СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СТК С ФУНКЦИЕЙ КОНТРОЛЯ КОЭФФИЦИЕНТА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ПРИ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ НА ШИНАХ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО КОМПЛЕКСА «ДСП-СТК»

THE STATIC VAR COMPENSATOR AUTOMATIC CONTROL SYSTEM WITH PHASOR POWER FACTOR MONITORING FUNCTION IN VOLTAGE STABILIZATION ON BUSBAR DISTRIBUTION UNIT OF ELECTROMETALLURGY COMPLEX “EAF-SVC” CONTROL MODE

Aleksandr Nikolaev

candidate of science, head of the department “Automated Electric Drive and Mechatronics”, assistant professor of the Nosov Magnitogorsk State Technical University,

Russia, Magnitogorsk

Vasiliy Anokhin

undergraduate, department “Power Supply Systems of Industrial Enterprises”, Nosov Magnitogorsk State Technical University,

Russia, Magnitogorsk

Faina Mutallapova

undergraduate, department “Automated Electric Drive and Mechatronics”, Nosov Magnitogorsk State Technical University,

Russia, Magnitogorsk

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследования по разработке усовершенствованного канала обратной связи по напряжению в системе управления статического тиристорного компенсатора (СТК). При использовании режима регулирования по напряжению контроль над величиной реактивной мощности комплекса «ДСП-СТК» отсутствует, и в случае большой выработки или потребления последней коэффициент реактивной мощности может быть нарушен. Для соблюдения нормативной величины  на границе балансовой принадлежности предприятия и электроснабжающей организации контур регулирования по напряжению дополнен системой ограничения по коэффициенту реактивной мощности, которая предотвращает превышение . Исследование особенностей работы улучшенной системы управления СТК проводилось на имитационной модели комплекса «ДСП-120-СТК» в приложении Simulink математического пакета Matlab.

ABSTRACT

The paper deals with results of development advanced voltage feedback channel in control system of static var compensator (SVC). If SVC works in voltage stabilization mode, a normative phasor power factor can be exceed due to high generation or consumption of reactive power. The voltage feedback channel is supplemented by the limiting system of phasor power factor in order to control this parameter at the electric-power distribution systems balance affiliation boundary between plant and electricity supply company. Features of advanced SVC control system are investigated with a simulation model of “EAF-SVC” unit developed in the Matlab’s Simulink application.

Ключевые слова: статический тиристорный компенсатор, система управления тиристорно-реакторной группы, дуговая сталеплавильная печь, электрические характеристики дуговой сталеплавильной печи, нормативный коэффициент реактивной мощности.

Keywords: static var compensator, control system of a thyristor controlled reactor, electric arc furnace, electrical characteristics of an electric arc furnace, normative phasor power factor.

Введение.

В настоящее время системы управления статических тиристорных компенсаторов (СТК), устанавливаемых в комплексе с дуговыми печами, предусматривают два основных режима регулирования: по реактивной мощности и напряжению. В большинстве случаев систему управления тиристорно-реакторной группы (ТРГ) в составе СТК настраивают на обеспечение режима нулевого потребления реактивной мощности из питающей сети, либо стабилизацию напряжения на номинальном уровне в точке подключения СТК [4; 5].

Первый режим работы ТРГ ( МВАр) полностью исключает реактивную составляющую тока нагрузки. В данном случае по элементам питающей сети протекают чисто активные токи, вследствие этого потери напряжения до точки подключения печного трансформатора и потери электрической энергии комплекса «ДСП-СТК» будут минимальными. При условии достаточно стабильного уровня напряжения в питающей сети и высокой мощности короткого замыкания на шинах сталеплавильного комплекса напряжение на первичной стороне печного трансформатора будет близко к номинальному. С учётом того, что активная мощность ДСП находится в нелинейной зависимости от напряжения, алгоритм регулирования СТК  МВАр является оптимальным с точки зрения энергетических показателей комплекса. Кроме этого, выбор данного режима обусловлен необходимостью обеспечения нормативного коэффициента реактивной мощности () на границе балансового раздела между предприятием и электроснабжающей организацией [2; 9]. В действительности величина напряжения в сети не постоянна и изменяется в некоторых пределах. Мощные электросталеплавильные комплексы получают питание от подстанций глубокого ввода (ПГВ) – это подстанции, сооружаемые как можно ближе к нагрузке и получающие питание непосредственно от сети высокого напряжения (220 кВ). Их использование необходимо для минимизации влияния мощной резкопеременной нагрузки на качество электроэнергии в точке общего подключения электроприёмников на высоком напряжении 220 кВ [1; 3]. Также в данном случае снижаются потери электрической энергии из-за протекания больших нагрузочных токов. На ПГВ устанавливаются понижающие трансформаторы с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), предназначенные для поддержания номинального напряжения на шинах сталеплавильного комплекса. Такое регулирование осуществляется с определённым шагом, величина которого ограничена количеством ступеней, и трансформатор работает с одним положением РПН на некотором диапазоне первичного напряжения. Управление устройством РПН обычно осуществляется автоматикой АРНТ (автоматического регулирования напряжения трансформатора), однако на практике данная система часто выводится из работы из-за соображений сохранения ресурса РПН, и переключения осуществляются вручную. При работе СТК в режиме обеспечения нулевого потребления реактивной мощности уровень напряжения в сети 35 кВ зависит главным образом от текущего значения напряжения в сети 220 кВ. В период записи экспериментальных данных напряжение на шинах сталеплавильного комплекса было постоянно понижено.

Для поддержания номинального напряжения на первичной стороне печного трансформатора ДСП-120 было предложено перевести СТК в режим стабилизации напряжения. Как было сказано выше, коэффициент трансформации сетевого трансформатора регулируется вручную, исходя из уровня напряжения на шинах сталеплавильного комплекса. Если СТК переключить в режим , то компенсатор за счёт управления величиной реактивной мощности в сети будет обеспечивать выставленную уставку в пределах своей заложенной мощности [6]. Оперативный персонал подстанции уже не сможет ориентироваться по напряжению в сети 35 кВ. В ходе проведённого исследования определены ступени РПН сетевого трансформатора соответствующие диапазонам первичных напряжений, при которых  находится в допустимых пределах. Однако переключения РПН производятся вручную, поэтому следует учесть низкую скорость принятия решений по сравнению с действием автоматики, настройка и параметры которой в свою очередь обычно не учитывают особенностей работы комплекса «ДСП-СТК». К тому же заключение о соблюдении нормативного коэффициента реактивной мощности на всех стадиях плавки, которое подтверждено на имитационной модели «ДСП-120-СТК», относится только к той выборке экспериментальных данных, записанных за определённый интервал времени на исследуемом электросталеплавильном комплексе. Поэтому всё это не исключает возможность нарушения нормативного  в других условиях при работе СТК-100 МВАр по алгоритму управления .

Разработка усовершенствованного контура регулирования по напряжению в системе управления ТРГ.

Алгоритм регулирования СТК по напряжению является наиболее предпочтительным с точки зрения технологии выплавки стали дуговых печах, однако в этом случае отсутствует контроль над величиной реактивной мощности потребляемой или генерируемой в сеть, и соответственно, значение коэффициента реактивной мощности может выйти за допустимые пределы, что является нежелательным.

Для контроля коэффициента реактивной мощности контур регулирования по напряжению системы управления ТРГ дополнен системой ограничения по . Структурная схема улучшенного контура регулирования по напряжению представлена на рис. 1. На вход регулятора напряжения поступают мгновенные значения трёх линейных напряжений, измеренных на шинах сталеплавильного комплекса. Далее рассчитываются их действующие значения, которые сравниваются с уставкой на регулирование ( кВ). Ошибка  поступает на вход (1) блока умножения.

Входными параметрами системы ограничения по  являются сигналы мгновенной величины коэффициента реактивной мощности () и его нормативного значения (). Модуль  сравнивается с нормативным значением, сигнал рассогласования  проходит через блок ограничения (БО), который пропускает только сигналы с положительной величиной. Если при работе комплекса «ДСП-СТК»  находится в области допустимых значений, то на вход БО подаётся отрицательный сигнал, поэтому на выходе блока ограничения будем иметь 0. Как только  превысит , на выходе БО появится сигнал, равный по величине . Далее этот сигнал умножается на -1 или +1 в зависимости от характера суммарной реактивной мощности комплекса «ДСП-120-СТК». Если  имеет ёмкостный характер (реактивная мощность отрицательна по величине), то на выходе блока sign имеем -1, если индуктивный (реактивная мощность положительна), то +1.

Рисунок 1. Структурная схема усовершенствованного контура регулирования по напряжению системы управления ТРГ

В усовершенствованном контуре регулирования по напряжению предусмотрен один ПИ-регулятор с фиксированными коэффициентами у пропорциональной и интегральной частей, через который работают регулятор напряжения и система ограничения по . При активации системы ограничения по  коэффициенты ПИ-регулятора изменяются для сохранения заданного быстродействия системы управления.

Кроме ошибки регулятора  на блок умножения поступает ещё 2 сигнала из системы ограничения по . Вход (2) блока умножения предназначен для блокировки работы контура регулирования по напряжению. Если сигнал на выходе БО равен нулю, то блок сравнения с нулём (БС1) выдаёт 1. В случае неравенства нулю (при нарушении ) на вход (2) поступает 0, полностью блокируя работу контура регулирования по напряжению. На сумматор подаётся только ошибка из системы ограничения, и управление СТК реализуется по коэффициенту реактивной мощности. Регулятор через некоторое время сводит рассогласование между  и  к нулю, после этого снова запускается канал по напряжению. Если на протяжении некоторого периода времени обеспечение уставки регулирования по напряжению будет приводить к нарушению нормативного , то в системе управления ТРГ будет иметь место попеременная работа контура регулирования по напряжению и системы ограничения по коэффициенту реактивной мощности.

Контур регулирования по напряжению имеет высокое быстродействие и после исправления  резко изменяет уставку на реактивную проводимость фаз ТРГ, что приводит к повторному нарушению . Система ограничения исправляет ситуацию и снова после активации регулятора напряжения возникает скачок  в сторону нарушения. Для уменьшения колебаний  в период отработки ограничителя в системе управления ТРГ предусмотрено замедление работы контура регулирования по напряжению в первый момент возврата коэффициента реактивной мощности в допустимый диапазон. После того, как ошибка регулирования системы ограничения снизиться до 0 на вход блока формирования импульса (БФИ) будет подана 1. Данный блок генерирует единичный импульс определённой длительности при росте входного сигнала. После формирования импульса в БФИ значение 0,9 вычитается из 1 и на вход (3) блока умножения подаётся 0,1, тем самым снижая быстродействие контура регулирования по напряжению в 10 раз. В остальное время на вход (3) поступает 1, никак не влияя на работу регулятора напряжения.

В технологические паузы дуговой печи система ограничения по коэффициенту реактивной мощности будет работать некорректно, т.к. активная мощность ДСП в этот период равна нулю, соответственно  стремится к бесконечности. Для отключения ограничителя по  в системе управления предусмотрен контроль нагрузки, который ориентируется на среднюю величину токов дуг по трём фазам (рис. 1). Сигнал  поступает на блок сравнения БС2. В нагрузочном режиме на выходе этого блока имеем 1, т.к. токи дуг больше 30 кА, при отключенной печи – 0, тем самым блокируя работу ограничивающего канала по .

Исследование работы усовершенствованной системы управления СТК в режиме стабилизации напряжения.

Исследование особенностей работы СТК после улучшения контура регулирования по напряжению проведено на имитационной модели сталеплавильного комплекса «ДСП-120-СТК». Данная модель включает: 1) питающую сеть 220/35 кВ и силовую часть СТК-100 МВАр; 2) систему управления СТК-100 МВАр (MACH2); 3) электрический контур ДСП-120; 4) систему управления перемещением электродов ДСП (HiREG); 5) блок задания отклонений напряжения в сети 220 кВ; 6) блок формирования случайных возмущений дуг. Новизна разработанной модели заключается в том, что она включает все основные компоненты электрической части комплекса «ДСП-СТК» и позволяет проводить комплексный анализ особенностей его работы с учётом как внутренних факторов (стадия плавки ДСП, режим работы СТК и др.), так и внешних (параметры питающей сети) [7]. В имитационной модели контроль  осуществляется на шинах электросталеплавильного комплекса с номинальным напряжением 35 кВ. Для этого уровня напряжения нормативное значение коэффициента реактивной мощности равно  [8]. Следует отметить, что на практике мгновенный  перед сравнением с нормативным значением усредняется за 30 мин наблюдения. В усовершенствованной системе управления ТРГ реализовано ограничение мгновенного , поэтому его усреднённая величина также не превысит нормативных значений.

На рис. 2 приведены графики изменения интересующих параметров, которые получены на имитационной модели «ДСП-120-СТК». Графики рис. 2, а-г записаны во время работы СТК в исходном режиме стабилизации напряжения. Уровень напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса неизменен на протяжении всего времени расчёта (рис. 2, а). По зависимости  (рис. 2, б) видно, что в периоды А и В нормативный  нарушен в индуктивной полуплоскости графика, в период Б – в ёмкостной. Из-за роста напряжения на первичной стороне сетевого трансформатора (интервалы А и В) ТРГ с целью поддержания номинального уровня напряжения потребляет дополнительную реактивную мощность (рис. 2, г), доля которой по сравнению с активной мощностью ДСП возрастает, что в последствии приводит к нарушению . В период Б наблюдается обратная ситуация: СТК генерирует дополнительную реактивную мощность (суммарная  комплекса имеет ёмкостный характер). Средняя активная мощность печи близка к номинальному значению, которое определяется уставкой полной проводимости системы управления положением электродов, а колебания нагрузки обусловлены нестабильным горением дуг из-за технологических особенностей выплавки стали в дуговых печах. Графики рис. 2, д-и сняты при аналогичных параметрах сталеплавильного комплекса после внедрения ограничителя по коэффициенту реактивной мощности в систему управления ТРГ. В периоды А-В нормативный  не нарушен.

Рисунок 2. Графики электрических характеристик комплекса «ДСП-120-СТК» при работе СТК в исходном режиме стабилизации напряжения (а-г) и после внедрения системы ограничения по  (д-и)

Система ограничения по  блокирует работу регулятора напряжения таким образом, чтобы величина суммарной реактивной мощности комплекса «ДСП-СТК» была не больше значений, при которых регистрируемый  превысит . Нарушение режима стабилизации напряжения можно увидеть по графику рис. 2, д. Напряжение в сети 35 кВ на интервалах времени А и В выше номинального уровня, потребление реактивной мощности из сети ограничено на 30 МВАр – это значение определяется активной мощностью ДСП и уставкой ограничивающего канала (рис. 2, и). В период Б суммарная реактивная мощность, генерируемая компенсатором в сеть, ограничивается на уровне – 27 МВАр вместо – 34 МВАр (без контроля ), поэтому напряжение на шинах комплекса ниже 35 кВ. В периоды А и В мощность дуг ДСП-120 возросла из-за положительного отклонения напряжения на первичной стороне печного трансформатора.

Выводы.

1.  Современные системы управления СТК обычно предусматривают несколько режимов работы. Чаще всего применяются алгоритмы регулирования по реактивной мощности и напряжению.

2.  Режим управления СТК по реактивной мощности рекомендуется применять при стабильном напряжении питания. Данный алгоритм наиболее предпочтителен с точки зрения снижения потерь электрической энергии в элементах сети до печного трансформатора, коэффициент реактивной мощности комплекса будет близок к нулю. Однако напряжение на шинах сталеплавильного комплекса при работе СТК по реактивной мощности зависит от его величины на первичной стороне сетевого трансформатора. В условиях отрицательного отклонения напряжения во внешней питающий сети дуговая печь будет работать с пониженной производительностью.

3.  При сильных отклонениях напряжения во внешней питающей сети 220 кВ желательно использовать в САУ СТК режим стабилизации напряжения. В этом случае производительность ДСП будет поддерживаться на номинальном уровне. Недостатком этого алгоритма управления является отсутствие контроля над величиной реактивной мощности вырабатываемой или потребляемой из сети для реализации режима. Из-за этого нормативный коэффициент реактивной мощности может быть нарушен. Для устранения негативных явлений, связанных с нарушением , разработан усовершенствованный канал обратной связи по напряжению, который дополнен системой ограничения по коэффициенту реактивной мощности. В ходе проведённого исследования получены графики, демонстрирующие способность системы ограничения выполнять свою функцию при превышении нормативного .

Список литературы:

1. Журавлёв Ю.П. Способы управления электрическим режимом электродуговых печей / Ю.П. Журавлёв, Г.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин [и др.] // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 2006. – № 4. – С. 76–80.

2. Компенсирующие устройства в системах промышленного электроснабжения: монография / Г.П. Корнилов, А.С. Карандаев, А.А. Николаев [и др.] – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. – 235 с.

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

4. Николаев А.А. Исследование режимов работы дуговых сталеплавильных печей в комплексе со статическими тиристорными компенсаторами реактивной мощности. Часть 1 / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, И.А. Якимов // Электрометаллургия. – 2014. – № 5. – С. 15–22.

5. Николаев А.А. Исследование режимов работы дуговых сталеплавильных печей в комплексе со статическими тиристорными компенсаторами реактивной мощности. Часть 2 / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, И.А. Якимов // Электрометаллургия. – 2014. – № 6. – С. 9–13.

6. Николаев А.А. Определение оптимального режима работы статического тиристорного компенсатора в условиях сильных отклонений питающего напряжения / А.А. Николаев, В.В. Анохин, В.С. Ивекеев // Инновации в науке: cб. ст. по материалам LII междунар. науч. – практ. конф. – Новосибирск: Изд-во АНС «СибАК», 2015. – Часть 1, № 12 (49). – С. 46–55.

7. Николаев А.А. Сравнительный анализ режимов регулирования статического тиристорного компенсатора в системе электроснабжения дуговой сталеплавильной печи высокой мощности / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, В.В. Анохин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – 2016. – Т. 16, № 2. – С. 35–46.

8. О порядке расчёта значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии: Приказ Министерства энергетики РФ от 23 июня 2015 г. № 380 // Зарегистрирован в Минюсте России 22 июля 2015 г. № 38151.

9. Особенности компенсации реактивной мощности на крупном металлургическом предприятии / А.С. Карандаев, Г.П. Корнилов, А.А. Николаев [и др.] // Промышленная энергетика. – 2010. – № 12. – С. 43–49.