Research, assessment and proposals on resolving power quality problem for the power supply system of Lam Dong alumina refinery, Vietnam

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.