SVG補償和FC濾波在鋼筋焊網(wǎng)機生產(chǎn)中的應(yīng)用

胡雪曼，沈 忱

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 工程研究院，安徽 馬鞍山 243000；2.馬鋼集團設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000）

焊網(wǎng)機具有工作頻率高、瞬間電流沖擊大、持續(xù)時間短、無功沖擊大、諧波大等特點，傳統(tǒng)的無功補償裝置對其動態(tài)跟蹤速度慢，補償精度低，會導(dǎo)致過補償與欠補償?shù)那闆r。對于這種快速變動的負(fù)荷，目前多采用靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator---SVG）進(jìn)行動態(tài)無功補償，SVG雖然性能好，但在對無功功率與諧波進(jìn)行共同治理時需要很大的容量，這就使得其性價比低。

本文將以安徽某鋼筋焊網(wǎng)生產(chǎn)線的系統(tǒng)為研究背景，通過對無功補償和諧波治理技術(shù)的研究，綜合焊網(wǎng)機供電系統(tǒng)實際負(fù)荷特點，設(shè)計一套針對鋼筋焊網(wǎng)機供電系統(tǒng)的無功補償和諧波治理裝置，并對補償方案的有效性進(jìn)行驗證分析。

1 焊網(wǎng)機供電系統(tǒng)的特點

該廠用電設(shè)備主要為焊網(wǎng)機、軋機、矯切機，供電系統(tǒng)由10kV單電源供電，經(jīng)由三臺配電變壓器分別降為0.4kV配電系統(tǒng)供電。

該廠采用GWC2800型鋼筋焊網(wǎng)機，這種焊網(wǎng)機采用機械壓制方式，使焊點均勻壓緊，保證焊接質(zhì)量。該焊網(wǎng)機在焊接時主要會產(chǎn)生3次，5次，7次諧波。其諧波含量如表1。

表1 GWC2800焊網(wǎng)機焊接時各次諧波含量表

2 SVG工作原理

SVG可分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路，由于電流型結(jié)構(gòu)效率不高，現(xiàn)階段多使用電壓型，在討論工作原理時，本文將以電壓型為例。電壓型SVG的通過連接電抗器將自換相逆變器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過控制裝置輸出電壓的幅值和相位來調(diào)節(jié)SVG發(fā)出或吸收目標(biāo)無功功率。其工作原理圖如圖1（a）所示，其中，電網(wǎng)電壓用US表示，SVG輸出的交流電壓用UI表示，電抗器L上的電壓用UL表示，系統(tǒng)電流用符號I來表示。由于連接電抗器與SVG本身會有一定的損耗，電壓和電流I˙之間仍舊差900，但是電網(wǎng)電壓和電流之差不是900，而是。該δ角即為電網(wǎng)電壓與SVG的交流側(cè)電壓之間的相位差。通過相位差與幅值的改變，即可改變輸出電流的相位與幅值，如此便控制了SVG吸收的無功的性質(zhì)和幅度。

圖1 SVG計及損耗原理圖

3 SVG+FC工作原理

SVG+FC基本工作原理就是經(jīng)由互感器將電網(wǎng)與SVG輸出的電壓電流傳送至檢測運算電路，得到相應(yīng)的信號，然后將信號送至控制器，由控制器根據(jù)設(shè)定的控制策略處理信號并發(fā)出驅(qū)動信號，從而控制開關(guān)管輸出滿足要求的補償電流，實現(xiàn)無功補償。濾波器投入時，必須先投低次濾波支路再投高次濾波支路，切除時先切高次濾波器再切低次濾波器，因此濾波器通常設(shè)計為固定投切，無需復(fù)雜的控制系統(tǒng)，且不影響SVG的正常工作。

4 各個補償裝置容量的選擇

該生產(chǎn)線供電系統(tǒng)由10kV單電源供電，經(jīng)由三臺配電變壓器分別降為0.4kV配電系統(tǒng)供電，其中1#變壓器容量為1250kVA，2#變壓器容量為1000kVA，3#變壓器容量為1000kVA。以2#變壓器為例，進(jìn)行混合型動態(tài)無功補償裝置的設(shè)計。

無功補償容量計算公式為：

式（3-1）中，Pc為最大有功計算負(fù)載（kW ）；K為同時工作系數(shù)；φ1為補償前的功率因數(shù)角；φ2為補償后的功率因數(shù)角，一般取0.95；

考慮到焊網(wǎng)機焊接時間短，出現(xiàn)多臺焊網(wǎng)機同時焊接的可能性非常小，因此，在計算2#變壓器下負(fù)載無功補償容量時，僅考慮單臺焊網(wǎng)機工作的情況。

表2 實測焊網(wǎng)機焊接瞬間有功、無功、視在功率與功率因數(shù)數(shù)值表

根據(jù)表2中可以看出焊網(wǎng)機焊接時的有功功率平均值為261.9kw，焊網(wǎng)機焊接瞬間功率因數(shù)平均值為0.493，補償后功率因數(shù)取0.95。由此可得：

2#變壓器下其他負(fù)載（除去3臺焊網(wǎng)機）總功率為P=478kW，補償前功率因數(shù)為0.8，補償后功率因數(shù)取0.95，同時系數(shù)K取0.85。由此可得：

最終計算出2#變壓器下負(fù)載所需的無功補償容量為：

5 實際應(yīng)用

通過實測，焊網(wǎng)機負(fù)載中主要含有3次諧波含量為18.5%，5次諧波含量為10%，7次諧波含量為3.5%。焊網(wǎng)機系統(tǒng)焊接時的功率因數(shù)波動劇烈，大部分在0.5左右波動，數(shù)值較低。

投入SVG+FC后，如圖2所示，可以從諧波頻譜圖明顯看到系統(tǒng)中已經(jīng)不存在3次，5次諧波，僅存在非常少量的7次諧波，總畸變率由21.27%下降至3.43% ，這表明本文所設(shè)計的3次，5次無源濾波裝置理論上可以有效地濾除諧波。由圖3所示，此時系統(tǒng)功率因數(shù)穩(wěn)定維持在0.98以上，僅存在非常小的波動，這說明動態(tài)無功補償裝置對于這種沖擊性負(fù)荷的補償效果良好。

圖2 投入后諧波電流頻譜圖

圖3 投入SVG+FC后功率因數(shù)曲線

6 結(jié)語

本文通過對投入后焊網(wǎng)機系統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)的測量，充分說明了SVG+FC這種混合型動態(tài)無功補償方案應(yīng)用于鋼筋焊網(wǎng)機供電系統(tǒng)的可行性，具有良好補償效果的同時，降低設(shè)備投資的成本，是一種高性價比的動態(tài)無功補償方案。