ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ СТАТИЧЕСКОГО ТИРИСТОРНОГО КОМПЕНСАТОРА В УСЛОВИЯХ СИЛЬНЫХ ОТКЛОНЕНИЙ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Николаев Александр Аркадьевич

канд. техн. наук, зав. каф. автоматизированного электропривода и мехатроники,

доц. МГТУ им.  Г.И. Носова,

РФ, г.  Магнитогорск

E -mail: alexniko@inbox.ru

Анохин Василий Васильевич

студент, кафедра электроснабжения промышленных предприятий, МГТУ им.  Г.И. Носова,

РФ, г.  Магнитогорск

E -mail: anohinvasilii@mail.ru

Ивекеев Владимир Сергеевич

аспирант, кафедра автоматизированного электропривода

и мехатроники, МГТУ им.  Г.И. Носова,

РФ, г. Магнитогорск

E-mail: 

DETERMINATION OF THE OPTIMAL OPERATION MODE OF THE STATIC VAR COMPENSATOR IN A SITUATION OF SIGNIFICANT VOLTAGE DEVIATIONS

Aleksandr Nikolaev

candidate of Science, Head of the department “Automatic Electric Drive and Mechatronics”,

assistant professor of the Nosov Magnitogorsk State Technical University,

Russia, Magnitogorsk

Vasiliy Anokhin

student, department “Power Supply Systems of Industrial Enterprises”,

Nosov Magnitogorsk State Technical University,

Russia, Magnitogorsk

Vladimir Ivekeev

p.g. student, department “Automatic Electric Drive and Mechatronics”,

Nosov Magnitogorsk State Technical University,

Russia, Magnitogorsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена проблема выбора режима регулирования тиристорно-реакторной группы (ТРГ) в составе статического тиристорного компенсатора (СТК) и разработки рационального алгоритма переключений устройства РПН понизительного трансформатора, питающего комплекс, состоящий главным образом из дуговой печи и СТК, при изменении сетевого напряжения в широких пределах. Исследование проведено на имитационной модели электросталеплавильного комплекса, состоящего из 120-тонной дуговой печи и статического тиристорного компенсатора с номинальной мощностью 100 МВАр. В результате был определён наиболее выгодный режим работы статического тиристорного компенсатора с точки зрения повышения мощности и производительности ДСП-120. Кроме этого, даны рекомендации по переключению РПН сетевого трансформатора, следуя условиям поддержания коэффициента реактивной мощности на границе балансового раздела в допустимых пределах и работы ТРГ без перегрузки на всех стадиях плавки дуговой печи.

ABSTRACT

The paper deals with the control mode of thyristor controlled reactor (TCR) choice problems and developing the transformer tap-changer algorithm in situation of significant voltage deviations. The research based on the simulation model of the electric arc furnace (EAF-120) and static var compensator (SVC-100 Mvar). The optimal control mode of SVC when the furnace active power and productivity are increasing was defined. Also the transformer tap-changer algorithm is recommended by which phasor power factor is held in rated limits and TCR operates without overload.

Ключевые слова: статический тиристорный компенсатор; дуговая сталеплавильная печь; медленные изменения напряжения; электрические характеристики дуговой сталеплавильной печи; устройство регулирования под нагрузкой понизительного трансформатора.

Keywords: static var compensator; electric arc furnace; slow voltage deviation; electrical characteristics of electric arc furnace; on load tap changer.

Введение.

В системах электроснабжения мощных и сверхмощных дуговых сталеплавильных печей широкое применение находят статические тиристорные компенсаторы из-за своей способности с достаточным быстродействием компенсировать несимметричную нагрузку, подавлять фликер и стабилизировать напряжение в точке общего подключения с дуговой печью [4].

Статический тиристорный компенсатор является устройством косвенной компенсации реактивной мощности. Он состоит из двух основных частей: тиристорно-реакторной группы и фильтрокомпенсирующих цепей. Тиристорно-реакторная группа представляет собой управляемую индуктивность, предназначенную для потребления избытка реактивной мощности в сети в периоды работы дуговой печи с малыми токами, а также во время технологических пауз. Величина реактивной мощности, потребляемая ТРГ, пофазно регулируется углом открытия тиристоров, который рассчитывается в системе автоматического управления вентильной группы. Фильтрокомпенсирующие цепи являются нерегулируемым источником реактивной мощности. Параметры фильтров подобраны таким образом, чтобы сопротивление цепей было ниже сопротивления питающей сети на частотах настройки, за счёт этого осуществляется фильтрация высших гармонических составляющих токов дуговой сталеплавильной печи и ТРГ [3].

В современных системах автоматического управления СТК реализованы два режима регулирования: обеспечение нулевого потребления реактивной мощности из питающей сети и поддержание номинального уровня напряжения в точке общего подключения нагрузки и статического тиристорного компенсатора. Практически на всех отечественных и зарубежных предприятиях используется режим регулирования по реактивной мощности ( МВАр). Этот выбор в первую очередь связан с необходимостью обеспечения нормативного коэффициента реактивной мощности () на границе раздела между предприятием и электроснабжающей организацией. Регулирование по напряжению является наиболее предпочтительным с точки зрения технологии выплавки стали в дуговых печах, однако в этом случае отсутствует контроль над величиной реактивной мощности потребляемой или генерируемой в сеть, и, соответственно, не исключена возможность выхода  за допустимые пределы. Если факт нарушения нормативного  будет зафиксирован, то на предприятие налагаются существенные штрафы.

Описание проблемы ухудшения электрических режимов дуговой печи из-за отклонений напряжения в питающей сети.

При условии постоянного уровня напряжения во внешней питающей сети алгоритм регулирования СТК с поддержанием  является оптимальным с точки зрения энергетических показателей комплекса ДСП-СТК. В этом случае достигается сохранение напряжения в точке общего подключения ДСП и СТК за счёт компенсации реактивных составляющих токов нагрузки.

Более сложная ситуация наблюдается на объектах, у которых величина питающего напряжения в течение суток изменяется в широком диапазоне. Примером может служить исследуемый электросталеплавильный комплекс «ДСП-120-СТК» (рис. 1). Как показал анализ электрических режимов ДСП-120 напряжение на шинах ЗРУ-35 кВ (рис. 2) ниже номинального уровня на всех стадиях плавки, вне зависимости от используемого профиля, что приводит к снижению активной мощности дуг и падению производительности дуговой печи. Из-за поддержания нулевой реактивной мощности комплекса ДСП-120 и СТК-100 МВАр уровень напряжения в сети 35 кВ главным образом зависит от текущего значения напряжения в сети 220 кВ. В период записи мгновенных значений напряжений и токов на исследуемом объекте при установленной ступени РПН сетевого трансформатора во время одного цикла плавки напряжение на шинах ЗРУ-35 кВ изменялось в пределах от 34,9 кВ до 34,3 кВ (рис. 4б). На понизительные подстанции сетевые трансформаторы, оснащённые устройством РПН, обычно поставляются с автоматикой АРНТ (автоматического регулирования напряжения трансформатора), которая предназначена для контроля вторичного напряжения и его поддержания на номинальном уровне путём переключения ступеней РПН, т. е. изменения коэффициента трансформации. Однако такое регулирование осуществляется с определённым шагом, величина которого ограничена количество ступеней, и трансформатор работает на некотором диапазоне первичного напряжения с одним положением РПН. Поэтому при работе СТК в режиме нулевого потребления реактивной мощности из сети и изменении первичного напряжения в рамках диапазона одной ступени РПН напряжение на вторичной стороне сетевого трансформатора также изменяется в определённых пределах.

Рисунок 1. График изменения питающего напряжения на шинах распределительного устройства 220 кВ в течение одних суток

Решение данной проблемы потребовало нахождения и обоснования оптимального способа регулирования реактивной мощности СТК, выбора рациональных ступеней РПН трансформатора 220 / 35 кВ в зависимости от уровня напряжения в сети 220 кВ и принятого режима работы системы управления статического компенсатора.

Разработка имитационной модели комплекса «ДСП-120-СТК». Определение оптимального режима регулирования СТК.

Анализ экспериментальных данных и расчёт электрических параметров исследуемого электросталеплавильного комплекса при различных режимах работы СТК проводился на имитационной модели комплекса «ДСП-120-СТК» (рис. 3), разработанной в приложении Simulink математического пакета Matlab. Имитационная модель включает:

·     питающую сеть, состоящую из источника питания (шин РУ 220 кВ), сетевого трансформатора 220 / 35 кВ и воздушно-кабельной линии.

·     электросталеплавильный комплекс (ДСП-120 и СТК-100 МВАр).

Рисунок 2. Упрощённая однолинейная схема системы электроснабжения сталеплавильного комплекса «ДСП-120-СТК»

Для управления ТРГ была реализована модель системы автоматического регулирования, основанная на принципе разложения тока нагрузки на прямую и обратную последовательность. Данная система управления включает прямой канал и два обратных по реактивной мощности и напряжению. Прямой канал предназначен для симметрирования нагрузки, обратные осуществляют необходимую добавку к значению реактивной проводимости фаз тиристорно-реакторной группы для поддержания заданного режима регулирования. Подробно система управления ТРГ описана в работах [1; 2; 6; 7]. Кроме этого, для моделирования режимов плавки дуговой печи была реализована система управления положением электродов ДСП-120 [5].

Рисунок 3. Имитационная модель комплекса «ДСП-120-СТК»

Решение проблемы отклонения вторичного напряжения от номинального уровня при изменении первичного напряжения в пределах одной ступени РПН сетевого трансформатора было достигнуто за счёт перевода СТК в режим стабилизации напряжения. Однако здесь следует отметить, что при проектировании автоматики АРНТ сетевых трансформаторов, питающих подобные комплексы, обычно не учитываются режимы работы СТК, и ввод АРНТ в действие со стандартными уставками может привести к перегрузке ТРГ или отклонению величины  выше нормативных значений. Поэтому для нормального функционирования комплекса разработан алгоритм переключения ступеней РПН сетевого трансформатора, учитывающий регулировочные возможности ТРГ.

Рисунок 4. Графики изменения активной мощности дуг (а), напряжения на шинах ЗРУ-35 кВ (б), реактивной мощности на вторичной стороне сетевого трансформатора (в); коэффициента реактивной мощности на границе балансовой принадлежности (г) при двух режимах регулирования СТК ( МВАр и )

На рис. 4, б представлены графики изменения напряжения на шинах ЗРУ-35 кВ для двух режимов работы СТК ( МВАр и  кВ). На протяжении всего цикла плавки СТК во втором режиме поддерживает напряжение на уровне 35 кВ за счёт генерации избыточной реактивной мощности (рис. 4в), при этом на рекомендуемой ступени  длительно не опускается ниже  (рис. 4г). За счёт поддержания номинального напряжения на шинах ЗРУ-35 кВ мощность дуг ДСП-120 повысилась по сравнению с исходным режимом (рис. 4а), вследствие чего, время цикла плавки сократилось на 1,5 мин, а значит, возросла производительность дуговой печи.

Выводы.

1.  На некоторых промышленных предприятиях величина питающего напряжения в течение суток изменяется в широких пределах. В этом случае регулирование вторичного напряжения производится с определённым шагом за счёт переключения ступени РПН сетевого трансформатора.

2.  Изменение первичного напряжения в рамках одной ступени РПН приводит к отклонению напряжения на вторичной стороне сетевого трансформатора.

3.  Оптимальным режимом работы СТК в условиях сильных отклонений питающего напряжения является его стабилизация в точке общего подключения комплекса «ДСП-СТК».

4.  Для оптимизации процесса регулирования напряжения понизительные трансформаторы с РПН оснащены автоматикой АРНТ. Однако при её проектировании для трансформаторов, питающих подобные сталеплавильные комплексы, часто не учитываются регулировочные способности СТК.

5.  Нормальное функционирование комплекса «ДСП-СТК» при работе СТК в режиме поддержания номинального напряжения в точке общего подключения возможно в случае разработки рекомендаций по переключению ступеней РПН сетевого трансформатора индивидуально для отдельно взятого объекта.

Список литературы:

1. Использование статического тиристорного компенсатора сверхмощной дуговой сталеплавильной печи для обеспечения устойчивости электроэнергетической системы и повышения надежности внутризаводского электроснабжения / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, В.С. Ивекеев, И.А [и др.] // Машиностроение: сетевой научный журнал. – 2014. – № 1. – С. 59–69.

2. Корнилов Г.П. Моделирование электротехнических комплексов промышленных предприятий / Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, Т.Р. Храмшин. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. – 239 с.

3. Кочкин В.И. Применение статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий / В.И. Кочкин, О.П. Нечаев. – М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2002. – 247 с.

4. Николаев А.А. Повышение эффективности работы статического тиристорного компенсатора сверхмощной дуговой сталеплавильной печи: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Магнитогорск, 2009. – 20 с.

5. Разработка усовершенствованной системы автоматического управления положением электродов дуговых сталеплавильных печей и агрегатов ковш-печь / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, П.Г. Тулупов [и др.] // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2014. – Т. 1, № 1. – С. 48–58.

6. Gyugyi L. Principles and applications of static, thyristor-controlled shunt compensators / L. Gyugyi, R.A. Otto, T.H. Putman // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. – 1978. – vol. PAS-97, № 5. – P. 1935–1945.

7. Hingorani N.G. Understanding FACTS. Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems / N.G. Hingorani, G. Narain, L. Gyugyi. – New York (USA): IEEE Press book, 2000. – 444 p.