四、电压暂降治理技术与应用

电压暂降的治理问题本质上是供电电压暂降水平与用电设备电压暂降耐受能力的兼容性问题。电压暂降的产生与危害不仅与自然现象、电网结构有关，还与用户侧敏感设备的电压暂降耐受能力有关，所以电压暂降的治理需要供电侧、用户侧和设备制造商共同努力，减少电压暂降次数，减轻电压暂降的严重程度，降低设备对电压暂降的敏感度。因此，电压暂降治理技术一般可分为三类，具体分类方法如图6所示。

1.电压暂降治理技术

（1）供电侧治理技术

供电侧电压暂降治理措施根据电压暂降的起因和传播途径可分为两类。第一类从电压暂降形成条件进行防治，通过减少短路故障的发生次数，减少故障清除时间，降低电压暂降的危害程度。例如：供电侧可通过规范和完善树木修剪政策、增加避雷器、定期维护绝缘子等方式减少短路故障的发生次数，从而有效降低电压暂降问题的严重性。一些重要负荷处一般会设置保护装置，电压暂降通常伴随着保护装置的动作而清除，因此可以认为电压暂降持续时间与保护设备的动作时间密切相关。通过缩短保护设备动作时间，使其能够快速动作，减少故障清除时间，可在一定程度上缓解电压暂降带来的危害。

另一类根据电压暂降的传播途径进行防治，对电网拓扑进行合理规划，采用固态开关、故障限流器、固态断路器等设备对电网进行改造，电压暂降的幅值和持续时间都可得到一定程度的改善。超导限流器的发展为电压暂降的治理提供了新思路，参考文献[28]研究了电网中不同位置接入超导限流器对电压暂降治理的影响，证明合理选择超导限流器的安装位置、限流阻抗值和失超电流值可以有效抑制电压暂降。有学者提出了一种基于柔性直流技术的电压暂降治理方案，该方案将柔性直流输电整流侧连接电网，逆变侧连接敏感负荷，当电网侧发生电压故障时，由于柔性直流输电系统具有直流环节，电网侧故障不会直接影响负荷侧，逆变侧可以通过控制策略维持逆变器电压在一段时间内保持不变，从而缓解电压暂降。该方案能够很好地解决由于邻路短路故障引起的电压暂降，但无法解决自身线路发生故障导致的电压暂降。

（2）用户侧治理技术

在供电系统与用电设备的接口处安装电压暂降治理设备是用户侧最常用的治理方案。适当选择电压暂降治理设备不仅可以解决电压暂降问题，还能在一定程度上消除谐波，治理三相不平衡，补偿无功功率，全面提高电能质量。电压暂降治理设备通常为基于电力电子技术的定制电力设备，包括动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer）、配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）、固态切换开关（Solid State Transfer Switch，SSTS）等。近几年，随着储能技术的发展，一些结合储能单元和电力电子开关器件的电压暂降治理新设备也陆续出现并在一定场合得到应用。某公司将高速电力电子开关与储能单元相结合，推出了一款高效、快速、可靠的多功能电压暂降补偿装置（MPC）。该设备能在2ms内从市电供电切换至储能单元供电，并通过配置大容量储能单元应对长达10min的电压暂降甚至短时中断。

（3）设备制造商治理技术

提高设备对电压暂降的耐受力是治理电压暂降、提高电能质量最有效的解决方法。由于设计和制造出对电压暂降有更强耐受能力的设备是可行的，因此在设备的设计阶段就可以考虑电压暂降和短时中断的影响。参考文献[29]提出了9种嵌入式的方案来提高敏感设备的耐受能力，通过在设备设计中使用更具鲁棒性或改进过的部件而不需要任何额外的功率调节装置。但敏感设备耐受能力提升的手段和应用范围有限，并且用户侧一般只能针对大型工业设备提出特定的电压耐受水平要求，在大多数情况下，用户侧与制造商没有直接联系。虽然提高用电设备的电压暂降耐受能力是解决电压暂降的最有效方法，但就目前的状况和水平来看，提高设备的电压暂降耐受能力还有一定的局限性。还有学者提出了电压暂降治理的基本原则，其中之一是越靠近负载就地解决问题成本越低。最佳方法是设备制造商提高设备抗电压暂降能力，但提高设备的电压暂降耐受能力存在局限性，而且已经在使用的敏感负荷也无法通过技术手段提高其电压暂降的耐受能力。故对于用户侧已经在使用的敏感负荷，安装电压暂降治理设备是最有效的电压暂降治理措施。

2.电压暂降治理设备

（1）设备分类方法

电压暂降治理设备可以按照供电电源数量分为单供电电源和双供电电源电压暂降治理设备。其中，双供电电源电压暂降治理设备根据供电电源类型又可以分为双交流和交直流混合供电电压暂降治理设备。单供电电源电压暂降治理设备是指敏感负荷仅由单一电源供电的设备，该单一电源一般为交流电网，分类方法如图7所示。单供电电源电压暂降治理设备在电压暂降发生时，通过转换供电电源提供的电能来完成电压暂降的治理，设备自身不具备备用供电能力。双供电电源电压暂降治理设备的敏感负荷可由两个供电电源进行供电。在电压暂降发生时，该类设备可以切换供电回路，给敏感负荷提供不间断供电能力。

单供电电源电压暂降治理设备由于仅由电网供电，在电压暂降发生时转换供电电源提供的电能来完成电压暂降的治理，故该类设备治理深度浅，一般只能治理50%以内的电压暂降。双供电电源电压暂降治理设备由于自带备用电源，所以能够深度补偿电压暂降，甚至短时电压中断。单供电电源电压暂降治理设备的典型代表为某动态电压调节器（AVC）和串并联型DVR。双交流供电电源电压暂降治理设备的代表有基于机械开关以及基于SSTS的双回路供电设备。交直流混合供电电源电压暂降治理设备的代表有UPS、含储能环节的串联型DVR、MPC等。

（2）电压暂降治理设备

1）单供电电源电压暂降治理设备。

AVC是单电源电压暂降治理设备的典型代表。AVC主要由逆变器、整流器、旁路开关、注入变压器以及控制单元构成。AVC串联在供电电源与受保护负载之间，持续监测供电电源电压，一旦发现供电电压偏离额定电压水平，AVC会通过逆变器和注入变压器迅速注入一个适当的补偿电压，如图8所示。由于没有储能元件，AVC一般只能补偿单相跌至40%和三相跌至60%额定电压的暂降范围。参考文献[30]提出了一种不需要储能设备的相间交流-交流拓扑结构，该方案相对于传统AVC的优点在于用于补偿发生暂降相电压的能量不是来自于受影响的相而是来自于其他两相。由于单相短路在短路故障中所占比例最高，所以该方案可以满足大多数由于短路故障引起的电压暂降。经过仿真验证，该方案能够补偿0~100%的单相电压暂降及50%以内的三相电压暂降。

2）双供电电源电压暂降治理设备。

双供电电源电压暂降治理设备分为双交流供电电源电压暂降治理设备和交直流混合双供电电源电压暂降治理设备。

①SSTS。基于SSTS与基于机械切换开关的电压暂降设备是双交流供电电源电压暂降治理设备的典型代表。基于晶闸管投切控制的SSTS能快速地将敏感负荷由故障常用电源切换至备用电源，并在故障恢复时将负荷切换回常用电源，如图9所示，常用电源与备用电源需为两套独立的供电回路。该设备治理效果与快速开关的切换速度有关，且当常用电源发生电压暂降时，由于电压暂降的传播特性，邻路的备用电源也会发生电压暂降，故该设备对电压暂降治理存在一定局限性。因此SSTS可通过与其他电压暂降治理设备结合的方式治理深度电压暂降，目前存在一种基于电压跌落等级划分与时序配合的DVR与SSTS协调控制方法，实现了不同电压等级下DVR和SSTS的协调动作，在一定程度上提高了SSTS在电压暂降治理中的泛用性。该方法根据敏感负荷耐受电压能力及DVR的补偿深度将电压跌落等级划分为两个等级。以SSTS作为主控设备，DVR作为从控设备，通过SSTS和DVR的配合完成电压暂降的治理。该方法结合DVR和SSTS各自的优点，不仅能够治理电压暂降，还能够治理短时中断，但缺点是无法治理浅度电压暂降。

②UPS。交直流混合双供电电源电压暂降治理设备包括UPS、串联型DVR、MPC等。UPS通常用于为单台计算机、计算机网络、数据中心、医疗、工业等领域提供优质电力保障。按照逆变器接入方式，UPS可分为后备式、在线互动式、在线式、双逆变电压补偿在线式；按照输出形式可分为交流UPS和直流UPS。

后备式UPS在市电正常工作时，市电直接经交流旁路和转换开关向负载供电，逆变器不工作。当电压暂降发生时，转换开关动作，储能单元经逆变器向负载供电。后备式UPS的电能质量较差，只能用于保护对电能质量要求不高的敏感设备。与后备式UPS不同的是，在线互动式UPS只有一个能量双向流动的变换器，在市电正常时，市电经交流旁路向负载供电的同时，通过变换器向储能单元充电，当电压暂降发生时，转换开关切换至储能单元，储能单元经过变换器向负载供电。在线式UPS一般使用两级式变换结构，当市电正常时，交流电经整流器转换成直流电，再由逆变器转换成交流电向负载供电，与此同时向储能单元充电。当电压暂降发生时，输入由市电切换为储能单元供电，如图10所示。双逆变电压补偿在线式UPS将交流稳压的电压补偿原理应用于UPS中，当输入市电正常时，两组逆变器只对UPS输入和输出之间的电压差值进行补偿和调整，因此逆变器承担的输出功率小，一般最大只为输出功率的20%。双逆变电压补偿在线式UPS在电网污染、输出限制、并机功能、过载能力和可靠性等方面具有很高的品质。以一种基于飞轮储能的直流UPS为例，该方案的拓扑结构由三相不控整流桥、双向变流器、永磁同步电机和飞轮转子组成，如图11所示。当市电正常时，由市电供电，市电经三相不控整流桥整流成直流电，向直流负载供电。同时，直流电经过双向变流器逆变后转换为交流电驱动飞轮电机。当电压暂降发生时，飞轮电机减速放电，维持直流母线电压恒定，对敏感直流负荷进行保护。

③DVR。自从1996年美国某公司安装了世界上第一台DVR后，DVR的研究与应用得到了迅速发展。按照装置与配电网的连接方式，DVR可分为串联型DVR、串并联型DVR及无串联变压器的串并联型DVR，如图12所示。按照所提分类方法，仅有串联型DVR能够被归类为双供电电源电压暂降治理设备，其余两类的原理类似于AVC，故在此不再对另外两类进行赘述。串联型DVR的治理效果与电压暂降特征量检测方法、补偿策略、储能装置有关。较为常用的是一种基于变换检测法的改进算法，该算法能够在保证检测快速性的同时限制噪声和谐波，改善DVR的治理效果。常见的补偿策略有相位补偿策略、暂降前电压补偿策略、能量优化补偿策略以及综合补偿策略。对于串联型DVR，可使用直流电容器、蓄电池、超级电容、超导储能装置及飞轮储能作为储能装置。以一种基于飞轮储能的DVR为例，该方案使得DVR结合了飞轮储能的特点，减少了DVR的有功输出，延长了补偿时间。

④其他治理装置。近年来，一些新型交直流混合双供电电源电压暂降治理设备不断相继问世以面对更高性能要求的电压暂降应用场景。日本某公司提出了MPC，该设备由高速电力电子开关IGBT、逆变装置、储能单元组成，如图13所示。

正常运行时，高速开关处于闭合状态，由市电给敏感负荷供电，储能单元处于恒压浮充状态，设备能耗较低；当检测到电压暂降时，高速开关快速断开，并由储能系统为敏感负荷可靠供电。该设备能在2ms内从市电供电切换至储能单元供电，并且通过配置大容量储能单元可以应对长达10min的电压暂降甚至短时电压中断。该公司的MPC设备能够覆盖3.3~10kV的电压范围，并可直接用于中压回路，避免在低压用户侧使用多台低压设备。除了能够治理电压暂降，MPC还可与双路电源或发电机灵活联动，辅助双电源切换，从而治理短时中断。瑞士某公司提出了基于隔离阻抗静态变换器（ZISC）的电压暂降治理装置，如图14所示。

该治理装置由高性能功率转换器和耦合隔离线路电抗器构成，通过隔离线路电抗器与公共电网分离，功率转换器连续地调节和消除诸如谐波和电压不平衡的电力干扰，当电压暂降发生时，该设备能够快速切换至储能系统供电，从而有效治理电压暂降。

除了以上列举的电压暂降治理设备，还有诸如统一电能质量控制器、静止无功补偿器、D-STATCOM等。这些设备都可按照所提分类方法进行分类，此处不再逐一赘述。

3.电压暂降治理技术所面临的挑战

目前电压暂降治理研究的挑战主要体现在技术和经济两个方面。技术方面、设备性能与应用范围、多种治理手段的组合、治理方案的个性化定制是现有暂降治理技术主要面临的挑战。

（1）技术方面

1）现有的单一治理手段在技术性能、应用范围及制造成本上仍值得完善。有必要对现有各种电压暂降治理技术持续改进，并尽可能降低其成本。

2）多种治理技术的合理组合、治理设备协调运行可有效提升治理效果。多种治理手段的组合是未来电压暂降治理值得探索的方向，但也是电压暂降治理研究的难点之一。

3）由于不同设备耐受能力不同，实际电网的电压暂降特性不同，电压暂降治理方案无法普遍适用，因此合理量化用户治理需求，进行电压暂降治理技术的个性化定制也是电压暂降治理的一大挑战。

（2）经济方面

1）第一大挑战即为电压暂降治理的技术经济分析，该问题涉及供电电压暂降水平评估、设备电压暂降耐受能力、治理方案技术性能、电压暂降经济性损失评估等多方面。当中存在众多不确定性及难以量化的参数，因此如何准确合理评估电压暂降治理方案的经济性，为电压暂降治理投资提供指导，则是电压暂降治理研究的一大难点。

2）电压暂降治理的相关利益主体包括供电方、用电方及设备制造商，由于电压暂降发生的不确定性，设备耐受能力的随机性以及相关标准规范的欠缺，如何在相关利益主体之间公平公正地进行电压暂降治理的责任划分、投资成本分担及收益划分等，也是电压暂降治理广泛推广应用需解决的关键问题之一。 3pL6TyhFV17wOAnK9G7s2AXl2rQRXSsjMBk3VNvvKxjrBSUrGLVVbifJo1iHy+Sl