Повышение эффективности электротехнических комплексов предприятий чёрной металлургии за счёт регулируемых компенсирующих устройств

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тема:

Повышение эффективности электротехнических комплексов предприятий чёрной металлургии за счёт регулируемых компенсирующих устройств

Корнилов Геннадий Петрович

Магнитогорск - 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Карандаев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Салтыков Валентин Михайлович

доктор технических наук, профессор Осипов Олег Иванович

доктор технических наук, профессор Дмитриев Борис Федорович

Ведущая организация: ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.111.04 к.т.н., доцент К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергосбережение - эффективное использование энергоресурсов, в том числе и электрической энергии, является одним из приоритетных направлений развития современной экономики как у нас в стране, так и за рубежом. На принятие действенных мер, обеспечивающих эффективное электропотребление, направлены обращения и указы Президента России, в частности, Федеральный закон "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» от 23.11.2009. Острота проблемы обусловлена непрерывно возрастающим потреблением невосполнимого углеводородного сырья и увеличением стоимости электроэнергии, производимой на его основе.

Металлургические предприятия России потребляют более 18% вырабатываемой электрической энергии. С переходом на рыночные отношения составляющая энергозатрат в себестоимости металлопродукции выросла более чем в три раза с 10-12% до 35-40%. Десятилетия неэффективного использования энергоресурсов создали огромный потенциал энергосбережения.

Мощные электротехнические комплексы черной металлургии, в первую очередь, главные электроприводы прокатных станов, сверхмощные дуговые сталеплавильные печи (ДСП), как приемники электрической энергии, характеризуются нелинейной и несимметричной нагрузкой с резкопеременными характером ее изменения. Их суммарная установленная мощность в масштабах отдельного предприятия составляет не менее половины всей потребляемой мощности. При эксплуатации таких электротехнических комплексов наиболее актуальными являются две проблемы:

- во-первых, снижение электропотребления при сохранении заданной производительности комплекса;

- во-вторых, соблюдение требований электромагнитной совместимости (ЭМС) потребителей с питающей сетью.

С увеличением протяженности электрических сетей и установленной мощности потребителей существенно возросли потери электроэнергии при ее транспортировке. Во внутризаводских сетях 35-110 кВ они достигают 10-15% передаваемой мощности. Значительная часть этих потерь вызвана перетоками реактивной мощности, что свидетельствует о низкой степени её компенсации в месте потребления. Существующие показатели отечественных предприятий - 0,2-03 квар на один кВт установленной мощности электростанций, значительно уступают аналогичным показателям в промышленно развитых странах. Дополнительные потери в силовом электрооборудовании вызывают высшие гармоники в кривой питающего напряжения. Основной причиной отклонений и колебаний напряжения в узле нагрузки являются набросы реактивной мощности.

Наиболее эффективными мероприятиями, обеспечивающими снижение потребления электроэнергии приемниками черной металлургии, являются повышение её качества и компенсация реактивной мощности. В этой связи актуальной и практически значимой является задача наиболее полного использования всех установленных компенсирующих устройств металлургического комплекса. Это относится, в первую очередь, к статическим тиристорным компенсаторам сверхмощных ДСП, а также мощным синхронным турбодвигателям кислородных и компрессорных станций.

Большой вклад в развитие теории и разработку непосредственно компенсирующих устройств внесли отечественные и зарубежные учёные: В.А. Веников, Л.А Жуков, С.Р. Глинтерник, А.В. Баев, Ю.И. Хохлов, Я.Ю. Солодухо, Л.А. Добрусин, А.Г. Павлович, В.А. Чванов, О.П. Кочкин, В.И. Нечаев, Л.А. Кучумов, В.М. Салтыков, В.П. Рубцов, Г.Я. Вагин, Ю.С. Железко, И.В. Жежеленко, L. Gyugyi, N.G. Hingorani.

Вместе с тем, до настоящего времени не сформулирован системный подход к оценке роли компенсирующих устройств в обеспечении эффективного функционирования крупного металлургического предприятия с уникальными комплексами мощностью 100 МВт и выше; не содержится сведений о широком промышленном внедрении регулируемых компенсирующих устройств для тиристорных электроприводов прокатных станов, не рассмотрены вопросы повышения эффективности использования компенсирующих устройств сверхмощных ДСП и оценки их технико-экономических показателей с учётом режимов работы компенсирующих устройств.

Решению отмеченных проблем посвящены исследования и разработки, обобщённые в диссертации и определяющие её сущность и актуальность.

Цель работы - разработка и внедрение научно обоснованных технических решений, обеспечивающих снижение электропотребления и повышение качества электроэнергии энергоёмких электротехнических комплексов металлургических предприятий, за счёт эффективного использования регулируемых компенсирующих устройств.

Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ основных причин как технологического, так и электрического характера снижения энергетических показателей основных электротехнических комплексов металлургического производства.

2. Экспериментальные исследования воздействий мощных электроприёмников с нелинейными характеристиками на питающую сеть, расчёт показателей электромагнитной совместимости.

3. Исследование компенсированных тиристорных преобразователей постоянного тока и разработка системы управления реактивной мощностью электроприводов прокатных станов с использованием синхронного двигателя (СД) с автоматическим регулированием возбуждения (АРВ).

4. Разработка математических моделей исследуемых электротехнических комплексов с использованием аппарата математической статистики и теории вероятности для расчёта энергетических показателей при случайных возмущениях.

5. Обоснование рациональных диапазонов изменения реактивной мощности (в режиме генерации и потребления) статического тиристорного компенсатора ДСП. Исследование влияния новых режимов на энергетические параметры печи и показатели электромагнитной совместимости комплекса «дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» «ДСП- СТК» с питающей сетью.

6. Разработка способа снижения бросков тока при включении печного трансформатора за счёт кратковременного перевода компенсатора в режим потребления реактивной мощности.

7. Разработка систем АРВ с переменной структурой для мощных СД с ударной нагрузкой, обеспечивающих демпфирование качаний ротора за счёт регулирования активной составляющей тока статора и генерирование реактивной мощности в режиме холостого хода.

8. Экспериментальное исследование разработанных положений, их апробация и внедрение полученных результатов.

Методы исследований. В работе использованы базовые положения теории автоматического управления, автоматизированного электропривода и силовой электроники, методы математической статистики и операционного исчисления. Решения отдельных задач получены с применением аппарата передаточных функций и математического моделирования в среде Matlab-Simulink. Моделирование выполнялось на основе прямого решения системы интегро-дифференциальных уравнений, в том числе нелинейного уравнения Касси для проводимости дуги. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена допустимым расхождением между результатами теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на действующем оборудовании.

Научная новизна работы заключается в том, что она углубляет и расширяет теоретические представления об эффективном использовании регулируемых устройств компенсации реактивной мощности энергоёмких электротехнических комплексов; предлагает новые принципы и режимы управления статических компенсаторов сверхмощных дуговых печей и тиристорных электроприводов прокатных станов, раскрывает возможности и резервы регулирования реактивной мощности синхронных двигателей.

В работе получены следующие основные научные результаты:

1. На основании анализа рабочих и электрических характеристик сформулированы условия эффективного электропотребления основных электротехнических комплексов металлургического производства: прокатных станов, дуговых электропечей, сетевых синхронных двигателей за счёт регулирования реактивной мощности. Обоснованы критерии оптимизации при выборе мощности и режимов работы компенсирующих устройств.

2. Разработаны принципы использования компенсирующей способности мощных СД с ударным и спокойным характером изменения нагрузки и алгоритмы управления возбуждением таких двигателей. Сформулирован и реализован способ формирования тока возбуждения СД, обеспечивающий поддержание коэффициента мощности (), с наиболее простой структурой управления, разработаны способ и система автоматического регулирования возбуждения СД с переменной структурой, обеспечивающие регулирование активной составляющей тока статора при наличии нагрузки на валу двигателя и регулирование реактивной составляющей в режиме холостого хода.

3. Разработана динамическая математическая модель комплекса «ДСП-СТК», адекватно отражающая реальные физические процессы. Её особенность состоит в том, что учитывается постоянная времени дуги, кривая намагничивания трансформатора, гидравлическая система перемещения электродов, а также тиристорно-реакторная группа с цифровой системой управления тиристорами. Случайные возмущения задаются с помощью формирующих фильтров, передаточные функции которых синтезированы на основе статистической обработки экспериментальных данных действующей ДСП.

4. Теоретически обоснован и экспериментально исследован способ регулирования реактивной мощности статического компенсатора ДСП как в режиме ее генерирования, так и потребления. В первом случае достигается повышение производительности за счёт увеличения мощности, вводимой в печь, во втором случае создаются условия для снижения бросков тока при включении печного трансформатора.

5. Разработана методика расчёта генерирующей способности статического компенсатора при несимметричных режимах работы ДСП, включая аварийные. Она основана на построении фактической области распределения токов прямой и обратной последовательностей работающей печи во всех технологических режимах и наложении на неё расчётной области ограничений при различных уровнях генерирования реактивной мощности.

6. Разработан способ снижения бросков тока при включении печного трансформатора, отличающийся от известных тем, что цель достигается за счёт снижения напряжения на первичной обмотке трансформатора путём перевода статического компенсатора в режим потребления реактивной мощности.

7. Для тиристорных электроприводов прокатного стана разработаны способ и система автоматического управления реактивной мощностью в узле нагрузки, обеспечивающие подавление высших гармоник тока и стабилизацию напряжения за счёт регулирования реактивной мощности. Регулирование осуществляется ступенчатым изменением мощности конденсаторов с последующей плавной подстройкой реактивной мощности за счет изменения тока возбуждения СД черновой группы стана.

8. В результате теоретических и экспериментальных исследований разработанных систем управления реактивной мощностью подтверждены их работоспособность и высокая технико-экономическую эффективность.

На выполненные разработки получены 14 авторских свидетельств и патентов.

Практическая ценность и реализация работы заключается в следующем:

1. Разработано устройство, позволяющее практически реализовать принципиально новый способ автоматического управления реактивной мощностью в узле нагрузки 10 кВ широкополосного стана горячей прокатки, обеспечивающее регулируемую компенсацию реактивной мощности в зависимости от нагрузки главных электроприводов.

2. Разработана система управления возбуждением синхронных двигателей с ударной и спокойной нагрузкой, позволяющая повысить устойчивость двигателя и снизить потери активной мощности.

3. Усовершенствованные режимы работы СТК сверхмощной ДСП внедрены в электросталеплавильном цехе ОАО «ММК», что позволяет более эффективно использовать установленную мощность элементов компенсатора за счет генерирования избыточной реактивной мощности (порядка 25-30 Мвар) в энергоузел промышленного предприятия. В этом режиме достигается снижение потерь активной мощности комплекса «ДСП-СТК» на 13% при отключенной ДСП, и на 3% при работающей печи с использованием коррекции по напряжению в системе управления электрическим режимом. Увеличение напряжения на первичной обмотке печного трансформатора приводит к повышению электрической мощности, вводимой в печь, и производительности ДСП на 3-5%. Реактивная мощность, генерируемая в сеть 220 кВ двумя комплексами «ДСП-СТК», приводит к снижению ее поставок из внешней энергосистемы на 20%.

4. Перевод СТК в режим потребления реактивной мощности позволяет уменьшить амплитуду тока при включении печного трансформатора в среднем на 25%, что положительно сказывается на увеличении его ресурса и фильтрокомпенсирующих цепей СТК.

5. Разработана и практически исполнена система управления тиристорным ключом, обеспечивающая безтоковую коммутацию конденсаторных батарей.

6. Разработанная система АРВ, реализующая принцип параметрического управления, исполнена для синхронного двигателя турбокомпрессора 10000 кВт в кислородном цехе ОАО «ММК». Показано, что она обеспечивает устойчивую работу СД с коэффициентом мощности, равным единице во всех технологических режимах.

7. Разработанная система управления возбуждением СД с переключающейся структурой внедрена в эксплуатацию в электроприводах черновой группы стана 2000 ОАО «ММК». Экспериментально доказано, что ее использование обеспечивает снижение потерь электрической энергии за счет регулируемой компенсации реактивной мощности и повышение динамической устойчивости СД в режиме ударного приложения нагрузки.

8. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы на ОАО «ММК» превышает 7,6 млн. кВт•ч/год, что составляет в денежном выражении около 10 млн. руб./год.

9. Результаты работы рекомендуются для практического внедрения на аналогичных металлургических предприятиях с полным технологическим циклом - ОАО «НЛМК» (г. Липецк), ОАО «Северсталь» (г. Череповец), а также ОЭМК (г. Старый Оскол), ОАО «Мечел» (г. Челябинск) и др.; в учебном процессе при подготовке специалистов энергетических и электротехнических направлений.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждены правомерностью принятых исходных положений и корректным применением методов теории электропривода, теории автоматического управления и статистической обработки данных, а также достаточно малым расхождением результатов моделирования с результатами экспериментальных исследований на действующем оборудовании.

К защите представляются следующие основные положения:

1. Результаты экспериментальных исследований энергоемких электротехнических комплексов металлургического производства с нелинейной резкопеременной нагрузкой и оценка показателей электромагнитной совместимости этих комплексов на примере ОАО «ММК».

2. Способ и система автоматического управления реактивной мощностью и улучшения гармонического состава тока и напряжения в узле нагрузки, согласно которым осуществляется ступенчатое изменение емкости батарей статических конденсаторов и последующая плавная подстройка за счет автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя.

3. Способ и система автоматического регулирования возбуждения СД с переменной структурой, обеспечивающие регулирование активной составляющей тока статора при наличии нагрузки на валу СД и регулирование реактивной составляющей в режиме холостого хода.

4. Система управления возбуждением СД, обеспечивающая поддержание независимо от режима нагрузки, имеющая наиболее простую структуру по сравнению с известными системами АРВ.

5. Усовершенствованный режим работы СТК сверхмощной дуговой сталеплавильной печи с изменяющейся уставкой регулятора реактивной мощности, позволяющий генерировать избыточную реактивную мощность компенсатора в питающую сеть, снизить общие активные потери в комплексе «ДСП-СТК», повысить производительность дуговой печи и снизить броски тока печного трансформатора при его включении.

6. Методика определения генерирующей способности СТК при несимметричных режимах ДСП, отличительной особенностью которой является учет фактического распределения токов прямой и обратной последовательностей сети действующей ДСП во всех технологических режимах, включая аварийные.

7. Математическая модель комплекса «ДСП-СТК», отличающаяся от известных тем, что в ней учитываются особенности работы систем управления СТК и электрическим режимом ДСП, включая САР перемещения электродов, и случайные процессы горения дуг. Данная модель позволяет выполнить наиболее полные теоретические исследования статических и динамических режимов СТК.

8. Способ снижения бросков тока при включении печного трансформатора, отличающийся от известных тем, что уменьшение амплитуды тока происходит за счет снижения напряжения на первичной обмотке трансформатора путём перевода СТК в режим потребления реактивной мощности.

9. Способ снижения потерь активной мощности в электрическом контуре ДСП, заключающийся в автоматической коррекции уставок регулятора импеданса фаз ДСП в функции изменения напряжения на первичной обмотке печного трансформатора.

10. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанных систем управления реактивной мощностью, подтвердившие их работоспособность и высокую технико-экономическую эффективность применения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах энергетического факультета ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет», а также на следующих основных международных конгрессах, конференциях и совещаниях:

IV, V Международных (XV, XVI Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу АЭП-2004 (Магнитогорск, 2004 г.), АЭП-2007 (Санкт-Петербург, 2007 г.); Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (Томск, 2003 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007 г.); Международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Челябинск, 2007 г.); 2-ой Международной научно-технической конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем на промышленных предприятиях Российской Федерации» (Магнитогорск, 2007 г.); I Международной научно-практической конференции «Интехмет-2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.); VI Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008 г.), V Международной конференции-симпозиуме «Проблемы электромагнитной совместимости в силовой электронике», проводимой под эгидой общества IEEE (Гданьск, Польша), II Международной конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях РФ» (Магнитогорск, 2007 г.), научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (ГОУ ВПО «ЛГТУ», Липецк, 2006 г.), а также ежегодных научно-технических конференциях по итогам научно - исследовательских работ (Магнитогорск, МГТУ, 2003-2009 гг.).

Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры электроснабжения промышленных предприятий энергетического факультета ГОУ ВПО “Магнитогорский ГТУ им. Г.И. Носова” (март 2010) и заседанием кафедры автоматизированного электропривода ГОУ ВПО “Московский энергетический институт (Технический Университет)” (март 2010).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 51 печатных трудах, в том числе 23 статьи в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ по направлению «Энергетика», 14 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 185 наименований и 5 приложений на 28 страницах. Работа изложена на 378 страницах машинописного текста, содержит 183 рисунков, 34 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы, обозначена актуальность темы, сформулированы основные цели и задачи исследования, представлены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Первая глава посвящена анализу энергетических показателей основных электротехнических комплексов металлургических предприятий: широкополосных станов горячей прокатки, дуговых сталеплавильных печей и мощных синхронных турбодвигателей.

Данные электротехнические комплексы являются элементами районного энергетического узла, который, в свою очередь, является элементом более крупной региональной энергосистемы («Челябэнерго» ОАО «МРСК Урала») (рис. 1).

В тоже время, эти объекты сами являются сложными электротехническими системами, из которых выделяются наиболее ответственные подсистемы: электродвигатели, преобразователи электроэнергии, трансформаторное оборудование и т.д. Поэтому при анализе энергетических показателей, связанных с перетоками реактивной мощности, необходим учет потерь как непосредственно в электроустановках, так и в элементах электроснабжающей сети с учетом «вклада» энергосистемы в составляющую потерь.

В табл. 1 приведены обобщенные характеристики перечисленных комплексов на примере ОАО «ММК». Установленная мощность электрооборудования каждого из исследуемых объектов соизмерима с мощностью среднего промышленного предприятия. Очевидно, что расчет электрических потерь и разработка мероприятий по уменьшению потребления реактивной составляющей должны выполняться исходя из индивидуальных особенностей потребителя. Однако, с учетом их объединения в энергосистеме и схожести физических процессов, вызывающих потребление реактивной мощности, проведение исследований данных объектов в рамках единой диссертационной работы представляется целесообразной и методологически правильной задачей.

Рис. 1. План-схема Магнитогорского энергоузла

Таблица 1

Электротехнический комплекс	Установленная мощность МВт/ МВА	Производительность годовая	Дата пуска (реконструкции)	Основные электроприёмники
Электроприводы стана 2000	140/362	5 млн. т	1994	7 чистовых и 6 черн. клетей
Электроприводы стана 2500	88/320	3 млн. т	2006	7 чистовых и 4 черн. клети
Синхронные двигатели кислородных станций	150	160 млн. м3	1985-1990	10 СД по 10 МВт, 2 СД по 20 МВт
Дуговые сталеплавильные печи	300	2 млн. т	2006	2 ДСП по 150 МВА

Отечественные станы горячей прокатки оснащены тиристорными электроприводами постоянного тока с двухзонным зависимым регулированием скорости. С учетом высокой стоимости высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов, как альтернативного варианта, и относительно малым сроком эксплуатации установленного оборудования, очевидно, что в ближайшем будущем не произойдет существенных изменений в технологии производства горячекатаного листа и в составе установленного оборудования главных электроприводов.

Выполнен анализ причин ухудшения энергетических показателей тиристорных электроприводов. Представлены зависимости для определения составляющих мощности при синусоидальном напряжении и несинусоидальном токе. Показано, что основной причиной повышенного потребления реактивной мощности является глубокое регулирование выпрямленного напряжения. Тиристорный преобразователь должен удовлетворять противоречивым требованиям: с одной стороны - обеспечивать надежную работу электропривода за счет достаточного запаса по напряжению, а с другой - работать с минимальным потреблением реактивной мощности. Анализ материалов проектирования и эксплуатации показал, что эти вопросы решаются в одностороннем порядке, и преобразователи работают со значительным потреблением реактивной мощности, что приводит к неоправданным потерям электроэнергии.

Выполнен анализ электрических режимов сверхмощной ДСП четвертого поколения. На основании анализа технологических стадий плавки ДСП-180 ОАО «ММК» (рис. 2) показано, что электрическая нагрузка носит случайный резкопеременый характер, изменяясь от холостого хода (при обрыве дуг) до короткого замыкания (в случае касания электродов шихты).

Рис. 2. Основные технологические стадии плавки в ДСП-180

В процессе плавки необходимо регулировать мощность дуг, изменяя тем самым количество энергии, вводимой в печь. Активная мощность дуг регулируется путем изменения вторичного напряжения печного трансформатора, а при постоянном напряжении - за счёт изменения тока в электрическом контуре печи. Для поддержания заданного значения тока фазы и, соответственно, мощности дуги, используется система регулирования импеданса.

Представлена методика и выполнен расчет электрических характеристик ДСП-180 ОАО «ММК» для конечной стадии расплавления, на основании которых выполнен расчет параметров электромагнитной совместимости ДСП. За основу приняты по результатам статистической обработки экспериментальных данных с применением известной из теории автоматического управления “задачи о формирующем фильтре”.

Выполнено обоснование применения компенсирующих устройств для повышения эффективности исследуемых электротехнических комплексов. Показано, что задача повышения их эффективности решается на нескольких уровнях и таким образом, чтобы минимизировать заданный критерий-функционал. В современных экономических расчетах в качестве критерия целевой функции обычно выбирают суммарные убытки, включающие потери электроэнергии в элементах питающей и распределительной сетей с выделением активных потерь от высших гармоник, от перетоков реактивной мощности, а также технологических потерь от снижения производительности, вызванной отклонением рабочего напряжения или аварийным отключением комплекса от питающей сети

На практике такой комплексный подход не всегда может дать конкретное решение, поскольку оценить убытки от перечисленных выше составляющих весьма сложно, а количество значимых факторов, влияющих на целевую функцию, достаточно велико. Поэтому в качестве критерия оптимизации предложено рассматривать минимум суммарных потерь активной мощности (электроэнергии) в самом комплексе и дополнительно введённых компенсирующих устройствах () при условии, что показатели электромагнитной совместимости такой системы не превысят допустимых значений, установленных действующим стандартом.

Обоснованное применение компенсирующих устройств в составе электротехнических комплексов является наиболее эффективным решением задачи обеспечения их устойчивой работы и снижения потерь электроэнергии. По результатам сравнительного анализа электрических режимов для тиристорных электроприводов прокатных станов и ДСП сформулированы их общие и отличительные признаки. В результате подтвержден вывод о целесообразности общего концептуального подхода к разработке законов управления регулируемыми компенсирующими устройствами, что, наряду с перечисленными выше преимуществами, дополнительно позволит минимизировать затраты на установку компенсирующих устройств за счет максимального использования резервов установленного электрооборудования.

На основе литературного и патентного обзоров дана классификация существующих компенсирующих устройств, в результате обосновано построение системы управления реактивной мощностью на базе конденсаторной батареи с автоматическим переключением секций (ступенчатое регулирование) и плавным регулированием за счет использования компенсирующей способности СД черновой клети, работающего совместно с ТП.

Приведены структура и состав силового электрооборудования электротехнического комплекса «ДСП-СТК». Проанализированы основные требования, предъявляемые к СТК, показана эффективность их работы на действующей ДСП. На основании статистической обработки колебаний токов ДСП-180 рассчитаны передаточные функции формирующих фильтров, используемых в дальнейшем для адекватного воспроизведения случайных изменений токов ДСП в математической модели комплекса.

Выполнен анализ основных принципов построения САР статического тиристорного компенсатора, показана возможность изменения уровня реактивной мощности в точке подключения комплекса в существующей системе управления.

На основе анализа фактических данных по выработке и поставкам реактивной мощности Магнитогорского энергетического узла (МЭУ) и основных его сетевых районов, установлен существенный ее дефицит на уровне 300 Мвар для всего МЭУ и 60 Мвар для сетевого района, непосредственно связанного с рассматриваемым комплексом «ДСП-СТК». Впервые обоснована возможность работы СТК в режиме генерации реактивной мощности в питающую сеть.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований показателей электромагнитной совместимости мощных электротехнических комплексов и питающей сети. Проводилось исследование следующих показателей качества напряжения: коэффициента искажения синусоидальности , коэффициента несимметрии по обратной последовательности , установившегося отклонения напряжения , и кратковременной дозы фликера . Последний показатель представляет наибольший интерес для ДСП и его измерение проводилось путем осциллографирования мгновенных значений напряжений на шинах 35 и 220 кВ и последующей обработки в среде Matlab с помощью модели фликерметра.

На рис. 3 приведены диаграммы изменения активной и реактивной мощностей широкополосного стана горячей прокатки 2000 ОАО «ММК». Гистограммы распределения отклонения напряжений на шинах 10 кВ показаны на рис. 4 при трехсменном графике работы. Несинусоидальность напряжения на шинах 10 кВ в ходе эксперимента изменялась в диапазоне 10-14%. Результаты эксперимента показывают, что параметры качества напряжения в точке общего присоединения выходят за пределы действующего ГОСТ 13109-97. Поэтому применение специальных компенсирующих устройств необходимо.



Рис. 3. Суточные графики активной и реактивной мощностей на шинах 10 кВ широкополосного стана горячей прокатки 2000 ОАО «ММК»

Рис. 4. Гистограммы распределения отклонений напряжения (а - 7ч15 ч; б - 15ч23 ч; в - 23ч7 ч; г - при отключенном трансформаторе)

Основные показатели качества напряжения при работающей ДСП-180 на шинах 35 и 220 кВ приведены на рис. 5. Их сравнение с нормируемыми показателями отражено в табл. 2. Установлено, что коэффициенты искажения синусоидальности и несимметрии, а также кратковременная доза фликера в точке общего присоединения на шинах 220 кВ не превышают допустимых значений. Отмеченные показатели зафиксированы при работе СТК с неполным составом фильтрокомпенсирующих цепей - при отключенном фильтре четвертой гармоники с установленной мощностью 68 Мвар.

На рис. 6 приведены средние значения и стандартные отклонения мощностей ДСП на первичной стороне печного трансформатора (на шинах 35 кВ), из которых следует, что среднее значение реактивной мощности не превышает 110 Мвар. Таким образом, результаты эксперимента свидетельствуют о существенном запасе генерируемой реактивной мощности СТК, который в настоящее время фактически не используется.

Сложившуюся ситуацию подтверждают результаты аналитического обзора существующих компенсаторов в составе сверхмощных ДСП (мощность трансформатора - 100 МВА и выше), которые показывают, что мощность СТК в среднем на 20-40% превышает мощность печного трансформатора. Такое обстоятельство объясняется не только коммерческими интересами фирм - поставщиков оборудования, но и технической стороной проблемы, а именно - необходимого обеспечения, в первую очередь, производительности ДСП за счет поддержания напряжения на высокой стороне трансформатора, а также требованием соблюдения норм электромагнитной совместимости.

Рис. 5. Показатели качества напряжения при работе ДСП-180

Таблица 2

Анализ показателей качества электроэнергии на шинах 35 и 220 кВ

Показатели качества электроэнергии	Нормально допустимые значения	Фактическое знач.
	35 кВ	220 кВ
1. Коэффициент искажения синусоидальности	4%	2%	1,0 ч 4,0% (35 кВ) 0,3 ч 0,5% (220 кВ)
2. Коэффициент несимметрии напряжений	2%	2%	0,5 ч 1,5% (35 кВ) 0,5 ч 0,51% (220 кВ)
3. Кратковременная доза фликера напряжения	1,0	1,0	4,3 (35 кВ) 0,3 (220 кВ)



Рис. 6. Составляющие полной мощности ДСП-180 на шинах 35 кВ

В третьей главе приведены математические модели основных электротехнических комплексов металлургического производства: синхронного двигателя и тиристорного электропривода прокатного стана 2000 с двухзонным зависимым регулированием скорости, комплекса дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор.

Модели двух первых объектов реализованы в пакете Matlab-Simulink с использованием типовых блоков и элементов, входящих в библиотеку Sim Power System. Такой способ составления моделей использован при исследовании электропривода прокатного стана, имеющего в своем составе двенадцатипульсный тиристорный преобразователь. При этом анализируются отклонения и колебания напряжений на шинах 10 кВ при ударном приложении нагрузки, кратковременном понижении напряжения источника и других возмущениях. Кроме того, проводится расчет основных показателей ЭМС: состава высших гармоник, коэффициентов искажения синусоидальности кривых напряжения и тока, а также расчет потерь активной мощности в элементах системы электроснабжения.

Здесь же на примере модели синхронного двигателя показана компактная структура представления исходных уравнений в матричной форме, благодаря чему их число уменьшается вдвое по сравнению с традиционным представлением Matlab-Simulink (рис. 7).



Рис. 7. Матричная модель синхронного двигателя в пакете Matlab-Simulink

При разработке модели «дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» (рис. 8) использован блочный метод формирования основных подсистем комплекса - электрического контура, печного трансформатора и реактора, тиристорно-реакторной группы, фильтрокомпенсирующих цепей, систем регулирования СТК и управления электрическим режимом ДСП. При этом отдельные блоки реализованы на основе интегро-дифференциальных уравнений связей входа (линейных напряжений) и выхода (линейных токов). Особого внимания заслуживает описание элементов, не представленных в библиотеке типовыми блоками, адекватно отражающими физические процессы; к таковым относится, в частности, описание вторичного контура печи с электрической дугой и учётом взаимоиндуктивности короткой сети.

Такой способ оправдан также для составления моделей нелинейных элементов, например, печного трансформатора с учётом насыщения, что позволяет в полном объеме исследовать процессы при его включении на холостом ходу.

Разработанная математическая модель комплекса «ДСП-СТК», составленная на основе интегро-дифференциальных уравнений, отвечает основным требованиям, предъявляемым к моделям подобного рода, и обеспечивает:

- адекватное воспроизведение статических и динамических режимов комплекса для различных стадий плавок; возможность изучения несимметричных режимов ДСП и СТК;

- исследование бросков тока при включении печного трансформатора;

- расчёт основных показателей качества электрической энергии на шинах 35 и 220 кВ на различных стадиях плавки.

Моделирование электрического контура ДСП осуществляется с учетом нелинейных свойств дуги переменного тока на различных стадиях плавки. С этой целью в главе дан анализ известных способов математического описания электрической дуги, который позволил выбрать модель, наиболее удовлетворяющую этим условиям.

Моделирование печного трансформатора выполнено с учетом общей магнитной системы и реальной характеристики намагничивания. Для адекватного воспроизведения энергетических характеристик комплекса «ДСП-СТК» в модели системы управления электрическим режимом ДСП реализованы существующие профили плавки, определяющие номера ступеней трансформатора и реактора, а также уставки для регуляторов импеданса САР перемещения электродов. В свою очередь, математические модели САР и гидропривода перемещения электродов построены с учетом всех особенностей существующей системы ArCOS NT, включая работу основных блоков коррекции сигналов задания. В моделях питающей сети и сетевого трансформатора учтены фактические значения мощностей короткого замыкания на шинах 35 и 220 кВ, а также исходные уровни напряжения.



Рис. 8. Математическая модель комплекса «ДСП-СТК»

Рис. 9. Реализация возмущающих воздействий ДСП-180 с использованием формирующих фильтров

Модель системы автоматического регулирования СТК по своей структуре соответствует реальной системе, в частности, имеет прямой и обратный каналы регулирования, необходимые для выполнения функций симметрирования токов и компенсации реактивной мощности.

Для адекватного воспроизведения динамических режимов работы комплекса «ДСП-СТК» случайные возмущения задают формирующие фильтры, передаточные функции которых синтезированы на основе статистической обработки экспериментальных данных действующей ДСП для различных стадий плавки (рис. 9). Формирующий фильтр представляет собой систему, у которой выходной сигнал имеет такую же спектральную плотность, что и реальный объект. На вход формирующего фильтра поступает сигнал от генератора белого шума, спектральная плотность которого постоянна в широком диапазоне частот.

Адекватность разработанных математических моделей электротехнических комплексов подтверждена воспроизводимостью статических и динамических показателей с ошибкой, не превышающей 10%.

В четвертой главе приведены результаты исследований тиристорных электроприводов прокатного стана с двумя схемами подключения конденсаторов: на вентильной обмотке трансформатора в составе компенсированного тиристорного преобразователя и в структуре системы управления реактивной мощностью в составе конденсаторных батарей, управляемых тиристорными ключами и синхронного двигателя с системой автоматического регулирования возбуждения.

Включение конденсаторов к вентильной обмотке обеспечивает разгрузку преобразовательного трансформатора, существенное улучшение качества питающего напряжения и повышение коэффициента запаса по напряжению. Эффект достигается увеличением напряжения на вентильной обмотке на 5-6% и уменьшением сопротивления контура коммутации на 40-50%.

В компенсированном преобразователе существенно уменьшается искажение сетевого тока (рис. 10), коэффициент нелинейных искажений при этом снижается с 9,8% до 3%. На рис. 11 приведены зависимости относительного коэффициента искажения синусоидальности напряжения в функции относительной настройки фильтров (параметр ) для различных мощностей конденсаторов.

Рис. 11

Включение конденсаторов не устраняет полностью отклонение напряжения в точке присоединения, особенно мощных ТП. Его стабилизация возможна за счет регулирования реактивной мощности в узле нагрузки.

Для главных электроприводов прокатных станов с тиристорными преобразователями постоянного тока разработана система компенсации реактивной мощности на базе конденсаторных батарей, управляемых тиристорными ключами и синхронного двигателя с регулируемой системой возбуждения (рис. 12).

Выполнено моделирование переходных процессов в питающей секции при изменении реактивной мощности двух тиристорных преобразователей, вызванном ударным приложением нагрузки к двигателям чистовых клетей при следующих условиях:

1) в существующей системе при отсутствии регулирования;

2) при одновременном включении КБ с приложением нагрузки;

3) при включении КБ в зависимости от тока якоря;

4) то же, что и 3, но с учетом компенсирующей способности СД (рис. 13).



Рис. 12. Функциональная схема системы управления реактивной мощностью на шинах 10 кВ

Представлены следующие координаты: , , - реактивные мощности преобразователя, конденсаторных батарей, синхронного двигателя, - ток возбуждения СД, - суммарная реактивная мощность, - напряжение на шинах 10 кВ. Результаты обработки осциллограмм для указанных случаев приведены в табл. 3. В результате того, что переходные процессы при включении конденсаторных батарей протекают значительно быстрее, чем в ТП при набросе нагрузки, возникает динамический разбаланс реактивной мощности, уменьшить который возможно за счет сдвига момента включения КБ в сторону запаздывания. В качестве контролируемого параметра удобно использовать ток якоря двигателя . Эксперименты подтвердили, что включение КБ с задержкой времени, при которой ток достигает 0,2-0,3 установившегося значения, обеспечивает наилучшие показатели переходного процесса.



Рис. 13. Переходные процессы при ударном приложении нагрузки с включением КБ в зависимости от тока якоря

Таблица 3

Показатели качества переходных процессов на шинах 10 кВ

Номер варианта	Исходные условия при моделировании	Показатели качества переходных процессов
	Управление КБ	Режим СД	дUу, %	дUt, %
1	-	-	7,2	8
2	Id > 0	-	1,2	3
3	Id > 0,25Idу	-	1,2	2,4
4	Id > 0,25Idу	АРВ - Iр	0,4	2,1

На рис. 13 также приведены осциллограммы при включении КБ, когда . Как следует из осциллограмм, в установившемся режиме обеспечивается нулевая ошибка реактивной мощности.

Тем не менее, это не исключает полностью колебаний реактивной мощности и напряжения, поскольку переходный процесс реактивной мощности преобразователя имеет колебательный характер с перерегулированием, а мощность конденсаторов нарастает монотонно; это рассогласование в предлагаемой системе устранить невозможно. Незначительное отклонение напряжения в установившемся режиме % объясняется действием активной составляющей тока нагрузки, которая не компенсируется, а также тем, что регулятор напряжения по условию устойчивости выбран пропорциональным. Поэтому контур регулирования имеет статическую ошибку.

В пятой главе рассмотрены способы и средства повышения эффективности мощных синхронных двигателей металлургического производства.

К мощным синхронным двигателям (5-10 МВт), предъявляются жесткие требования, как и к элементам электропривода, с одной стороны, и как к элементам системы электроснабжения, с другой. Поскольку все подобные двигатели оснащены системами АРВ, то и реализация этих требований возможна исключительно за счёт ресурсов систем возбуждения. Основные требования: а) обеспечение устойчивой работы СД при заданных режимах нагрузки; б) поддержание номинального напряжения в узле нагрузки за счёт генерации реактивной мощности при допустимом тепловом режиме двигателей; в) обеспечение минимума потерь энергии в двигателях и системе электроснабжения, если это не противоречит рекомендациям двух предыдущих пунктов.

В зависимости от условий работы электропривода и требований системы электроснабжения система АРВ должна одновременно выдерживать соответствие нескольким показателям работы СД. Однако лишь некоторые из этих требований совместимы, например, стабилизация напряжения совместима с генерированием реактивной мощности и с увеличением устойчивости. Большинство же показателей несовместимы, т.е. выполнение одного из них противоречит другому. Несовместимы, например, минимизация потерь и повышение устойчивости, так как по первому условию требуется снижать возбуждение, а по второму условию - повышать.

Выполнен анализ известных законов автоматического регулирования возбуждения СД с целью разработки новых систем, обеспечивающих улучшение динамических и энергетических показателей как непосредственно электропривода, так и узла нагрузки. Проведены предварительные исследования влияния режима возбуждения СД на напряжение питающей сети, потери электроэнергии в двигателе, угол нагрузки и соответственно на динамическую устойчивость электропривода.

Предложен способ и разработана система автоматического регулирования возбуждения СД с переменной структурой (рис. 14), обеспечивающие регулирование активной составляющей тока статора при наличии нагрузки на валу СД и регулирование реактивной составляющей в режиме холостого хода. Реализация способа обеспечивает динамическую устойчивость синхронного двигателя при ударном приложении нагрузки при одновременном использовании его компенсирующей способности.

Рис. 14. Функциональная схема САРВ СД с переменной структурой

ОВ - обмотка возбуждения; ТВ - тиристорный возбудитель; РТВ - регулятор тока возбуждения; П - переключатель; РСН, ДСН - регулятор и датчик статической нагрузки; РРТ, ДРТ - регулятор и датчик реактивного тока; РН - регулятор напряжения.

За счет переключения контуров регулирования по сигналу, подаваемому с выхода ДСН, при наличии нагрузки на валу СД контур активной составляющей тока статора СД отрабатывает величину активной нагрузки, что ведет к уменьшению качаний ротора и колебаний активного тока статора. В режиме холостого хода осуществляется автоматическое переключение на регулирование реактивной составляющей тока питающей секции. СД в этом случае частично компенсирует реактивную мощность, потребляемую тиристорными преобразователями, подключенными к данной секции.

В тех случаях, когда система электроснабжения не нуждается в реактивной мощности, генерируемой со стороны СД, наиболее экономичным является режим работы СД с коэффициентом мощности cosц = 1, поскольку он обеспечивает минимум суммарных электрических потерь в двигателе. Ток статора в этом случае чисто активный и определяется только нагрузкой на валу СД, а реактивный ток равен нулю (I_р = 0).

При реализации такого управления использована известная методика представления тока возбуждения СД геометрической суммой двух составляющих: .

Первая составляющая тока возбуждения обусловлена нагрузкой двигателя, т.е. активным током статора. Вторая составляющая связана с генерированием синхронным двигателем реактивной мощности, и её величина определяет реактивный ток статора.

Предложенный способ реализован с помощью системы АРВ, схема которой приведена на рис. 15, a. На входы сумматора 1 поступают сигналы с выходов датчиков тока и напряжения.

Датчик тока выполнен на базе трансформатора тока (ТТ) и установлен в фазе А, а датчик напряжения подключен к линейному напряжению U_ВС и представляет собой измерительный трансформатор напряжения (ТН).

Такое включение датчиков по фазам статора обеспечивает необходимый сдвиг в 90 эл. град. между током I_А и напряжением U_BC

компенсированный тиристорный мощность электропривод прокатный

Рис. 15. Функциональная схема (а) и векторные диаграммы системы АРВ СД при индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках

Устойчивый режим работы системы обеспечивается при чисто активной нагрузке, когда вектор тока ортогонален вектору напряжения . В этом случае СД работает в экстремуме U-образной характеристики (точка 0, рис. 16), что соответствует . При увеличении момента статической нагрузки на валу ток, потребляемый из сети, становится индуктивным (, рис. 15, б). Это приведет к увеличению тока возбуждения. Если задание на ток возбуждения окажется выше требуемого и появится емкостная составляющая тока статора (, рис. 15, в), то это приведет к уменьшению сигнала задания и, соответственно, тока возбуждения. Таким образом, при изменении нагрузки на валу двигателя и напряжения в рабочем диапазоне обеспечивается поддержание угла сдвига между током и напряжением на заданном уровне (). Блок 3 обеспечивает форсировку возбуждения при снижении питающего напряжения.

Рис. 16. U-образные характеристики СД

В шестой главе рассмотрены возможности и резервы тиристорного компенсатора реактивной мощности сверхмощной ДСП с учётом несимметричных режимов.

В предыдущих главах было отмечено, что основные функции СТК - обеспечение условий электромагнитной совместимости и поддержание заданной производительности для действующей ДСП-180 ОАО «ММК» выполняются при мощности, меньше установленной на величину порядка 60 Мвар. Сложившаяся ситуация характерна и для других комплексов аналогичной мощности. Поэтому ставится задача рационального использования резервов СТК с учетом технологических режимов реальных ДСП, включая несимметричные и аварийные.

Для более детального изучения поставленной проблемы разработана уточнённая методика оценки генерирующей способности СТК. Она заключается в следующем:

1) по результатам экспериментальных исследований первичного тока действующей ДСП строится область распределения токов прямой и обратной последовательностей на характерных стадиях плавки;

2) на полученную область накладываются зона ограничений при различных уставках генерирования реактивной мощности в тех же координатах, т.е. при ;

3) для сохранения работоспособности СТК в несимметричных режимах область рассеивания токов прямой и обратной последовательностей работающей ДСП должна находиться внутри области, которая обеспечивается работой СТК в регулировочном режиме, т.е. угол управления тиристоров тиристорно-реакторной группы (ТРГ) должен находиться в пределах (рис. 17).

Режим генерирования реактивной мощности приводит к изменениям напряжения основной и высших гармоник на шинах 35 и 220 кВ (рис. 18, а), дозы фликера (рис. 18, б), а также к изменению потерь в элементах СТК и ДСП. Особый интерес представляет изменение суммарных активных потерь в элементах комплекса в данном режиме при работающей и отключенной печи.



Рис. 17. Определение генерирующей способности СТК с учетом несимметричных режимов ДСП

При расчете потерь в ДСП учитываются сопротивления трансформатора, реактора и короткой сети; в СТК - сопротивления фильтровых реакторов и ТРГ, потери в вентилях и конденсаторах. Характеры их изменения при отключенной и работающей ДСП-180 показаны на рис. 19, а и б.

Рис. 18. Изменение коэффициентов искажения синусоидальности тока и напряжения (а) и дозы фликера (б) на шинах 35кВ

Анализ полученных результатов свидетельствует о наличии зоны минимальных потерь при неработающей ДСП в режиме генерации реактивной мощности в диапазоне от 0 до -100 Мвар (рис. 19, а). При Q_зад = -30 Мвар снижение потерь составляет 100 кВт. При работающей ДСП-180 режим генерации реактивной мощности может привести к увеличению суммарных потерь (кривая 1, рис. 19, б) из-за повышения напряжения и токов дуг.

...