РАЗРАБОТКА КОРРЕКТОРА УСТАВКИ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО ТИРИСТОРНОГО КОМПЕНСАТОРА

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 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 (), 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 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 электроснабжающей организацией. Исходя из вышесказанного, можно сделать заключение о том, что уставки мощности дуг () 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 . На вход корректора поступает сигнал , который сравнивается с номинальным значением напряжения . Сигнал рассогласования  проходит через блок нечувствительности (БН), который не пропускает небольшие значения  (в нашем случае зона нечувствительности составляет  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 , и на выходе БО будем иметь 0. В случае, когда напряжение в сети 35 кВ ниже номинального уровня, то , и при разнице большей 0,1 кВ на выходе БО получим сигнал рассогласования. Далее  усредняется с целью получения более сглаженной формы изменения сигнала и отправляется на блоки усиления ( и ). Усиленный сигнал  накапливается с помощью интегратора (И), на выходе которого получаем значение добавки к уставке по активной мощности ДСП ().

Рисунок 1. Структурная схема канала обратной связи по активной мощности дуг () САУ СТК с корректором уставки

Чем меньше величина , тем медленнее происходит накопление  и рост напряжения до номинального уровня. Поэтому в корректоре уставки предусмотрено два коэффициента усиления  и . Если разность  больше 1 кВ, то сигнал умножается на , а если ниже 1 кВ, умножается на  (). При этом сигнал умножается только на один коэффициент усиления, работа второго блокируется блоком сравнения БС1 или БС2. Вследствие этого достигается высокая скорость изменения уставки  без перерегулирования как при большой разнице , 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  поступает на сумматор. На этот же сумматор приходит сигнал  с задержкой на один шаг расчёта (БЗ – блок задержки). Определяется разность, которая проходит через блок сравнения с нулём (БС3). В момент изменения ,  или  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 , 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 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 (), все они ниже 34,5 кВ. Мощность дуг равна заданным в системе управления СТК уставкам (рис. 2, б). Значения уставок  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  с заданной уставкой  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  в индуктивной полуплоскости графика  (рис. 2, г).

Таблица 1.

Исследование работы корректора уставки активной мощности ДСП

Рисунок 2. Графики изменения , , ,  при работе СТК по активной мощности печи с уставками из технической документации на ДСП-120

На рис. 3 приведены графики электрических характеристик после введения в систему управления СТК корректора уставки . 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 (). 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  приведены в таблице 1, также определена разница между старой и новой уставками .

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 . Далее происходит медленное накопление , которое суммируется с основной величиной уставки . В последующем предполагается выполнить в корректоре уставки функцию автоматического запоминания максимальной величины  на всех стадиях и их замены в наборе блока выбора уставки. Если после первого изменения  на какой-либо стадии корректор ещё раз поднимет величину уставки, то новое значение снова автоматически запишется в блок задания уставок при определённых ,  и .

Подъём значения уставки  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 (), номинальной мощности печного трансформатора () и номинального тока дуг () при определённой ступени РПН печного трансформатора, реактора и номере рабочей кривой (рис. 1).

Рисунок 3. Графики изменения , , ,  при работе СТК по активной мощности печи после внедрения корректора уставки

Рисунок 4. Графики изменения уставок  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 (), измеренный в сети 35 кВ, превышает нормативные значения: в первом случае в индуктивной полуплоскости, во втором – в ёмкостной. По причине резкопеременного характера нагрузки ДСП  постоянно колеблется в достаточно широких пределах и кратковременно выходит за нормативные значения . Однако если сигнал мгновенного коэффициента реактивной мощности усреднить, к примеру, за 1 мин (), то величина  не будет превышать  (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  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  в канале обратной связи по активной мощности ДСП предусмотрена система ограничения . Подробное описание её структуры и принципа работы приведено в работах [2; 4]. Система ограничения по  ориентируется на величину мгновенного коэффициента реактивной мощности, в случае превышения  она блокирует работу регулятора активной мощности и реализует управление СТК по . Графики электрических характеристик комплекса «ДСП-СТК» после активации системы ограничения по  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  (рис. 5, б). Это объясняется тем, что в моменты превышения нормативных значений коэффициента реактивной мощности регулятор активной мощности блокируется, и реализуется регулирование по . 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  данный параметр не выходит за нормативные значения.

Таким образом, разработанный и внедрённый в САУ СТК корректор уставки  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  или адмитанса  вторичного контура ДСП в функции отклонения их заданной величины от фактической. В этом случае функцию поддержания желаемой мощности дуг  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 , , ,  при работе СТК по активной мощности печи с применением корректора уставки и системы ограничения по

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: cб. 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 / А.А. 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.