在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中,電壓跌落是指電壓有效值下降到標(biāo)稱值的10%～90%,持續(xù)時間為10ms到1min的電壓下降過程?，F(xiàn)今普遍認(rèn)為電壓暫降是由系統(tǒng)內(nèi)的短路故障、大型電動機(jī)設(shè)備投切、大型變壓器空載勵磁等引起的;電壓跌落會導(dǎo)致敏感負(fù)荷發(fā)生故障、停運(yùn)、損壞等種種問題,甚至?xí)o用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。電力系統(tǒng)中不可避免的電壓暫降事件與敏感設(shè)備之間的矛盾日益突出,使得電壓暫降問題稱為工業(yè)界及學(xué)術(shù)界蕞受關(guān)注和亟待解決的電能質(zhì)量問題。
　　
　　UPS、DVR這兩種電能質(zhì)量解決裝置在結(jié)構(gòu)上都采用類似的大功率逆變器、數(shù)字化控制芯片、后備儲能元件、旁路隔離系統(tǒng)等構(gòu)成,但各自又有些不同點,這里列舉兩種裝置在應(yīng)用領(lǐng)域、工作模式、治理對象、儲能器件以及方案配置上的差異性,為行業(yè)解決方案實際應(yīng)用選型提供參考。
　　
　　1 應(yīng)用領(lǐng)域
　　
　　圖1為在線式UPS原理示意圖。在線式UPS運(yùn)行模式可分為正常運(yùn)行模式、后備模式、旁路運(yùn)行模式三種,以下是這三種運(yùn)行模式的特點:
　　
　?、僬＿\(yùn)行模式:整流器設(shè)備將市電輸入的交流電通過整流輸出直流電至逆變器;逆變器將由整流器輸出的直流電逆變之后輸出交流電給到負(fù)載設(shè)備,保證設(shè)備正常工作。
　　
　?、诤髠淠Ｊ?UPS設(shè)備直接與直流系統(tǒng)相連,當(dāng)市電異常時,直流系統(tǒng)馬上輸出直流電源至逆變器以替代中斷的整流器輸出電源。在輸出的過程中,對負(fù)載電壓無任何影響。
　　
　　③旁路模式:旁路模式分備用旁路及維修旁路兩種,備用旁路主要用于當(dāng)逆變器處于不正常狀況,如逆變器為過溫、短路、輸出電壓異?；蜻^載等,逆變器自動停止運(yùn)行以防損壞;維修旁路是當(dāng)UPS設(shè)備需要進(jìn)行維護(hù)或維修時使用。用戶可將UPS切換至維修旁路模式,以保證系統(tǒng)的不間斷并保障維護(hù)維修人員的安全。
　　
　　DVR動態(tài)電壓恢復(fù)器是以整個電氣系統(tǒng)安全著想而設(shè)計的電壓暫降抑制裝置,其主要功能是有效防止電壓波動對負(fù)載的影響,適用保護(hù)整條生產(chǎn)線的正常工作,用于石油化工、半導(dǎo)體精密制造、汽車制造行業(yè)。圖2為DVR工作原理示意圖。動態(tài)電壓恢復(fù)器可并聯(lián)在系統(tǒng)供電線路和負(fù)荷之間。
　　
　　DVR運(yùn)行模式可分為電網(wǎng)電壓供電模式、逆變供電模式兩種,以下是這兩種運(yùn)行模式的特點:
　　
　　①電網(wǎng)電壓供電模式:當(dāng)市電正常工作時,系統(tǒng)工作在電子旁路狀態(tài),交流電經(jīng)電子旁路開關(guān)供給負(fù)載,此時逆變器備份,不進(jìn)行負(fù)載供電;
　　
　?、谀孀児╇娔Ｊ?當(dāng)市電發(fā)生異常時,超級電容等儲能部件經(jīng)逆變器輸出交流電源,DVR在典型2ms內(nèi)產(chǎn)生與跌落電壓幅值相等、相位相同的完整電壓,替換原有市電提供的電壓值,而保證系統(tǒng)輸出的連續(xù)性。
　　
　　2 工作模式
　　
　　當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓正常時,DVR工作在電子旁路狀態(tài),只有發(fā)生電壓暫降的情況下進(jìn)行補(bǔ)償,因此DVR具有能耗小的顯著特點。效率通常可達(dá)99%以上;UPS不間斷電源在線工作,不論市電是否正常,它都一直由逆變器供電,即按照“市電輸入、整流、逆變、輸出”的順序進(jìn)行,不考慮蓄電池?fù)p耗的理想情況下,可達(dá)92%左右。以集成電路行業(yè)常用的800kVA的UPS設(shè)備及DVR設(shè)備為例,在十年生命周期內(nèi),電費(fèi)按照0.8元/kWH計算,總計可節(jié)省電費(fèi)278.7萬元,若考慮直流儲能部件更換費(fèi)用的話,可節(jié)約307.2萬元,具體對比分析,見表1。
　　
　　3 治理對象
　　
　　UPS的主要功能為短時不間斷及改善電能質(zhì)量,在不間斷電源中,可以說蓄電池是UPS系統(tǒng)的后備時間支柱,沒有電池的UPS只能稱作穩(wěn)壓穩(wěn)頻(CVCF)電源,沒有實際應(yīng)用價值。在市電異常時,逆變器直接將蓄電池的化學(xué)能變成交流電能輸送出去,使用電設(shè)備得以連續(xù)運(yùn)行。通常在失去外部電源后,依賴配置不同容量的蓄電池,UPS還可以維持十幾分鐘至幾十個小時的供電。UPS非常適合計算機(jī)重要數(shù)據(jù)備份及維持金融系統(tǒng)運(yùn)行的場合。反觀DVR設(shè)備,主要應(yīng)用于大規(guī)模復(fù)雜生產(chǎn)線或其敏感系統(tǒng)環(huán)節(jié)保護(hù)的場合,是為了有效防止電壓波動對負(fù)荷影響而誕生的一款設(shè)備,主要用于治理電壓暫降、電壓暫升及短時斷電等電能質(zhì)量問題，不間斷能力較弱，通常只能維持秒級的后備使用。
　　
　　4 儲能器件
　　
　　目前UPS電源中廣泛使用的免維護(hù)密封鉛酸蓄電池,存在實際維修成本較高,一般正常使用的UPS,其電池實際使用壽命在5年左右。除成本之外,電池作為儲能元件還有如下幾點需要考慮:
　　
　?、傩柙谶m宜的環(huán)境溫度中工作;影響蓄電池壽命的重要因素是環(huán)境溫度，雖然溫度的升高對電池放電能力有所提高，但付出的代價卻是電池的壽命大大縮短。據(jù)試驗檢測，電池在20～25℃下工作為宜，超過25℃，每升高10℃，電池的壽命就要縮短一半。
　　
　?、赨PS電源中的浮充電壓和放電電壓,在出廠時均已設(shè)定為額定值,而放電電流的大小是隨著負(fù)載的增大而增加的,使用中應(yīng)合理調(diào)節(jié)負(fù)載,比如控制微機(jī)等電子設(shè)備的使用臺數(shù)。一般情況下,負(fù)載不宜超過UPS額定負(fù)載的60%。在這個范圍內(nèi),電池的放電電流不會出現(xiàn)過度放電。UPS因長期與市電相連,在供電質(zhì)量高、很少發(fā)生市電停電的使用環(huán)境中,蓄電池會長期處于浮充電狀態(tài),日久就會導(dǎo)致電池化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的活性降低,加速老化而縮短使用壽命。因此,一般每隔2～3個月應(yīng)*放電一次,放電時間可根據(jù)蓄電池的容量和負(fù)載大小確定。一次全負(fù)荷放電完畢后,按規(guī)定再充電8h以上。
　　
　　③目前大中型UPS電源配備的蓄電池數(shù)量,從3只到80只不等,甚至更多。這些單個的電池通過電路連接構(gòu)成電池組,以滿足UPS直流供電的需要。在UPS連續(xù)不斷的運(yùn)行使用中,因性能和質(zhì)量上的差別,個別電池性能下降、儲電容量達(dá)不到要求而損壞是難免的。當(dāng)電池組中某只/某些電池出現(xiàn)損壞時,維護(hù)人員應(yīng)當(dāng)對每只電池進(jìn)行檢查測試,排除損壞的電池。更換新的電池時,應(yīng)該力求購買同廠家同型號的電池,禁止防酸電池和密封電池、不同規(guī)格的電池混合使用。
　　
　　在使用電池的作為儲能元件之前,UPS曾經(jīng)使用飛輪作為負(fù)載提供電能供應(yīng),這種不間斷電源被稱為飛輪式或旋轉(zhuǎn)式不間斷電源。飛輪式UPS由整流器、直流電動機(jī)、飛輪、柴油機(jī)(或汽油機(jī))及發(fā)電機(jī)等組成。在電網(wǎng)供電的情況下,由整流器提供的直流電驅(qū)動電動機(jī)帶動飛輪旋轉(zhuǎn),發(fā)電機(jī)同時為負(fù)載供電。可節(jié)省占地空間。隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)今也有不少UPS選擇配置鋰電池,鋰電池相較鉛酸蓄電池而言,在儲能密度、設(shè)備重量、設(shè)備體積上,相較鉛酸蓄電池而言,可以有一個大幅度的降低。并且在充放電次數(shù)及使用壽命上,也都有較大技術(shù)改變。表2為儲能元件技術(shù)性能對比表。
　　
　　DVR采用超級電容設(shè)備作為儲能元件,摒棄了傳統(tǒng)的電池元件。通過將超級電容設(shè)備中的直流電壓逆變成特定的工頻正弦交流電壓并聯(lián)注入系統(tǒng)線路的方式,快速對負(fù)載提供完整的電源供應(yīng),從而保障了系統(tǒng)可靠性。相較于鉛酸蓄電池而言,超級電容有以下優(yōu)點:
　　
　?、俪潆娝俣瓤?。充滿其額定容量的95%以上僅需10s～10min;
　　
　?、谘h(huán)壽命長。品質(zhì)優(yōu)良的超級電容深度充放電循環(huán)可達(dá)100萬次;
　　
　?、勰芰哭D(zhuǎn)換效率高。大電流能量循環(huán)效率>90%;
　　
　?、芄β拭芏雀摺？蛇_(dá)1000W/kg—50000W/kg,是蓄電池的10倍以上;
　　
　　⑤原材料生產(chǎn)、使用、存儲及拆解過程均無污染,是理想的綠色環(huán)保電源;安全系數(shù)高,長期使用免維護(hù);
　　
　?、薷叱浞烹娦?。由于內(nèi)阻很小,所以充放電損耗也很小,具有較高的充放電效率,可達(dá)90%以上。
　　
　?、邷囟确秶鷮?。達(dá)-40～+70℃。超級電容器電極材料的反應(yīng)速率受溫度影響不大;
　　
　?、鄼z測控制方便。剩余電量可通過公式E=CV2/2直接算出,只需要檢測端電壓就可以確定所儲存的能量,荷電狀態(tài)(SOC)的計算簡單準(zhǔn)確,因此易于能量管理與控制。
　　
　　除以上不同點之外,UPS設(shè)備與DVR動態(tài)電壓恢復(fù)器設(shè)備還有如下相同點:
　　
　?、俣季哂心孀兤?、輸出濾波裝置,不考慮同種規(guī)格下器件參數(shù)選擇的差別性,它們的工作電路主要結(jié)構(gòu)是一樣的。
　　
　?、诙伎梢耘鋫潇o態(tài)旁路回路,并可選配手動維修旁路。主要作用在于設(shè)備主電路發(fā)生故障時,系統(tǒng)安全及維護(hù)維修人員安全。
　　
　?、墼O(shè)計理念上,UPS與DVR都采用*的高科技光纖、通訊、全數(shù)字化的計算機(jī)、人性化的操控設(shè)計及監(jiān)控界面。
　　
　?、芏寂鋫渫晟频谋Ｗo(hù)功能。當(dāng)過載、過壓、欠壓、頻率異常時能自動保護(hù)裝置本身(可進(jìn)行從軟件進(jìn)行動作值設(shè)定)。
　　
　?、荻伎膳鋫漭敵觥⑤斎敫綦x變壓器,滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。
　　
　　5 分級治理方案配置
　　
　　現(xiàn)有的電壓暫降治理措施大多基于電力電子技術(shù),治理設(shè)備造價高、損耗大、可靠性差、容量受限等問題,難以適應(yīng)電壓等級多、用戶容量大、用電設(shè)備多的現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)電壓暫降治理的需求。針對以上問題,國內(nèi)已有不少研究學(xué)者提出一種基于固態(tài)切換開關(guān)的電壓暫降分級治理方案。該方案按照電壓等級、電壓暫降等級、設(shè)備重要程度等級、設(shè)備電壓耐受等級四個方面,對負(fù)載設(shè)備進(jìn)行分級治理。對于低壓側(cè)而言,簡單地將所有敏感負(fù)荷歸集后,從工廠設(shè)備的角度來考慮,優(yōu)先配置動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR設(shè)備,并合理的選用超級電容后備時間。對電壓暫降極其敏感且需要一定后備時間的設(shè)備,優(yōu)先選擇集中式大功率UPS設(shè)備,并根據(jù)時間情況合理選用鉛酸蓄電池、鋰電池、飛輪等儲能設(shè)備。
　　
　　以中航太克動態(tài)電壓恢復(fù)器AVR系列為例,在常規(guī)狀態(tài)下,電網(wǎng)電壓正常時,AVR僅工作在旁路模式,效率高達(dá)99%,大幅降低了運(yùn)行損耗。此外,AVR采用世界的MAXWELL品牌超級電容作為短時儲能元件,可以保用十年或充放電100萬次,*實現(xiàn)了生命周期免維護(hù),大幅降低蓄電池的維護(hù)費(fèi)用。同時,整套AVR占地面積相比同功率UPS降低60%以上,且無需專門的電池房。
　　
　　圖3和圖4為動態(tài)電壓恢復(fù)器部分波形測試圖。
　　

　　6 結(jié)束語
　　
　　本文列舉了UPS不間斷電源設(shè)備與DVR動態(tài)電壓恢復(fù)器設(shè)備異同點,闡述多種儲能元件之間的性能對比。提出電壓暫降治理需求的分級治理方案,不僅可以為現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)的電壓暫降治理工作提出可推廣的標(biāo)準(zhǔn)配置,而且能有效促進(jìn)電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的分級治理、協(xié)同優(yōu)化,具有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)異、建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本較低、可靠性高、安全性高、實用性