点焊机三相不平衡负荷的静止无功补偿.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/高电压技术 第36卷 第3期2010年3月31日High Voltage Engineering,Vol.36,No.3,Mar.31,2010点焊机三相不平衡负荷的静止无功补偿李兰芳1,刘开培1,李建奇2(1.武汉大学电气工程学院,武汉430072;2.中南林业科技大学,武汉410004)摘 要:为了提高对三相不平衡负荷电能质量问题的有效治理,介绍了基于同步对称分量法的不平衡负荷的补偿方法,并研究了具有分相补偿能力的静止无功补偿装置(SVC)。通过对汽车工业点焊机负荷的实测数据介绍了三相不平衡负荷的电能质量问题,并针对点焊机的不平衡补偿进行了动态模拟试验。试验结果表明,设计的不平衡负荷补偿装置不仅具有较好的动态跟踪性能,且具有良好的补偿效果,值得在实际工程应用中推广。关键词:电能质量;不平衡负荷;静止无功补偿;对称分量法;补偿电纳;功率因数;不平衡度中图分类号:TM531文献标志码:A文章编号:100326520(2010)0320810206基金资助项目:国家自然科学基金(50677048);湖南省自然科学基金(2009FJ3049)。Project Supported by National Natural Science Foundation ofChina(50677048),Hunan Provincial Natural Science Foundation ofChina(2009FJ3049).SVC for Three2phase Unbalanced Load of Spot Welding MachineLI Lan2fang1,LIU Kai2pei1,LI Jian2qi2(1.School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.Central South University of Forestry and Technology,Wuhan 410004,China)Abstract:To improve the efficiency of the power quality control for three2phase unbalanced load,the method ofcompensation based on synchronous symmetrical component for unbalanced load is introduced.And the SVC withthe ability of controlling single phase is researched.The power quality of unbalanced load is proposed by the testingdata of spot welding device of automobile industry.Moreover,dynamic simulating experiment of unbalanced compen2sation for spot welding device is presented.The experimental results demonstrate that the SVC device for the com2pensation of unbalanced load has the quality of both good dynamic tracking performance and favorable compensationeffect,so that it is worthwhile to be widely used in power engineering.Key words:power quality;unbalanced load;SVC;symmetrical component method;compensatory susceptance;power factor;imbalance degree0 引言常见的三相不平衡负荷主要有冶金行业的交流电弧炉、电气化铁路及汽车工业的点焊机群等,这些不对称干扰性负荷引起严重的电压波动及闪变、产生大量的高次谐波、造成严重三相不平衡等电能质量问题。减小不对称负荷引起的系统三相不对称方法有多种,如将不对称负荷分散到不同供电点,以减少集中连接造成不对称度超标问题;将不对称负荷合理平均分配到各相,尽量使其对称化;或将不对称负荷接到更高电压等级上供电,以使连接点的短路容量足够大。但这些方法并不总是能够实现和有效解决问题,往往需要专门采用不对称补偿和治理装置。目前,电力系统不平衡负荷的补偿主要有以下两类,一种是利用晶闸管控制电抗器+固定电容器(TCR+FC)或晶闸管控制电抗器+晶闸管投切电容器(TCR+TSC)结构形式的静止无功补偿装置(SVC)对负荷进行无功和不平衡补偿125,另一种是利用静止无功发生器(SVG)或有源电力滤波器(APF)等装置对负荷进行无功及不平衡补偿,但由于其控制方法复杂、造价高等原因限制了它的普遍应用。电力工程上常用具有分相补偿能力的SVC来实现对不平衡负荷的补偿6212。本文结合汽车工业的点焊机负荷的电能质量问题,阐述了不平衡负荷的补偿方法,并研究了具有分相补偿能力的SVC,针对点焊机的不平衡补偿进行了动态模拟试验。1 点焊机的电能质量问题汽车工业点焊设备绝大多数是用380 V电源,由二相供电,该类负荷引起系统功率因数低、电压波动和闪变、谐波含量较大以及三相不平衡等电能质量问题,造成焊接质量差、力率罚款、系统损耗增加等影响。点焊机负荷变化极为快速,焊接时间一般为几个至几十个周波,焊接过程引发大量无功功率,导致力率电费罚款,影响变压器出力,增加变压器及线路018 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图1 电压变化趋势图Fig.1Tendency chart of voltage fluctuation图2 电流变化趋势图Fig.2Tendency chart of current fluctuation损耗,使变压器温升增高;造成较大的电压波动,引起电压闪变,导致焊接质量差,影响焊接效率。焊接电流含有较大的谐波,引起系统电压电流畸变,增加系统损耗,给电力设备造成较大的安全隐患,同时影响和危害着公共连接点上的其它用电设备。三相不平衡降低了电网的输送能力,使电机运行效率降低,造成变压器附加能量损失,易引起保护设备误动作。以某焊接生产线实测数据为例说明,供电变压器容量为1600 kVA,电压等级为10 kV/0.4 kV。主要负载为380 V交流单相焊机,50%标称功率为180 kVA,二次焊接电压为720 V,焊接时间为930周波(180600 ms),数量为12台。采用FLU KE1760电能质量测试仪测试结果如图17所示。图17分别为电压、电流、功率因数、谐波电压含有率、谐波电流含有率、三相电压不平衡度及三相电流不平衡度的变化趋势图。其中,Urms,a、Urms,b、Urms,c分别为A、B、C三相线电压有效值;Irms,a、Irms,b、Irms,c分别为A、B、C三相线电流有效值;cos图3 三相总功率因数变化趋势图Fig.3Tendency chart of total power factor图4 谐波电压含有率趋势图Fig.4Tendency chart of harmonic ratio of voltage图5 谐波电流含有率趋势图Fig.5Tendency chart of harmonic ratio of current为三相总功率因数;U、I分别为三相电压、电流不平衡度。由上述测试结果可知,图1、2分别反映电压、电流的波动趋势,可以看出电压和电流变化频繁,波动范围较大,且三相不平衡。对于不同短路容量的系统和不同的工况,电压波动和闪变可能更为严重。图3反映三相总功率因数,该类负荷功率因118电网运行与安全李兰芳,刘开培,李建奇.点焊机三相不平衡负荷的静止无功补偿 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图6 三相电压不平衡度趋势图Fig.6Tendency chart of unbalance degree of voltage数变化频繁,三相总功率因数仅为0.4左右。图4、5分别为谐波电压和谐波电流频谱分析平均值统计结果。由于汽车行业的焊接大部分选用的是单相焊机,会产生大量的3次、5次等谐波,尤其以3次谐波电流含量最大。图6、7分别为电压不平衡度和电流不平衡度曲线,可见点焊机设备工作时引起的三相电压不平衡度和三相电流不平衡度较为严重,电流不平衡度高达80%以上。2 不平衡负荷补偿方法应用对称分量法可推导出用电压、电流表示的补偿电纳的公式13,14。三角形负荷补偿示意图如图8所示,图中Ua、Ub、Uc分别为三相电压向量;IL,a、IL,b、IL,c分别为流入负载的三相电流向量;IR,a、IR,b、IR,c分别为流入补偿回路的三相电流向量;YL,ab、YL,bc、YL,ca分别为三角形负载的三相等效导纳;BR,ab、BR,bc、BR,ca分别为补偿回路的三相补偿电纳。图8的不平衡负荷是由三相正序电压供电,各相对中性点电压有效值为Ua=U;Ub=2U;Uc=U。(1)式中,=ej120=-12+j32。负荷线电流为Ia=IL,ab-IL,ca=(YL,ab(1-2)-YL,ca(-1)U;Ib=IL,bc-IL,ab=(YL,bc(2-)-YL,ab(1-2)U;Ic=IL,ca-IL,bc=(YL,ca(-1)-YL,bc(2-)U。(2)式中,Ia、Ib、Ic分别为三相线电流向量;IL,ab、IL,bc、IL,ca分别为三角形负荷的各相相电流向量。设I0、I1、I2分别为零序、正序和负序分量的参图7 三相电流不平衡度趋势图Fig.7Tendency chart of unbalance degree of current图8 三角形负荷补偿示意图Fig.8Schematic diagram of the compensation of load in考向量。IL,0、IL,1、IL,2分别为负载电流的各对称分量向量;IR,0、IR,1、IR,2分别为补偿回路电流的各对称分量向量。线电流的对称分量关于负载导纳的方程为IL,0=0;IL,1=(YL,ab+YL,bc+YL,ca)U;IL,2=-(2YL,ab+YL,bc+YL,ca)U。(3)三角形接法的无功补偿器的线电流对称分量表达式为IR,0=0;IR,1=j(BR,ab+BR,bc+BR,ca)U;IR,2=-j(2BR,ab+BR,bc+BR,ca)U。(4)负荷补偿后的负序电流为零时,负荷即被平衡化,因此有IL,2+IR,2=0。(5)如果正序线电流的虚部等于零,则补偿后总功率因数等于1,因此有Im(IL,1+IR,1)=0。(6)将式(4)代入式(5)、(6),可推导出理想补偿器电纳如下式所示218高电压技术2010,36(3)1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/BR,ab=-13U(ImIL,1+ImIL,2-3ReIL,2);BR,bc=-13U(ImIL,1-2ImIL,2);BR,ca=-13U(ImIL,1+ImIL,2+3ReIL,2)。(7)从上式可知,如果直接求出线电流的正序分量的虚部ImIL,1、负序分量的实部ReIL,2和虚部ImIL,2、相电压的正序有效值U,就可以得出所需补偿的三相导纳值,实现负序和无功的综合补偿。充分考虑到电压、电流信号的不平衡和畸变现象,本文采用一种基于同步对称分量法的不平衡检测新算法15,能够较为方便地得到ImIL,1、ReIL,2、ImIL,2、U。首先从三相不平衡的电压中提取出电压正序分量16,17如下uapubpucp=ua2-1i23(ub-uc)-(uap+ucp)uc2-1i23(ua-ub)。(8)式中,uap、ubp、ucp分别为正序分量中的各相电压;ua、ub、uc分别为系统三相电压。式(8)中得到的uap含有正序基波分量和谐波分量。其中i代表90 位移,可由全通滤波器来获得,全通滤波器具有平坦的频率响应,延时时间较短,使用这种方法获得的正序分量效果要好于用其它低通或带通滤波器的方法。再将三相信号转换到两相静止坐标中得到?u+、?u+为18?u+?u+=C32uapubpucp=231-12-12032-32uapubpucp=23(2ua+-ub+-uc+)2+?B2(ub+-uc+)2+?A=u+?Bu+?A。(9)式中,C32为变换矩阵;?u+、?u+分别为含有正序谐波分量的、轴分量;u+、u+分别为只含正序基波分量的、轴分量;ua+、ub+、uc+分别为三相正序电压;A、B为谐波分量;ubc+=ub+-uc+。?u+、?u+经过截至频率为50 Hz的低通滤波器后,A、B被滤除,得到u+和u+,并通过两相到三相变换可得到正序电压ua+=2/3u+。同时可得u=22(ub+-uc+)图9TCR+TSC型SVC原理图Fig.9Schematic diagram of SVC(TCR+TSC)=22ubc+。信号u可作为补偿器触发信号的同步信号。三相电流ia、ib、ic包含正序分量和负序分量的表达式为iaibic=Incos(nt+n)+In2cos(nt+n2)Incos(nt-23+n)+In2cos(nt+23+n2)Incos(nt+23+n)+In2cos(nt-23+n2)。(10)式中,In、In2分别为正、负序分量各次谐波的幅值;n、n2分别为正、负序分量各次谐波的初始相位,n=1,2,3,。考虑到三相角接负载无零序电流,对三相电流进行dq变换后可得?id?iq=Piaibic=32I1cos1+?C-I1sin1+?D。(11)式中,?id、?iq分别为含有谐波的d、q轴交流分量;P为变换矩阵。采用低通滤波器LPF将交流分量(式中以?C、?D表示)滤除后得到d、q轴直流分量?id、?iq为?id?iq=32I1cos1-I1sin1。(12)这样就可得到ImIL,1=I1sin1=-2?iq/3。(13)将ib与ic交换后以同样的方法可以求出ImIL,2、ReIL,2。最后通过式(7)计算可得三相补偿导纳值。3 静止无功补偿装置的分相补偿原理具有分相补偿能力的TCR+TSC型SVC原理图如图9所示。TCR+TSC型SVC通常由若干个TSC单元和一个TCR单元并联组成。电容器可以318电网运行与安全李兰芳,刘开培,李建奇.点焊机三相不平衡负荷的静止无功补偿 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图10 试验原理图Fig.10Schematic diagram of test分级投切,但在每个分级之间的无功可以通过TCR来连续调节。SVC最大的感性调节范围与TCR容量一致。TSC支路通过串联电抗器被调谐在不同的主导谐波频率上。TCR和TSC通常设计成三角形接线方式,可单独对每相TCR和TSC支路的触发角进行控制,从而达到分相调节无功的目的。4 试验研究依据点焊机三相不平衡负荷测试数据,搭建了相应的试验平台。用一台SVC样机(记为样机A)和感性无功发生装置模拟不平衡负荷产生不平衡的感性无功。用另一台SVC样机(记为样机B)作为补偿装置。试验中的样机均为具有分相补偿能力的TCR+TSC型SVC装置,其主回路采用三角形接法。试验平台原理图如图10所示。调节感性无功发生装置的输出,改变系统的感性无功。用其中一台SVC样机(记为样机A)进行三相不平衡投切,与感性无功发生装置输出的三相平衡感性无功相迭加,最终得到三相不平衡的感性无功,用于模拟点焊机负载在系统中产生的三相不平衡无功。为了评价补偿装置的动态跟踪性能,进行了系统全响应时间测试试验,测试结果如图11所示。图11中上、下两条波形分别表示可控硅投入前、后示波器所测量的电流波形(图中电流互感器的转换比例为10 A/mV)。大量试验结果表明,本文设计的补偿装置响应时间为2040 ms。图中显示系统响应时间为21 ms。由于实际工程中的力率考核往往是指三相总功率因数的达标,因此三相不平衡负荷的无功补偿目标为三相总功率因数的提高。本文所设计的不平衡补偿装置的无功补偿效果分别如图12(测试仪器为HIOKI3196)和图13(测试仪器为FLU KE1760)的试验结果所示。测试结果表明,补偿装置能够较好地动态跟踪三相不平衡负荷的无功变化,补偿后功率因数明显提高。当补偿容量足够时,补偿后的总图11 动态响应时间测试结果Fig.11Testing result of dynamic responding time图12 总功率因数瞬时值变化趋势测试结果Fig.12Instant value of total power factor图13 总功率因数平均值变化趋势测试结果Fig.13Average value of total power factor功率因数可接近于1。5 结语本文研究了适用于点焊机不平衡负荷的补偿方法,试验研究证明该方法具有较高的工程应用价值。文中设计的静止无功补偿装置动态跟踪性能良好,对于三相不平衡负荷具有较好的补偿效果。418高电压技术2010,36(3)1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/参考文献1 Hingoani N G.FACTS2flexible AC transmission system CFifth International Conference on AC and DC Power Transmis2sion.London,UK:s.n.,1991:127.2 LEE S Y,Wu C J.Combined compensation of a static var com2pensator and an active filter for unbalanced three2phase distribu2tion feeders with harmonic distortionJ.Electric Power SystemResearch,1998,46(3):2432250.3 Ahmed T,Nishida K,Soushin K,et al.Static var compensator2based voltage control implementation of single2phase self2excitedinduction generator J.IEE ProcGenerTransm Distrib,2005,152(2):1452156.4 Hauth R L,Humann T E,Newell R J.Application of a staticvar 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