TSVG在汽車制造中的應用及節能效果驗證

作者簡介：曾鳴（1987—），男，本科，高級工程師，二級建造師，研究方向為能源和低碳政策和技術研究、智慧能源和節能工程應用等。

摘" 要：針對汽車制造業中大量采用的沖擊性、非線性負荷設備造成的諧波影響對企業的生產工作和設備使用帶來的巨大影響和經濟損失等問題，已有不少相關文章提出利用動態無功功率發生器（TSVG）來解決。為了進一步說明TSVG在汽車制造行業應用中能夠有效實現諧波治理，對某汽車企業選定的經過諧波治理后的沖壓車間C線的測試點進行了諧波測試，驗證了TSVG通過治理諧波獲得的節能效果。

關鍵詞：汽車制造業" "動態無功功率發生器" "治理諧波" "節能效果

中圖分類號：U466

Abstract： In response to the prolems of the significant impact and economic losses caused by the harmonic influence caused by the widely-used impact and nonlinear load equipment in the automobile manufacturing industry to the production and equipment use of enterprises， many related articles have proposed to use the dynamic reactive power generator TSVG to solve these problems. In order to further demonstrate that the TSVG can effectively achieve harmonic control in the automobile manufacturing industry， the harmonic test is conducted on the testing point of the C line of the stamping workshop selected by an automobile enterprise after harmonic control， and the obtained energy-saving effect of the TSVG through harnessing harmonics is verified.

Key Words： Automotive industry; Dynamic reactive power generator; Harnessing harmonic; Energy-saving effect

近年來，汽車制造業的快速發展帶動了全球能源消耗的劇增。為了應對日益嚴峻的能源挑戰，各國紛紛加強研究和應用節能技術，以降低汽車生產過程中的能耗。混合型無功補償裝置（TSVG）作為一種新興的節能裝置，由晶閘管投切濾波器（Thyristor Switch Filter， TSF）和靜止無功發生器（Static Var Generator， SVG）兩部分組成的，在汽車制造領域日益引起關注，并在實際應用中取得一定的成效。目前對于TSVG的應用技術已有一定的研究。馮建云[1]分析了軋機的工作特性，測試出軋機工作時的電能質量，并利用TSVG對軋機進行無功和諧波的綜合治理。郝連河[2]針對農村電網三相負荷不平衡和無功功率不足導致的諧波污染和低電壓等系列電能質量問題，提出了一種適用于400 V電壓等級供配電網的TSVG，結果發現三級聯調控制方法治理農村電網低電壓問題比傳統電壓無功控制方法的效果更加顯著。史奔等[3]研究學者對于新能源領域中高壓鏡頭無功發生裝置常見的故障率過高問題，通過理論拓撲分析和實際現場運行數據分析來進行研究，提出了一種解決方案，即采用TSVG智能功率模塊來提高SVG裝置的運行可靠性。通過實地應用的方式，驗證了該方案能夠顯著提升SVG裝置的運行可靠性，并降低SVG設備的故障率。

雖然不少文獻均體現出TSVG在節能和提高設備穩定性的優越性能，但TSVG在汽車行業上的應用的相關文獻卻較少。本文探討混合型無功補償裝置在汽車制造中的應用及其節能效果驗證。首先，對混合型無功補償裝置的原理、結構和工作方式進行介紹。隨后，重點討論混合型無功補償裝置在汽車制造過程中的具體應用領域，包括生產線穩定性、電能質量改善等方面的優勢。在這一基礎上，通過實證研究來驗證混合型無功補償裝置在汽車制造中的節能效果。與李濤等[4]學者在實驗室采用試驗系統驗證方法不同的是，本文采用采集和分析生產現場的實際數據，并與傳統生產模式進行對比的方法。白永超實際驗證了濾波補償能有效地降低系統的電能損耗、節省大量電費[5]，本文將評估混合型無功補償裝置在能源消耗、功率因數、電能損耗等方面的實際改善情況。

1TSVG（混合型無功補償裝置）的工作原理

從無功補償裝置的概念到最終投入運行，在工業生產中扮演著重要的角色。經歷了SVG到TSVG的過渡。目前，動態無功功率發生器通常采用基于可控硅（Silicon Controlled Rectifier， SCR）電容器投切技術，這些裝置都是無源設備。這種技術已經取得了良好的應用效果，并且在市場上得到了充分的發展和市場化。此外，從技術角度來看，這項技術也已經相當成熟[6-7]，并且能夠基于無源和有源濾波器組成特性優化的新型混合濾波器，具有開放性，可以通過安裝新的過濾單元方便地進行修改[8]。然而，需要注意的是，目前使用的這種TSVG依然存在缺點：受限于其投切方式，易發生為避免過度補償而出現欠補償的現象，顯著地影響補償效果和經濟性。

TSVG總體結構可以參考圖1。TSF存在無功功率調節響應速度慢和不連續的問題，不能滿足對電能質量要求較高的系統。該裝置利用TSF作為無源部分，用于對電容器組進行粗調控制；同時利用SVG作為有源補償部分，用于彌補電容器組切換時產生的級差。通過這種設計，TSVG實現了對大容量連續補償無功功率的能力，能夠完全補償整個系統的無功功率，不僅克服了傳統無功補償方法的不足，而且還能減少對有源補償的投資。

2汽車制造行業供配電系統電能質量的特點

在理想供配電系統中，電源是頻率為50 Hz（工頻）的正弦波，僅存在相位和幅值的差異，頻率一致，電機、電力電子器件、變頻器等非線性設備的應用產生了諧波，頻率為工頻的整數倍（也有工頻非整數倍的分量為間隙波），使電壓和電流的波形發生畸變，由標準正弦波變為非正弦波[9]。諧波主要是由諧波電流源產生，隨著科技的進步，電子電力得到了廣泛的應用，與此同時電子的普及使諧波污染愈加嚴重，造成故障與事故頻發，包括影響變壓器、旋轉電機、繼電保護、電力測量等 [10]。

汽車制造業在生產過程中廣泛使用電焊機、沖壓機、切割機、起重機、變頻器等沖擊性、非線性負荷。這些負荷產生的諧波問題具有變化速度快、幅度大的特點，非常難以處理。這些諧波問題會對企業的生產工作和設備使用造成巨大影響和經濟損失。具體表現為變頻器和整流器等設備產生的諧波會導致電氣設備附加諧波損耗，同時還會降低供電設備的工作效率，引起系統過電流和過電壓，增加變壓器的負擔，以及導致絕緣裝置老化等問題 [11]。

3TSVG適用于汽車制造行業

不同類型的諧波可能引起不同的危害。例如：將3次諧波加在中性線可能導致中性線嚴重過載，而高次諧波則容易與電容器產生共振，導致電容器燒毀。采用有源濾波器進行諧波控制可以消除電網中的諧波，保護車間內的沖壓設備、電焊設備等免受諧波危害。經朱琴華等學者研究證明，有源濾波器基本消除焊機產生的諧波電流，同時對諧波電壓也有較強的抑制作用[12]。為了進一步說明TSVG在汽車制造行業應用中能夠有效實現諧波治理，筆者對此進行了測試，下面章節將對測試結果進行詳細說明。

4通過實際檢測數據分析治理前后治理后的電能質量情況

本文對某汽車企業選定的經過諧波治理后的沖壓車間的測試點進行了諧波測試，測試工況為正常生產情況下連續測試。測試結果分為3個部分：電壓不平衡度、諧波電壓和諧波電流、功率因數。測試儀器和方法為采用電力分析儀進行48 h以上時間的在線連續監測。為了評估治理效果，此外附加治理前的電能質量情況。

4.1諧波電壓

諧波電壓的測試為對諧波電壓含有率參數進行測試，由表1可以看出，依據《電能質量 公用電網諧波》（GB/T 14549-1993），剔除生產線非工作時段記錄的數據后，實測電網正常供電時沖壓車間C1線正常運行狀態下，其5次諧波電壓含有率95%概率最大值分別為5.42%、6.40%、4.67%，超出奇次諧波電壓含有率為4.0%的允許值，其余各次諧波電壓含有率95%概率最大值均未超出標準允許值。對比治理前的5次諧波電壓含有率95%概率最大值分別為10.93%、13.56%、12.55%，分別降低了50%、53%、63%。對比治理前的7次諧波電壓含有率95%概率最大值，從不合格變成了合格。

4.2諧波電流

若測試點最小短路容量按基準容量10 MVA計算，則對比GB/T 14549-1993規定允許值的要求，匯總結果如表2所示。

通過測試點測試時間段內的總諧波電流畸變率記錄數據，得到該時間段內測試點三相的THDI電流總諧波畸變率的平均值分別為37.44%、36.84%、39.48%，三相中最大值為39.48%。治理前的三相的THDI電流總諧波畸變率的平均值分別為58.62%、49.37%、48.81%，三相中最大值為58.62%；對比治理前分別降低了原來的36%、25%、19%。

4.3功率因數

表3是功率因數測試結果匯總表，分析測試記錄數據，測試時間段內該測試點功率因數平均值為0.923 0，最大值為0.973 7，滿足GB/T 16664-1996要求。測試點功率因數（柱狀圖）和電流平均值（波形圖）的時間趨勢如圖2所示，圖3為治理前。可以發現，治理前的功率因數長時間出現負值，過補償現象嚴重；治理后的功率因數恢復正常。

5驗證TSVG通過治理諧波獲得的節能效果

在 35 kV 及以下的電網中，電網中的損耗一般只考慮線路和配電變壓器損耗[13]。供電線路線損是電網電力損耗的重要部分。諧波電流在配電網中流動會使電流有效值增加，從而引起附加的輸電損耗，構成電網電能損耗的一部分。

受測試前后數據限制，本節僅對諧波引起的供電線路損耗進行計算，內容如下。

依據相關文獻和理論，諧波電流引起的供電線路損耗增加率為：

通過觀察該汽車企業未投入諧波治理設備時C線測試點的諧波測試記錄，測試時間段內測試點三相的THDI電流總諧波畸變率的平均值分別為58.62%、49.37%、48.81%，三相最大值為58.62%。

比較兩次測試結果可知，在不考慮集膚效應時，投入諧波治理設備后因諧波電流引起的供電線路損耗增加率比未投入諧波治理設備時的減少量為：=-=0.58622-0.39482=18.78%。

6結語

本文對某汽車企業選定的經過諧波治理后的沖壓車間C線的測試點進行了諧波測試，并驗證了TSVG通過治理諧波獲得的節能效果。結果表明，TSVG能夠一定程度上減少諧波電壓、諧波電流、提高功率因數；此外，在不考慮集膚效應時，投入諧波治理設備后因諧波電流引起的供電線路損耗增加率比未投入諧波治理設備時減少了18.78%。

參考文獻

[1] 馮建云.TSVG在冶金軋機系統中的應用[J].電氣技術，2014（S1）：102-104.

[2] 郝連河. 農村電網低電壓綜合治理技術措施研究[D].淄博：山東理工大學，2018.

[3] 史奔，彭國平.TSVG智能功率模塊在新能源領域的應用[J].電氣技術，2014（S1）：72-74.

[4]李濤，魏慧慧，劉艷，等.低壓成套無功補償裝置抑制諧波或濾波功能驗證試驗研究[J].電氣傳動自動化，2023，45（5）：77-79，28.

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[13] 王菲.考慮電能質量擾動的配電網附加損耗計算與綜合評估方法研究[D].西安：西安理工大學，2023.