CC BY
6
www.sibac.info
СЕКЦИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ»
РАЗРАБОТКА КОРРЕКТОРА УСТАВКИ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО ТИРИСТОРНОГО КОМПЕНСАТОРА
Николаев Александр Аркадьевич
канд. техн. наук, зав. каф. автоматизированного электропривода и мехатроники, доц., МГТУ им. Г.И. Носова, РФ, г. Магнитогорск E-mail: alexniko@inbox.ru
Анохин Василий Васильевич
магистрант,
кафедра электроснабжения промышленных предприятий,
МГТУ им. Г.И. Носова, РФ, г. Магнитогорск E-mail: anohinvasilii@mail.ru
Ложкин Игорь Александрович
аспирант, кафедра автоматизированного электропривода и мехатроники, МГТУ им. Г.И. Носова, РФ, г. Магнитогорск E-mail: snomagtu@yandex.ru
Ивекеев Владимир Сергеевич
аспирант, кафедра автоматизированного электропривода и мехатроники, МГТУ им. Г.И. Носова, РФ, г. Магнитогорск E-mail: vivekeev@yandex. ru
■www.sibac.info
DEVELOPMENT OF THE ELECTRIC ARC FURNACE ACTIVE POWER SETPOINT CORRECTOR OF THE STATIC VAR COMPENSATOR CONTROL SYSTEM
Aleksandr Nikolaev
candidate of science,
head of the department "Automated Electric Drive and Mechatronics", assistant professor of the Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Russia, Magnitogorsk
Vasiliy Anokhin
master's degree student, department "Power Supply Systems of Industrial Enterprises", Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia, Magnitogorsk
Igor Lozhkin
postgraduate student, department "Automated Electric Drive and Mechatronics", Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia, Magnitogorsk
Vladimir Ivekeev
postgraduate student, department "Automated Electric Drive and Mechatronics", Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia, Magnitogorsk
АННОТАЦИЯ
В статье представлены основные результаты исследования по разработке корректора уставки активной мощности дуговой сталеплавильной печи (ДСП) в системе управления статического тиристорного компенсатора (СТК). Корректор предназначен для изменения уставки задания мощности дуг с целью улучшения электрических режимов ДСП при работе СТК по новому алгоритму, направленному на поддержание неизменной активной мощности печи на каждой стадии плавки. Корректор уставки отслеживает несоответствие фактической величины напряжения на шинах распределительного устройства сталеплавильного комплекса с его номинальным уровнем и формирует дополнительный корректирующий сигнал на реактивную проводимость тиристорно-реакторной группы (ТРГ), за счёт чего
www.sibac.info
обеспечиваются оптимальные электрические режимы ДСП на различных стадиях плавки. Исследование особенностей работы САУ СТК до и после установки корректора проведено на имитационной модели электротехнического комплекса «ДСП-120-СТК», разработанной в приложении Simulink математического пакета Matlab. В результате эксперимента получены графики изменения электрических параметров комплекса «ДСП-СТК», которые демонстрируют положительный результат по повышению мощности дуговой печи за счёт применения корректора. Сделаны необходимые выводы и обозначены дальнейшие пути совершенствования принципов работы корректора уставки.
ABSTRACT
The paper deals with the development of electric arc furnace's (EAF) active power setpoint corrector of the static var compensator (SVC) control system. The setpoint corrector changes an arc power setpoint in order to improve EAF's electrical modes when SVC maintains a constant active power of EAF at the each melting stage. To achieve optimal EAF's electrical modes at the each stage of melting process the setpoint corrector detects a difference between actual and rated busbar voltage of EAF-SVC complex and generates an additional susceptance signal of thyristor controlled reactor. Features of SVC functioning before and after use of the setpoint corrector are investigated by means the simulation model of the electrotechnical complex "EAF-120-SVC" developed in the Matlab-Simulink application. As a result of experiment the diagrams of electrical parameters of complex "EAF-SVC" were built, which show increase the EAF's active power by use the setpoint corrector. Conclusions and future ways to improve the working principles of the corrector are determined.
Ключевые слова: статический тиристорный компенсатор, дуговая сталеплавильная печь, режимы управления тиристорно-реакторной группы, электрические характеристики дуговой сталеплавильной печи, медленные изменения напряжения.
Keywords: static var compensator, electric arc furnace, control modes of a thyristor controlled reactor, electrical characteristics of electric arc furnace, voltage deviation.
В настоящее время в металлургической промышленности наблюдается рост объёмов стали, выплавляемых в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). Как известно, дуговые печи представляют собой крупные источники электромагнитных помех, их работа сопровождается ухудшением качества электрической энергии по всем показателям. К тому же, ДСП имеют низкий коэффициент мощности (cos ф « 0,6 - 0,7),
что приводит к большому потреблению реактивной мощности из внешней питающей сети. Поэтому важными задачами электроснабжения металлургических предприятий с электросталеплавильными агрегатами являются обеспечение электромагнитной совместимости дуговых печей с другими электроприёмниками и применение грамотных мер по устранению дефицита реактивной мощности в общей точке питания. Для комплексного улучшения показателей качества электрической энергии и компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения мощных и сверхмощных ДСП устанавливают статические тиристорные компенсаторы (СТК). Управляемая часть СТК - тиристорно-реакторная группа обладает достаточным быстродействием для стабилизации напряжения на определённом уровне с одновременным устранением несимметрии напряжений и подавлением фликера. В современных системах управления СТК предусмотрено как минимум два основных режима работы: по реактивной мощности и напряжению [3]. В некоторых системах также имеется режим регулирования по коэффициенту мощности [10] и применяются дополнительные меры для лучшего подавления фликера [6]. Как можно заметить, все существующие на сегодняшний день алгоритмы управления СТК направлены на улучшение параметров сети, через которую получает питание дуговая печь. С целью оптимизации электрических режимов ДСП и стабилизации процесса выплавки стали разработан новый режим управления СТК, функция которого заключается в поддержании активной мощности дуг ДСП на неизменном уровне. Подробное описание структуры системы управления СТК, реализующей данный алгоритм, и особенности работы компенсатора в разработанном режиме вместе с его сравнительным анализом с традиционными режимами управления тиристорно-реакторной группы (ТРГ) -по реактивной мощности и напряжению [7-9], приводились авторами статьи в предыдущих работах [1; 5].
В настоящей статье пойдёт речь о совершенствовании разработанного режима управления СТК (по поддержанию неизменной активной мощности дуговой сталеплавильной печи). Канал обратной связи по активной мощности ДСП в системе автоматического управления (САУ) СТК содержит блок задания уставки, на выходе которого формируется номинальная величина мощности дуг в зависимости от номера ступени устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) печного трансформатора, реактора и номера рабочей кривой системы управления положением электродов. Номинальные мощности дуг взяты из технической документации на ДСП. В ходе исследований, проведённых на математических моделях
www.sibac.info
нескольких сталеплавильных комплексов, выяснено, что при использовании усовершенствованного САУ СТК с контуром регулирования активной мощности ДСП на некоторых стадиях плавки для поддержания проектных значений мощности дуг СТК понижает уровень напряжения на первичной стороне печного трансформатора, а суммарная реактивная мощность комплекса «ДСП-СТК» потребляется из сети. Это негативным образом влияет на электрический режим дуговой печи - снижается активная мощность ДСП, в результате чего, падает её производительность. Одновременно повышается общий коэффициент реактивной мощности на границе балансового раздела предприятия с электроснаб-жающей организацией. Исходя из вышесказанного, можно сделать заключение о том, что уставки мощности дуг (Рд зад) имеют меньшие
значения, нежели те мощности, с которыми может работать печь при номинальном напряжении на шинах сталеплавильного комплекса.
Для того чтобы при работе СТК в данном режиме напряжение на шинах распределительного устройства сталеплавильного комплекса РУ-35 кВ не было ниже номинального уровня в систему управления компенсатора введён корректор уставки активной мощности ДСП (см. рис. 1). Принцип работы корректора уставки основан на сравнении измеряемого напряжения в точке подключения СТК с его номинальным уровнем. На основании действующих значений трёх линейных напряжений рассчитывается среднее значение Пл ср. На вход
корректора поступает сигнал и , который сравнивается с номинальным значением напряжения Пном. Сигнал рассогласования АП проходит через блок нечувствительности (БН), который не пропускает небольшие значения АП (в нашем случае зона нечувствительности составляет +0,1 кВ). Использование данного блока необходимо для исключения влияния колебаний напряжения, вызванных перетоками мощности в сети. Блок ограничения (БО) пропускает только сигналы с положительной величиной. Если напряжение на шинах РУ сталеплавильного комплекса выше или равно номинальному, то АП < 0 , и на выходе БО будем иметь 0. В случае, когда напряжение в сети 35 кВ ниже номинального уровня, то АП > 0, и при разнице большей 0,1 кВ на выходе БО получим сигнал рассогласования. Далее АП усредняется с целью получения более сглаженной формы изменения сигнала и отправляется на блоки усиления (К и К). Усиленный сигнал АП накапливается с помощью интегратора (И), на выходе которого получаем значение добавки к уставке по активной мощности ДСП (АРдзад).
и
НОМ
г
1Д ч
чло
"аР)
х 3
§ Ь
н Э я 5 -
з* >.55:
Ч о =
Я Н X
о а
>К я-
и л с! ж
3
БН
-.5 ДСП
— (-.НОМ ЛПТ
-ном д
•ш-а-
НЕ БФИ
среднего значения
ш
Из САУ Л*ТР— Лрк—" Выбор д. !ад
нтЕО уставки
К Е-
О <,
а и
н
Ю 55 О X О к
л й
К о.
и
V о
А а
"я. зад -1 БСЗ
—БЗ ф-»| = 0 [
ЧпН
К,
БС1 X
> 1 »
к2
БС2 X
< 1 т
дР,
^ф,/ -ТГ* -
^<-1 -
"д.?.
Расчёт активной мощности ДСП
В прямой канал САУ ТРГ
Пропорционально-интегральный регулятор
Рисунок 1. Структурная схема канала обратной связи по активной мощности дуг ( Рд) САУСТК
с корректором уставки
Инновации в науке
www.sibac.info_N° 12 (61). 2016г
Чем меньше величина АП, тем медленнее происходит накопление АРдзад и рост напряжения до номинального уровня. Поэтому в корректоре уставки предусмотрено два коэффициента усиления К и К. Если разность АП больше 1 кВ, то сигнал умножается на К, а если ниже 1 кВ, умножается на К2 (К < К). При этом сигнал умножается только на один коэффициент усиления, работа второго блокируется блоком сравнения БС1 или БС2. Вследствие этого достигается высокая скорость изменения уставки Рд.зад без перерегулирования как при большой разнице АП ,
так и при величинах регистрируемого напряжения близких к номинальному уровню. В схеме корректора уставки предусмотрен сброс интегратора при переключении ступени РПН печного трансформатора, реактора или изменении номера рабочей кривой. Из блока выбора уставки сигнал Рд.зад поступает на сумматор. На этот же сумматор
приходит сигнал Рд.зад с задержкой на один шаг расчёта (БЗ - блок задержки). Определяется разность, которая проходит через блок сравнения с нулём (БС3). В момент изменения Жтр, N или Ыж уставке по активной мощности дуг присваивается новое значение. Новая уставка сравнивается с предыдущей, которая была за мгновение до переключения ступени РПН или изменения номера рабочей кривой. На протяжении всей стадии плавки на выходе БС3 будем иметь 1, в момент перехода на следующую стадию 1 изменится на 0, т. к. на вход БС3 будет подано ненулевое значение. Сброс интегратора происходит по падению величины управляющего сигнала. Одновременно с этим на входе блока формирования импульса (БФИ) единица также изменяется на ноль. При падении входного сигнала БФИ формирует единичный импульс заданной длительности (в нашем случае 2 с). Единичный импульс проходит через блок инверсии (НЕ) и блокирует корректор уставки на 2 с целью предотвращения его неправильной работы в первый момент перехода на следующую стадию плавки из-за возникновения переходных процессов и резкого изменения электрических параметров.
Представим результаты исследования особенностей работы СТК после внедрения в систему управления корректора уставки Рд.зад,
проведённого на имитационной модели комплекса «ДСП-120-СТК». На исследуемом объекте реактор печного трансформатора имеет фиксированные параметры. Для анализа приняты 1-7 стадии плавки. Номера ступеней РПН печного трансформатора и рабочей кривой
Инновации в науке
N° 12 (61). 2016г._www.sibac.info
приведены в таблице 1. В модели реализована непрерывная работа комплекса «ДСП-СТК» на протяжении всех стадий.
Первый расчёт проведён при работе СТК с уставками из технической документации на ДСП (рис. 2). По графику, представленному на рис. 2, а можно увидеть, что в этом случае напряжение на шинах сталеплавильного комплекса постоянно понижено, его величина колеблется от 34 до 35 кВ. Средние значения напряжений на каждой стадии приведены в таблице 1 (иссрети), все они ниже 34,5 кВ. Мощность дуг равна заданным в системе управления СТК уставкам (рис. 2, б). Значения уставок Рд.зад для стадий 1-7 приведены в
таблице 1. Суммарная реактивная мощность комплекса «ДСП-СТК» имеет индуктивный характер, т. е. потребляется из питающей сети. Компенсатор с целью реализации алгоритма управления по Рд
с заданной уставкой р понижает напряжение на шинах РУ-35 кВ
за счёт дополнительного потребления реактивной мощности (рис. 2, в). Из-за высокого потребления реактивной мощности из внешней питающей сети мгновенное значение коэффициента реактивной мощности, рассчитанное в сети 35 кВ, периодически выходит за нормативное значение tgфHорм = 0,4 в индуктивной полуплоскости графика tgф = /(О) (рис. 2, г).
Таблица 1.
Исследование работы корректора уставки активной мощности ДСП
Номер стадии ЖТр ^РК с Рд. зад ' МВт Р' , д.зад > МВт АР , д.зад > МВт сети ср > кВ т г?сети и ср > кВ Аисети, ср ' кВ
1 10 4 0-18 48,9 50,45 1,55 34,46 34,89 0,43
2 12 5 18-31 54,9 57,6 2,70 34,14 34,74 0,60
3 13 5 31-72 58,7 61,52 2,82 34,36 35,06 0,70
4 14 5 72-287 61,5 65,1 3,60 34,48 35,43 0,95
5 12 5 287-358 54,9 57,95 3,05 34,12 35,00 0,88
6 13 5 358-380 58,7 61,39 2,69 34,35 35,09 0,74
7 10 5 380-400 48,9 50,4 1,50 34,31 34,9 0,59
Рисунок 2. Графики изменения ишин (() Рд 0) 0.(0 при работе СТК по активной мощности печи с уставками из технической документации на ДСП-120
Инновации в науке
N° 12 (61). 2016г._www.sibac.info
На рис. 3 приведены графики электрических характеристик после введения в систему управления СТК корректора уставки Рд зад . Величина
напряжения возросла по сравнению с рис. 2, а. В таблице 1 представлена разница между напряжением в сети 35 кВ при работе СТК с проектными
уставками и после их изменения для каждой стадии (АП ср™). Напряжение повысилось в среднем на 0,5-1 кВ. Мощность дуговой печи, как и в предыдущем случае, поддерживается на заданном уровне (рис. 3, б). Реактивная мощность комплекса «ДСП-СТК» на большем промежутке времени генерируется в сеть (т. е. имеет ёмкостный характер) (рис. 3, в). Коэффициент реактивной мощности периодически выходит за нормативное значение, но уже в ёмкостной полуплоскости (рис. 3, г). В этом случае ТРГ потребляет меньшую реактивную мощность, чтобы обеспечить новую уставку по активной мощности дуг. Новые значения Рд зад приведены в таблице 1, также определена разница между старой и новой уставками АРд.зад.
Графики изменения уставок по активной мощности дуг до и после внедрения корректора в САУ СТК представлены на рисунке 4. По графику новых уставок видно как в первый промежуток времени (2 сек) корректор не функционирует, и СТК работает с проектной Рд.зад. Далее происходит медленное накопление АРд.зад, которое суммируется с основной величиной уставки Рд зад. В последующем предполагается выполнить в корректоре уставки функцию автоматического запоминания максимальной величины Рдзад на всех стадиях и их замены в наборе блока
выбора уставки. Если после первого изменения Рдзад на какой-либо стадии корректор ещё раз поднимет величину уставки, то новое значение снова автоматически запишется в блок задания уставок при определённых Ытр,
Ыр и ЖрК.
Подъём значения уставки Рд.зад за счёт работы корректора может
стать причиной превышения величин некоторых параметров режима ДСП и питающей сети свыше их номинальных или допустимых значений, приведённых в технической документации на электрическое оборудование комплекса «ДСП-СТК» и в нормативных документах. На данном этапе разработки в системе управления СТК предусмотрена блокировка действия корректора уставки после превышения хотя бы одного из следующих параметров: верхнего порогового значения напряжения в сети 35 кВ (Ппорог = 1,1Пном), номинальной мощности печного трансфор-
матора (£пт) и номинального тока дуг (I д) при определённой ступени РПН печного трансформатора, реактора и номере рабочей кривой (рис. 1).
Рисунок 3. Графики изменения ишин , р , Q(t), tgф(t) при работе СТК по активной мощности печи после внедрения корректора уставки
Рисунок 4. Графики изменения уставок Рдшд в системе управления СТК за период расчёта с 1 по 7 стадию плавки ДСП-120
Кроме этого, по рис. 2, г и рис. 3, г можно увидеть, что мгновенный коэффициент реактивной мощности (tgф), измеренный в сети 35 кВ, превышает нормативные значения: в первом случае в индуктивной полуплоскости, во втором - в ёмкостной. По причине резкопере-менного характера нагрузки ДСП tgф постоянно колеблется в достаточно широких пределах и кратковременно выходит за нормативные значения ^§"фнорм = +0,4. Однако если сигнал мгновенного коэффициента реактивной мощности усреднить, к примеру, за 1 мин (/^фсрЛмин), то величина tgфч¡Лш¡я не будет
превышать tgфнорм (рис. 3, г). На практике коэффициент реактивной
мощности усредняют за 30 мин наблюдения и только после этого сравнивают с нормативным значением. Выбор оптимального периода усреднения tgф с целью одновременного устранения колебаний анализируемой величины и предотвращения нарушения нормативного коэффициента мощности требует проведения отдельного исследования и не рассматривается в рамках данной статьи.
В настоящее время для устранения нарушений tgфнорм в канале
обратной связи по активной мощности ДСП предусмотрена система ограничения tgф. Подробное описание её структуры и принципа работы приведено в работах [2; 4]. Система ограничения по tgф
www.sibac.info
ориентируется на величину мгновенного коэффициента реактивной мощности, в случае превышения ^норм она блокирует работу регулятора активной мощности и реализует управление СТК по tgф. Графики электрических характеристик комплекса «ДСП-СТК» после активации системы ограничения по tgф представлены на рис 5. Средняя величина напряжения также как и на рис. 3, а выше номинального уровня. На графике активной мощности дуг наблюдаются незначительные колебания Рд (рис. 5, б). Это объясняется тем,
что в моменты превышения нормативных значений коэффициента реактивной мощности регулятор активной мощности блокируется, и реализуется регулирование по tgф. Реактивная мощность отрицательна (генерируется в сеть), тем самым повышается напряжение на шинах РУ сталеплавильного комплекса и поддерживается неизменная мощность ДСП на скорректированном уровне. На рис. 5, г представлен график изменения мгновенного коэффициента реактивной мощности во времени. Как можно видеть, после активации системы ограничения по tgф данный параметр не выходит за нормативные значения.
Таким образом, разработанный и внедрённый в САУ СТК корректор уставки р улучшает электрический режим ДСП - увеличивает активную мощность дуг и, как следствие, повышает производительность дуговой печи. Однако устойчивая работа САУ СТК с корректором мощности возможна при условии, что в системе управления электрическим режимом дуговой печи не используются блоки коррекции импеданса 2гф или адмитанса У2ф вторичного контура ДСП в функции отклонения их заданной величины от фактической. В этом случае функцию поддержания желаемой мощности дуг Рд берёт
на себя СТК. Дальнейшая работа будет направлена на исследование влияния работы СТК в режиме поддержания неизменной мощности дуг с активированным корректором уставки на функционирование системы автоматического управления перемещением электродов. В случае необходимости, предполагается разработка мер по согласованию работы САУ СТК и системы управления электрическим режимом ДСП.
Рисунок 5. Графики изменения ишин , Рд (1), 0(1) > Щф(1)
при работе СТК по активной мощности печи с применением корректора уставки и системы ограничения по tgф
Список литературы:
1. Николаев А.А. Исследование работы статического тиристорного компенсатора в режиме поддержания постоянной мощности дуговой сталеплавильной печи / А.А. Николаев, В.В. Анохин, В.Е. Котышев // Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по материалам LIII междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск: Изд-во АНС «СибАК», 2015. - № 12 (48). - С. 203-211.
2. Николаев А.А. Исследование режимов работы статического тиристорного компенсатора при поддержании постоянной мощности дуговой сталеплавильной печи / А.А. Николаев, В.В. Анохин // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. - 2016. - Т. 4. - № 4. - С. 21-32.
3. Николаев А.А. Определение оптимального режима работы статического тиристорного компенсатора в условиях сильных отклонений питающего напряжения / А.А. Николаев, В.В. Анохин, В.С. Ивекеев // Инновации в науке: c6. ст. по материалам LII междунар. науч. - практ. конф. -Новосибирск: Изд-во АНС «СибАК», 2015. - Часть 1, № 12 (49). - С. 46-55.
4. Николаев А.А. Система автоматического управления СТК с функцией контроля коэффициента реактивной мощности при стабилизации напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса «ДСП-СТК» / А.А. Николаев, В.В. Анохин, Ф.Ф. Муталлапова // Инновации в науке: сб. ст. по материалам LXIII междунар. науч. - практ. конф. № 11 (60). -Новосибирск: Изд-во АНС «СибАК», 2016. - № 11 (60). - С. 150-162.
5. Николаев А.А. Сравнительный анализ режимов регулирования статического тиристорного компенсатора в системе электроснабжения дуговой сталеплавильной печи высокой мощности / АА. Николаев, Г.П. Корнилов, В.В. Анохин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2016. - Т. 16, № 2. - С. 35-46.
6. Патент РФ № 2012100347/07, 10.01.2012. Тропин В.В., Кузьменко В.А., Мологин Д.С., Панова О.С. Датчик реактивной мощности резкопеременной нагрузки для управления статическим компенсатором реактивной мощности // Патент России № 2488204. 2013. Бюл. № 25.
7. Application of Static Var Compensator of Ultra-High Power Electric Arc Furnace for Voltage Drops Compensation in Factory Power Supply System of Metallurgical Enterprise / A.A. Nikolaev, G.P. Kornilov, T.R. Khramshin et al. // Proceedings Electrical Power and Energy Conference (EPEC). - Calgary (Canada). - 2014. - P. 235-241. DOI: 10.1109/EPEC.2014.18.
8. Hingorani N.G. Understanding FACTS. Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems / N.G. Hingorani, G. Narain, L. Gyugyi. -New York (USA): IEEE Press book, 2000. - 444 p.
9. 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.
10. United States Patent US 6,674,267 B2. 2004. Wernersson Lennart. Method and a device for compensation of the consumption of reactive power by an industrial load.
