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负荷侧电压暂降的治理措施与设备

电压暂降是敏感工业用户面临的最普遍电能质量事件,其造成连续性生产中断,产生重大的经济损失及负面影响,近年来电压暂降是电能质量领域的研究热点之一。目前负荷侧的治理措施主要是加装防治设备,本文着重介绍了DVRDC-BANK两种常用负荷侧防治设备的工作原理、特点及适用性,为敏感工业用户提供选择参考。

 

1 引言

电压暂降被众多的国际研究机构确定为电力系统中最为普遍发生的事件。现代工业企业的自动化程度越来越高,以CPU、微电子、电力电子、数字化和信息化技术为核心的高科技精密设备,对电压暂降非常敏感。即使持续时间不到一个周波的电压暂降也可能导致设备意外停机,进而可能导致生产出次品、废品或设备停产检修。

 

2 电压暂降的定义及成因

根据IEEE 标准及国家标准《电能质量 电压暂降与短时中断》(GB/T30137-2013)规定,电压暂降是指电力系统中某点工频电压有效值暂时降低至额定电压的10%90%并持续10ms1min,此期间内系统频率仍为标称值,然后又恢复到正常水平的现象。电网电压暂降的出现,主要是因为电能从发出到使用的整个过程中要跨越广阔的地理区域,电能传输系统易遭遇雷击、暴雨、大风、施工、人员误操作等意外,引起短路故障导致。

 

3 负荷侧防治措施与防治设备

防治电压暂降有电网源侧防治和负荷侧防治两种方式。对用户而言,进行电网源侧防治难度大、成本高,而在负荷侧加装防治设备则较易实现,是目前最常用的防治措施。负荷侧电压暂降防治设备主要有以下2种:

 

(3) 动态电压恢复器(DVR)

最近几年国内一些大型工业企业对DVR进行了应用尝试,表现出了较好的电压暂降防治效果。根据暂降电压的补偿效果,DVR可分为储能单元补偿型DVR和电网余电补偿型DVR

 

储能单元补偿型DVR支持电网输入电压跌至0V且持续一小段时间的电压补偿,储能单元一般选用超级电容、锂电容、锂电池等可支持大倍率放电的储能器件,根据储能单元不同,通常补偿时间数秒到数分钟。储能单元补偿型DVR的电气原理图如图1所示。

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电网正常时,控制离并网切换的晶闸管导通,市电直接供给负载(图示路径1),同时通过双向变流器给储能单元充电。负载供电质量受电网输入源影响大。当电网电压暂降时,控制离并网切换的晶闸管断开,DVR切换到储能单元逆变供电给负载(图示路径2)。

 

电网余电补偿型DVR的电气拓扑原理图如图2所示。

图片3.png

电网余电补偿型DVR不需要储能单元,对电压暂降补偿时的能量取自电网,所以其补偿能力有限,通常补偿电压不超过40%额定电压,补偿时间数十毫秒到数十秒。

 

余电补偿型DVR的优点是无需储能单元,系统配置成本低、维护成本低。补偿电压通过串联在敏感负载和电源之间的变压器绕组获得,补偿时对负载冲击风险小。其缺点是电压暂降补偿时从电网取余电,将导致前端电网的电流骤增。如果上级断路器、继电保护、变压器等设备余量不足可能导致设备损坏引起断电。

 

目前DVR的应急切换时间通常在5ms左右,电压补偿精度在5%左右,逊色于UPS。DVR通常用于防治电压暂降,不用于长时间停电保障。对负载供电回路而言,DVR应急保障供电属于并联后备式供电,间断运行。电网正常情况下DVR的供电效率>98%,相对UPS的串联供电方式,较为节能,维护保养相对简便,总体投资成本较低。对市电输入电压范围较宽的负载高精密设备,如果不需要长时间停电保障,可考虑用DVR替换UPS。

 

DVR电压暂降治理装置主要特性:

①响应速度快,典型响应时间为1ms;

②补偿时间灵活,典型补偿时间为3s,更多后备时间可根据客户需求定制;

③采用超级电容作为储能元件,充放电次数达100万次;

④设备冗余设计,可靠性高;

⑤可同时治理电压暂降、电压暂升、短时中断等问题;

⑥逆变器满功率设计,支持输入三相电压跌落100%;

⑦电压调整目标值可现场设定,出厂默认-15%~+15%;

⑧电子旁路工作状态下效率达99%以上,大幅减少电能损耗费用;

⑨免维护,免值守,节约人工成本。

 

(4) 直流支撑系统(DC-BANK)

 

DC-BANK主要用于防治变频器的电压暂降。变频器在半导体、化纤、石化、煤化等行业广泛的应用。通用的变频器为“交-直-交“的电路拓扑架构,交流电整流为直流母线电压,直流母线电压再逆变为交流电供给动力型负载,如化纤行业的增压泵、计量泵。变频器对电网电压暂降的抵抗力差,当发生电压暂降时,电网整流后的变频器直流母线电压低于变频器直流低压保护值,变频器低压保护。从电压跌落到变频器恢复正常运行,时间至少几十秒钟,此过程中电机将停止运行。

 

DC-BANK的电气拓扑原理图如图5所示。

图片4.png

电网正常时,市电直接供电到变频器市电输入端(图示路径1),同时通过DC-BANK充电器给储能单元充电。电压暂降时,储能单元通过直流变换器对变频器直流母线进行电压支撑,防治母线低压保护(图示路径2)。

 

对于变频器的输入电压暂降防治,首选DC-BANK,其真正后备式架构,可靠性高,成本低维护便捷。

 

4 总结

电网电压暂降是电力系统中最为普遍发生的事件,敏感工业用户对电压暂降进行防治尤为必要。上海求所生产的DVR电压暂降治理装置DC-BANK直流支撑系统产品可解决负荷侧电压暂降问题,敏感工业用户应综合当地电网质量、工厂配电、负载高精密设备电压暂降耐受能力等情况选择合适的防治设备,实现可靠性与经济性的出色性价比。