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(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000）

焊網(wǎng)機(jī)具有工作頻率高、瞬間電流沖擊大、持續(xù)時(shí)間短、無(wú)功沖擊大、諧波大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)其動(dòng)態(tài)跟蹤速度慢，補(bǔ)償精度低，會(huì)導(dǎo)致過(guò)補(bǔ)償與欠補(bǔ)償?shù)那闆r。對(duì)于這種快速變動(dòng)的負(fù)荷，目前多采用靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generator---SVG）進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，SVG雖然性能好，但在對(duì)無(wú)功功率與諧波進(jìn)行共同治理時(shí)需要很大的容量，這就使得其性?xún)r(jià)比低。

本文將以安徽某鋼筋焊網(wǎng)生產(chǎn)線(xiàn)的系統(tǒng)為研究背景，通過(guò)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理技術(shù)的研究，綜合焊網(wǎng)機(jī)供電系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套針對(duì)鋼筋焊網(wǎng)機(jī)供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理裝置，并對(duì)補(bǔ)償方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 焊網(wǎng)機(jī)供電系統(tǒng)的特點(diǎn)

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

該廠(chǎng)采用GWC2800型鋼筋焊網(wǎng)機(jī)，這種焊網(wǎng)機(jī)采用機(jī)械壓制方式，使焊點(diǎn)均勻壓緊，保證焊接質(zhì)量。該焊網(wǎng)機(jī)在焊接時(shí)主要會(huì)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(jī)焊接時(shí)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(shí)，本文將以電壓型為例。電壓型SVG的通過(guò)連接電抗器將自換相逆變器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過(guò)控制裝置輸出電壓的幅值和相位來(lái)調(diào)節(jié)SVG發(fā)出或吸收目標(biāo)無(wú)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(hào)I來(lái)表示。由于連接電抗器與SVG本身會(huì)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(guò)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(wú)功的性質(zhì)和幅度。

圖1 SVG計(jì)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(cè)運(yùn)算電路，得到相應(yīng)的信號(hào)，然后將信號(hào)送至控制器，由控制器根據(jù)設(shè)定的控制策略處理信號(hào)并發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而控制開(kāi)關(guān)管輸出滿(mǎn)足要求的補(bǔ)償電流，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。濾波器投入時(shí)，必須先投低次濾波支路再投高次濾波支路，切除時(shí)先切高次濾波器再切低次濾波器，因此濾波器通常設(shè)計(jì)為固定投切，無(wú)需復(fù)雜的控制系統(tǒng)，且不影響SVG的正常工作。

4 各個(gè)補(bǔ)償裝置容量的選擇

該生產(chǎn)線(xiàn)供電系統(tǒng)由10kV單電源供電，經(jīng)由三臺(tái)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(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)。

無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算公式為：

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

考慮到焊網(wǎng)機(jī)焊接時(shí)間短，出現(xiàn)多臺(tái)焊網(wǎng)機(jī)同時(shí)焊接的可能性非常小，因此，在計(jì)算2#變壓器下負(fù)載無(wú)功補(bǔ)償容量時(shí)，僅考慮單臺(tái)焊網(wǎng)機(jī)工作的情況。

表2 實(shí)測(cè)焊網(wǎng)機(jī)焊接瞬間有功、無(wú)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(jī)焊接時(shí)的有功功率平均值為261.9kw，焊網(wǎng)機(jī)焊接瞬間功率因數(shù)平均值為0.493，補(bǔ)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(tái)焊網(wǎng)機(jī)）總功率為P=478kW，補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.8，補(bǔ)償后功率因數(shù)取0.95，同時(shí)系數(shù)K取0.85。由此可得：

最終計(jì)算出2#變壓器下負(fù)載所需的無(wú)功補(bǔ)償容量為：

5 實(shí)際應(yīng)用

通過(guò)實(shí)測(cè)，焊網(wǎng)機(jī)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(jī)系統(tǒng)焊接時(shí)的功率因數(shù)波動(dòng)劇烈，大部分在0.5左右波動(dòng)，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(jì)的3次，5次無(wú)源濾波裝置理論上可以有效地濾除諧波。由圖3所示，此時(shí)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(dòng)，這說(shuō)明動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)于這種沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)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(xiàn)

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)投入后焊網(wǎng)機(jī)系統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量，充分說(shuō)明了SVG+FC這種混合型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案應(yīng)用于鋼筋焊網(wǎng)機(jī)供電系統(tǒng)的可行性，具有良好補(bǔ)償效果的同時(shí)，降低設(shè)備投資的成本，是一種高性?xún)r(jià)比的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案。