混合無功補償裝置在鋼筋焊網(wǎng)生產(chǎn)線中應用

李廣雨，陳樂柱，孔 旺，朱 坤

（安徽工業(yè)大學 工程研究院，安徽 馬鞍山 243002）

1 鋼筋焊網(wǎng)生產(chǎn)線現(xiàn)場工況

焊網(wǎng)機的生產(chǎn)線通常有焊網(wǎng)機、軋機和矯切機等設(shè)備構(gòu)成。在焊網(wǎng)機工作時不僅會產(chǎn)生大量的諧波影響系統(tǒng)的穩(wěn)定和生產(chǎn)線產(chǎn)品的生產(chǎn)，也會產(chǎn)生大量沖擊性無功使得系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。安徽某鋼筋焊網(wǎng)生產(chǎn)線由10kV單電源供電，經(jīng)三臺變壓器降壓為0.4kV配電系統(tǒng)供電，這里以容量為1250kVA的1#變壓器為例。生產(chǎn)線供電系統(tǒng)如下圖所示。

圖1 生產(chǎn)線供電系統(tǒng)圖

表1 變壓器1#負載

當一號焊網(wǎng)機工作時，一次焊接分為兩次點焊，每次點焊從電流波形上來區(qū)分可以分為前期和后期。如下圖所示，當一號焊網(wǎng)機工作時從電流波形上可以看出會產(chǎn)生大量諧波電流，通過對焊網(wǎng)機電源諧波含量計算數(shù)據(jù)可知，在焊接時，主要產(chǎn)生3次、5次、7次諧波。3次諧波含量在15.3%-18.6%范圍內(nèi)，5次諧波含量在6.2%-8.5%之間，7次諧波含量在2.3%-3.4%之間。這里可以看出3次與5次已經(jīng)超出國家標準，需要進行治理。

由于傳統(tǒng)的無功補償裝置跟蹤速度較慢，補償精度低會導致系統(tǒng)過補償和欠補償?shù)葐栴}。綜合考慮該系統(tǒng)的實際情況，需要對該系統(tǒng)同時進行無功補償和諧波治理，故本文采用SVG+FC混合型無功補償方案。

圖2 焊網(wǎng)機工作時電流波形圖

2 SVG+FC原理

靜止無功發(fā)生器（SVG）通過IGBT去控制H橋單元輸出電壓的相位和幅值，由此間接改變直流側(cè)與電網(wǎng)電壓差，通過電抗器向電網(wǎng)發(fā)出或者吸收無功，從而實現(xiàn)無功補償?shù)哪康?。固定電容補償（FC）主要用于給系統(tǒng)提供容性無功功率補償和對系統(tǒng)中的諧波進行濾波。但是固定電容器補償裝置在系統(tǒng)空載或者輕載時會形成欠補償和過補償，故采用SVG跟蹤負載無功功率的變化，實時改變輸出補償無功的大小，同時進行對FC電容器的投切。

3 SVG+FC等效模型

在混合無功補償裝置（SVG+FC）中，SVG等效于與電網(wǎng)同頻率的電壓源。當系統(tǒng)的電壓超前電流次時系統(tǒng)呈感性，SVG發(fā)出容性無功以抵消系統(tǒng)的感性無功功率，反之，SVG發(fā)出感性無功抵消系統(tǒng)容性無功功率。SVG+FC等效原理圖如下所示：

圖3 SVG+FC系統(tǒng)等效原理圖

上圖中Us為電網(wǎng)電壓，UI為SVG輸出電壓，L是連接電感，C為濾波電容器，Lf為電抗器。根據(jù)電路圖有如下等式：

表2 投入SVG+FC后數(shù)據(jù)匯總

根據(jù)公式可得出以下結(jié)論：

（1）當UI=US時，IL=o，此時為空載運行模式，SVG既不吸收也不發(fā)出無功；

（2）當UI＞US時，IL＜o，此時為超前電流，SVG發(fā)出無功功率，處于容性運行模式；

（3）當UI＜US時，IL＞o，此時為滯后電流，SVG吸收無功功率，處于感性運行模式。

通過以上分析可以得出，若要控制SVG吸收或發(fā)出無功功率，只要調(diào)節(jié)SVG輸出電壓即可。

4 補償裝置的容量確定

無功補償容量計算公式為：

式中， P ——有功功率（kW）；

K ——同時工作系數(shù)；

φ1——為無功補償前的功率因數(shù)角；

φ2——為無功補償后的功率因數(shù)角。

由于每次焊接額時間很短，出現(xiàn)多臺焊接機共同工作的概率很小，故這里我們只討論只有一臺焊接機工作狀態(tài)下的無功補償。利用PQ-box-200電能質(zhì)量測試儀在1#變壓器低壓側(cè)測出1號焊網(wǎng)機工作時瞬時數(shù)據(jù)（包括每個時刻有功功率、無功功率、功率因數(shù)等）處理后得出有功功率平均值為P=635.55kW,功率因數(shù)平均值為cos(φ1)=0.76。取同時工作系數(shù)K=0.9，按照功率因數(shù)補償?shù)絚os(φ2)=0.95進行計算有：

1#變壓器下其他負載（9臺矯切機和15臺行車）總功率為P=532.5kW,取同時工作系數(shù)K=0.9，補償前功率因數(shù)cosφ1=0.8，補償后功率因數(shù)cosφ2=0.95,故有：

1#變壓器補償?shù)目偟臒o功Q為：

5 濾波支路容量計算

單調(diào)諧濾波支路電容器最小容量計算公式如下所示：

其中：UCN為電容器額定電壓，經(jīng)計算取UCN=0.55kV；h為諧波次數(shù)，Ih為h次諧波電流有效值；U1m為母線最高運行電壓（母線額定電壓的1.1倍）。

對于3次濾波支路：I3=140A；UCN=0.55kV；U1m=1.1×0.38=0.418kV。根據(jù)式，計算得QC3=153.35kVar。

對于5次濾波支路：I5=104A；UCN=0.55kV；U1m=1.1×0.38=0.418kV。根據(jù)式，計算得QC5=86.3kVar。

故取3次諧波支路無功補償容量為167kVar；5次諧波支路無功補償容量為96kVar，則FC總的補償容量為263kVar，因此SVG發(fā)出系統(tǒng)中剩余的無功，又SVG的輸出容量要大于FC的補償容量（當系統(tǒng)中負荷減少或者無負荷時，F(xiàn)C還繼續(xù)發(fā)出容性無功使系統(tǒng)功率因素減小，這時就需要SVG發(fā)出感性無功補償系統(tǒng)多余容性無功提高系統(tǒng)功率因素），最終將SVG的容量確定為±400kVar。

6 投入SVG+FC后效果分析

圖4 投入SVG+FC后有功、無功和功率因數(shù)圖像

根據(jù)以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)曲線，可得出1#變壓器低壓側(cè)電能質(zhì)量情況如下：

（1）電壓波動幅度為6%小于7%的國家標準，電壓總畸變率為3.98%，小于國家標準5%；

（2）諧波電流I3=23.95A，I5=38.23A，I7=27.92A，I11=8.65A，都在國家標準允許范圍內(nèi)；

（3）功率因數(shù)隨負荷變化，有小幅波動，平均功率因數(shù)均保持在 0.952 左右。

綜上所述，在焊網(wǎng)機系統(tǒng)加裝混合無功補償裝置（SVG+FC）對于沖擊性負荷補償效果非常顯著。