DSTATCOM在焊装车间无功及负序电流补偿研究

郁 伉，李 瑜，齐东流

（安徽一天电能质量技术有限公司，合肥230009）

引言

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为觉见的常见的三相不平衡负荷，这些不对称负荷会对配电线路的电能质量产生很大的影响［1］。可以通过将不对称负荷分散到不同供电点、将不对称负荷合理平均分配到各相、将不对称负荷接到更高电压等级上供电等方法减小三相不平衡负荷引起的系统三相不对称。但是这些方法并不能总是有效地解决问题，往往需要专门的不对称补偿及治理装置。目前，电力系统不平衡负荷的补偿主要有两类：一类是利用晶闸管控制电抗器TCR（thyristor sontrolled reactor）+固定电容器 FC（fixed capacitor）或晶闸管控制电抗器TCR+晶闸管投切电容器TSC（thysitor switched capacitor）结构形式的静止无功补偿装置SVC（static var compensator）对负荷进行无功和不平衡补偿［2-4］；另一类是利用静止同步无功补偿器 DSTATCOM （distribution static synchronous compensator）或有源电力滤波器APF（active power filter）等装置对负荷进行无功及不平衡补偿。

本文对汽车工业焊装车间的悬挂式点焊机负荷的电能质量问题进行测试评估，研究DSTATCOM对其进行电能质量治理的关键技术，并进行了仿真实验。

1 悬挂式点焊机的基本工作原理及电能质量问题

悬挂式点焊机是采用棒状电极使工件接触面间形成点状熔合的电阻焊机，采用二相380 V电源供电，且内部含有晶闸管电路，焊接变压器额定电压为两相380 V。电源接线如图1所示。使用该悬挂式点焊机相当于在线路中接入了一个三相不平衡负荷。

图1 悬挂式点焊机电源接线Fig.1 Power supply connection of suspending spot welding

点焊机负荷在变化极快，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，增加变压器及线路损耗，使变压器温升增高；造成较大的电压波动，引发电压闪变，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，同时影响和危害公共连接点上的其他用电设备。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，焊接生产线供电的0.4 kV母线及总进线的实测结果如图2～图6所示。

图2～图5分别为母线基波电压、基波电流、基波负序电流有效值的变化趋势。由图可以看出，总进线电压和电流变化频繁，波动范围较大，且三相不平衡。图6为总进线电流的总谐波含量变化趋势。由图可以看出，总进线中谐波含量较大。

图2 点焊机0.4 kV母线电压、电流录波Fig.2 Voltage and current recordings of 0.4 kV bus for spot welding machine

图3 点焊机0.4 kV母线基波电压有效值Fig.3 Effective value of fundamental voltage of 0.4 kV bus for spot welding machine

图4 点焊机0.4 kV总进线基波电流有效值Fig.4 Effective value of fundamental current of 0.4 kV bus for spot welding machine

图5 0.4 kV总进线基波负序电流Fig.5 Fundamental negative sequence current of 0.4 kV bus

图6 0.4 kV总进线电流的总谐波含量Fig.6 Harmonic content in 0.4 kV bus current

2 DSTATCOM正序无功、负序电流补偿控制策略

针对点焊机冲击性、三相不平衡、谐波含量大，选用低压DSTATCOM为无功、负序电流补偿方案。从拓扑结构上看，三相DSTATCOM的连接方式可分为Y型及△型两种，如图7、图8所示。两者在功能、经济、可靠和技术实现上有着明显差别，一般认为△型DSTATCOM抑制不平衡能力更强，但△型DSTATCOM功率模块数量多，补偿指令计算复杂；本文采用Y型DSTATCOM，提出了一种负序电流补偿控制策略，论证了Y型STATCOM负序电流补偿的可行性。

图7 Y型DSTATCOMFig.7 Y-connected DSTATCOM

图8 △型DSTATCOMFig.8△connected DSTATCOM

2.1 Y型DSTATCOM负序电流检测

DSTATCOM检测基波负序电流原理见图9。采用负序同步旋转坐标系进行负序有功、无功电流检测，这种检测方法可以简单地理解为把负载电流中的负序分量当做正序分量来检测［1］。该方法中，需用到与A相电网电压同相位的正弦信号sin（ωt）和对应的余弦信号 cos（ωt），它们由锁相环 PLL（phase locked loop）和一个正、余弦信号发生电路得到。

图9 Y型DSTATCOM负序电流检测原理Fig.9 Detection principle of negative current of Y-connected DSTATCOM

图中：

2.2 Y型DSTATCOM正序无功、负序电流电流补偿

Y型DSTATCOM负序电流、无功电流补偿原理见图10。对直流电压Udc的控制是由图5指令电流运算电路中点划线框1内的部分结合补偿电流发生电路实现的。图10中是直流电压给定值，Udc是直流电压反馈值，两者之差经PI1调节器后输入PI2调节器，经运算在控制信号、包含一定的基波有功电流。补偿电流发生电路根据产生补偿电流注入电网，使得DSTATCOM补偿电流中含有一定的基波有功电流分量，从而使DSTATCOM直流侧与交流侧交换能量，将直流电压调节至给定值［1］。和用来补偿系统无功电流，和用来补偿负序电流，这两个控制量不能直接相加，因为和计算基于dq正坐标系，和计算基于dq负坐标系。和需经点划线框2转换到正序dq坐标系下才能进行计算。

图10 Y型DSTATCOM负序电流、无功电流补偿原理Fig.10 Principle of negative sequence currect and reactive current compensation of Y-connected DSTATCOM

3 仿真实验研究

3.1 仿真研究

本文依据点焊机的实测数据，根据其负荷特性，使用Simulink建立了一组不对称负载的仿真模型并使用STATCOM对系统总的功率因数进行补偿。系统仿真模型如图11所示。

补偿前后系统总功率因数的变换趋势如图12、图13所示。

图11 系统仿真模型Fig.11 System simulation model

图12 补偿前总功率因数变换趋势Fig.12 Trend of power factor before compensation

由图12和图13可以看出，在使用STATCOM对系统进行总的无功补偿后，系统的功率因数大大提升，且接近于1，符合供电系统对企业电能质量的要求。

图13 补偿后系统总功率因数变化趋势Fig.3 Trend of power factor after compensation

3.2 治理实测波形

根据现场实测数据，配置900 kvar低压DSTATCOM进行无功、负序电流补偿，客户要求以功率因数优先，负序电流未全部补偿，谐波电流未补偿。补偿后测试系统波形如图14所示，从图中可以看出，负序电流得到补偿。

图14 补偿后测试系统波形Fig.14 System waveforms after compensation

4 结语

本文研究了焊装车间电能质量问题及治理方法，仿真实验证明该方法具有很高的可行性和工程应用价值。文中设计的静止同步无功补偿装置态跟踪效果好，对三相不平衡负荷具有很好的补偿效果。

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