基于超级电容技术的敏感用户电压暂降解决措施

基于超级电容技术的敏感用户电压暂降解决措施
随着电子技术的日益普及，电压暂降已经成为影响用户正常用电的突出问题。

文章阐述了系统电压暂降（凹陷）对典型敏感负荷的影响，分析了电压暂降产生的原因，并结合超级电容的特点给出了一种配电网电压暂降问题的解决方法，能有效提高敏感用户的电能质量。

标签：超级电容；电压暂降；敏感负荷；电能质量
引言
电压暂降是指电压均方根值在很短时间骤降到额定值的90%到10%，并在几个周波到几秒钟的时间内恢复正常的事件。

随着现代工业技术及人民生活水平的提高，电压暂降问题日益凸显，成为国内外电网企业普遍关注的问题。

仅2016年，广州市就发生多起因电压暂降导致低压甩负荷事件，造成了较大的经济损失和恶劣的社会影响。

1 电压暂降对典型敏感负荷的影响分析
电压暂降发生的次数要远远超过电压中断的次数，根据美国电力研究院（EPRI）的统计，超过90%的电能质量问题是由电压暂降或电压突升引发的，这也是事故的主要原因。

如果电气设备对电压暂降较为敏感，则由电压暂降引发的问题将会显著增加，因此掌握用电设备对电压暂降的敏感程度或耐受能力，对供电部门来说是非常重要的。

电压暂降对典型敏感负荷的影响如下：（1）计算机。

计算机是应用极为广泛的电子设备，几乎所有用户都有涉及，对电压暂降的敏感度较高。

当系统电压降至60%，持续时间达到240毫秒时，其正常运行会受到影响，导致数据丢失、重启、关机等。

（2）工业机器人。

对零部件进行钻孔、切割等精密加工都是由機器人控制，工作电压阈值为90%，当电压低于此值、持续时间超过40～60毫秒，就会跳闸以保证产品质量和机械自身安全。

（3）直流电机。

工业生产领域广泛采用直流电机作为驱动。

当电压降低到88%时，直流驱动能力将开始减弱，直流驱动的生产线将会减速，导致出现不合格产品；当电压低于80%时，直流电机就会被跳闸，生产线会停止运转。

（4）变频调速器。

为了保护调速器中的电力电子元件不受损坏，或者电压暂降引起电机转速降低或转矩变化，系统电压低于70%并持续超过120毫秒，电机自动切除。

而对于要求更为精细的工业电机，电压低于90%且只要达到60毫秒时，电机就会自动退出运行。

（5）电动机接触器。

系统电压低于50%且超过20毫秒，接触器会自动脱扣，导致水循环、空压机等负荷停运。

（6）可编程控制器（PLC）。

广泛应用于工业控制系统的微处理器对电压暂降尤为敏感。

不同类型的PLC对电压暂降的敏感程度有所不同，但一般来讲，当电压降至81%时，PLC即可停止运行。

对于一些I/O设备，电压低于90%，在几十毫秒内就会被切除。

（7）冷却控制器。

电压暂降对冷却控制器的影响非常灵敏，当电压低于80%时，控制器无延时动作切除制冷电机。

2 电压暂降产生的原因分析
电压暂降产生的原因包括电力系统和用户两方面。

系统方面的原因，一般系统中发生短路故障、雷击、开关操作、自动重合闸等，都可引起电压暂降；而用户方面的原因主要是内部设备短路或大型电机启动，电弧炉等冲击性负荷的投运等。

其中，系统发生瞬时短路故障是电压暂降发生的主要原因。

如图1，系统短路故障引起电压暂降的模型。

ZS为系统等效电源阻抗；L1、L2为配电线路，ZF 为L2的线路阻抗。

为方便分析，暂不计故障前后的负荷电流，则电源阻抗ZS 上的流经电流为：
由式（1-3）可以看出，L越小，即故障点越靠近母线，母线电压下降的越厉害。

母线电压暂降的幅值大小是由电源阻抗、线路单位阻抗、故障点距离母线的长度决定的。

此外电压暂降还与系统中变压器的接线方式、中性点接地方式以及设备连接方式都有关系。

3 主要应对措施
要减少电压暂降所带来的不良影响，传统做法是从电压暂降产生源头着手，一方面要加强电网设备运维管理，优化运行方式，尽可能减少短路故障、污闪、雷击等情况发生；另一方面用户要尽量降低用电设备对电压暂降的敏感度，选用抗干扰能力较强的设备等。

但这些都属于预防性措施，由于电压暂降的不确定性，并不能完全避免电压暂降所带来的危害。

因此，想要彻底避免电压暂降对敏感用户的影响，必须在充分了解其负荷特性的基础上，按照负荷的不同等级和耐受程度，针对敏感、重要负荷增加额外的保障措施，如在特别重要设备上加装不间断电源，但其价格昂贵且效率很低，功耗损失高达10%～20%，且寿命衰减严重，实际利用率非常低，性价比不高。

超级电容是近年来出现的一种新型储能器件，其容量可达数千法拉，是普通电容能量密度的10-100倍，功率密度是传统蓄电池的10倍以上，其最突出的优点是充电时间短，释放能量速度快，可以几乎没有延时地快速释放几百到几千安培电流，且具有50万次循环寿命。

超级电容器非常适合作为配电网电能质量调节装置，用来解决城市电网中的一些暂态问题，如由电压中断、电压暂降（电压凹陷）、电压突升等问题，通过超级电容器提供的瞬间功率缓冲，利用吸收或释放电能，提供短时功率支撑进行有功或无功补偿，以稳定、平滑系统电压波动。

基于超级电容储能的电压补偿装置（如图2所示），该电压调节装置主要由超级电容器组、电压型AC/DC整流器、电压型DC/AC 逆变器、补偿变压器Ts和控制系统组成。

电网可以通过整流器向超级电容器组充电，保证储能系统时刻储存足够的能量以备随时启动释能。

当系统电压暂降或中断时，储能单元通过逆变器能够以小于1ms的速度进行响应，逆变器的PWM 调制波以标准正弦波为基准源，将采集电压波形和标准波进行比较，通过补偿变压器初级线圈的逆变器向负载侧提供同频、锁相、幅值可变的补偿电压，修正畸变波形，从而动态实时保持输出电压的稳定。

当电源出现电压骤升时，储能单元会瞬间触发来吸收系统的有功功率，来确保输出稳定的电压。

因此，利用超级电容的快速补偿特性，我们可以实现在电压暂降、骤升、谐波、三相电压不对称故障时调节负荷电压，提高了负荷电压的稳定性。

如果在超级电容两端并联蓄电池，该装置还可以作为UPS来使用，起到应急保安电源的作用，在发生故障时向负
荷提供短时功率。

采用合适的拓扑结构，该装置可以综合地治理系统的各种动态电压质量问题（如凹陷、浪涌）和稳态电压质量问题（如谐波、波动、三相不平衡），是一个实用多个目标的电能质量综合治理装置。

4 结束语
电压暂降在城市配电网中屡有发生，造成了巨大的经济损失和社会影响。

超级电容技术的迅速发展为我们提供了一种抑制配电网电压暂降的新思路，本文充分利用其快速补偿的特性，给出了一种解决方案，实现了对电压波形的实时跟踪补偿，对改善敏感用戶、重要用户电能质量具有较好的应用效果。

参考文献：
[1]商淼.超级电容器储能系统的研究[D].北京：华北电力大学，2004.
[2]汪娟华.超级电容器储能系统在分布式发电技术中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2007.
[3]王轩，刘可，丛贵斌，等.敏感用户电压暂降甩负荷原因分析及防范措施[J].青海电力，2015，34（1）：55-58.。