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(shù)研究、智慧能源和節(jié)能工程應(yīng)用等。

摘" 要：針對汽車制造業(yè)中大量采用的沖擊性、非線性負(fù)荷設(shè)備造成的諧波影響對企業(yè)的生產(chǎn)工作和設(shè)備使用帶來的巨大影響和經(jīng)濟(jì)損失等問題，已有不少相關(guān)文章提出利用動態(tài)無功功率發(fā)生器（TSVG）來解決。為了進(jìn)一步說明TSVG在汽車制造行業(yè)應(yīng)用中能夠有效實現(xiàn)諧波治理，對某汽車企業(yè)選定的經(jīng)過諧波治理后的沖壓車間C線的測試點進(jìn)行了諧波測試，驗證了TSVG通過治理諧波獲得的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：汽車制造業(yè)" "動態(tài)無功功率發(fā)生器" "治理諧波" "節(jié)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(yè)的快速發(fā)展帶動了全球能源消耗的劇增。為了應(yīng)對日益嚴(yán)峻的能源挑戰(zhàn)，各國紛紛加強(qiáng)研究和應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，以降低汽車生產(chǎn)過程中的能耗?；旌闲蜔o功補(bǔ)償裝置（TSVG）作為一種新興的節(jié)能裝置，由晶閘管投切濾波器（Thyristor Switch Filter， TSF）和靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator， SVG）兩部分組成的，在汽車制造領(lǐng)域日益引起關(guān)注，并在實際應(yīng)用中取得一定的成效。目前對于TSVG的應(yīng)用技術(shù)已有一定的研究。馮建云[1]分析了軋機(jī)的工作特性，測試出軋機(jī)工作時的電能質(zhì)量，并利用TSVG對軋機(jī)進(jìn)行無功和諧波的綜合治理。郝連河[2]針對農(nóng)村電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡和無功功率不足導(dǎo)致的諧波污染和低電壓等系列電能質(zhì)量問題，提出了一種適用于400 V電壓等級供配電網(wǎng)的TSVG，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三級聯(lián)調(diào)控制方法治理農(nóng)村電網(wǎng)低電壓問題比傳統(tǒng)電壓無功控制方法的效果更加顯著。史奔等[3]研究學(xué)者對于新能源領(lǐng)域中高壓鏡頭無功發(fā)生裝置常見的故障率過高問題，通過理論拓?fù)浞治龊蛯嶋H現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)分析來進(jìn)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(yīng)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(shè)備的故障率。

雖然不少文獻(xiàn)均體現(xiàn)出TSVG在節(jié)能和提高設(shè)備穩(wěn)定性的優(yōu)越性能，但TSVG在汽車行業(yè)上的應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)卻較少。本文探討混合型無功補(bǔ)償裝置在汽車制造中的應(yīng)用及其節(jié)能效果驗證。首先，對混合型無功補(bǔ)償裝置的原理、結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行介紹。隨后，重點討論混合型無功補(bǔ)償裝置在汽車制造過程中的具體應(yīng)用領(lǐng)域，包括生產(chǎn)線穩(wěn)定性、電能質(zhì)量改善等方面的優(yōu)勢。在這一基礎(chǔ)上，通過實證研究來驗證混合型無功補(bǔ)償裝置在汽車制造中的節(jié)能效果。與李濤等[4]學(xué)者在實驗室采用試驗系統(tǒng)驗證方法不同的是，本文采用采集和分析生產(chǎn)現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)，并與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式進(jìn)行對比的方法。白永超實際驗證了濾波補(bǔ)償能有效地降低系統(tǒng)的電能損耗、節(jié)省大量電費[5]，本文將評估混合型無功補(bǔ)償裝置在能源消耗、功率因數(shù)、電能損耗等方面的實際改善情況。

1TSVG（混合型無功補(bǔ)償裝置）的工作原理

從無功補(bǔ)償裝置的概念到最終投入運行，在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色。經(jīng)歷了SVG到TSVG的過渡。目前，動態(tài)無功功率發(fā)生器通常采用基于可控硅（Silicon Controlled Rectifier， SCR）電容器投切技術(shù)，這些裝置都是無源設(shè)備。這種技術(shù)已經(jīng)取得了良好的應(yīng)用效果，并且在市場上得到了充分的發(fā)展和市場化。此外，從技術(shù)角度來看，這項技術(shù)也已經(jīng)相當(dāng)成熟[6-7]，并且能夠基于無源和有源濾波器組成特性優(yōu)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(jìn)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(fā)生為避免過度補(bǔ)償而出現(xiàn)欠補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象，顯著地影響補(bǔ)償效果和經(jīng)濟(jì)性。

TSVG總體結(jié)構(gòu)可以參考圖1。TSF存在無功功率調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢和不連續(xù)的問題，不能滿足對電能質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)。該裝置利用TSF作為無源部分，用于對電容器組進(jìn)行粗調(diào)控制；同時利用SVG作為有源補(bǔ)償部分，用于彌補(bǔ)電容器組切換時產(chǎn)生的級差。通過這種設(shè)計，TSVG實現(xiàn)了對大容量連續(xù)補(bǔ)償無功功率的能力，能夠完全補(bǔ)償整個系統(tǒng)的無功功率，不僅克服了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償方法的不足，而且還能減少對有源補(bǔ)償?shù)耐顿Y。

2汽車制造行業(yè)供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的特點

在理想供配電系統(tǒng)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(jī)、電力電子器件、變頻器等非線性設(shè)備的應(yīng)用產(chǎn)生了諧波，頻率為工頻的整數(shù)倍（也有工頻非整數(shù)倍的分量為間隙波），使電壓和電流的波形發(fā)生畸變，由標(biāo)準(zhǔn)正弦波變?yōu)榉钦也╗9]。諧波主要是由諧波電流源產(chǎn)生，隨著科技的進(jìn)步，電子電力得到了廣泛的應(yīng)用，與此同時電子的普及使諧波污染愈加嚴(yán)重，造成故障與事故頻發(fā)，包括影響變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、繼電保護(hù)、電力測量等 [10]。

汽車制造業(yè)在生產(chǎn)過程中廣泛使用電焊機(jī)、沖壓機(jī)、切割機(jī)、起重機(jī)、變頻器等沖擊性、非線性負(fù)荷。這些負(fù)荷產(chǎn)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(yè)的生產(chǎn)工作和設(shè)備使用造成巨大影響和經(jīng)濟(jì)損失。具體表現(xiàn)為變頻器和整流器等設(shè)備產(chǎn)生的諧波會導(dǎo)致電氣設(shè)備附加諧波損耗，同時還會降低供電設(shè)備的工作效率，引起系統(tǒng)過電流和過電壓，增加變壓器的負(fù)擔(dān)，以及導(dǎo)致絕緣裝置老化等問題 [11]。

3TSVG適用于汽車制造行業(yè)

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(dǎo)致中性線嚴(yán)重過載，而高次諧波則容易與電容器產(chǎn)生共振，導(dǎo)致電容器燒毀。采用有源濾波器進(jìn)行諧波控制可以消除電網(wǎng)中的諧波，保護(hù)車間內(nèi)的沖壓設(shè)備、電焊設(shè)備等免受諧波危害。經(jīng)朱琴華等學(xué)者研究證明，有源濾波器基本消除焊機(jī)產(chǎn)生的諧波電流，同時對諧波電壓也有較強(qiáng)的抑制作用[12]。為了進(jìn)一步說明TSVG在汽車制造行業(yè)應(yīng)用中能夠有效實現(xiàn)諧波治理，筆者對此進(jìn)行了測試，下面章節(jié)將對測試結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說明。

4通過實際檢測數(shù)據(jù)分析治理前后治理后的電能質(zhì)量情況

本文對某汽車企業(yè)選定的經(jīng)過諧波治理后的沖壓車間的測試點進(jìn)行了諧波測試，測試工況為正常生產(chǎn)情況下連續(xù)測試。測試結(jié)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(shù)。測試儀器和方法為采用電力分析儀進(jìn)行48 h以上時間的在線連續(xù)監(jiān)測。為了評估治理效果，此外附加治理前的電能質(zhì)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(shù)進(jìn)行測試，由表1可以看出，依據(jù)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-1993），剔除生產(chǎn)線非工作時段記錄的數(shù)據(jù)后，實測電網(wǎng)正常供電時沖壓車間C1線正常運行狀態(tài)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)容量10 MVA計算，則對比GB/T 14549-1993規(guī)定允許值的要求，匯總結(jié)果如表2所示。

通過測試點測試時間段內(nèi)的總諧波電流畸變率記錄數(shù)據(jù)，得到該時間段內(nèi)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(shù)

表3是功率因數(shù)測試結(jié)果匯總表，分析測試記錄數(shù)據(jù)，測試時間段內(nèi)該測試點功率因數(shù)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(shù)（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?？梢园l(fā)現(xiàn)，治理前的功率因數(shù)長時間出現(xiàn)負(fù)值，過補(bǔ)償現(xiàn)象嚴(yán)重；治理后的功率因數(shù)恢復(fù)正常。

5驗證TSVG通過治理諧波獲得的節(jié)能效果

在 35 kV 及以下的電網(wǎng)中，電網(wǎng)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(wǎng)電力損耗的重要部分。諧波電流在配電網(wǎng)中流動會使電流有效值增加，從而引起附加的輸電損耗，構(gòu)成電網(wǎng)電能損耗的一部分。

受測試前后數(shù)據(jù)限制，本節(jié)僅對諧波引起的供電線路損耗進(jìn)行計算，內(nèi)容如下。

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)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(yè)未投入諧波治理設(shè)備時C線測試點的諧波測試記錄，測試時間段內(nèi)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(jié)果可知，在不考慮集膚效應(yīng)時，投入諧波治理設(shè)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(shè)備時的減少量為：=-=0.58622-0.39482=18.78%。

6結(jié)語

本文對某汽車企業(yè)選定的經(jīng)過諧波治理后的沖壓車間C線的測試點進(jìn)行了諧波測試，并驗證了TSVG通過治理諧波獲得的節(jié)能效果。結(jié)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(shù)；此外，在不考慮集膚效應(yīng)時，投入諧波治理設(shè)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(shè)備時減少了18.78%。

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