)時間超過40～60毫秒，就會跳閘以保證產(chǎn)品質量和機械自身安全。（3）直流電機。工業(yè)生產(chǎn)領域廣泛采用直流電機作為驅動。當電壓降低到88%時，直流驅動能力將開始減弱，直流驅動的生產(chǎn)線將會減速，導致出現(xiàn)不合格產(chǎn)品；當電壓低于80%時，直流電機就會被跳閘，生產(chǎn)線會停止運轉。（4）變頻調速器。為了保護調速器中的電力電子元件不受損壞，或者電壓暫降引起電機轉速降低或轉矩變化，系統(tǒng)電壓低于70%并持續(xù)超過120毫秒，電機自動切除。而對于要求更為精細的工業(yè)電機，電壓低于90%且只要達到60毫秒時，電機就會自動退出運行。（5）電動機接觸器。系統(tǒng)電壓低于50%且超過20毫秒，接觸器會自動脫扣，導致水循環(huán)、空壓機等負荷停運。（6）可編程控制器（PLC）。廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)的微處理器對電壓暫降尤為敏感。不同類型的PLC對電壓暫降的敏感程度有所不同，但一般來講，當電壓降至81%時，PLC即可停止運行。對于一些I/O設備，電壓低于90%，在幾十毫秒內就會被切除。（7）冷卻控制器。電壓暫降對冷卻控制器的影響非常靈敏，當電壓低于80%時，控制器無延時動作切除制冷電機。

2 電壓暫降產(chǎn)生的原因分析

電壓暫降產(chǎn)生的原因包括電力系統(tǒng)和用戶兩方面。系統(tǒng)方面的原因，一般系統(tǒng)中發(fā)生短路故障、雷擊、開關操作、自動重合閘等，都可引起電壓暫降；而用戶方面的原因主要是內部設備短路或大型電機啟動，電弧爐等沖擊性負荷的投運等。其中，系統(tǒng)發(fā)生瞬時短路故障是電壓暫降發(fā)生的主要原因。如圖1，系統(tǒng)短路故障引起電壓暫降的模型。ZS為系統(tǒng)等效電源阻抗；L1、L2為配電線路，ZF為L2的線路阻抗。為方便分析，暫不計故障前后的負荷電流，則電源阻抗ZS上的流經(jīng)電流為：

由式（1-3）可以看出，L越小，即故障點越靠近母線，母線電壓下降的越厲害。母線電壓暫降的幅值大小是由電源阻抗、線路單位阻抗、故障點距離母線的長度決定的。此外電壓暫降還與系統(tǒng)中變壓器的接線方式、中性點接地方式以及設備連接方式都有關系。

3 主要應對措施

要減少電壓暫降所帶來的不良影響，傳統(tǒng)做法是從電壓暫降產(chǎn)生源頭著手，一方面要加強電網(wǎng)設備運維管理，優(yōu)化運行方式，盡可能減少短路故障、污閃、雷擊等情況發(fā)生；另一方面用戶要盡量降低用電設備對電壓暫降的敏感度，選用抗干擾能力較強的設備等。但這些都屬于預防性措施，由于電壓暫降的不確定性，并不能完全避免電壓暫降所帶來的危害。因此，想要徹底避免電壓暫降對敏感用戶的影響，必須在充分了解其負荷特性的基礎上，按照負荷的不同等級和耐受程度，針對敏感、重要負荷增加額外的保障措施，如在特別重要設備上加裝不間斷電源，但其價格昂貴且效率很低，功耗損失高達10%～20%，且壽命衰減嚴重，實際利用率非常低，性價比不高。超級電容是近年來出現(xiàn)的一種新型儲能器件，其容量可達數(shù)千法拉，是普通電容能量密度的10-100倍，功率密度是傳統(tǒng)蓄電池的10倍以上，其最突出的優(yōu)點是充電時間短，釋放能量速度快，可以幾乎沒有延時地快速釋放幾百到幾千安培電流，且具有50萬次循環(huán)壽命。超級電容器非常適合作為配電網(wǎng)電能質量調節(jié)裝置，用來解決城市電網(wǎng)中的一些暫態(tài)問題，如由電壓中斷、電壓暫降（電壓凹陷）、電壓突升等問題，通過超級電容器提供的瞬間功率緩沖，利用吸收或釋放電能，提供短時功率支撐進行有功或無功補償，以穩(wěn)定、平滑系統(tǒng)電壓波動。基于超級電容儲能的電壓補償裝置（如圖2所示），該電壓調節(jié)裝置主要由超級電容器組、電壓型AC/DC整流器、電壓型DC/AC逆變器、補償變壓器Ts和控制系統(tǒng)組成。電網(wǎng)可以通過整流器向超級電容器組充電，保證儲能系統(tǒng)時刻儲存足夠的能量以備隨時啟動釋能。當系統(tǒng)電壓暫降或中斷時，儲能單元通過逆變器能夠以小于1ms的速度進行響應，逆變器的PWM調制波以標準正弦波為基準源，將采集電壓波形和標準波進行比較，通過補償變壓器初級線圈的逆變器向負載側提供同頻、鎖相、幅值可變的補償電壓，修正畸變波形，從而動態(tài)實時保持輸出電壓的穩(wěn)定。當電源出現(xiàn)電壓驟升時，儲能單元會瞬間觸發(fā)來吸收系統(tǒng)的有功功率，來確保輸出穩(wěn)定的電壓。因此，利用超級電容的快速補償特性，我們可以實現(xiàn)在電壓暫降、驟升、諧波、三相電壓不對稱故障時調節(jié)負荷電壓，提高了負荷電壓的穩(wěn)定性。如果在超級電容兩端并聯(lián)蓄電池，該裝置還可以作為UPS來使用，起到應急保安電源的作用，在發(fā)生故障時向負荷提供短時功率。采用合適的拓撲結構，該裝置可以綜合地治理系統(tǒng)的各種動態(tài)電壓質量問題（如凹陷、浪涌）和穩(wěn)態(tài)電壓質量問題（如諧波、波動、三相不平衡），是一個實用多個目標的電能質量綜合治理裝置。

4 結束語

電壓暫降在城市配電網(wǎng)中屢有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。超級電容技術的迅速發(fā)展為我們提供了一種抑制配電網(wǎng)電壓暫降的新思路，本文充分利用其快速補償?shù)奶匦裕o出了一種解決方案，實現(xiàn)了對電壓波形的實時跟蹤補償，對改善敏感用戶、重要用戶電能質量具有較好的應用效果。

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