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摘 要 ：在工厂实际生产过程中，一些冲击性负荷的使用将会给系统带来很多电能质量问题，比如，焊网机在工作时就会产生 大量的谐波不仅会影响系统的稳定和生产线产品的生产，也会产生大量冲击性无功使得系统的功率因数降低。本文主要以具体 生产线为例， 提出混合无功补偿装置原理及其参数计算， 最后通过应用在实际生产线中得出此方案是实际可行的。
关键词 ：混合无功补偿装置 ；谐波 ；功率因数
1 钢筋焊网生产线现场工况
焊网机的生产线通常有焊网机、轧机和矫切机等设备构成。 在焊网机工作时不仅会产生大量的谐波影响系统的稳定和生产 线产品的生产，也会产生大量冲击性无功使得系统的功率因数 降低。安徽某钢筋焊网生产线由 10kV单电源供电，经三台变压 器降压为 0.4kV 配电系统供电，这里以容量为 1250kVA 的 1# 变 压器为例。生产线供电系统如下图所示。
图 1 生产线供电系统图
当一号焊网机工作时，一次焊接分为两次点焊，每次点焊从 电流波形上来区分可以分为前期和后期。如下图所示， 当一号焊 网机工作时从电流波形上可以看出会产生大量谐波电流，通过 对焊网机电源谐波含量计算数据可知， 在焊接时， 主要产生3次、 5 次、7 次谐波。3 次谐波含量在 15.3%-18.6% 范围内，5 次谐波含 量在 6.2%-8.5%之间，7 次谐波含量在2.3%-3.4%之间。这里可以 看出 3 次与 5 次已经超出国家标准， 需要进行治理。
由于传统的无功补偿装置跟踪速度较慢，补偿精度低会 导致系统过补偿和欠补偿等问题。综合考虑该系统的实际情 况，需要对该系统同时进行无功补偿和谐波治理，故本文采用 SVG+FC 混合型无功补偿方案。
图 2 焊网机工作时电流波形图
2 SVG+FC原理
静止无功发生器（SVG）通过 IGBT 去控制H桥单元输出电 压的相位和幅值， 由此间接改变直流侧与电网电压差， 通过电抗 器向电网发出或者吸收无功， 从而实现无功补偿的目的。固定电 容补偿（FC）主要用于给系统提供容性无功功率补偿和对系统 中的谐波进行滤波。但是固定电容器补偿装置在系统空载或者 轻载时会形成欠补偿和过补偿，故采用 SVG 跟踪负载无功功率 的变化，实时改变输出补偿无功的大小，同时进行对FC 电容器 的投切。
3 SVG+FC等效模型
在混合无功补偿装置（SVG+FC）中，SVG 等效于与电网同 频率的电压源。当系统的电压超前电流次时系统呈感性，SVG 发出容性无功以抵消系统的感性无功功率，反之，SVG 发出感 性无功抵消系统容性无功功率。SVG+FC 等效原理图如下所示 ：
图 3 SVG+FC 系统等效原理图
上图中Us 为电网电压，UI 为 SVG 输出电压，L 是连接电感， C 为滤波电容器， Lf 为电抗器。根据电路图有如下等式 ：
根据公式可得出以下结论 ：
（1）当UI =US 时，IL=o，此时为空载运行模式，SVG 既不吸 收也不发出无功 ；
（2）当UI >US 时，IL<o，此时为超前电流，SVG 发出无功功 率，处于容性运行模式 ；
（3）当UI <US 时，IL>o，此时为滞后电流，SVG 吸收无功功 率，处于感性运行模式。
通过以上分析可以得出，若要控制 SVG 吸收或发出无功功 率，只要调节 SVG输出电压即可。
4 补偿装置的容量确定
无功补偿容量计算公式为 ：
式中， P ——有功功率（kW） ；
K ——同时工作系数 ；
φ 1 ——为无功补偿前的功率因数角 ；
φ2 ——为无功补偿后的功率因数角。
由于每次焊接额时间很短，出现多台焊接机共同工作的概 率很小，故这里我们只讨论只有一台焊接机工作状态下的无功 补偿。利用PQ-box-200 电能质量测试仪在 1# 变压器低压侧测出 1号焊网机工作时瞬时数据（包括每个时刻有功功率、无功功率、 功率因数等） 处理后得出有功功率平均值为P=635.55kW, 功率因 数平均值为 cos(φ1)=0.76。取同时工作系数 K=0.9，按照功率因数 补偿到 cos(φ2)=0.95进行计算有 ：
Q焊 = 635.55×0.9×（tanφ 1 － tanφ2）=301.14kVar
1# 变压器下其他负载（9 台矫切机和 15 台行车） 总功率为 P=532.5kW,取同时工作系数 K=0.9， 补偿前功率因数 cosφ1=0.8， 补偿后功率因数 cosφ2=0.95, 故有 ：
Q矫 + Q行 = 532.5×0.9×（tanφ 1 － tanφ2）=201.91kVar 1# 变压器补偿的总的无功 Q 为 ：
Q总 = Q焊 +Q矫 + Q行 =301.14+201.91=503.05kVar
5 滤波支路容量计算
单调谐滤波支路电容器最小容量计算公式如下所示 ：
其中 ：UCN 为电容器额定电压， 经计算取UCN =0.55kV ；h 为谐波次数，Ih 为h 次谐波电流有效值 ；U1m 为母线最高运行电压 （母线额定电压的 1.1 倍）。
对于3次滤波支路 ：I3 =140A ；UCN =0.55kV ；U1m =1.1×0.38=0.418kV。 根据式，计算得QC3 =153.35kVar。
对于5次滤波支路 ：I5 =104A ；UCN =0.55kV ；U1m =1.1×0.38=0.418kV。 根据式，计算得QC5 =86.3kVar。
故取 3 次谐波支路无功补偿容量为 167kVar ；5 次谐波支路 无功补偿容量为 96kVar， 则 FC 总的补偿容量为 263kVar， 因此 SVG 发出系统中剩余的无功，又 SVG 的输出容量要大于 FC 的 补偿容量（当系统中负荷减少或者无负荷时，FC 还继续发出容 性无功使系统功率因素减小，这时就需要 SVG 发出感性无功补 偿系统多余容性无功提高系统功率因素），最终将 SVG 的容量确 定为 ±400kVar。
6 投入SVG+FC后效果分析
根据以上基础数据及数据曲线，可得出 1# 变压器低压侧电 能质量情况如下 ：
图 4 投入 SVG+FC 后有功、无功和功率因数图像
（1）电压波动幅度为 6% 小于 7% 的国家标准，电压总畸变 率为 3.98%， 小于国家标准 5% ；
（2）谐波电流I3 =23.95A， I5 =38.23A， I7 =27.92A， I11 =8.65A， 都在国家标准允许范围内 ；
（3）功率因数随负荷变化，有小幅波动，平均功率因数均保 持在 0.952 左右。
综上所述， 在焊网机系统加装混合无功补偿装置（SVG+FC） 对于冲击性负荷补偿效果非常显著。
参考文献
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[2] 沈忱 . 钢筋焊网生产线动态无功补偿装置的研究与应用 [D]. 安徽工业大学， 2019.
[3] 吴玺泽 .SVG+FC 混合无功补偿装置的应用研究 [D]. 辽宁科技大学， 2013.
[4] 罗安，杨翠翠，马伏军 . 高压静止无功补偿器的设计与参数计算 [J]. 高电压技 术，2011,37（1）：104-111.
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