基于能量积木的电压暂降治理系统研究

摘要：电压暂降发生频繁、危害大，长期困扰着电力运营企业，本文提出一种基于能量积木的电压暂降治理系统，采用储能系统与储能变流器技术，能够有效应对应急供电、无闪断保电、不停电作业等场景需求。该系统相比传统设备，具有成本低、易维护、可靠性高等有点。

关键词：能量积木 电压暂降 储能系统

1. 研究背景

随着社会的发展和科学技术的进步，电力系统在源荷等多方面开始出现越来越多的新特征，比如分布式电源的广泛接入（尤其是风光等间歇性能源）、电力电子化设备的大规模应用。由此引发的电能质量问题越发严重，其中，电压暂降因发生广泛、致损严重，受到了广泛关注^[1]。大量以电力电子器件为基础的高端精密设备对电压暂降尤为敏感^[2]，电压暂降不仅会干扰设备的正常运行，而且当暂降幅值低于某一阈值时，甚至造成设备退出工作状态，导致生产中断或设备损坏，引发重大损失^[3]。

电压暂降带来的危害一直困扰着用户与电网运营企业。根据IBM公司的统计，48.5%的计算机数据丢失是由于电压不合格造成的。欧洲某电力部门的调查结果表明：在由电能质量引起的用户投诉中，由电压暂降引起的投诉占据80%以上。2010年，发展和改革委员会经济运行调节局发布的上海市电能质量问题导致的年损失超过1600万美元。2016年6月西安变电站的爆炸导致三星工厂电源电压暂降，部分带有敏感器件的设备停止工作，车间大面积设备停止运转，造成数亿元的经济损失^[4]。

在储能系统中，储能变流器不仅能承担调节吸收和释放电能的功能，而且能够对电能质量问题进行一定的治理，利用储能变流器治理电压暂降，在实际工业生产中具有很高的研究价值，本文基于储能变流器，结合锂电池系统，搭建能量积木，方便快捷的解决用户侧电压暂降问题。

2. 电压暂降治理研究

2.1. 电压暂降的定义

GB/T 30137-2013 《电能质量 电压暂降与短时中断》中，对电压暂降进行了明确的定义：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%，并在持续10ms~1min后恢复到正常范围的现象^[5]。国际电工委员会（IEC）在也提出了设备电压暂降耐受力测试标准，如表1和图2.1所示。

表1 电压暂降的定义

图2.1 电压暂降示意图

2.2. 电压暂降产生的原因

电压暂降因自身出现频率高、危害性大，而受到了国家有关部门和各行各业的重视与关注。根据电压暂降的产生方式，可将电压暂降的形成原因分为自然原因和非自然原因。

（1）自然原因

在电压暂降产生原因中自然原因所占比重很大，因为自然环境有很大的不确定性，这对电压暂降的预测和治理带来难度。常见的自然原因有雷击、台风等恶劣天气引起的线路短路故障，动物或者树木的枝杈触碰线路引起的线路故障，这些故障大部分会造成电力系统局部短路，故障点附近的电流增大，电压降低而引起电压暂降。短路时线路的等效电路如图2.2所示。

图2.2 线路短路等效电路

（2）非自然原因

自然原因多发生在输电线路上，而非自然原因多是归因与负荷的变化，像是大容量电机、敏感设备、变压器的投切都会对负载的电压造成波动；双路电源供电时，主电源和备用电源切换产生的瞬间失电；在电机启动过程中，电机转速到达额定值需要一定时间，在此期间电机会持续产生大电流，大电流引起电机接入点电压大幅下降，进而产生电压暂降。

2.3. 电压暂降的危害

电压暂降的危害主要体现在工业领域，像是半导体、汽车、石化行业的敏感设备受电压暂降影响最大，还有烟草、钢铁冶金、食品行业等产业受电压暂降影响也不小，带来的危害有：

（1）生产时间的损失，生产线停止后重新启动需要时间，重启设备造成电能消耗，以及工期延误。

（2）产品损失，生产车间突然停止工作，导致物料和产品的损坏，并且设备重启后产品质量降低，为此造成大量经济损失。

（3）设备损失，设备寿命因突然停止工作而损坏或者使用寿命缩短。

2.4. 电压暂降治理方法

根据电压暂降的产生原因，可将电压暂降的治理方法分为供给侧治理和用户侧治理。供给侧治理一方面可从减少产生电压暂降的自然灾害发生概率入手，定期对线路附近的环境进行检查，适当增加线路中避雷针、避雷线和绝缘子的数量，对工作人员加强培训，以减少自然或者人为失误造成的电压暂降现象；另一方面在传播路径上，通过对电网进行改造，加强电网保护机制，清理电压暂降的发生条件，改善电压暂降的危害程度。

用户侧治理的治理也可分为两方面，一方面是从根本入手，提高用电设备中元件的抗压能力和适应能力，另一方面是在具有敏感器件的设备前安装电压暂降治理设备。电压暂降治理设备从结构上分可分为储能型与非储能型。储能型治理设备通过储能介质释放能量可在一定范围内对电压暂降完全治理，在已有的储能设备中，储能电池技术成熟稳定，得到广泛的应用；非储能型方案需要利用电网跌落后的剩余电压，通过逆变和整流产生与暂降前幅值相位相同的交流电压，这种治理方法受剩余电压的影响较大，在电压暂降程度很严重的情况下治理效果不佳 。

3. 基于能量积木的电压暂降治理

3.1. 能量积木的组成

能量积木，顾名思义就是将储能系统模块化设计，根据电压暂降治理在容量、功率、电压、电流等参数特点，确定设计规模，并实现可移动功能，以便该系统在不同的时间段切换削峰填谷、电压暂降治理、需求侧响应等不同模式，可以用“可大可小可移动”予以总结。

能量积木的组成包含保温式集装箱（标准20尺集装箱）、锂电池系统、储能变流器（PCS）、空调、气体消防等，方便运输及部署如图3.1所示。

图3.1 能量积木的组成

3.2. 能量积木的电气架构

能量积木的电气架构如图3.2所示，具有如下特点：

电池保电时间≥30min，输出功率≤300kVA；IPS和储能用PCS均为300KW，DCDC采用400KW降容工作至300KW ；空调设置保障电池运行时环境温度为10℃ ~20℃运行；可选装充电堆，采用270KW配置，接受外部调度对接终端机充电使用，同时支持调度储能进行增容运行；所有运行数据均由工控机作为数据服务功能将数据传至云平台。

图3.2 能量积木的电气架构

3.3. 能量积木的技术原理

能量积木采用专门定制化优化的IPS，满足不同应用需求。能量积木可设计快速接口，用于保电/备电用途，输入接入电网，输出连接负载配电箱即可。结束保电任务后回站，接入输入电缆即可，无需再接负载，IPS充当PCS使用即可，同样可按受储能场站内EMS调度。如有双电源接入要求，在集装箱内加柜ATS柜即可。

图3.3 保电/备电、储能应用原理

当发生电网异常如电压暂降、停电等异常情况时，能量积木能够瞬时关闭电子旁路，电池系统通过逆变器为负载供电，切换时间小于2ms，为电力系统提供瞬时支撑，如图3.4所示。

图3.4 电压暂降时瞬时支撑

当市电恢复时，电子旁路恢复导通，IPS可进行无功补偿和谐波治理，并通过增强器对电池系统进行充电，切换时间几乎为0ms，如图3.5所示。

图3.5 市电恢复临时支撑

3.4. 能量积木的监控系统

能量积木基于物联网技术搭建了远程监控平台，通过本地数字配电终端采集的电流、电压、有功、无功等数据，对配网的电压降落、电压损耗、电压偏移、功率损耗、电能损耗、配网潮流、配网无功、短路电流等进行计算分析，实现本地的实时控制和数据监测。同时，通过4G/5G网络以及电力专网等，可将数据实时传送至远程物联管理平台，实现远程运维分析与优化控制，如图3.6所示。

图3.6 能量积木的远程监控系统

4. 应用与展望

能量积木能够有效地应用于用户侧的电压暂降治理，具有效率高、稳定性好、易于维护等优势，在重要电力保障、临时供电需求、不停电作业支撑等场景具有广泛的应用场景。相比于传统的柴油保电车、飞轮保电车、锂电保电车，能量积木使用成本低，可实现一机多用，集保电治理电压暂降、无功补偿、谐波补偿以及储能变流器为一体，大大减少了投资和维护费用，是电力运营商实现暂降治理、提供优质服务、提升电力营商环境的必由之路^[6]。

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参考文献

[1] 刘天马. 考虑综合经济损失和多维不确定性的电压暂降监测点优化配置方法[D]. 华南理工大学, 2021.

[2] 马凯. 基于快速开关的配电系统电压暂降治理策略研究[D]. 华北电力大学( 北京), 2020.

[3] 张世锋, 石道飞, 常毅宣, 张敏. 电压暂降监测点优化配置方法研究现状与展望[J]. 山西电力, 2022(02):1-6.

[4] 徐志毅. 储能变流器电压暂降控制策略研究[D]. 北方工业大学,2021.

[5] 王涛. 基于蓄电池储能的中压配网侧电压暂降治理研究[D]. 湖南大学, 2019.

[6] 肖先勇, 秦铄, 汪颖, 胡文曦, 陈韵竹. 考虑敏感设备中断概率的电网线路改造优质供电运营模式研究[J/OL]. 电网技术:1-11[2022-07-08].

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