ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СТАТИЧЕСКОГО ТИРИСТОРНОГО КОМПЕНСАТОРА В РЕЖИМЕ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

Николаев Александр Аркадьевич

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

Котышев Владислав Евгеньевич

студент, кафедра автоматизированного электропривода и мехатроники,
МГТУ им. Г.И. Носова,
РФ, г. Магнитогорск

E -mail: slavets151@mail.ru

THE STUDY OF ELECTRIC ARC FURNACES STATIC VAR COMPENSATOR WORKING WITH THE CONSTANT ACTIVE POWER CONTROL MODE

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

Vladislav Kotyshev

student, department «Automatic Electric Drive and Mechatronics»

Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Russia, Magnitogorsk

АННОТАЦИЯ

В статье приведено описание нового режима управления реактивной мощностью статического тиристорного компенсатора, направленного на поддержание постоянной активной мощности дуговой сталеплавильной печи. Исследование проводилось на имитационной модели электросталеплавильного комплекса, состоящего из дуговой сталеплавильной печи ёмкостью 250 тонн (ДСП-250) и статического тиристорного компенсатора с номинальной мощностью 330 МВАр (СТК-330 МВАр). По результатам эксперимента определены достоинства и недостатки разработанного режима управления СТК, даны общие рекомендации по его применению.

ABSTRACT

The paper deals with the new reactive power control mode of the static var compensator which maintains a constant active power of the electric arc furnace. The research based on simulation mode of the electric arc furnace (EAF-250) and the static var compensator (SVC-330 Mvar). Advantages and disadvantages of new mode were determined and general recommendations on its application were given.

Ключевые слова: статический тиристорный компенсатор; режимы управления тиристорно-реакторной группы; дуговая сталеплавильная печь; электрические характеристики дуговой печи.

Keywords: static var compensator; thyristor controlled reactor operation modes; electric arc furnace; electrical characteristics of electric arc furnace.

Мощные и сверхмощные дуговые сталеплавильные печи являются крупными потребителями реактивной мощности с нелинейной характеристикой и резкопеременным характером нагрузки. Работа таких установок нежелательна без применения специальных компенсирующих устройств по двум причинам. Во-первых, ухудшается качество электрической энергии в точке подключения ДСП; во-вторых, напряжение на первичной стороне печного трансформатора значительно снижается из-за протекания реактивной мощности по элементам питающей сети, а, как известно, мощность дуговой печи зависит от квадрата питающего напряжения. Сегодня на подобных сталеплавильных комплексах чаще всего устанавливают статические тиристорные компенсаторы. Они обладают следующими достоинствами:

·     плавное регулирование величины генерируемой реактивной мощности;

·     способность симметрирования нагрузки за счёт пофазного управления тиристорно-реакторной группой (ТРГ);

·     достаточное быстродействие в условиях резких изменений электрических режимов работы ДСП;

·     относительно невысокая стоимость по сравнению с другими быстродействующими компенсаторами (например, типа СТАТКОМ).

Современные системы управления СТК позволяют реализовать два режима регулирования ТРГ: обеспечение нулевого потребления реактивной мощности из питающей сети и стабилизация напряжения на номинальном уровне в точке общего подключения с ДСП.

При работе СТК в режиме регулирования по реактивной мощности с уставкой  МВАр реактивная составляющая тока нагрузки полностью компенсируется, за счёт этого в питающей сети имеют место лишь незначительные потери напряжения из-за протекания активной составляющей токов печи. Если напряжение во внешней сети стабильно, то на шинах распределительного устройства (РУ), к которому подключен печной трансформатор, будет сохраняться напряжение близкое к номинальному, что позволит работать печи на проектных мощностях. В случае постоянно пониженного напряжения в питающей сети целесообразна работа СТК в режиме генерация реактивной мощности в сеть, с целью повышения напряжения на шинах РУ электросталеплавильного комплекса до номинального уровня. Таким образом, работа СТК в данном режиме предполагает задание уставки по реактивной мощности для поддержания номинального напряжения на шинах РУ с целью повышения мощности ДСП до номинальной величины.

Достаточно часто напряжение во внешней сети не является постоянным и изменяется в некоторых пределах. В этой ситуации, СТК, работая в режиме , не контролирует отклонение напряжения в точке общего подключения с ДСП, поэтому во время работы печи его уровень может сильно отклоняться относительного номинального значения. Для непосредственного контроля напряжения на шинах РУ систему автоматического управления ТРГ переводят в режим регулирования по напряжению. Компенсатор за счёт автоматического изменения величины суммарной реактивной мощности в сети стабилизирует напряжение в точке общего подключения компенсатора с ДСП. Данным режим регулирования облегчает задачу контроля над напряжением на первичной стороне печного трансформатора, СТК фактически берёт на себя функцию подбора величины уставки по реактивной мощности в каждый момент времени. Оператору остаётся задать уставку на регулирование по напряжению для работы ДСП с требуемой мощностью.

Как можно видеть, описанные режимы работы СТК позволяют влиять на величину мощности, вводимую в рабочее пространство печи, лишь косвенно, оперируя электрическими параметрами сети (реактивной мощностью и напряжением).

Разработанный режим управления СТК предусматривает прямое задание уставки регулирования по активной мощности ДСП в систему автоматического управления ТРГ. Данный режим работы СТК позволяет отказаться от использования устройства РПН (регулирования под нагрузкой) печного трансформатора и системы автоматического управления положением электродов в качестве средств регулирования мощности дуг. При задании уставки по активной мощности в систему управления ТРГ, компенсатор автоматически подстраивает электрические параметры питающей сети (главным образом напряжение) для обеспечения требуемой мощности ДСП. Режим регулирования был реализован на имитационной модели электросталеплавильного комплекса ДСП-250 и СТК-330 МВАр, разработанной в математическом пакете Matlab с приложением Simulink. Для этого в модель системы автоматического управления ТРГ был введён дополнительный обратный канал по активной мощности, составленный по аналогии с обратным каналом по реактивной мощности (рис. 1) [5]. Величина активной мощности ДСП определяется по ортогональным составляющим прямой последовательности тока и напряжения дуг [1, 6]. В имитационной модели исследуемого сталеплавильного комплекса СТК был перенесён за реактор печного трансформатора с целью расширения его регулировочной способности [2; 3]. Для нового режима работы СТК были сняты электрические характеристики ДСП при 4-х уставках регулирования от 100 МВт до 160 МВт с шагом 20 МВт (рис. 2). Следует отметить, что графики зависимости  получены при одной ступени РПН печного трансформатора и неизменной длине дуг. Резерв по мощности, заложенный в СТК-330 МВАр, оказался достаточным для реализации разработанного режима на всём диапазоне рабочих токов ДСП (от  до ).

Рисунок 1. Функциональная схема обратного канала по активной мощности системы регулирования тиристорно-реакторной группы

Существенным недостатком данного режима в исходном виде является отсутствие контроля над коэффициентом реактивной мощности на границе балансового раздела предприятия () и уровнем напряжения на шинах РУ электросталеплавильного комплекса. В качестве примера на рис. 3 приведены графики изменения мощности дуг и напряжения на шинах РУ при различных режимах регулирования СТК. График под цифрой 1 (на рис. 3, а и 3, б) получен в режиме стабилизации напряжения за реактором печного трансформатора на номинальном уровне 34,5 кВ (исследуемый комплекс расположен на зарубежном предприятии, где уровень напряжения 34,5 кВ считается номинальным), под цифрой 2 – при работе ТРГ с уставкой 37 кВ. Видно как СТК для поддержания неизменной мощности дуг автоматически занижает напряжение на шинах РУ, чтобы «срезать» часть естественной рабочей характеристики (см. рис. 3 – графики 1, 2) на диапазоне токов дуг, при которых мощность ДСП больше 160 МВт. Под естественной рабочей характеристикой здесь понимается зависимость , снятая при классическом режиме регулирования СТК.

Обратная ситуация наблюдается при удлинении дуг и уменьшении их мощности на естественной характеристике. В этом случае СТК начинает повышать напряжение с целью сохранения мощности ДСП. В периоды технологических пауз (остановка печи) напряжение на шинах РУ в имитационной модели возросло практически до 53 кВ, что, естественно, недопустимо. Для того чтобы исключить возникновение данной ситуации предложен комбинированный режим работы СТК. Он заключается в автоматическом изменении режима регулирования ТРГ в зависимости от наличия нагрузки [4]. В периоды плавки ДСП компенсатор будет поддерживать неизменную мощность дуг, во время технологических пауз переходить в режим поддержания номинального напряжения на шинах. Экспериментальным способом было выяснено, что при токе дуг равном 74,5 кА коэффициент реактивной мощности (в режиме СТК) выходит за нормативное значение, поэтому для наглядного представления работы комбинированного режима ТРГ переход был осуществлён в этот момент. Графики изменения мощности дуг и напряжения для этого случая приведены на рис. 3 под цифрой 4. Однако упрощённый алгоритм по переключению режима регулирования не решает проблемы отклонений напряжения и нормативного  за допустимые значения во время плавки ДСП на различных стадиях. Возможна разработка специального алгоритма задания уставок по активной мощности ДСП в систему автоматического управления ТРГ, которые будут равны проектным значениям в зависимости от используемых ступеней РПН печного трансформатора и рабочих кривых.

К недостаткам исследуемого режима также относится рост дозы фликера на шинах РУ, т. к. сглаживание скачков мощности дуг происходит за счёт ответного изменения уровня напряжения в точке подключения печного трансформатора.

Обычно для осуществления электрической развязки с более спокойной нагрузкой для питания мощных электросталеплавильных комплексов сооружают отдельное распределительное устройство. Поэтому к показателям качества электрической энергии в системе электроснабжения сталеплавильного комплекса не предъявляют жёстких требований. Однако искажение напряжения на шинах РУ, питающего ДСП, отражается во внешней сети. Сила этого воздействия зависит от мощности системы.

Таким образом, режим поддержания неизменной мощности ДСП является наиболее предпочтительным, если исходить из соображений технологии выплавки стали в дуговых печах.

Рисунок 2. Электрические характеристики ДСП при работе СТК в режиме поддержания неизменной мощности печи с уставками от 100 до 160 МВт

Рисунок 3. Рабочие характеристики (а) и графики зависимости напряжения от тока дуг (б) при работе СТК в режимах: 1 –  кВ; 2 –  кВ; 3 –  МВт; 4 – комбинированный режим по напряжению и мощности

Несмотря на это, разработанный режим управления ТРГ может быть использован только на комплексах, получающих питание от отдельного распределительного устройства из сети с высокой мощностью короткого замыкания, и только после проведения дополнительного исследования влияния работы комплекса «ДСП-СТК» на показатели качества электрической энергии.

Список литературы:
1. 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.
2. Короткие сети и электрические параметры дуговых электропечей: справ. / Я.Б. Данцис, Л.С. Кацевич, Г.М. Жилов [и др.]. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1987. – 247 с.
3. Разработка усовершенствованной схемы включения и новых алгоритмов управления статического тиристорного компенсатора с целью повышения эффективности работы дуговой сталеплавильной печи ДСП-250 ЗАО «MMK Metalurji» / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, В.В. Анохин [и др.]. – 2015. – Т. 2, – № 1. – С. 170–174.
4. Николаев А.А. Повышение электрической мощности дуговой сталеплавильной печи за счёт компенсирующих устройств / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, В.В. Анохин // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2015. – Т. 2, – № 3. – С. 3–7.
5. Николаев А.А. Повышение эффективности работы статического тиристорного компенсатора сверхмощной дуговой сталеплавильной печи: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Магнитогорск, 2009. – 20 с.
6. Hirofumi Akagi. Instantaneous power theory and applications to power conditioning / A. Hirofumi, E. Hirokazu Watanabe, A. Mauricio. – New York (USA): IEEE Press book, 2007. – 389 p.