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)
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
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。
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。
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:
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。
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。