在IEEE标准中,电压跌落是指电压有效值下降到标称值的10%～90%,持续时间为10ms到1min的电压下降过程。现今普遍认为电压暂降是由系统内的短路故障、大型电动机设备投切、大型变压器空载励磁等引起的;电压跌落会导致敏感负荷发生故障、停运、损坏等种种问题,甚至会给用户带来巨大的经济损失。电力系统中不可避免的电压暂降事件与敏感设备之间的矛盾日益突出,使得电压暂降问题称为工业界及学术界蕞受关注和最亟待解决的电能质量问题。
UPS、DVR这两种电能质量解决装置在结构上都采用类似的大功率逆变器、数字化控制芯片、后备储能元件、旁路隔离系统等构成,但各自又有些不同点,这里列举两种装置在应用领域、工作模式、治理对象、储能器件以及方案配置上的差异性,为行业解决方案实际应用选型提供参考。
1 应用领域
图1为在线式UPS原理示意图。在线式UPS运行模式可分为正常运行模式、后备模式、旁路运行模式三种,以下是这三种运行模式的特点:
①正常运行模式:整流器设备将市电输入的交流电通过整流输出直流电至逆变器;逆变器将由整流器输出的直流电逆变之后输出交流电给到负载设备,保证设备正常工作。
②后备模式:UPS设备直接与直流系统相连,当市电异常时,直流系统马上输出直流电源至逆变器以替代中断的整流器输出电源。在输出的过程中,对负载电压无任何影响。
③旁路模式:旁路模式分备用旁路及维修旁路两种,备用旁路主要用于当逆变器处于不正常状况,如逆变器为过温、短路、输出电压异常或过载等,逆变器自动停止运行以防损坏;维修旁路是当UPS设备需要进行维护或维修时使用。用户可将UPS切换至维修旁路模式,以保证系统的不间断并保障维护维修人员的安全。
DVR动态电压恢复器是以整个电气系统安全着想而设计的电压暂降抑制装置,其主要功能是有效防止电压波动对负载的影响,适用保护整条生产线的正常工作,用于石油化工、半导体精密制造、汽车制造行业。图2为DVR工作原理示意图。动态电压恢复器可并联在系统供电线路和负荷之间。
DVR运行模式可分为电网电压供电模式、逆变供电模式两种,以下是这两种运行模式的特点:
①电网电压供电模式:当市电正常工作时,系统工作在电子旁路状态,交流电经电子旁路开关供给负载,此时逆变器备份,不进行负载供电;
②逆变供电模式:当市电发生异常时,超级电容等储能部件经逆变器输出交流电源,DVR在典型2ms内产生与跌落电压幅值相等、相位相同的完整电压,替换原有市电提供的电压值,而保证系统输出的连续性。
2 工作模式
当系统输入电压正常时,DVR工作在电子旁路状态,只有发生电压暂降的情况下进行补偿,因此DVR具有能耗小的显著特点。效率通常可达99%以上;UPS不间断电源在线工作,不论市电是否正常,它都一直由逆变器供电,即按照“市电输入、整流、逆变、输出”的顺序进行,不考虑蓄电池损耗的理想情况下,可达92%左右。以集成电路行业常用的800kVA的UPS设备及DVR设备为例,在十年生命周期内,电费按照0.8元/kWH计算,总计可节省电费278.7万元,若考虑直流储能部件更换费用的话,可节约307.2万元,具体对比分析,见表1。
3 治理对象
UPS的主要功能为短时不间断及改善电能质量,在不间断电源中,可以说蓄电池是UPS系统的后备时间支柱,没有电池的UPS只能称作稳压稳频(CVCF)电源,没有实际应用价值。在市电异常时,逆变器直接将蓄电池的化学能变成交流电能输送出去,使用电设备得以连续运行。通常在失去外部电源后,依赖配置不同容量的蓄电池,UPS还可以维持十几分钟至几十个小时的供电。UPS非常适合计算机重要数据备份及维持金融系统运行的场合。反观DVR设备,主要应用于大规模复杂生产线或其敏感系统环节保护的场合,是为了有效防止电压波动对负荷影响而诞生的一款设备,主要用于治理电压暂降、电压暂升及短时断电等电能质量问题，不间断能力较弱，通常只能维持秒级的后备使用。
4 储能器件
目前UPS电源中广泛使用的免维护密封铅酸蓄电池,存在实际维修成本较高,一般正常使用的UPS,其电池实际使用寿命在5年左右。除成本之外,电池作为储能元件还有如下几点需要考虑:
①需在适宜的环境温度中工作;影响蓄电池寿命的重要因素是环境温度，虽然温度的升高对电池放电能力有所提高，但付出的代价却是电池的寿命大大缩短。据试验检测，电池在20～25℃下工作为宜，超过25℃，每升高10℃，电池的寿命就要缩短一半。
②UPS电源中的浮充电压和放电电压,在出厂时均已设定为额定值,而放电电流的大小是随着负载的增大而增加的,使用中应合理调节负载,比如控制微机等电子设备的使用台数。一般情况下,负载不宜超过UPS额定负载的60%。在这个范围内,电池的放电电流不会出现过度放电。UPS因长期与市电相连,在供电质量高、很少发生市电停电的使用环境中,蓄电池会长期处于浮充电状态,日久就会导致电池化学能与电能相互转化的活性降低,加速老化而缩短使用寿命。因此,一般每隔2～3个月应完全放电一次,放电时间可根据蓄电池的容量和负载大小确定。一次全负荷放电完毕后,按规定再充电8h以上。
③目前大中型UPS电源配备的蓄电池数量,从3只到80只不等,甚至更多。这些单个的电池通过电路连接构成电池组,以满足UPS直流供电的需要。在UPS连续不断的运行使用中,因性能和质量上的差别,个别电池性能下降、储电容量达不到要求而损坏是难免的。当电池组中某只/某些电池出现损坏时,维护人员应当对每只电池进行检查测试,排除损坏的电池。更换新的电池时,应该力求购买同厂家同型号的电池,禁止防酸电池和密封电池、不同规格的电池混合使用。
在使用电池的作为储能元件之前,UPS曾经使用飞轮作为负载提供电能供应,这种不间断电源被称为飞轮式或旋转式不间断电源。飞轮式UPS由整流器、直流电动机、飞轮、柴油机(或汽油机)及发电机等组成。在电网供电的情况下,由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转,发电机同时为负载供电。可节省占地空间。随着锂电池技术的发展,现今也有不少UPS选择配置锂电池,锂电池相较铅酸蓄电池而言,在储能密度、设备重量、设备体积上,相较铅酸蓄电池而言,可以有一个大幅度的降低。并且在充放电次数及使用寿命上,也都有较大技术改变。表2为储能元件技术性能对比表。
DVR采用超级电容设备作为储能元件,摒弃了传统的电池元件。通过将超级电容设备中的直流电压逆变成特定的工频正弦交流电压并联注入系统线路的方式,快速对负载提供完整的电源供应,从而保障了系统可靠性。相较于铅酸蓄电池而言,超级电容有以下优点:
①充电速度快。充满其额定容量的95%以上仅需10s～10min;
②循环寿命长。品质优良的超级电容深度充放电循环可达100万次;
③能量转换效率高。大电流能量循环效率>90%;
④功率密度高。可达1000W/kg—50000W/kg,是蓄电池的10倍以上;
⑤原材料生产、使用、存储及拆解过程均无污染,是理想的绿色环保电源;安全系数高,长期使用免维护;
⑥高充放电效率。由于内阻很小,所以充放电损耗也很小,具有较高的充放电效率,可达90%以上。
⑦温度范围宽。达-40～+70℃。超级电容器电极材料的反应速率受温度影响不大;
⑧检测控制方便。剩余电量可通过公式E=CV2/2直接算出,只需要检测端电压就可以确定所储存的能量,荷电状态(SOC)的计算简单准确,因此易于能量管理与控制。
除以上不同点之外,UPS设备与DVR动态电压恢复器设备还有如下相同点:
①都具有逆变器、输出滤波装置,不考虑同种规格下器件参数选择的差别性,它们的工作电路主要结构是一样的。
②都可以配备静态旁路回路,并可选配手动维修旁路。主要作用在于设备主电路发生故障时,系统安全及维护维修人员安全。
③设计理念上,UPS与DVR都采用先进的高科技光纤、通讯、全数字化的计算机、人性化的操控设计及监控界面。
④都配备完善的保护功能。当过载、过压、欠压、频率异常时能自动保护装置本身(可进行从软件进行动作值设定)。
⑤都可配备输出、输入隔离变压器,满足工业应用的需求。
5 分级治理方案配置
现有的电压暂降治理措施大多基于电力电子技术,治理设备造价高、损耗大、可靠性差、容量受限等问题,难以适应电压等级多、用户容量大、用电设备多的现代工业园区电压暂降治理的需求。针对以上问题,国内已有不少研究学者提出一种基于固态切换开关的电压暂降分级治理方案。该方案按照电压等级、电压暂降等级、设备重要程度等级、设备电压耐受等级四个方面,对负载设备进行分级治理。对于低压侧而言,简单地将所有敏感负荷归集后,从工厂设备的角度来考虑,优先配置动态电压恢复器DVR设备,并合理的选用超级电容后备时间。对电压暂降极其敏感且需要一定后备时间的设备,优先选择集中式大功率UPS设备,并根据时间情况合理选用铅酸蓄电池、锂电池、飞轮等储能设备。
以中航太克动态电压恢复器AVR系列为例,在常规状态下,电网电压正常时,AVR仅工作在旁路模式,效率高达99%,大幅降低了运行损耗。此外,AVR采用世界知名的MAXWELL品牌超级电容作为短时储能元件,可以保用十年或充放电100万次,完全实现了生命周期免维护,大幅降低蓄电池的维护费用。同时,整套AVR占地面积相比同功率UPS降低60%以上,且无需专门的电池房。
图3和图4为动态电压恢复器部分波形测试图。
6 结束语
本文列举了UPS不间断电源设备与DVR动态电压恢复器设备异同点,阐述多种储能元件之间的性能对比。提出电压暂降治理需求的分级治理方案,不仅可以为现代工业园区的电压暂降治理工作提出可推广的标准配置,而且能有效促进电网侧和用户侧的分级治理、协同优化,具有技术标准优异、建设和运行维护成本较低、可靠性高、安全性高、实用性
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