Сравнительный анализ режимов регулирования статического тиристорного компенсатора в системе электроснабжения дуговой сталеплавильной печи высокой мощности

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) являются несимметричными электроприемниками с нелинейной вольт-амперной характеристикой и резкопеременным режимом работы. Выплавка стали в дуговых печах при прямом подключении печного трансформатора к сети без компенсирующих устройств сопровождается высоким потреблением реактивной мощности из питающей системы и значительным ухудшением качества электрической энергии практически по всем показателям [1]. Нарушение баланса реактивной мощности в сторону дефицита приводит к отрицательному отклонению напряжения относительно его номинального уровня. Как известно, мощность печи имеет нелинейную зависимость от напряжения питания, поэтому из-за его снижения ухудшаются электрические характеристики самой ДСП. По этим причинам в системах электроснабжения мощных электросталеплавильных комплексов устанавливаются специальные компенсирующие устройства. Широкое распространение получили статические тиристорные компенсаторы (СТК), которые обладают достаточным быстродействием для компенсации резкопеременной нагрузки и возможностью пофазного регулирования для устранения несим-метрии напряжений. Также к достоинствам СТК можно отнести их невысокую стоимость по сравнению с быстродействующими статическими компенсаторами (СТАТКОМ) [2–4].

Статический тиристорный компенсатор.

Режимы управления тиристорнореакторной группой

Статический тиристорный компенсатор – это устройство косвенной компенсации реактивной мощности, которое состоит из двух основных частей: тиристорно-реакторной группы (ТРГ) и фильтрокомпенсирующих цепей (ФКЦ). Фильтрокомпенсирующие цепи представляют собой нерегулируемый источник реактивной мощности, их параметры настроены на фильтрацию токов высших гармоник от ДСП и ТРГ. Тиристорно-реакторная группа предназначена для потребления избытка реактивной мощности, генерируемой ФКЦ, в периоды технологических пауз дуговой печи или при ее работе с малыми токами. Величина потребляемой ТРГ реактивной мощности пофазно регулируется углом открытия вентильной группы, элементами которой являются тиристоры или си-мисторы [5–7].

На сегодняшний день системы автоматического управления СТК предусматривают возможность работы тиристорно-реакторной группы в двух режимах: обеспечение нулевой величины суммарной реактивной мощности электросталеплавильного комплекса и стабилизация напряжения в точке общего подключения дуговой печи и компенсатора [8, 9].

В первом случае при работе СТК по реактивной мощности с нулевой уставкой Q2 = 0 МВАр реактивная составляющая тока нагрузки полностью компенсируется, в результате чего в питающей сети наблюдаются только незначительные потери из-за протекания активных токов ДСП. При стабильном напряжении во внешней сети напряжение на шинах распределительного устройства (РУ) электросталеплавильного комплекса будет сохраняться близким к номинальному, что позволит печи работать на проектных мощностях. Однако на практике питающее напряжение не является постоянной величиной и изменяется в некоторых пределах. Регулирование вторичного напряжение осуществляется с помощью переключения ступеней РПН сетевого трансформатора, через который получает питание комплекс «ДСП-СТК». Стоит отметить, что такое регулирование производится с определенным шагом, величина которого зависит от количества ступеней, и трансформатор работает с одним положением РПН в некотором диапазоне первичного напряжения, что, естественно, отражается на величине вторичного напряжения [10]. В этой ситуации напряжение на первичной стороне печного трансформатора при работе СТК по реактивной мощности может сильно отклоняться от номинального уровня.

Для поддержания номинального уровня напряжения на шинах сталеплавильного комплекса СТК переводят в режим регулирования по напряжению U _шин = const . В этом случае компенсатор берет на себя функцию автоматического подбора уставки по реактивной мощности в каждый момент времени с целью стабилизации напряжения на заданном оператором уровне. Поддержание номинального напряжения на шинах РУ еще не обеспечивает полного контроля величины активной мощности ДСП. В процессе плавки длины дуг постоянно изменяются, особенно на начальных стадиях (из-за обвалов шихты, проплавления колодцев и т. п.). Система управления положением электродов дуговой печи обладает достаточно высокой инерционностью по сравнению со скоростью изменения электрических параметров, поэтому на графиках изменения активной мощности ДСП во времени наблюдаются ее колебания относительно некоторого среднего уровня, определяемого величиной уставки регулирования полной проводимости Y _уст и средним уровнем напряжения питающей сети.

Таким образом, существующие режимы регулирования СТК позволяют влиять на величину активной мощности ДСП лишь косвенно, оперируя электрическими параметрами сети: реактивной мощностью и напряжением. С целью непосредственного контроля активной мощности разработан новый режим регулирования ТРГ, который предусматривает прямое задание уставки по активной мощности дуг ДСП [11]. Компенсатор за счет управления реактивной мощностью автоматически подстраивает величину напряжения на шинах РУ для обеспечения требуемой мощности ДСП. Оператору будет достаточно ввести в систему управления СТК диапазон уставок при различных стадиях плавки.

Разработка математической модели электросталеплавильного комплекса ДСП-120-СТК

Исследование параметров сети и электрических характеристик ДСП при трех режимах регулирования СТК проведено на математической модели электросталеплавильного комплекса ДСП-120-СТК, разработанной в приложении Simulink математического пакета Matlab . Структурная схема математической модели изображена на рис. 1. Для наглядности первичные цепи силовой сети показаны электрической схемой.

Система автоматического управления (САУ) тиристорно-реакторной группы MACH 2 фирмы ABB работает на основе сигналов ортогональных составляющих прямой и обратной последовательности токов и напряжений комплекса ДСП-СТК [12]. В представленной модели САУ ТРГ предусмотрены прямой быстродействующий канал и три обратных канала, соответственно, по суммарной реактивной мощности комплекса, напряжению на шинах РУ и активной мощности ДСП. Прямой канал осуществляет симметрирование нагрузки, исключая токи обратной последовательности. Обратные каналы производят необходимую добавку к проводимостям фаз ТРГ для реализации принятого режима управления. Задание уставки регулирования активной мощности осуществляется в зависимости от номера ступени печного трансформатора и рабочей кривой. В общем случае при определении уставки активной мощности необходимо также учитывать номер ступени реактора печного трансформатора. На исследуемом объекте реактор встроен в печной трансформатор и имеет фиксированные параметры, поэтому в данной модели номер ступени реактора в САУ ТРГ не подается. Расчет действительной активной мощности дуг осуществляется на основе ортогональных составляющих прямой последовательности токов дуг и вторичных напряжений печного трансформатора, мгновенные значения которых приходят из системы управления HiREG Plus . Суммарные значения проводимостей фаз ТРГ подаются на блоки нелинейности, в которых реализована обратная регулировочная характеристика α = f ( B ) . Сигналы задания на углы отпирания тиристоров вентильной группы передаются в систему импульснофазового управления (СИФУ) [13–16].

Для управления положением электродов на исследуемом объекте используется САУ HiREG Plus фирмы Danieli . Алгоритм данной системы подразумевает косвенное регулирование адмитан-са электрического контура за счет поддержания на нулевом уровне ошибки регулирования. Подробно

Утр

Урк

Модель системы автоматического

♦ t j ^ шинДДЛ

Babe

Весе

ВсАЕ

Выбор уставки

Задание отклонения напряжения в сети 220 кВ управления тиристорнореакторной группой МАСН2

Блоки ограничители

U^.d~ UWq

B ТРГ max

1 Д-d

ТРГ max

^вс

X

Г>1(

(I =40В а =40 в

(I =40 В

д(.4Ж)

AZ =Ег л

Biasc „ ^тирС

ЦзадС

ЗРУ-35 кВ

о

И

S

Гфр+1

и

ФНЧВ

S

ФНЧС

с

S (D s

о пи- регулятор

ПИ- регулятор

9^

1 ГфР+1

Модель электрического контура ДСП-120

^2ф(ЛД,Огд(ЛД,С)[

( U q Гу_М. d " Ud "1

СумеДЖ) |

WmHHC4AC)|->

нагр(.4Д,С)1

У 1

А А А А ।

К

-и:

натр, d Гагр, q Гагр, d

_\-L

ТРГ

100 МВАр^ ^

90 МВА

<04 ^гфддл

ДСПС4Д,С)

Ф2

ud+ut "^

3 • U "⁽I’

+ ,

Babi

В ВО

ПИ- регулятор ^

.

31U ■ ( С q - ² • !А )

Г • ( I + , +73 • I - d + i ; , ) з • U

11 шин(.4Д,С)

ГП

Ф АПЧ-2

«СА

ФЗ

25 МВ Ар 35 МВ Ар 40 МВ Ар

Блоки q нелинейности_______

ВСАУ MACHI

0,167

0,103

ФНЧЛ

W+1

гц в

S о

Т^ц/2 + 1

ГЦ С

Е?с

Гттр+1

^+1

Жл)

Чв

ГБШЛ

Формирование случайных возмущений дуг

Рис. 1. Структурная схема математической модели электросталеплавильного комплекса ДСП-120-СТК

математическая модель САУ HiREG Plus описана в работах [17–21].

Электрическая дуга ДСП-120 в математической модели представлена нелинейным звеном, описываемым нелинейным дифференциальным уравнением Касси [22].

Для исследования особенностей работы комплекса ДСП-СТК в условиях приближенных к реальным в модели предусмотрено задание отклонений напряжения во внешней сети на стороне 220 кВ и моделирование случайных колебаний длин дуг ДСП-120 [23]. На выходе блока формирования случайных возмущений дуг получаем изменение их длин ∆ L _д ≈ ∆ E _д , которые суммируются со значениями ЭДС дуг из модели САУ HiREG Plus .

Результирующие величины E _д поступают в модель электрической дуги и короткой сети, из которой в имитационную модель системы электроснабжения электросталеплавильного комплекса подаются сигналы токов дуг.

Сравнительный анализ режимов регулирования СТК

На математической модели комплекса ДСП-120-СТК были получены графики изменения электрических параметров сети и активной мощности дуг ДСП при трех режимах регулирования СТК, причем для их объективного сравнения отклонения напряжения в сети 220 кВ и возмущения длины дуг во всех случаях были одинаковыми.

Отклонения напряжения в сети 220 кВ принимались от 0% U _1номТР (поддерживалось на неизменном номинальном уровне) до ± 1,5 % U _1номТР . На рис. 2, а представлен график изменения напряжения питающей сети с δ U _откл = ± 1,5 % U _1номТР . Для оценки влияния нестабильного процесса плавки на работу комплекса были сняты графики изменения электрических параметров ДСП и сети 35 кВ при двух коэффициентах усиления колебаний длин дуг.

При регулировании СТК по реактивной мощности характер изменения напряжения на шинах РУ-35 кВ аналогичен отклонению напряжения на стороне 220 кВ, вследствие чего мощность дуг также изменяется вокруг некоторого среднего значения. Реактивная мощность практически полностью компенсируется, коэффициент реактивной мощности (tg ϕ ) близок к нулю, поэтому данный режим характеризуется минимальными потерями активной мощности в элементах сети до шин РУ-35 кВ.

При проведении исследований осуществлялся контроль коэффициента реактивной мощности на границе балансовой принадлежности предприятия и энергоснабжающей организации, коэффициент tg ϕ _норм контролируется на первичной стороне понизительного трансформатора в сети 220 кВ.

Для сетей напряжением U >  110 кВ в соответствии с приказом Минэнерго № 380 от 23 июня 2015 г tg ϕ _норм = 0,5 . По рис. 2, г можно видеть, что в режиме работы СТК с уставкой Q _Σ = 0 МВАр величина активной мощности дуг зависит от двух факторов: отклонения уровня напряжения на первичной стороне печного трансформатора и колебания длин дуг ДСП. Для наглядности проведено наложение области распределения рабочих точек ДСП-120 на ее электрическую характеристику P _д = f ( I _д ) (см. рис. 3, а). В таблице представлены средние значения мощностей M ( P _д ) и токов дуг M ( I _д) , а также их стандартные отклонения S ( P _д) и S ( I _д) , полученные при моделировании работы комплекса ДСП-120-СТК в различных условиях.

Переключение САУ ТРГ в режим поддержания напряжения U _ном = 35 кВ позволило стабилизировать его уровень на шинах РУ-35 кВ (рис. 2, б) при отклонениях напряжения в сети 220 кВ за счет изменения величины суммарной реактивной мощности комплекса ДСП-СТК (рис. 2, в). В периоды отрицательного отклонения напряжения в сети 220 кВ реактивная мощность комплекса ДСП-СТК Q _Σ имеет емкостный характер, в результате уровень напряжения на шинах РУ-35 кВ повышается. В периоды положительных отклонений напряжения Q _Σ имеет индуктивный характер, при этом протекание реактивной мощности в сети приводит к дополнительным потерям активной мощности в ее элементах до шин РУ-35 кВ. На графике U _шин = f ( t ) (рис. 2, б) выделены области нарушения режима регулирования СТК из-за закрытия тиристоров при увеличении угла отпирания ТРГ до α ≈ 180 ° , которые имеют место при максимальном снижении напряжения в сети 220 кВ ( δ U _m ^- _ax ) в ситуации дефицита емкостной составляющей реактивной мощности нагрузки. Коэффициент реактивной мощности не выходит за нормативные значения (рис. 2, д), однако если предположить, что комплекс ДСП-СТК имел большую установленную мощность, то при определенных условиях имели бы место превышения tg ϕ _норм . Активная мощность ДСП при работе СТК в режиме U _шин = const не зависит от уровня напряжения во внешней сети, а колебания P _д обусловлены изменением длин дуг и инерционностью системы управления положением электродов (рис. 4, б и в).

В третьем случае СТК работал в режиме поддержания неизменной мощности ДСП. Как можно видеть по рис. 2, г (регулирование СТК по активной мощности ДСП) график P _д = f ( t ) имеет сглаженную форму, а среднее значение мощности дуг близко к уставке на регулирование. Можно сделать

U сети , кВ

а)

δ U max 1

U 1ном ТР = 244 кВ

δ U max 2

U _max = 247,6 кВ

±1,5%· U 1ном ТР

U min = 240,3 кВ

δ U max 3

U шин , кВ 35,5

Регулирование СТК по реактивной мощности

U = 35,49 кВ max

t , c

б) 34,5

U ном = 35 кВ

U = 34,38 кВ min ,

33,5

Q ши³н³ , МВАр 40

в) ⁰

-10

-20

-30

-40

-50

—i______________1______________1______________1______________1i t , c

50    100   150   200   250   300

Q _рег= 0МВАр

t , c

50    100   150   200   250   300

P д , МВт 65

г)

P д. ср = 61,22 МВт

S ( P д ) = 1,51 МВт

45 ^{tg φ} сети 0,8 0,6 0,4 0,2 д) 0

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1

t , c

50    100   150   200   250   300

tg φ ^m но ^a р ^x м ^{= 0,5}

tg φ н ^m о ⁱ р ⁿ м = - 0,5

t , c

50    100   150   200   250   300

U шин , кВ

35,5

34,5

33,5

33 Q шин МВАр

-10

-20

-30

-40

-50

P д , МВт

Регулирование СТК по напряжению

U = 35 кВ

50    100   150   200

50    100

Нарушение режима регулирования СТК

Q Lmax = 27,64 МВАр

-39,42 МВАр

150   200   250

P д. ср = 61,32 МВт

U шин , кВ 36

Регулирование СТК по активной мощности ДСП

U = 36,17 кВ max

35,5

34,5

34,62 кВ

U = 35 кВ ном

33,5 Q шин МВАр 40

-10

-20

-30

-40

-50

P д , МВт

t , c

50    100   150   200   250   300

Q Lmax = 31,29 МВАр

P = 61,9 МВт рег

50    100   150

P д. ср = 61,83 МВт

S ( P _д ) = 0,28 МВт

Нарушение режима регулирования СТК

45 ^{tg φ} сети

0,8

0,6

0,4

0,2

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1

t , c

50    100   150   200   250   300

tg φ ^m но ^a р ^x м ^{= 0,5}

tg φ н ^m о ⁱ р ⁿ м = -0,5

t , c

50    100   150   200   250   300

45 ^{tg φ} сети 0,8

0,6

0,4

0,2

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1

t , c

50    100   150   200   250   300

^ma р ^x = 0,5

tg φ н ^m о ⁱ р ⁿ м = - 0,5

t , c

50    100   150   200   250   300

Рис. 2. Графики изменения электрических параметров питающей сети и ДСП-120: а – напряжение на стороне 220 кВ; б – напряжение на стороне 35 кВ; в – суммарная реактивная мощность комплекса ДСП-СТК; г – активная мощность дуг ДСП-120; д – коэффициент реактивной мощности на стороне 220 кВ

Р,,МВт

57,76 кА

65,86 кА

■ МТ’) =61,22 МВт

S(P) = 1,51 МВт

МВт

'    :    : 57,95 кА

И?) =61,32 МВт

.....S(P) = 0,77 МВт ''

459,71 МВт

\ S'

■■■:■■■■■:■■■ 70 62,73 МВт

----- 60

°0 10 20 30 40 50

а)

70 80 90 100   0 10 20 30 40 50

в)

Рис. 3. Электрические характеристики ДСП-120 с указанием распределения рабочих точек при режимах регулирования СТК: а - Q _Е = 0 МВАр; б - U _шин = 35 кВ; в - Р _д = 61,9 МВт

Статистические параметры распределения рабочих точек ДСП-120

Параметр	Режим регулирования СТК-100 МВАр
	Q 2 = 0 МВАр	и шин = 35 кВ	Р д = 61,9 МВт
Номинальный уровень напряжения в сети 220 кВ; исходное возмущение длин дуг ДСП-120
M ( P д), МВт	61,12	61,36	61,9
S ( P д ), МВт	0,71	0,72	0,09
M ( I д ), кА	61,79	61,91	62,20
S ( I д ), кА	3,76	3,77	3,22
Отклонение напряжения в сети 220 кВ ± 0,8 % ■ U 1 ном ТР ; исходное возмущение длин дуг ДСП-120
M ( P д), МВт	61,11	61,33	61,89
S ( P д ), МВт	1,00	0,77	0,16
M ( I д ), кА	61,77	61,90	62,20
S ( I д ), кА	4,00	3,98	3,43
Отклонение напряжения в сети 220 кВ ± 0,8 % U 1 ном ТР ; возмущения длин дуг ДСП-120 усилены на 40 %
M ( P д), МВт	60,66	60,87	61,82
S ( P д ), МВт	1,35	1,21	0,40
M ( I д ), кА	61,44	61,57	62,07
S ( I д ), кА	5,53	5,50	4,78
Отклонение напряжения в сети 220 кВ ± 1,5 % U 1 ном ТР ; исходное возмущение длин дуг ДСП-120
M ( P д), МВт	61,22	61,32	61,83
S ( P д ), МВт	1,51	0,77	0,28
M ( I д ), кА	61,81	61,89	62,16
S ( I д ), кА	4,05	3,94	3,44

Рис. 4. Графики изменения электрических величин ДСП-120: а – ток дуги; б – длина дуги фазы А ; в – адмитанс фазы А

заключение о способности СТК обеспечить режим Р д = const в условиях резкопеременной нагрузки и непостоянных параметров питающей сети. В отдельные периоды наблюдаются колебания мощности дуг, причина нарушения режима регулирования аналогична описанной для U _шин = const.

К недостаткам разработанного режима в исходном виде относится рост дозы фликера, а также отсутствие контроля над уровнем напряжения на шинах РУ сталеплавильного комплекса и коэффициентом реактивной мощности на границе балансового раздела. Рост дозы фликера обусловлен устранением колебаний мощности дуг за счет ответного изменения уровня напряжения на шинах РУ-35 кВ (рис. 2, б). Особенности работы СТК в новом режиме можно увидеть по графикам, представленным на рис. 5, б и рис. 6. На рис. 5, а изображены графики зависимости реактивной мощ- ности элементов комплекса ДСП-СТК при работе ТРГ с уставкой Q2 = 0 МВАр, суммарная реактивная мощность комплекса поддерживается на нулевом уровне во всем рабочем диапазоне СТК, далее при токах дуг, близких к КЗ, она начинает потребляться из сети.

В режиме управления Р д = const для сохранения постоянной мощности ДСП в некотором диапазоне токов дуг СТК изменяет часть естественной электрической характеристики Р д = f ( I _д) при мощностях выше заданной уставки по активной мощности, в результате чего имеет место горизонтальный участок с Р _д = const. Данный эффект достигается за счет дополнительного потребления ТРГ реактивной мощности (рис. 5, б), вследствие чего напряжение на шинах понижается относительно его номинального уровня (рис. 6, б).

Рис. 5. Графики зависимости реактивной мощности комплекса ДСП-СТК от тока дуг при работе СТК

в режимах: а - Q _z = 0 МВАр; б - Р _д = 60 МВт

Рис. 6. Графики зависимости мощности ДСП (а) и напряжения на шинах РУ (б) от тока дуг при различных режимах работы СТК

Обратная ситуация наблюдается при удлинении дуг и уменьшении их мощности на естественной характеристике – СТК начинает повышать напряжение с целью сохранения мощности ДСП (рис. 6, б). Для корректной работы СТК в САУ ТРГ необходимо предусмотреть задание уставок P _д , значения которых приводятся в проектной документации на ДСП в зависимости от номера ступени реактора, печного трансформатора и рабочей кривой. В этом случае отклонения напряжения не будут превышать допустимых значений.

При всем этом электросталеплавильные установки обычно электрически разделены с более спокойной промышленной нагрузкой за счет сооружения отдельных подстанций глубокого ввода, поэтому к показателям качества электроэнергии на шинах комплекса ДСП-СТК предъявляют менее жесткие требования.

Таким образом, режим поддержания неизменной мощности ДСП является наиболее предпочтительным, если исходить из соображений технологии выплавки стали в дуговых печах. Однако предложенный режим регулирования СТК на данном этапе его разработки имеет достаточно огра- ниченную область применения. Многие электросталеплавильные комплексы работают в режиме «тандема» ДСП и агрегата «печь-ковш» (АПК). При питании ДСП и АПК от общих шин РУ работа СТК с контролем активной мощности ДСП может ухудшить электрические характеристики АПК. Поэтому данный режим управления ТРГ может найти применение на тех объектах, где предусмотрено раздельное питание ДСП и АПК.

Заключение

• 1.    Статический тиристорный компенсатор предназначен для улучшения показателей качества электрической энергии в точке подключения дуговой сталеплавильной печи, а также для повышения ее производительности за счет компенсации реактивной мощности и, соответственно, повышения напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса.

• 2.    Для обеспечения электромагнитной совместимости ДСП с другими электроприемниками и управления потоками мощности в системе регулирование СТК по реактивной мощности является оптимальным, к тому же при достаточно стабиль-

• ном напряжении внешней сети, полностью компенсируя реактивную составляющую мощности ДСП, компенсатор снижает потери электроэнергии в элементах системы электроснабжения и поддерживает напряжение на шинах РУ близким к номинальному.

• 3.    Одновременное улучшение показателей качества электрической энергии (ПКЭ) и повышение мощности ДСП наблюдается при эксплуатации СТК в режиме стабилизации напряжения, однако возможны значительные перетоки реактивной мощности в системе электроснабжения, что приводит к росту потерь активной мощности в элементах сети и нарушению нормативного коэффициента реактивной мощности. Данный режим рекомендуется к применению при частых отклонениях напряжения питающей сети.

• 4.    Режим управления по активной мощности является наиболее удобным для работы ДСП, если исходить из технологических соображений, однако, полностью ориентируя СТК на подстройку параметров сети под дуговую печь, компенсатор перестает выполнять свою основную задачу – улучшение ПКЭ. В настоящее время ведется работа по совершенствованию предложенного режима управления ТРГ, которая направлена на создание компромиссного алгоритма работы компенсатора, позволяющего поддерживать постоянную мощность ДСП и подавлять электромагнитные помехи до предельно допустимых значений.