Использование мощных электроприводов на базе активных двунаправленных преобразователей в составе промышленной Smart Grid системы

Приоритетным направлением в развитии металлургических предприятий является оптимальное использование электроэнергии промышленными объектами. Технологии энергосбережения развиваются в связи с ростом цен на электроэнергию и увеличение ее доли в себестоимости продукции. Одним из путей повышения энергоэффективности работы технологических объектов является использование интеллектуальных электронных систем, или так называемых «умных» сред [1–3]. На сегодняшний день существует большое количество «умных» сред в различных предметных областях: проекты «умных» сетей электроснабжения (smart grid), «умных» транспортных систем (intelligent transportation system), «умного» производства (smart manufacturing), «умных» домов (smart houses), «умных» городов (smart cities) и т. д. [4]. Большинство интеллектуальных технологий находятся на ранней стадии развития. Они должны будут преодолеть еще много технических и нормативных ограничений. Наиболее эффективными и развитыми сегодня из перечисленных выше «умных» сред являются технологии построения Smart Grid систем [5].

На современных металлургических предприятиях значительную часть мощных потребителей электрической энергии занимают реверсивные автоматизированные электроприводы. Такие потребители имеют возможность осуществлять двунаправленный обмен активной и реактивной мощностью с низким негативным влиянием на питаю- щую сеть. Благодаря большим мощностям и возможности управления величинами потребляемой или генерируемой реактивной мощности, такие электроприводы имеют значительные перспективы для интеграции в Smart Grid системы. Это требует комплексного подхода для определения возможности и актуальности использования мощных электроприводов в Smart Grid.

Цель настоящей работы заключается в определении:

– возможности и целесообразности интеграции главного электропривода прокатной клети толстолистового стана 5000 в систему Smart Grid с учетом прокатываемого сортамента и установленного оборудования;

– запаса мощности системы главного электропривода в статических и динамических режимах работы для каждого прохода металла на базе экспериментальных исследований;

– диапазона возможного генерирования или потребления реактивной мощности на основании расчетных данных потребляемой мощности системы электропривода.

Теоретические предпосылки применения главного электропривода прокатной клети стана 5000 в составе промышленной Smart Grid системы

• A.    Типовые особенности и функциональные возможности Smart Grid в промышленности Термин Smart Grid не имеет строгого определения. Его можно рассматривать как концепцию модернизации энергетических систем путем инте-

• грации энергетических и информационных технологий. Технология Smart Grid включает в себя выработку, передачу и распределение электрической энергии потребителям на уровне высокого напряжения. На уровне низкого напряжения такое объединение обычно называют Microgrid.

Системы внутризаводского электроснабжения являются наиболее подходящими объектами для начального формирования Smart Grid и Microgrid систем. В настоящее время большая часть современных металлургических предприятий уже имеет значительный «интеллект» в энергораспределительных системах. Практически во всех случаях потребители оборудованы измерительными датчиками, благодаря которым осуществляется непрерывный мониторинг энергопотребления в ходе технологического процесса. Эта информация передается в локальные информационные сети более высокого уровня, что позволяет осуществлять комплексный контроль энергопотребления предприятия. В такой среде намного легче понять и реализовать концепцию Smart Grid, так как некоторые из ее основных идей уже реализованы.

Для промышленной Smart Grid системы можно определить следующие функции: адаптивность (автоматическое и быстрое реагирование на изменяющиеся условия), прогнозированность (идентификация различных изменений прежде, чем они произойдут), интегрированность (взаимодействие большого количества объектов в реальном времени), интерактивность (согласованность между потребителями и поставщиками электроэнергии), оптимальность (идеальное соотношение надежности, доступности, эффективности и экономичности) [6].

Качество электроэнергии является важным фактором для поддержания производственных затрат на низком уровне. Потребитель облагается штрафами при слишком высоком потреблении реактивной мощности и значительном гармоническом искажении питающего напряжения, так как это уменьшает пропускную способность сети и увеличивает потери. Применение технологии Smart Grid позволит обеспечить надлежащий контроль над потреблением реактивной мощности и фильтрации гармоник в распределительной сети [7].

• B.    Типовые особенности основного силового электрооборудования главного электропривода прокатной клети стана 5000

Главный электропривод прокатной клети стана 5000 представляет собой систему, в которой синхронный двигатель номинальной мощностью 12 МВт каждого рабочего валка подключается к трём параллельно соединённым двухзвенным преобразователям частоты (ДПЧ). ДПЧ состоят из трехуровневых активных выпрямителей напряжения (АВН) и трехуровневых автономных инверторов напряжения (АИН). Максимальная длительнодопустимая мощность каждого ДПЧ составляет

8,4 МВАр. Для улучшения качества выпрямленного напряжения, уменьшения гармонического состава потребляемого и инвертируемого тока применяется 18-пульсная схема выпрямления. Для реализации данной схемы используют три трансформатора с углами сдвига вторичных напряжений на +20, 0, –20°. На рис. 1 показана упрощенная принципиальная электрическая схема главного электропривода прокатной клети стана 5000 для одного двигателя.

ДПЧ имеют возможность работать с отстающим, единичным или опережающим коэффициентом мощности. Данная особенность позволяет управлять двунаправленным обменом реактивной мощности между приводом и подстанцией, а также в случае необходимости как потреблять главным электроприводом прокатной клети, так и генерировать им реактивную мощность. Кроме того, если в точке подключения ДПЧ к питающей сети будут параллельно работать установки с нелинейной нагрузкой, т. е. потребители реактивной мощности, то электропривод может скомпенсировать часть неактивной составляющей полной мощности этой нагрузки. Это позволяет уменьшать величину потребляемой реактивной мощности с подстанции и улучшать технико-экономические показатели системы электроснабжения.

• C.    О возможности компенсации реактивной мощности двухзвенным преобразователем частоты с активным выпрямителем и автономным инвертором напряжения

ДПЧ c АВН и АИН (рис. 2) представляет собой два управляемых источника напряжения, один из которых (АВН) присоединяется к сети переменного тока, а второй (АИН) непосредственно к нагрузке [8]. Оба источника напряжения имеют идентичную структуру и состоят из мостовых преобразователей на полностью управляемых полупроводниковых ключах и общего промежуточного звена постоянного тока (DC), накопление энергии в котором осуществляется в электрическом поле конденсатора C . АВН и АИН работают по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и для улучшения гармонического состава тока и напряжения могут дополнительно комплектоваться фильтрами. АВН дополнительно комплектуется реактором L с большим показателем добротности и высоким напряжением короткого замыкания 10–15 % [9].

Пренебрегая активным сопротивлением со стороны сети и внутренними потерями в АВН и АИН, активная и реактивная мощности, потребляемые преобразователем, определяются по следующим выражениям [10, 11]:

Рсети = Eс EАВН ■ sin(а),

XL

• =    Eс ■(Eс - EАВН ■ cos (а))

сети

XL

Рис. 1. Упрощенная принципиальная электрическая схема главного электропривода прокатной клети стана 5000

относительно точки подключения к питающей сети (б)

где P сети и Q сети – активная и реактивная мощности, потребляемые (генерируемые) ДПЧ, X_L – эквивалентное индуктивное сопротивление на входе ДПЧ, E _с = const – амплитуда фазного напряжения питающей сети, E АВН – амплитуда гладкой составляющей выходного фазного напряжения АВН, α – угол сдвига между E с и E АВН .

Анализ уравнения (1) позволяет сделать вывод, что величина активной мощности прямо пропорциональна величине выпрямленного напряжения и величине выпрямленного тока. Кроме того, активная мощность зависит от угла сдвига α, так как при малых углах sin(α) ≈ α. Из уравнения (2) видно, что реактивная мощность в основном зависит от разницы величин E _c и E АВН , так как cos(α) ≈ 1. Используя выражения (1) и (2), получим выражение для полной мощности ДПЧ:

S = Ес- JЕ2 - 2. Ес. Eавн . cos(a) + Eавн2 , (3) XL откуда следует, что полная мощность ДПЧ, есть функция двух переменных угла α и напряжения EАВН. На рис. 3 представлена зависимость полной мощности S = f(α, EАВН). На рис. 3 видно, что различные значения угла сдвига α и выходного напряжения АВН EАВН образуют поверхность в форме конуса. Выходное напряжение АВН имеет следующую зависимость [12]:

E ABH = k ШИМ ' m ' U dc , ⁽⁴⁾ где k ШИМ – коэффициент, зависящий от типа широтно-импульсной модуляции (ШИМ), m – коэффициент модуляции АВН. В большинство современных активных преобразователей средней мощности используется векторная ШИМ и ШИМ с удалением выделенных гармоник.

Рис. 3. Зависимость полной мощности от угла α и напряжения E АВН

Используя уравнения (3) и (4), можно построить систему управления АВН таким образом, чтобы при определённых значениях α и E _АВН сохранялось постоянство максимальной потребляемой полной мощности преобразователя, другими словами, обеспечивалось максимальное использование преобразователя по потребляемому фазному току.

Следует отметить, что диапазон изменения угла α между вектором E АВН и E с в реальных АВН находится в небольшом диапазоне (от 1 до 15°). Данное обстоятельство требует от системы управления (СУ) АВН высокой точности и быстродействия при обеспечении устойчивой работы в этих режимах [13].

Определение диапазонов генерации и потребления реактивной мощности на основе экспериментальных и расчетных данных

Суммарная допустимая полная максимальная мощность S _max, которую могут потребить три преобразователя частоты главного электропривода клети стана 5000, примерно равна 30 МВА. Кроме того, эти преобразователи могут работать с коэффициентом мощности то –0,8 до 0,8 при номинальной мощности 6,2 МВт, т. е. генерировать или потреблять примерно 5 МВАР каждый.

На рис. 4 и 5 показаны условия работы главного электропривода для черновой и чистовой стадии прокатки, где w _д – скорость приводного двигателя, M _д – момент приводного двигателя, S _эл – потребляемая мощность из питающей сети с учетом потерь и единичном коэффициенте мощности. Кривые переходных процессов получены с частотой квантования 500 Гц.

На рис. 4 видно, что во время черновых проходов у системы электропривода привода есть существенный запас по мощности от 10МВА и выше. Во время чистовых проходов, показанных

на рис. 5, электропривод загружается практически на полную максимальную мощность и не имеет возможность генерировать или потреблять дополнительную реактивную мощность в больших пределах.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что во время черновых проходов можно использовать главные электропривода в качестве статических компенсаторов реактивной мощности с постоянной генерацией или потреблением до 5 МВАР каждый.

Проверка результатов с применением математической модели

Исследование условий работы главного электропривода во время черновых проходов и одновременной генерации реактивной мощности проводилось методом математического моделирования на имитационной модели, разработанной в программе Matlab/Simulink. Модель выполнена на базе упрощенной принципиальной схемы (см. рис. 1), более подробное математическое описание и реализация которой приведены в [14]. Результа-

Рис. 6. Энергопотребление главного электропривода при черновых проходах для марки стали X70 при генерации реактивной мощности 6,4 МВАР

ты моделирования при генерации реактивной мощности главным электроприводом представлены на рис. 6, где P эл – потребляемая активная мощность из питающей сети, где Q эл – генерируемая реактивная мощность.

На рис. 6 видно, что при генерации реактивной мощности, полная реактивная мощность не выходит за пределы максимально допустимого значения.

Заключение

На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований для главного электропривода толстолистового стана 5000 было определено, что электропривод, построенный на базе ДПЧ с АВН и АИН, возможно использовать в качестве статического компенсатора реактивной мощности в сети c целью энергосбережения. Величину потребляемой или генерируемой реактивной мощности электроприводом необходимо рассчитывать в соответствии с нагрузочной диаграммой привода и возможностями преобразователей, иначе в тяжелых режимах работы возможна ситуация выхода за допустимые пределы энергопотребления.

Наиболее актуально использовать рассмотренный метод управления в тех случаях, когда рядом с точкой подключения электропривода к питающей сети параллельно с ним работают установки с нелинейной нагрузкой. Данный метод управления перспективно использовать только совместно с технологией промышленной Smart Grid системы, которая должна осуществлять на верхнем уровне управления мониторинг в реальном времени величин активной и реактивной мощности и формировать на локальном уровне управления преобразователями задание на генерацию или потребление реактивной мощности. Это позволит уменьшить величину потребляемой реактивной мощности с подстанции и улучшить техникоэкономические показатели системы электроснабжения в целом для предприятия.