1. 研究背景

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電力系統(tǒng)在源荷等多方面開(kāi)始出現(xiàn)越來(lái)越多的新特征，比如分布式電源的廣泛接入（尤其是風(fēng)光等間歇性能源）、電力電子化設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用。由此引發(fā)的電能質(zhì)量問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，其中，電壓暫降因發(fā)生廣泛、致?lián)p嚴(yán)重，受到了廣泛關(guān)注^[1]。大量以電力電子器件為基礎(chǔ)的高端精密設(shè)備對(duì)電壓暫降尤為敏感^[2]，電壓暫降不僅會(huì)干擾設(shè)備的正常運(yùn)行，而且當(dāng)暫降幅值低于某一閾值時(shí)，甚至造成設(shè)備退出工作狀態(tài)，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷或設(shè)備損壞，引發(fā)重大損失^[3]。

電壓暫降帶來(lái)的危害一直困擾著用戶與電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)企業(yè)。根據(jù)IBM公司的統(tǒng)計(jì)，48.5%的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)丟失是由于電壓不合格造成的。歐洲某電力部門(mén)的調(diào)查結(jié)果表明：在由電能質(zhì)量引起的用戶投訴中，由電壓暫降引起的投訴占據(jù)80%以上。2010年，發(fā)展和改革委員會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)節(jié)局發(fā)布的上海市電能質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的年損失超過(guò)1600萬(wàn)美元。2016年6月西安變電站的爆炸導(dǎo)致三星工廠電源電壓暫降，部分帶有敏感器件的設(shè)備停止工作，車間大面積設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，造成數(shù)億元的經(jīng)濟(jì)損失^[4]。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，儲(chǔ)能變流器不僅能承擔(dān)調(diào)節(jié)吸收和釋放電能的功能，而且能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行一定的治理，利用儲(chǔ)能變流器治理電壓暫降，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中具有很高的研究?jī)r(jià)值，本文基于儲(chǔ)能變流器，結(jié)合鋰電池系統(tǒng)，搭建能量積木，方便快捷的解決用戶側(cè)電壓暫降問(wèn)題。

2. 電壓暫降治理研究

2.1. 電壓暫降的定義

GB/T 30137-2013 《電能質(zhì)量 電壓暫降與短時(shí)中斷》中，對(duì)電壓暫降進(jìn)行了明確的定義：電壓暫降是指電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓有效值暫時(shí)降低至額定電壓的10%~90%，并在持續(xù)10ms~1min后恢復(fù)到正常范圍的現(xiàn)象^[5]。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在也提出了設(shè)備電壓暫降耐受力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如表1和圖2.1所示。

表1 電壓暫降的定義

圖2.1 電壓暫降示意圖

2.2. 電壓暫降產(chǎn)生的原因

電壓暫降因自身出現(xiàn)頻率高、危害性大，而受到了國(guó)家有關(guān)部門(mén)和各行各業(yè)的重視與關(guān)注。根據(jù)電壓暫降的產(chǎn)生方式，可將電壓暫降的形成原因分為自然原因和非自然原因。

（1）自然原因

在電壓暫降產(chǎn)生原因中自然原因所占比重很大，因?yàn)樽匀画h(huán)境有很大的不確定性，這對(duì)電壓暫降的預(yù)測(cè)和治理帶來(lái)難度。常見(jiàn)的自然原因有雷擊、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣引起的線路短路故障，動(dòng)物或者樹(shù)木的枝杈觸碰線路引起的線路故障，這些故障大部分會(huì)造成電力系統(tǒng)局部短路，故障點(diǎn)附近的電流增大，電壓降低而引起電壓暫降。短路時(shí)線路的等效電路如圖2.2所示。

圖2.2 線路短路等效電路

（2）非自然原因

自然原因多發(fā)生在輸電線路上，而非自然原因多是歸因與負(fù)荷的變化，像是大容量電機(jī)、敏感設(shè)備、變壓器的投切都會(huì)對(duì)負(fù)載的電壓造成波動(dòng)；雙路電源供電時(shí)，主電源和備用電源切換產(chǎn)生的瞬間失電；在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)額定值需要一定時(shí)間，在此期間電機(jī)會(huì)持續(xù)產(chǎn)生大電流，大電流引起電機(jī)接入點(diǎn)電壓大幅下降，進(jìn)而產(chǎn)生電壓暫降。

2.3. 電壓暫降的危害

電壓暫降的危害主要體現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域，像是半導(dǎo)體、汽車、石化行業(yè)的敏感設(shè)備受電壓暫降影響最大，還有煙草、鋼鐵冶金、食品行業(yè)等產(chǎn)業(yè)受電壓暫降影響也不小，帶來(lái)的危害有：

（1）生產(chǎn)時(shí)間的損失，生產(chǎn)線停止后重新啟動(dòng)需要時(shí)間，重啟設(shè)備造成電能消耗，以及工期延誤。

（2）產(chǎn)品損失，生產(chǎn)車間突然停止工作，導(dǎo)致物料和產(chǎn)品的損壞，并且設(shè)備重啟后產(chǎn)品質(zhì)量降低，為此造成大量經(jīng)濟(jì)損失。

（3）設(shè)備損失，設(shè)備壽命因突然停止工作而損壞或者使用壽命縮短。

2.4. 電壓暫降治理方法

根據(jù)電壓暫降的產(chǎn)生原因，可將電壓暫降的治理方法分為供給側(cè)治理和用戶側(cè)治理。供給側(cè)治理一方面可從減少產(chǎn)生電壓暫降的自然災(zāi)害發(fā)生概率入手，定期對(duì)線路附近的環(huán)境進(jìn)行檢查，適當(dāng)增加線路中避雷針、避雷線和絕緣子的數(shù)量，對(duì)工作人員加強(qiáng)培訓(xùn)，以減少自然或者人為失誤造成的電壓暫降現(xiàn)象；另一方面在傳播路徑上，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行改造，加強(qiáng)電網(wǎng)保護(hù)機(jī)制，清理電壓暫降的發(fā)生條件，改善電壓暫降的危害程度。

用戶側(cè)治理的治理也可分為兩方面，一方面是從根本入手，提高用電設(shè)備中元件的抗壓能力和適應(yīng)能力，另一方面是在具有敏感器件的設(shè)備前安裝電壓暫降治理設(shè)備。電壓暫降治理設(shè)備從結(jié)構(gòu)上分可分為儲(chǔ)能型與非儲(chǔ)能型。儲(chǔ)能型治理設(shè)備通過(guò)儲(chǔ)能介質(zhì)釋放能量可在一定范圍內(nèi)對(duì)電壓暫降完全治理，在已有的儲(chǔ)能設(shè)備中，儲(chǔ)能電池技術(shù)成熟穩(wěn)定，得到廣泛的應(yīng)用；非儲(chǔ)能型方案需要利用電網(wǎng)跌落后的剩余電壓，通過(guò)逆變和整流產(chǎn)生與暫降前幅值相位相同的交流電壓，這種治理方法受剩余電壓的影響較大，在電壓暫降程度很嚴(yán)重的情況下治理效果不佳 。

3. 基于能量積木的電壓暫降治理

3.1. 能量積木的組成

能量積木，顧名思義就是將儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)電壓暫降治理在容量、功率、電壓、電流等參數(shù)特點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)規(guī)模，并實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)功能，以便該系統(tǒng)在不同的時(shí)間段切換削峰填谷、電壓暫降治理、需求側(cè)響應(yīng)等不同模式，可以用“可大可小可移動(dòng)”予以總結(jié)。

能量積木的組成包含保溫式集裝箱（標(biāo)準(zhǔn)20尺集裝箱）、鋰電池系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器（PCS）、空調(diào)、氣體消防等，方便運(yùn)輸及部署如圖3.1所示。

圖3.1 能量積木的組成

3.2. 能量積木的電氣架構(gòu)

能量積木的電氣架構(gòu)如圖3.2所示，具有如下特點(diǎn)：

電池保電時(shí)間≥30min，輸出功率≤300kVA；IPS和儲(chǔ)能用PCS均為300KW，DCDC采用400KW降容工作至300KW ；空調(diào)設(shè)置保障電池運(yùn)行時(shí)環(huán)境溫度為10℃ ~20℃運(yùn)行；可選裝充電堆，采用270KW配置，接受外部調(diào)度對(duì)接終端機(jī)充電使用，同時(shí)支持調(diào)度儲(chǔ)能進(jìn)行增容運(yùn)行；所有運(yùn)行數(shù)據(jù)均由工控機(jī)作為數(shù)據(jù)服務(wù)功能將數(shù)據(jù)傳至云平臺(tái)。

圖3.2 能量積木的電氣架構(gòu)

3.3. 能量積木的技術(shù)原理

能量積木采用專門(mén)定制化優(yōu)化的IPS，滿足不同應(yīng)用需求。能量積木可設(shè)計(jì)快速接口，用于保電/備電用途，輸入接入電網(wǎng)，輸出連接負(fù)載配電箱即可。結(jié)束保電任務(wù)后回站，接入輸入電纜即可，無(wú)需再接負(fù)載，IPS充當(dāng)PCS使用即可，同樣可按受儲(chǔ)能場(chǎng)站內(nèi)EMS調(diào)度。如有雙電源接入要求，在集裝箱內(nèi)加柜ATS柜即可。

圖3.3 保電/備電、儲(chǔ)能應(yīng)用原理

當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)異常如電壓暫降、停電等異常情況時(shí)，能量積木能夠瞬時(shí)關(guān)閉電子旁路，電池系統(tǒng)通過(guò)逆變器為負(fù)載供電，切換時(shí)間小于2ms，為電力系統(tǒng)提供瞬時(shí)支撐，如圖3.4所示。

圖3.4 電壓暫降時(shí)瞬時(shí)支撐

當(dāng)市電恢復(fù)時(shí)，電子旁路恢復(fù)導(dǎo)通，IPS可進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理，并通過(guò)增強(qiáng)器對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行充電，切換時(shí)間幾乎為0ms，如圖3.5所示。

圖3.5 市電恢復(fù)臨時(shí)支撐

3.4. 能量積木的監(jiān)控系統(tǒng)

能量積木基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)本地?cái)?shù)字配電終端采集的電流、電壓、有功、無(wú)功等數(shù)據(jù)，對(duì)配網(wǎng)的電壓降落、電壓損耗、電壓偏移、功率損耗、電能損耗、配網(wǎng)潮流、配網(wǎng)無(wú)功、短路電流等進(jìn)行計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)本地的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)以及電力專網(wǎng)等，可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至遠(yuǎn)程物聯(lián)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)維分析與優(yōu)化控制，如圖3.6所示。

圖3.6 能量積木的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

4. 應(yīng)用與展望

能量積木能夠有效地應(yīng)用于用戶側(cè)的電壓暫降治理，具有效率高、穩(wěn)定性好、易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，在重要電力保障、臨時(shí)供電需求、不停電作業(yè)支撐等場(chǎng)景具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。相比于傳統(tǒng)的柴油保電車、飛輪保電車、鋰電保電車，能量積木使用成本低，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，集保電治理電壓暫降、無(wú)功補(bǔ)償、諧波補(bǔ)償以及儲(chǔ)能變流器為一體，大大減少了投資和維護(hù)費(fèi)用，是電力運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)暫降治理、提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)、提升電力營(yíng)商環(huán)境的必由之路^[6]。

參考文獻(xiàn)

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