Исследование, оценка и предложения по решению проблемы качества электроэнергии для системы электроснабжения глиноземного завода в Лам Донге, Вьетнам

Глиноземное производство является важной составляющей алюминиевой промышленности, что определяет необходимость создания рациональных технологических решений, в том числе с точки зрения эффективности использования электрической энергии.

Глиноземный завод в Лам Донге – это крупный и важный проект вьетнамского государства, система электроснабжения которого не должна допускать перебоев в подаче электроэнергии. Для поддержания стабильности электроснабжения необходимо улучшение качества электроэнергии. Поэтому целью моделирования электрической системы глиноземного завода в Лам Донге, Вьетнам, являются изучение и анализ характеристик системы электроснабжения с учетом нелинейных нагрузок. Наличие нелинейных нагрузок существенно ухудшает качество электриче- ской энергии, что приводит к повреждению оборудования, ошибочным переключениям и, как следствие, снижению производительности завода.

Глиноземный завод в Лам Донге производит 650 тыс. т глинозема в год. Электроэнергия на глиноземный завод поступает от двух линий электропередачи напряжением 110 кВ. На самом заводе построены две трансформаторные подстанции в 20 МВА для понижения напряжения со 110 до 6 кВ. Кроме того, на заводе строится резервная электростанция, состоящая из двух комплектов генераторов мощностью по 15 МВА. Выходное напряжение генераторов составляет 6 кВ. На рис. 1 представлена структура электроэнергетической системы глиноземного завода в Лам Донге. От двух трансформаторов 110/6 кВ напряжение 6 кВ подается на распределительные станции ПД-1...ПД-6. Рассмотрим назначение отдельных станций распределения электроэнергии

Рис. 1. Структура электроэнергетической системы глиноземного завода в Лам Донге

Fig. 1. Lam Dong alumina refinery electric power system configuration

2021;6(2):121–127

Do Thanh Lich. Research, assessment and proposals on resolving power quality problem...

ПД-1...ПД-6, что имеет большое значение к их соотнесению к определенным технологическим процессам, которые реализуются на предприятии.

Станция распределения электроэнергии ПД-1 (6 кВ, 7805 кВт) питает электроэнергией систему измельчения бокситов. Для измельчения бокситов используется замкнутый процесс измельчения руды, состоящий из группы циклонов и набора шаровых мельниц из трех герметичных секций. Для транспортировки боксита используется конвейер.

Станция распределения электроэнергии ПД-2 (6 кВ, 6317 кВт) питает электроэнергией технологический процесс отстаивания красного шлама.

Станция распределения электроэнергии ПД-3 (6 кВ, 5848 кВт) питает электроэнергией двухстадийный технологический процесс кристаллизации, в котором используется 18 комплектов резервуаров для кристаллизации, из которых три комплекта – для кристаллизации на первом этапе, 15 – для кристаллизации на втором этапе.

Станция распределения электроэнергии ПД-4 (6 кВ) питает воздушную компрессорную станцию 4217 кВт.

От станции ПД-4 получают электроэнергию пять подстанций низкого напряжения 6/0,4 кВ с мощностями: S ₁ = 800 кВА (станция распределения циркуляции кристаллизованной воды, P ₁ = 644 кВт), S ₂ = 800 кВА (станция распределения циркуляции сжатого воздуха, P ₂ = 596 кВт), S ₃ = 800 кВА (станция распределения циркуляции глиноземной воды, P ₃ = 674 кВт), S ₄ = 630 кВА (станция распределения низкого давления воздуха, P ₄ = 567 кВт), S ₅ = 1000 кВА (распределительная станция ремонтной мастерской, P ₅ = 900 кВт, оборудованная системой электросварочных машин, токарных станков, строгальных станков и кранов).

Станция распределения электроэнергии ПД-5 (6 кВ) питает печь мощностью 3890 кВт, два вентилятора вакуумного насоса (6 кВ) мощностью 2 х 560 кВт, двигатель вытяжного вентилятора (6 кВ) мощностью 710 кВт, используемого для гидратных печей.

От станции ПД-5 получает электроэнергию распределительная система низкого напряжения 6/0,4 кВ, в состав которой входят три трансформатора с мощностями: S ₁ = 630 кВА (станция распределения гидрата, P ₁ = 390 кВт), S ₂ = 1250 кВА (гидратная распределительная станция, P ₂ = 809 кВт), S ₃ = 630 кВА (водораспределительная станция, P ₃ = 571 кВт).

Станция распределения электроэнергии ПД-6 (6 кВ) питает систему электроснабжения котла ( P = 8120 кВт).

Опираясь на представленное описание функциональной привязки станций питания к технологическим объектам и процессам можно определить подходы к обеспечению качества электроэнергии во всей системе электроснабжения.

Особенности работы электротехнических комплексов и систем завода

Для регулирования скорости электродвигателей различных машин и механизмов широко используются преобразователи частоты, которые являются нелинейной нагрузкой для системы электроснабжения. Наличие нелинейных нагрузок на шинах напряжением 0,4 кВ приводит к перегреву кабеля и повреждению изоляции. Также возможны перегрев двигателя, возникновение шума и колебаний крутящего момента на роторе, что приводит к механическому резонансу и вибрации. При наличии конденсаторных установок возможен их перегрев и в большинстве случаев разрушение диэлектрика. Под воздействием разных производственных и природных факторов устройства индикации и освещения могут работать не в стационарных режимах, защитные устройства в системах электроснабжения и управления могут аварийно отключаться, сети передачи данных и измерительное оборудование дают ложные результаты [1, 2]. Причиной таких явлений эксперты считают характер нагрузок в электроприводах машинного оборудования, которое участвует в реализации технологических процессов, а также наличие нелинейных элементов в системе электроснабжения при управлении электроприводами [3, 4]. Таким образом, наличие нелинейных нагрузок приводит к нарушению нормальной работы завода.

Модель системы электроснабжения глиноземного завода

Для моделирования системы электроснабжения используется программно-аппаратный комплекс а Matlab Simulink, имеющая в своем составе специализированную библиотеку, позволяющую создавать модели различных электротехнических комплексов и систем [5].

На рис. 2 показана визуальная модель схемы распределительной системы 110 кВ с двумя главными силовыми трансформаторами 110 / 6 кВ, 20 МВА. Схема системы 110 кВ состоит из двух линий, которые резервируют друг друга и соединены между собой через шину. Распределение электроэнергии на стороне 6 кВ осуществляется на шести распределительных подстанциях: распределительной станции ПД-1 системы измельчения бокситов ( Р _ПД.1 = 7805 кВт); распределительной станции ПД-2 красного шлама ( Р _ПД.2 = 6317 кВт), станции распределения кристаллизации ПД-3 ( Р _ПД.3 = 5848 кВт); распределительной станции для компрессоров ПД-4 ( Р _ПД.4 = 4217 кВт), распределительной станции печи ПД-5 ( Р _ПД.5 = 3890 кВт), распределительной станции котельной ПД-6 ( Р _ПД.6 = 8120 кВт). Система снабжена также резервным питанием от 2 генераторов напряжением 6 кВ, мощностью 15 МВА. На рис. 3 приведена визуальная модель распределительной системы станции ПД-1, входящая в состав модели электрической системы глиноземного зав ода в Лам Донге (рис. 2). Аналогичные модели разработаны для станций распределения электроэнергии ПД-2…ПД-6.

Представленные модели электротехнических комплексов и систем завода позволяют выявить режимы работы оборудования при разных особенностях реализации технологических процессов, а также определить их влияние на качество электроэнергии.

2021;6(2):121–127

До Тхань Лич. Исследование, оценка и предложения по решению проблемы качества электроэнергии...

АВ10

Рис. 2. Модель электрической системы глиноземного завода в Лам Донге

Fig. 2. Lam Dong alumina refinery electric power system model

кремния 567 кВТ кремния 567 кВТ

Рис. 3. Модель станции распределения электроэнергии ПД-1

Fig. 3. PD-1 power distribution station model

ГОРНЫЕ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ                                   https://mst.misis.ru/

2021;6(2):121–127                                        Do Thanh Lich. Research, assessment and proposals on resolving power quality problem...

Результаты моделирования

В табл. 1 и 2 приведены коэффициенты нелинейных искажений (КНИ) по напряжению и току на шинах напряжением 6 кВ системы электроснабжения глиноземного завода и на шинах напряжением 6 и 0,4 кВ станций распределения электроэнергии ПД1...ПД6, полученные в результате моделирования процессов в системе электроснабжения глиноземного завода.

Таблица 1 / Table 1

Коэффициенты нелинейных искажений по напряжению и току на шинах напряжением 6 кВ

Harmonic distortion factors for voltage and current at buses of 6 kV voltage

Точки измерения КНИ	КНИ по напряжению, %	КНИ по току, %
Система электроснабжения глиноземного завода	0,02	1,66
ПД-1	0,02	2,12
ПД-2	0,02	2,07
ПД-3	0,20	0,78
ПД-4	0,02	2,20
ПД-5	0,02	3,35
ПД-6	0,02	3,86

Таблица 2 / Table 2

Коэффициенты нелинейных искажений по напряжению и току на шинах напряжением 0,4 кВ

Harmonic distortion factors for voltage and current at buses of 0.4 kV voltage

Точки измерения КНИ	КНИ по напряжению, %	КНИ по току, %
ПД-1	7,08	25,15
ПД-2	6,27	25,52
ПД-3	6,83	25,35
ПД-4	6,62	25,43
ПД-5	6,32	25,62
ПД-6	7,96	24,60

Анализ результатов показывает, что наличие нелинейных нагрузок приводит к значительным искажениям синусоидальных форм напряжений и токов на шинах напряжением 0,4 кВ по сравнению с шинами напряжением 6 кВ. Этот вывод подтверждается также сравнением форм графиков токов на стороне 6 кВ (рис. 4) и 0,4 кВ (рис. 5). Видно, что формы токов на стороне напряжения 0,4 кВ существенно отличаются от синусоидальных по сравнению с формой тока на стороне напряжения 6 кВ.

Коэффициенты нелинейных искажений напряжения и тока на шинах низкого напряжения 0,4 кВ превышают допустимый предел по сравнению с международным стандартом IEEE ST519-1992 (КНИ _U% ≤ 5, КНИ _I% ≤ 20). Поэтому для компенсации высших гармоник тока и напряжения необходимо применение в электрической системе глиноземного завода специальных регуляторов качества электроэнергии [6–9].

Перспективным средством повышения качества электроэнергии является применение активных фильтров гармоник (АФГ). Работа АФГ основана на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерации в сеть гармоник тока с противоположной фазой. Как результат, высшие гармонические составляющие тока компенсируются в точке подключения АФГ и не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть [10, 11].

Наличие нелинейной нагрузки приводит также к значительному снижению коэффициента мощности, что подтверждается результатами моделирования. Например, на подстанции 110/6 кВ коэффициент мощности находится в диапазоне от 0,62 до 0,46. Низкий коэффициент мощности подразумевает необходимость компенсации реактивной мощности на шинах 6 кВ и шинах низкого напряжения на распределительных станциях [12–14].

Рис. 4. Формы токов в трех фазах на стороне напряжения 6 кВ Fig. 4. Three-phase current waveforms on 6 kV voltage side

Рис. 5. Формы токов в трех фазах на стороне напряжения 0,4 кВ Fig. 5. Three-phase current waveforms on 0.4 kV voltage side

2021;6(2):121–127

До Тхань Лич. Исследование, оценка и предложения по решению проблемы качества электроэнергии...

Заключение

Разработанные модели для имитационного моделирования системы электроснабжения глиноземного завода Лам Донг при помощи пакета Matlab Simulink позволили провести исследования режимов работы системы и отдельных ее компонентов. Проанализированы результаты моделирования с целью выработки решений по улучшению качества электрической энергии.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

• 1.    На шинах низкого напряжения – 0,4 кВ – под воздействием нелинейной нагрузки форма напряжения и тока существенно деформируется, что влияет на качество электроэнергии.

• 2.    Коэффициенты нелинейных искажений напряжения и тока на шинах низкого напряжения – 0,4 кВ, и на шинах 6 кВ превышают допустимый международным стандартом IEEE ST519-1992 предел гармоник.

• 3.    Для компенсации высших гармоник тока и напряжения необходимо применение в электрической системе глиноземного завода специальных регуляторов качества электроэнергии, например, активных фильтров гармоник.

• 4.    На подстанции 110/6 кВ коэффициент мощности находится в диапазоне от 0,62 до 0,46. Низкий коэффициент мощности подразумевает необходимость компенсации реактивной мощности на шинах 6 кВ и шинах низкого напряжения на распределительных станциях.