如何应对短时间电压变动？

3.3.3.1 电压暂降（Sag）

持续时间在0.5个周期～1min之间，工频电压或电流的方均根值降落到标幺值的0.1～0.9pu之间的现象称为电压暂降。根据IEC定义，电压暂降通常用一对数据加以描述，即剩余电压（或暂降深度）与持续时间。这里，剩余电压指的是电压暂降发生期间任一相所测量得到的最低的方均根电压值，而深度则指的是标称电压和剩余电压之间的差，通常用标称电压的百分比来描述。电压暂降与停电有很大的不同，停电指的是设备与电源，主要指与电网完全断开。暂降则指的是在负荷仍然与电源相连的条件下电压突然跌落。与电压暂降相关的一个常用词就是电压幅值的变化，即所谓电压变化（Voltage Change），根据IEC定义，该变化通常是由接入电网的大负荷从供电网提取的有功和无功电流的变化在供电网阻抗上引起的电压降变化而引起的。此类负荷的接入和切除，或者其阻抗发生的变化均会导致负荷电流I出现较大的动态变化ΔI，并导致厂内接入点（IPC）或公共接入点（PCC）的电压发生较大的电压变化ΔU_c，如图3-34所示。

图3-34 负荷变化引起的电网电压变化

a）等效电路 b）相量图

电压暂降也能是由于大负荷的投入，如大容量电动机的起动和焊机的工作而引起。比如一个感应电动机在它起动时会引起6～10倍的满负荷电流。这个感性电流流经系统和变压器阻抗将引起电压的暂时暂降，如图3-35所示。

图3-35 电动机起动引起的相电压暂降

图3-36以电动机起动为例给出了接入点稳态和动态电压变化的曲线。

图3-36 稳态和动态电压变动

ΔU_c—稳态电压变动 ΔU_dyn—动态电压变动

根据图3-34，电压变动（Voltage Change）可以计算如下：

电流变动：ΔI=ΔI_p-jΔI_q （3-12）

电网阻抗：Z_L=R_L+jX_L （3-13）

对于单相和三相平衡负荷而言，动态电压降为

ΔU_dyn≈ΔI_pR_L+ΔI_qX_L （3-14）

接入点处实际的电压为 U_a=U₀-ΔU_c±ΔU_dyn

变动负荷的有功电流平均值和无功电流平均值的代数和所产生的压降称作稳态电压变动，记为ΔU_c，即

而动态电压变动ΔU_dyn则对应于最大的动态变化，表示为

ΔU_dyn=MAX_i(∣ΔI_pR_L+△I_qX_L∣_i) (3-16)

图3-37所示为向工厂供电的115kV母线的电压暂降的测量结果。可以看到，绝大多数电压暂降的剩余电压在70%以上，而剩余电压小于50%标称电压的比例为0^[15]。

图3-37 工业企业电压暂降的分布

电压暂降对于工业系统的可靠性而言是至关重要的，因为现代的工业系统中，大量应用的基于计算机和数字技术的电压敏感设备对于暂降十分敏感。美国的统计表明，电压跌落到标称值的85%～90%，持续时间为16ms（60Hz电源的一个周波）就可能引起敏感设备和工业过程的中断，即对于此类设备而言，电压中断和电压暂降两者的影响实际上是相似的。

3.3.3.2 电压暂升

电压暂升被定义为一个持续时间为0.5个周期～1min的工频电压或者电流方均根值超过标准允许范围的升高。电压暂升的幅值通常也用剩余电压来描述，典型的幅值在1.1～1.8pu之间。

电压暂升经常是与系统故障条件联系在一起，但是它比电压暂降出现的要少。系统单相对地短路故障可以在非故障相产生一个暂时性的电压暂升。在故障持续时间内的电压暂升的幅度是故障点、系统阻抗和负荷连接方式的函数。对三相不接地系统而言，非故障相的相电压在单相对地短路故障条件下可能达到1.73pu。而大负荷的切除或者大电容器组的投入也会引起电压暂升。图3-38a描述了由于单相短路故障引起的非故障相电压方均根值的变化，而图3-38b给出了单相接地故障引起的持续时间约为4个周期的20%的电压暂升曲线的细部图。

图3-38 单相对地短路故障引起的瞬时电压暂升

a）电压方均根值变化的百分数 b）电压暂升波形

电压暂升的影响同样可以用它们的方均根值（rms）和持续时间来描述。

过去常用的一个词组瞬时过电压（Momentary Overvoltage）可以看做是“电压暂升”的同义词。

3.3.3.3 短时间电压变化的对策

为了减少瞬时电压变化对设备的影响，在供电侧，首先需要对于在引起电压暂降故障中占很大比例的雷击现象采取对策。其次可以采取下述UPS等传统的电压调节设备来抑制电压变化。

1.不间断电源（UPS）(www.xing528.com)

由于UPS可以在供电中断时向负荷提供电能支撑，以及将负荷与供电系统隔离，所以可以为负荷提供稳定的电能供应和将电网电压扰动和偏差的影响降到最低。

一个典型的静止性在线式UPS如图3-39a所示，它由整流器/充电器、逆变器和电池构成。其中，电池作为紧急电源可以在供电电压低于一定值时向负荷提供电能。该UPS在电网电压正常供电时通过整流器对电池充电，同时将滤波器后的清洁电能提供给负荷，而在市电中断或出现扰动时，以蓄电池为电源继续向负荷提供不间断的高质量的电能。电池的容量决定了电网供电中断时负荷的持续工作时间，一般蓄电池可以独立供电的时间为10～30min。这种在线式UPS将电网与负荷完全隔离，所以不仅具有稳压和稳频的功能，还可以抑制电网电压的瞬变、暂升、暂降和波形失真，是一种十分有效的电压质量补偿装置。图a的主要优点是结构简单、价格便宜，而缺点是UPS一旦发生故障，则负荷将停电，同时效率较低。

图3-39 UPS的结构型式

a）在线式双变换UPS电源 b）备用式双变换UPS电源 c）单变换式UPS电源

图3-39b所示为后备式结构，在电网电压正常或UPS发生故障时，输出电压就是输入电网的电压，而UPS主要任务是为电池充电，处于备用状态。当电网电压异常时，转换开关将UPS投入运行，此时逆变器将电池的电能转换为交流供给负荷。这种结构由于UPS处于备用状态时，电网电压通过转换开关直接供给负荷，所以不能控制供电的电能质量。对于敏感负荷和供电电压质量较差的地方，如果接入UPS的目的是提高电能质量，则上述UPS处于备用状态的形式实际上是不应采用的。此外，如大多数电力电子装置一样，通常静止式UPS过负荷能力较小，比如1h电流过负荷能力125%，而能耐受150%过电流的时间仅为10s，所以容量的选择首先考虑的是其承受的浪涌电流。出于经济性的考虑，实践中往往并不要求其承受短路电流或浪涌电流的冲击，而常常可以采用静态开关，当负荷电流过大时，将负荷转换为由市电电源供电，来限制UPS本身所承受的浪涌电流。由于采用在线式结构，整流器、逆变器均为连续工作，器件长期处于负荷状态，需采用冗余设计以提高可靠性。此外，由于采用整流和逆变两级变换功率损耗大、效率低（大体在86%～90%）。

为了进一步提高UPS对电能质量控制的要求，如果单台UPS不能满足需要时可以采用冗余的结构，即将两台同规格的单机UPS接成热备用或并联连接的形式^[16]。随着电力电子技术的发展和电能质量要求的提高，提高UPS输入侧的功率因数和输出功率水平成为制造商和用户关注的焦点。目前，双变换UPS的前端变流器由传统的晶闸管相控整流改为采用高频SPWM调制，降低了装置对供电系统的影响。

在选择UPS时，首先需要考虑的是负荷的类型和特性，通常可以将此类负荷分为三类，即不能耐受持续电压中断的、不能耐受超过一定范围的频率或电压变动的和不能耐受超过一定范围的谐波失真的。实际中，可以根据负荷的特性选择性价比最优的方案；比如第一类负荷采用后备式结构，就可以达到满意的效果。其次需要考虑的是UPS通过电池维持的时间。其他考虑的因素包括负荷的电压质量，由于UPS输出阻抗远高于电网的阻抗，所以负荷引起的谐波失真可能降低供电的电能质量；而UPS中逆变器采用的调制方法和结构会导致输出电压波形存在一定的失真。

2.铁磁谐振调压器（Ferroresonant Voltage Regulator）

铁磁谐振调压器是一种由非线性电抗与电容耦合而成、谐振于相对稳定的频率的装置，用于在输入电压大幅度变化条件下维持输出电压基本稳定。它包括串联铁磁谐振调压器、串并联铁磁谐振调压器（电气连接）、铁磁谐振变压器调压器（磁耦合）和可控铁磁谐振调压器四类^[17]。

基本的串联和串并联谐振调压器如图3-40所示，图a由一个非线性电抗器L₁和一个电容C组成串联谐振回路，图b则由一个线性电抗器L₂与一个由非线性电抗器L₁和电容C构成的并联谐振回路串联而成。

图3-40 铁磁谐振调压器

a）串联式 b）串并联式

作为其变形，铁磁谐振变压器-恒压变压器（Constant Voltage Transformer，CVT）由一个工作于饱和区的1：1铁心变压器和一个由变压器电抗和电容构成的谐振回路组成。因此输入电压在20%～40%范围内变化，对输出电压不会产生明显的影响。但也由于工作在饱和区，所以所能控制的负荷的功率较小，并且变压器的容量应当远大于负荷的容量。该装置可以有效地衰减浪涌和噪声，所以被广泛用于解决用户侧的许多电压暂降问题，特别是应用于小功率负荷的电压暂降抑制。但对于具有大的浪涌电流的设备而言，则可能产生谐振问题，导致性能下降。图3-41所示的装置通过引入一个中和绕组可以有效地滤除奇次谐波，从而减少输出电压的谐波含量^[14]。

图3-41 CVT的典型电路

如定义负荷容量与变压器容量之比为负荷率，则该类设备的最大负荷率为90%，图3-42给出了其典型的负荷率和电压暂降的补偿能力的关系，可以看到，当负荷率为25%时，可以补偿的电压暂降达30%；随着CVT负荷率的上升，其对电压暂降的补偿能力下降。而当变压器过负荷（如负荷率150%）时，变压器输出电压会发生崩溃。实践证明，该类设备可以有效地提高负荷对电压暂降的耐受能力，所以得到了广泛的应用。

图3-42 CVT负荷率与可以补偿的输入电压之间的关系

所谓磁合成器（Magnetic Synthesizers）是一种与CVT工作原理相似的设备，它包括6个处于饱和状态的脉冲变压器，相应的非线性电抗和电容构成并联谐振回路，通过将饱和变压器生成的脉冲电压组成阶梯波作为输出波形。该电路工作于基频谐振，从而对谐波和噪声产生抑制作用；当输入电压在标称电压的±50%的范围中变化时，可以将输出电压的变化限制在10%以内。如果采用三相对称结构时，可以进一步提高三相电压暂降的支持能力和对三相负荷的调节性能。特别是其固有的限流能力可以将额定电压时的电流限制在额定值的150%～200%以内。但由于此类装置在负荷突变时可能会引起输出电压幅度和频率的瞬变，所以最好不用于负荷会发生阶跃变化的场合。

可以通过在电抗或变压器中引入开关器件对其进行控制，图3-43所示为一个所谓磁耦合谐振调压器（MCTR）的主电路，它由一次、二次谐波和谐振四个绕组和线性与MCTR两个磁分路组成。MCTR磁分路的主要功能是增加二次绕组的漏抗，从而消除奇次谐波和减少输出电压的失真，同时抑制负荷产生的浪涌电流。而线性磁分路用来提高装置的过负荷能力。电路中可以通过开关器件控制直流偏置电压，进而控制铁心的饱和程度，就可以达到控制输出电压的目的。

磁性调节器是一种低价静止补偿器，由于此类设备没有移动和有源部件，所以可靠性非常高，正常运行情况下，几乎不需任何维护，这是其一个明显的优点。此外，其谐振回路中存储的能量使其可以在故障点距离输入侧较远的情况下耐受半周期以上的停电。但由于采用磁性元件，故较之常规的线性变压器，其体积和重量均较大，而效率较低，并且还会产生较大的音频噪声。

图3-43 MCTR原理图

上述电压侧短时间电压变化的对策主要是尽力提高供电的可靠性。负荷侧的对策则大体分为下述三类：

1）如果发生短时电压变化时，负荷仍然可以在不损害其原来功能的情况下继续运行。典型的事例是采用开关电源的设备，如笔记本电脑等双电源供电的数字设备，可以自动由交流供电切换到电池供电状态而继续工作。

2）电压发生短时变化时，负荷自动安全停机，而在电源恢复后，手动或自动启动。比如家用电器中电饭锅、洗衣机等，如果失控会对人体造成伤害的设备，通常均装有掉电保护，需手工复位才能运行。而风扇、水泵等电动机传动设备，往往采用电压恢复后自动恢复运行的控制方式。

3）除了上述硬件防护手段外，利用软件可以将电压变化发生的时刻，以及对用户的影响进行评估，并对可能造成损害的设备发出警告或停机。比如医疗设备中图形记录仪，可能因电压的跌落而发生误动，以致造成误诊断。

表3-6给出了各种电压调节设备的性能和以UPS+柴油发电机的价格作为基准的价格比较。

表3-6 电压调节设备的性能比较

注：X—具有保护功能；SP—具有专门的补偿滤波器；C—共模噪声；A—具有调节设备或功能；P—仅具有短时间调节功能。

①常规电压控制器表示阶跃响应速度为10～12个周期的调压器，如自耦变压器；而高速电压控制器指利用功率半导体器件如晶闸管等实现有载调压的设备，其响应速度可达1个电源周期。对此类设备将在后续章节中加以介绍。

②静态转换则指利用晶闸管实现的双电源静态转换系统，同样将在后续章节中加以说明。

③电动机-发电机组主要用于采用400Hz电源供电的大型计算中心，以维持供电电压稳定。