CC BY
61
ОЩЕПКОВ Владимир Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий. Адрес для переписки: energoowa@mail.ru ШЕПЕЛЕВ Александр Олегович, ассистент кафедры электроснабжения промышленных предприятий.
КАПИТОНОВ Никита Сергеевич, студент гр. Э-121 энергетического института.
Адрес для переписки: alexshepelev93@gmail.com
Статья поступила в редакцию 20.06.2016 г. © В. А. Ощепков, А.О. Шепелев, Н. С. Капитонов
УДК 621.316.722.076.12
М. С. БАЛАБАНОВ Р. Н. ХАМИТОВ
Омский государственный технический университет
МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА FACTS-УСТРОЙСТВ НА ПРИМЕРЕ ФЕРРОСПЛАВНОГО ПРОИЗВОДСТВА
С целью оптимизации выбора FACTS-устройств для промышленных и сетевых объектов разработано программное обеспечение для ЭВМ. В статье презентуются результаты апробации разработанной методологии по определению оптимального типа FACTS-устройства для сетевых и промышленных объектов. Имитационное моделирование внедрения различных FACTS-устройств на ферросплавном предприятии было выполнено в специализированном ПО DigSILENT (Германия). Доказано, что фильтро-компенсирующее устройство является оптимальным типом FACTS-устройства для работы в составе системы электроснабжения ферросплавных печей.
Ключевые слова: FACTS-устройства, ферросплавные печи, фильтро-компен-сирующее устройство, синхронный компенсатор, батареи статических конденсаторов, статический тиристорный компенсатор, активный фильтр.
В настоящее время в мире активно реализуются проекты Smart Grid («Умные Сети»). Базовым кластером данной архитектуры являются FACTS-устройства обеспечивающие уровень их интеллектуализации [1]. Задача по выполнению анализа существующих FACTS-устройств с разработкой методики выбора оптимального типа FACTS-устройства для конкретного узла сети является актуальной в ходе решения практических задач [2].
Для апробации методологии выбора типа FACTS-устройства выбрано ферросплавное производство. В мире наблюдается жесткая конкуренция между ферросплавной отраслью различных стран. Сдача лидирующих позиций производителями происходит, как правило, по основному технико-экономическому показателю — расходу электроэнергии на тонну готовой продукции (кВтч/т) [3, 4]. В этой связи повысить конкурентоспособность отечественных металлургов может исключительно комплексная модернизация с внедрением современного энергосберегающего оборудования — FACTS-устройств [5]. Если ранее энергоснабжаю-щие организации акцентировали внимание потребителей на необходимости компенсации реактивной мощности, то сейчас дополнительно требуется устранять высшие гармонические составляющие, а далее отслеживать и весь спектр искажений в сети со стороны потребителей [6]. Были исследованы технические характеристики современ-
ных FACTS-устройств по способности приведения показателей качества электроэнергии к ГОСТ 32144-2013; оценены основные эксплуатационные показатели линейки оборудования; изучены характеристики программных комплексов, в которых наиболее удачно реализованы возможности для расчета FACTS-устройств: RastrWin, EasyPower, DIgSILENT Power Factory, АРМ СРЗА, ANSYS Maxwell и другие [2].
В табл. 1 детально рассмотрен функционал ПО DIgSILENT Power Factory с целью имитационного моделирования FACTS-устройств на примере схемы ОСП «ЮФЗ» (ОАО «Кузнецкие ферросплавы», Обособленное структурное подразделение «Юргин-ский ферросплавный завод», г. Юрга, Кемеровская область, Россия) [2].
Основная нагрузка предприятия «ЮФЗ» — это четыре ферросплавные печи (ФСП).
В рамках программы по построению системы автоматического управления напряжением и реактивной мощностью энергорайона энергоснабжающей организацией было выдвинуто требование к предприятию об обязательном внедрении на «ЮФЗ» FACTS-устройств, обеспечивающих:
— tg ф < 0,29 (cosq> = 0,96) по напряжению 110 кВ;
— уменьшение гармонических искажений тока и напряжения в соответствии с требованиями ГОСТ 32144-2013.
Набор стандартных моделей FACTS-устройств, входящих в состав ПО DIgSILENT Power Factory (по состоянию на 2015 г.)
Наименование Обозначение Наличие модели в DigSilent Замещающая модель
Устройства компенсации реактивной мощности
Батареи статических конденсаторов БСК Shunt/Filter C нет
Управляемые батареи статических конденсаторов УБСК Shunt/Filter C нет
Тиристорно управляемые батареи статических конденсаторов ТУБСК Shunt/Filter C нет
Фильтро-компенсирующее устройство ФКУ Shunt/Filter RLC нет
Управляемое фильтро-компенсирующее устройство УФКУ Shunt/Filter RLC нет
Синхронный компенсатор СК Synchronous Machine нет
Тиристорно-реакторная группа ТРГ Static Var System нет
Шунтирующий реактор ШР Shunt/Filter RLC нет
Реакторные группы, коммутируемые выключателями ВРГ Shunt/Filter RL нет
Статический тиристорный компенсатор СТК нет Static Var System + Shunt/Filter RLC
Управляемый шунтирующий реактор с подмагничиванием УШР Static Var System нет
Синхронный статический компенсатор реактивной мощности на базе преобразователя напряжения СТАТКОМ нет Static Generator (возможно только регулирование напряжения)
Асинхронизированный синхронный компенсатор, в том числе с маховиком АСК Doubly-Fed Induction Machine нет
Синхронный статический продольный компенсатор реактивной мощности на базе преобразователя напряжения ССПК нет нет
Устройства регулирования параметров сети
Неуправляемые устройства продольной компенсации УПК Series Capasitor нет
Управляемые устройства продольной компенсации УУПК нет нет
Фазосдвигающий трансформатор, управляемый тиристорами / фазоповоротное устройство ФПУ нет нет
Фазовращающийся трансформатор ФВТ нет нет
Электрическое торможение ЭТ нет нет
Преобразователи вида тока
Вставка постоянного тока на обычном тиристоре ВПТ PWM Converter / 1 DC Converter нет
Вставка постоянного тока на основе СТАТКОМов ВПТН нет, близкая модель PWM Converter нет
Асинхронизированный синхронный электромеханический преобразователь частоты АС ЭМПЧ нет нет
Устройства продольно-поперечного регулирования
Объединенный (параллельно-последовательный) регулятор потоков мощности (на базе двух СТАТКОМов либо двух АСК, соединенных параллельно-последовательно) ОРПМ нет, близкая модель PWM Converter нет
Устройства ограничения токов короткого замыкания
Токоограничивающие устройства ТОУ Series Reactor нет
Рис. 1. Пример имитационной модели ФКУ. Фрагмент схемы
С целью построения системы автоматического управления напряжением и реактивной мощностью (САУ НРМ) энергорайона необходимо было определить параметры качества электроэнергии на питающей подстанции и на фидерах ФСП. Особое внимание было уделено выбору типа анализатора качества электроэнергии для выполнения контрольных замеров [2]. В ходе моделирования различных типов FACTS-устройств, рассматриваемых в качестве потенциально подходящих для использования на «ЮФЗ», в ПО DigSILENT были выполнены следующие расчеты [2]:
— расчет потокораспределения существующей схемы;
— расчет потокораспределения схемы после установки четырех FACTS-устройств общей мощностью 60 МВАр;
— расчет потерь в сети после установки четырех FACTS-устройств;
— анализ гармонических искажений;
— расчеты переходных процессов.
Пример имитационной модели ФКУ представлен на рис. 1, где цветом указаны различные уровни напряжения.
Более подробно с графическими изображением используемыми и получаемыми в ходе имитационного моделирования, можно ознакомиться в монографии [2].
Результаты моделирования в ПО DigSILENT с использованием стандартных моделей
FACTS-устройства
Без FACTS ФКУ СК БСК СТК АФ
Напряжение, кВ
9,46-9,72 10,22-10,33 10,19-10,29 10,22-10,33 10,22-10,33 10,19-10,29
Максимальный уровень гармонического искажения по четырем печам. Гармоники с 2 по 13
2 0,3389 0,8007 0,2707 0,3272 0,5567 н.д.
3 1,5826 0,0018 1,1444 3,6455 0,0023 н.д.
4 0,5625 0,2461 0,3694 3,6269 0,2697 н.д.
5 0,7500 0,3770 0,5873 1,4377 0,9604 н.д.
6 0,6153 0,3514 0,3945 0,8105 0,9529 н.д.
7 0,5896 0,3490 0,4462 1,8461 0,7989 н.д.
8 0,4059 0,2454 0,3265 0,2571 0,7216 н.д.
9 0,3167 0,2060 0,2400 0,1136 0,4184 н.д.
10 0,2476 0,1533 0,1877 0,0604 0,3869 н.д.
11 0,2745 0,1712 0,2212 0,0550 0,4484 н.д.
12 0,2053 0,1287 0,1579 0,0383 0,4325 н.д.
13 0,2213 0,1382 0,1688 0,0292 0,3629 н.д.
н.д. Настраивается на определенную частоту, гармонические искажения которой необходимо устранить Усиливает существующие гармонические искажения Вырабатывает гармонические искажения В Б1д81ББКТ нет возможности анализа гармонического состава данного типа устройства н.д.
Импеданс
н.д. Величина сопротивления системы при установке ФКУ незначительна, на 3-й гармонике 8,9 Ом. Величина сопротивления системы при установке СК не изменится. Величина сопротивления системы при установке БСК изменится значительно. На 4-й гармонике 17,4 Ом и на 7-й гармонике 10,8 Ом. Величина сопротивления системы при установке СТК изменится незначительно, на 3-й гармонике 8,9 Ом. В DigSILENT нет возможности анализа данного типа устройства.
Моделирование показало, что суммарная мощность FACTS-устройств должна составлять 60 МВАр (4х15 МВАр). Уменьшение мощности FACTS-устройства для каждой ФСП на 0,23 МВАр вызывает изменение коэффициента реактивной мощности на рассматриваемом объекте — tgq> на 0,01 [2].
Согласно методологии, реализованной автором в виде ПО «Определение типа FACTS-устройств» [7], предпочтительными FACTS-устройствами для внедрения на «ЮФЗ» являются: АФ, СК, УФКУ, ФКУ. Подробно вопрос обоснования выбора FACTS-устройств представлен в монографии [2]. Результаты эффективности внедрения отмеченных FACTS-устройств приведены в табл. 2 [2]. Дополнительно к перечисленным рассмотрены БСК (для сравнения работы КБ с фильтром и без) и СТК (как устройство близкое по функционалу к АФ).
В ПО DigSILENT СТК представлен моделью Static Var Compensation + Shunt/Filter R-L-C. Дан-
ные базовые модели отражают основные функции СТК — регулирование напряжения на шинах, генерация токов ВГС, фильтрация токов ВГС.
В связи с тем, что АФ обладает максимальным быстродействием, среди всех прочих FACTS-устройств, создание его модели является достаточно сложным процессом. По состоянию на 2015 г. типовой модели АФ в ПО DigSILENT и прочих программных продуктах авторами не обнаружено. В настоящее время предпринимаются попытки создания имитационной модели активного фильтра [8, 9]. Согласно рекомендациям разработчиков ПО DigSILENT, с целью имитации АФ применена модель Static Generator, которая отражает функцию регулировки напряжения.
Важным этапом в ходе принятия решения о типе FACTS-устройств является анализ импеданса сети, который связывает ток и напряжение. При рассмотрении импеданса используется комплексное
представление гармонических сигналов, поскольку именно оно позволяет одновременно учитывать и амплитудные, и фазовые характеристики сигналов и систем. По величине сопротивления сети на разных гармониках можно прогнозировать увеличение тока и изменение его гармонического состава в резонансном контуре, что приводит к возрастанию тепловых потерь в обмотках трансформатора и может приводить к разрушению конденсаторных батарей.
На основании величин импеданса установлено, что в случае применения БСК возможно возникновение опасных резонансных явлений.
Из табл. 2 следует, что задачу повышения напряжения выполняют все устройства (АФ, СК, ФКУ). Гармонические искажения сети усиливаются при установке БСК и СТК (АФ компенсирует все искажения). Наибольшее снижение 3-й, 4-й, 5-й и 8-й гармоник дает установка ФКУ, а наибольшее снижение 2-й, 6-й, 7-й, 9-й и далее дает установка СК.
Имитационное моделирование с использованием ПО DigSILENT систем электроснабжения с различными FACTS-устройствами и исследование режимов работы системы электроснабжения ферросплавных производств ОСП «ЮФЗ», в т.ч. и при различных узлах подключения FACTS-устройств показало, что внедрение АФ для ферросплавного производства имеет необоснованно высокий срок окупаемости (отсутствие рентабельности). Внедрение СК позволило бы успешно решить задачи ТЗ, но стоимость, масса, габаритные размеры оборудования ставят под сомнение рентабельность проекта (даже на основании укрупненного расчета на примере модели КС 15000-11 выпускаемой «Уралмаш-завод», г. Екатеринбург в 1960-х годах).
Опыт автора по обследованию ферросплавных заводов на территории СНГ показывает, что в составе электрической схемы питания ФСП FACTS-устройства либо отсутствуют, либо применяются батареи статических конденсаторов (БСК). В сети с ФСП всегда присутствуют высшие гармонические составляющие (ВГС). Установка БСК без реакторов, т.е. без защиты конденсаторных батарей от резонанса на одной из частот ВГС, приводит к преждевременному выходу их из строя. Следует отметить, что негативному влиянию ВГС подвержены все современные конструкции БСК, как отечественного, так и импортного производства [10].
Общие потери активной мощности в сети (согласно расчетам, проведенным в DigSILENT) при установке ФКУ составят — 860 кВт, при установке СК — 950 кВт.
Таким образом, наиболее оптимальным типом FACTS-устройства для ФСП следует считать ФКУ.
Ввод в эксплуатацию ФКУ на «ЮФЗ» позволил стабилизировать режимы горения дуги, уменьшить износ футеровки, уменьшить расход электродов, стабилизировать и поднять напряжение, повысить производительность печей. Основной показатель эффективности работы ферросплавных печей — tg4> до внедрения ФКУ составлял в среднем (по 29 печам холдинга «ЧЭМК») значение 0,75. По факту ввода в эксплуатацию ФКУ значение tg4> в среднем по эксплуатируемым комплексам печь + ФКУ составляет 0,1.
В проводимых холдингом конкурсах среди ферросплавных печей «ЧЭМК», «КФ», «ЮФЗ» печи
Юргинского завода в период работы с ФКУ уверенно показывают наилучшие результаты по производительности и расходу электроэнергии на тонну продукции, что является подтверждением положительного результата апробации разработанных имитационных моделей FACTS-устройств и методологии их выбора.
Библиографический список
1. Gabriel M. A. Visions for a sustainable energy future. Lilburn, GA: Fairmont Press, 2008. P. 252.
2. Балабанов, М. С. FACTS-устройства. Выбор при проектировании электрооборудования предприятий : моногр. / М. С. Балабанов, Р. Н. Хамитов. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 184 с.
3. Steenkamp, J. D., Basson, J. The manganese ferroalloys industry in southern Africa // Journal of the Southern African of mining and metallurgy, Vol. 113, R. 8, 2013. P. 667-676.
4. Kamei, Y., Miyazaki, T., Yamaoka, H. Production test of high-carbon ferromanganese using a shaft type furnace with coke packed-bed injected with highly oxygen enriched air and a large quantity of pulverized coal // Tetsu to hagane-journal of the iron and steel institute of Japan, Vol. 79, R. 4, 1993. P. 449-455.
5. Барсукова, Н. Рынок ферросплавов меняет фаворитов / Н. Барсукова. — Режим доступа: http://www.infogeo.ru/ metalls/press/?act = show&rev= 1133#ixzz46dBl3fmC (дата обращения: 23.04.2016).
6. Боровиков, В. С. О необходимости включения добавочных потерь от высших гармоник тока в технологические потери при передаче электрической энергии / В. С. Боровиков, Н. Н. Харлов, Т. Б. Акимжанов // Известия Томского политехнического ун-та. - 2013. - Т. 322. - № 4. - С 91-93.
7. Свидетельство № 2015617896 РФ. Определение типа FAСTS-устройств V 2.0 / М. С. Балабанов ; заявитель и правообладатель ООО «Международная Энергосберегающая Корпорация» ; заявл. 01.06.15 ; зарегистр. 24.07.2015. - 1 с.
8. Ситников, В. Ф. Совершенствование методов и средств управления режимами электроэнергетических систем на основе элементов гибких электропередач (FACTS) : дис. ... д-ра техн. наук / Владимир Федорович Ситников. - Иваново : Изд-во ИГЭУ, 2009. - 297 с.
9. Боровиков, Ю. С. Мультипроцессорная моделирующая система реального времени электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями : дис. . д-ра техн. наук / Юрий Сергеевич Боровиков. - Томск : Изд-во ТПУ, 2013. - 272 с.
10. Балабанов, М. С. Импортозамещение высоковольтных конденсаторных батарей / М. С. Балабанов // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов : межвузовский сб. науч. тр. / отв. ред. В. А. Шабанов ; редкол. : С. Г. Конесев [и др.]. - Уфа : Изд-во УГНТУ, 2015. - С. 209-212.
БАЛАБАНОВ Михаил Станиславович, соискатель по кафедре электрической техники Омского государственного технического университета (ОмГТУ); главный инженер ООО «Международная Энергосберегающая Корпорация», г. Санкт-Петербург. Адрес для переписки: balabanovms@mail.ru ХАМИТОВ Рустам Нуриманович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры электрической техники ОмГТУ. Адрес для переписки: apple_27@mail.ru
Статья поступила в редакцию 11.06.2016 г. © М. С. Балабанов, Р. Н. Хамитов
