混合無功補償裝置在鋼筋焊網生產線中應用

李廣雨，陳樂柱，孔 旺，朱 坤

（安徽工業大學 工程研究院，安徽 馬鞍山 243002）

1 鋼筋焊網生產線現場工況

焊網機的生產線通常有焊網機、軋機和矯切機等設備構成。在焊網機工作時不僅會產生大量的諧波影響系統的穩定和生產線產品的生產，也會產生大量沖擊性無功使得系統的功率因數降低。安徽某鋼筋焊網生產線由10kV單電源供電，經三臺變壓器降壓為0.4kV配電系統供電，這里以容量為1250kVA的1#變壓器為例。生產線供電系統如下圖所示。

圖1 生產線供電系統圖

表1 變壓器1#負載

當一號焊網機工作時，一次焊接分為兩次點焊，每次點焊從電流波形上來區分可以分為前期和后期。如下圖所示，當一號焊網機工作時從電流波形上可以看出會產生大量諧波電流，通過對焊網機電源諧波含量計算數據可知，在焊接時，主要產生3次、5次、7次諧波。3次諧波含量在15.3%-18.6%范圍內，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次已經超出國家標準，需要進行治理。

由于傳統的無功補償裝置跟蹤速度較慢，補償精度低會導致系統過補償和欠補償等問題。綜合考慮該系統的實際情況，需要對該系統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 焊網機工作時電流波形圖

2 SVG+FC原理

靜止無功發生器（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與電網電壓差，通過電抗器向電網發出或者吸收無功，從而實現無功補償的目的。固定電容補償（FC）主要用于給系統提供容性無功功率補償和對系統中的諧波進行濾波。但是固定電容器補償裝置在系統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等效于與電網同頻率的電壓源。當系統的電壓超前電流次時系統呈感性，SVG發出容性無功以抵消系統的感性無功功率，反之，SVG發出感性無功抵消系統容性無功功率。SVG+FC等效原理圖如下所示：

圖3 SVG+FC系統等效原理圖

上圖中Us為電網電壓，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。根據電路圖有如下等式：

表2 投入SVG+FC后數據匯總

根據公式可得出以下結論：

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

（2）當UI＞US時，IL＜o，此時為超前電流，SVG發出無功功率，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吸收或發出無功功率，只要調節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；

φ1——為無功補償前的功率因數角；

φ2——為無功補償后的功率因數角。

由于每次焊接額時間很短，出現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下的無功補償。利用PQ-box-200電能質量測試儀在1#變壓器低壓側測出1號焊網機工作時瞬時數據（包括每個時刻有功功率、無功功率、功率因數等）處理后得出有功功率平均值為P=635.55kW,功率因數平均值為cos(φ1)=0.76。取同時工作系數K=0.9，按照功率因數補償到cos(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K=0.9，補償前功率因數cosφ1=0.8，補償后功率因數cosφ2=0.95,故有：

1#變壓器補償的總的無功Q為：

5 濾波支路容量計算

單調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，經計算取UCN=0.55kV；h為諧波次數，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發出系統中剩余的無功，又SVG的輸出容量要大于FC的補償容量（當系統中負荷減少或者無負荷時，FC還繼續發出容性無功使系統功率因素減小，這時就需要SVG發出感性無功補償系統多余容性無功提高系統功率因素），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、無功和功率因數圖像

根據以上基礎數據及數據曲線，可得出1#變壓器低壓側電能質量情況如下：

（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；

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

綜上所述，在焊網機系統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。