Имитационная модель комплекса дуговой сталеплавильной печи со статическим тиристорным компенсатором и измерителями показателей качества электроэнергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

А.В.Фомин, (4872) 35-14-82,

mpf-tula@rambler.т. (Россия, Тула, ТулГУ)

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ КОМПЛЕКСА ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ СО СТАТИЧЕСКИМ ТИРИСТОРНЫМ КОМПЕНСАТОРОМ И ИЗМЕРИТЕЛЯМИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Рассматривается имитационная модель комплекса дуговой сталеплавильной печи (ДСП) со статическим тиристорным компенсатором (СТК) и измерителями показателей качества электроэнергии (ПКЭ), выполненная в программе ЫайаЪ 2008а в соответствии с ГОСТ 13109-97.

Ключевые слова: имитационная модель, дуговая сталеплавильная печь, компенсаторы.

В предложенной имитационной модели в качестве генерирующего источника используется синхронный генератор вместе с турбиной, автоматическим регулятором возбуждения (АРВ) и регулятором скорости (РС), что позволяет более точно оценить переходные процессы:, происходящие в электросистеме при работе ДСП и избежать резонансные явления между ДСП и генерирующими источниками. При точном математическом описании АРВ и РС синхронных генераторов данная имитационная модель комплекса поможет оптимизировать уставки защит генерирующих источников, системы: управления (СУ) СТК и избежать ложных срабатываний этих защит при работе ДСП со СТК.

Также к достоинствам модели следует тажеотнести разработанные измерители ПКЭ по ГОСТ 13109-97. Эти измерители позволяют обрабаты:-вать реальный сигнал (при осциллографировании на физической модели) и вычислять ПКЭ по ГОСТ 13109-97 исследованного объекта. Мгновенные значения ПКЭ могут быть использованы: пи построении современных систем управления различных устройств (например, системы: управления на основе нечеткой логики, нейронных сетей и т.д.).

Основные ПКЭ, предопределяемые ГОСТ 13109-97, характеризуют:

- колебания напряжения;

- несимметрию напряжения;

- отклонение напряжения;

- несинусовдальность напряжения;

- отклонение частоты: напряжения.

Имитационная модель ДСП была рассмотрена автором в работе [1]. Моделирование производилось в среде Matlab2008a Simulink. Структурна схема предлагаемой имитационной модели комплекса ДСП со СТК и разработанными измерителями ПКЭ представлена на рис. 1.

Нарис. 1 даті:

- блоки Generator, ARV, SR, моделирующие синхронный генератор с АРВ и РС;

- блок VL AC, моделирующий ЛЭП;

- блоки Three phase transformer моделирующие силовые транс-

форматоры;

- блок SVC (рис. 2) моделирующий СТК;

- блок DSP моделирующий ДСП;

- блок Load 6kV, моделирующий нагрузку на стороне низшего напряжения;

- остальные блоки являются вспомогательными и служат для получения необходимых сигналов.

p—g—к™]

* и,-МП

■==.

Three-Phase 13.е/115 kV

Л

S'

„„„4 „„,41 „„,,4 .....4і .....4і

-IMHJ-'tJ-U-l'

—1 1

1 ►< Ibin 1

Л».* т I

1

Load7 . I LoadS , Loade . I

№ 43 № 43

Рис. 1. Имитационная модель комплекса ДСП со СТК и измерителями ПКЭ в соответствии с ГОСТ13109-97 на примере

СТК для ДСП-120

Обозначения на рис. 2:

- ТРГ (тиристорно-реакторная группа) - блок TRG. Реакторы, соединенные треугольником и управляемые при помощи тиристоров, являются потребителями реактивной мощности;

- ФКЦ (фильтрокомпенсирующие цепи) - блоки filter(3H), filter(4H), filter(5H), состоящие из конденсаторных батарей и фильтровых реакторов (резонансный контур, настроенный на необходимую частоту), на основной частоте (50Гц) являются источниками реактивной мощности;

- система управления - Control System;

- остальные блоки являются вспомогательными и служат для получения необходимых сина лов.

Измерение показателей качества осуществляется в нижеописанных блоках (см. рис. 1).

<т>

А

<1>

В

<1>

Рис. 2. БлокЗУС (СТК)

Колебание напряжения

Колебание напряжения характеризуется дозой фликера и измеряется в блоках FHckermeter 110кУ и FHckermeter 35кУ (внутренняя структура блоков представлена на рис. 3), соответственно на напряжениях 110 кВ и 35 кВ.

Рис. 3. Блок-схема блоков Flickermeter 110^ и П1скегте1ег 35кУ

По данным [2] фликерметр можно логически разделить на несколько смысловых частей.

Блок 1 (на рис. 3 обозначен зеленым цветом) приводит усредненное среднеквадратичное значение входного напряжения основной частоты к внутреннему опорному уровню напряжения прибора. Преобразование напряжения обеспечивается умножением мгновенных значений входного на-

пряжения на 230 В и делением на мгновенное амплитудное значение входного напряжения.

Блок 2 (обозначен синим) воспроизводит колебания напряжения путем возведения в квадрат входного напряжения, приведенного к внутреннему опорному напряжению прибора, для имитации характеристик лампы и перводит значения колебаний напряжения в проценты.

Блок 3 (обозначен фиолетовым) состоит из нескольких взвешивающих фильтров, которые предназначены:

- для подавления постоянной составляющей и составляющей двойной частоты напряжения сети, присутствующих на выходе демодулятора (амплитуды составляющих более высоких частот пренебрежимо малы);

- для взвешивания колебаний напряжения в соответствии с чувствительностью цепи «лампа - глаз - мозг».

Блок 4 (обозначен желтым) состоит из устройства квадратичной обработки сигналов и низкочастотного фильтра первого порядка. На выходе блока 4 формируется мгновенное значение фликера.

Мгновенные значения фликера Pf измеряются с помощью осциллографов Pfl1o и Pf35. Полученные результаты сохраняются в «рабочий области» (workspace) с помощью блоков Po5W и Pfrnw, где в даьнейшем обрабатываются с помощью m-файла путем статистического анаиза. Данный m-файл представляет собой блок 5 в соответствии с раделением фликермет-ра на смысловые части. Результатом обработки является получение значений кратковременной и длительной дозы фликера.

Несимметрия напряжения

Несимметрия напряжения характеризуется коэффициентом несим-метрии напряжения по обратной последовательности. Действующее значение напряжения прямой и обратной последовательности основной частоты при i-м измерении (ит. и UZ1)t соответственно) вычисляются в блоках

Knsin 110 kV и Knsin 35 kV, каждый из которых состоит из алгебраического контура, реализующего следующие выражения:

U 1(1> =

112

AB(1)i

2

BC (1)i

fU2

BC (1)i

-U,

2

CA (1)i

U

U

AB(1 )i

AB (1)i

fU2

BC(1) i

-U

2

CA (1)i

U

AB(1) i

(8)

U2(1) i -

]_

112

^ - UAB(1) i - I4 ' UBC(1)i

U2 -U2

^ BC (1) i CA (1) i

U

AB (1)i

■U,

AB (1)i

J

U2 -U2

^ BC (1) i CA (1)i

U

AB (1 )i

(9)

Где UAB (1)i

UBC(1)i, UCA(1)i - действующие значения междуфаных напряже-

ний соответственно межд фазами А-В, В-С, С-А основной частоты при ^м измерении.

Значение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности основной частоты в процентах (и2и) определяем как результат і-го измерения по следующей формуле

Вычисленные мгновенные значения измеряются с помощью осциллографов knsin110 и knsin35 и сохраняются в «рабочей области» (workspace) c помощью блоков knsin110w и knsin35w, где в даьнейшем обрабатываются с помощью m-файла. Результатом обрабокл является получение

нормльно и предельно допустимые значения, соответствующие требованиям ГОСТ 13109-97 на интервле времени 24 ч.

Отклонение напряжения

Отклонение напряжения характеризуется значением установившегося отклонения напряжения. Действующее значение напряжения прямой

последовательности основной частоты при i-том измерении (U1(1)i) вычисляется в составе блоков Knsin 110kV и Knsin 35kV, в соответствии с формулой (8).

Вычисленные мгновенные значения измеряются с помощью осциллографов u110 и u35 и сохраняются в «рабочую область» (workspace) с помощью блоков u110w и u35w, где в дльнейшем обрабатываются с помощью т-файла. Результатом обработки является получение суммарной относительной продолжительности времени выхода bUy за нормльно и

предельно допустимые значения, соответствующие требованиям ГОСТ 13109-97 на интервале времени 24 ч.

Несинусоидальность напряжения

Несинусолдльность напряжения характеризуется значением коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения KU(n),

n = 2 - 40 и значением коэффициента искажения синусолдльности кривой напряжения ku . Значения коэффициентов n-й гармонической составляющей напряженл и коэффициента искаженл синусоидльности кривой напряжения в процентах как результат i-го наблюденл вычисляются в блоках Kunsin 110kV и Kunsin 35kV, которые состоя из алгебраических контуров, реализующих следующие выражения:

(10)

суммарной относительной продолжительности времени выхода к2U за

Ku(n)i -U(n)L -100 , u (n)i U 1(i)

K

Ui

Z u

n =2

2 (n )i

U1(i)

•100

(15)

где U10) - действующее значение напряжения основной частоты на i-м наблюдении.

Вычисленные мгновенные значения сохраняются в «рабочей области» (workspace) с помощью блоков ku35, ku110 и kui_35, kui110, i=2...40, входящих в состав блока kunsin, где в дальнейшем обрабатываются с помощью m-файла. Результатом обработки является получение суммарной относительной продолжительности времени выходаKv и K

U(n)

п=2...40 за нормально и предельно допустимые значения, соответствующие требованиям ГОСТ 13109-97 на интервале времени 24 ч.

Отклонение частоты

Отклонение частоты напряжения измеряется по действующему значению частоты. Действующее значение частоты в герцах для каждого /-го наблюдения за установленный период времени измеряется в блоках Б^шеїег 110кУ и Б^шеїег 35кУ. Внутренняя структура блоков представлена на рис. 5.

Рис. 5. Имитационная модель частотомера

Идея построения частотомера заключается в следующем:

1. Необходимо получить одновременно два временных отсчета -начало текущего периода измеряемого сигнала и начало предыдущего периода измеряемого сигнала.

2. Разность этих временных отчетов даёт период измеряемого сигнала - Т.

3. Находим значение частоты как обратную к период величину

1/Т.

Вычисленные мгновенные значения сохраняются в «рабочей области» (workspace) c помощью блоков f35w и f110w, где в дальнейшем обрабатываются с помощью m-файла. Результатом обработки является получение суммарной относительной продолжительности времени выхода А/ за нормаьно и предельно допустимые значения, соответствующие требованиям ГОСТ 13109-97 на интервале времени 24 ч.

Сравним некоторые ПКЭ при работе ДСП без СТК и со СТК при помощи предложенной обобщенной модели. В качестве примера рассмотрим ДСП-120 и СТК-65Мвар. ДСП работает в стадии рафинирования. На рис. 6-8 представлены ПКЭ без СТК.

Рис. 6 Мгновенные действующие значения напряжения прямой последовательности, полученные при моделировании при работе

ДСП-120 без СТК

Мгновенные значения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности, Ки2%

Рис. 7. Мгновенные значения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности, полученные при моделировании при работе ДСП-120 без СТК

Display FFT window Selected signal: 320.6 cycles. FFT window (in red)- 69 cycles

— FFT analysis-

0.1

0.08

0.06

0.04

0.02

0

Fundamental (50Hz) = 1.321 e+005 , THD= 0.76%

Util

40 50 60

Freauencv (Hz'!

Рис. 8. Плотность гармонического распределения напряжения (нижняя чать графика), полученная при моделировании при работе ДСП-120 без СТК

Рис. 9. Мгновенные действующие значения напряжения прямой последовательности, полученные при моделировании при работе

ДСП-120 со СТК-65Мвар

Рис. 10. Мгновенные значения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности, полученные при моделировании при работе ДСП-120 со СТК-65Мвар

Display FFT window Selected signal 15B.1 cycles FFT window (in red) B9 cycles

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Time (s)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Frequency (Hz)

Рис. 11. Плотность гармонического распределения напряжения (нижняя часть графика), полученная при модлироеании при работе

ДСП-120 со СТК-65Мвар

Как видно из рис. 6-11 СТК улучшает ПКЭ. При подключении

СТК:

- напряжение повышается за счет компенсации реактивной мощности, потребляемой ДСП в процессе плавки (рис. 6, 9);

- уменьшаются амплитуды колебаний напряжения (рис. 6, 9);

- уменьшается коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности (рис. 7-10);

- уменьшается значение дозы фликера (рис. 8, 11). Наибольшее значение дозы фликера, кк известно, приходится на частоту напряжения 9-10Гц [3].

Библиографический список

1. Фомин А.В. «Обоснование рационаьных параметров устройств поперечной компенсации электротехнических систем электротехнологий: автореф. дис... кнд. техн. наук. Тула, 2009.

2. ГОСТ 51317.4.15-99. Совместимость технических средств электромагнитна. Фликерметр. Технические требования и методы испытаний

3. Wanner E. Kompensationsanlagen fur die Industrie // Brown Boweri Mitteilungen. №9/10. P. 330-340.

Fomin A. V.

Imitating model o/ a complex o/ the arc steel-smelting furnace with static the jack and measuring instruments o/ indicators o/quality o/ the electric power

The imitating model o/ a complex o/ the arc steel-smelting/urnace with static тиристорным the jack and measuring instruments on-kazatelej qualities o/ the electric power, executed in program Matlab 2008a according to GOST 13109-97 is considered.

Получено 05.08.09

Fundamental (50Hz) = 1.37 7е-Ю05 . THD= 0.15%