Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ВЛИЯНИЕ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
НА ПИТАЮЩУЮ СЕТЬ 8
Энергетические соотношения в системе «сеть-потребитель». 8
Результаты экспериментального исследования токов ДСП... 13
Модуляция постоянной составляющей токов ДСП 17
Модуляция основной гармоники сетевого тока ДСП 19
1.5. Оценка негативного влияния неактивных составляющих
тока печи 23
Обзор способов компенсации неактивной мощности ДСП... 26
Существующая система компенсации неактивной мощности
ДСП 29
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 31
2. КОМПЕНСАТОР НА ОСНОВЕ ТИРИСТОРНО-
РЕАКТОРНОЙ ГРУППЫ 33
Анализ обобщенного реактивного компенсатора 33
Расчет мощности обобщенного компенсатора 40
Спектральная модель тиристорно-реакторной группы 44
Анализ ТРГ в режиме компенсации реактивной мощности... 52
2.5. Анализ ТРГ в режиме компенсации постоянной
составляющей 57
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 64
3. АКТИВНЫЕ СЕТЕВЫЕ ФИЛЬТРЫ 66
3.1. Принцип действия и возможности выпрямительного
сетевого фильтра 66
3.2. Построение регулировочных характеристик
идеализированного ВСФ 70
3.3. Спектральная модель ВСФ 78
3.4. Анализ ВСФ в режиме компенсации постоянной
составляющей 89
3.5. Коммутационные процессы в ВСФ 95
3.6. Сравнение различных способов подавления постоянной
составляющей токов печи 101
3.7. Перспективы применения мостовых активных фильтров с
высокочастотной коммутацией 103
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕЗ 106
4. ДИНАМИКА ТИРИСТОРНЫХ КОМПЕНСАТОРОВ
НЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПОЛНОЙ
МОЩНОСТИ 108
4.1. Частотные характеристики при управлении стохастическим
объектом 108
Компенсация постоянной составляющей по периодам 111
Компенсация постоянной составляющей по полупериодам... 114
Динамика ВСФ 121
Компенсация реактивной мощности по полупериодам 126
Динамика ТРГ 132
Частота дискретизации системы управления 135
4.8. Вопросы реализации микропроцессорных систем
управления ТРГ и ВСФ 136
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143
ЛИТЕРАТУРА 145
Приложение 1. Экспериментальный макет ВСФ 151
Приложение 2. Экспериментальный макет ТРГ 159
Приложение 3. Математическая модель ВСФ в среде Matlab-
Simulink 166
Приложение 4. Математическая модель ТРГ в среде Matlab-
Simulink 170
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время доля стали, выплавляемой в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) в объеме мировой выплавки стали превышает 30%. Увеличение выплавки сопровождается ростом вместимости печей и их мощности. В настоящее время мощность ДСП, рассчитанных на питающее напряжение 35 кВ, достигает 100 - 200 МВА.
Дуговые сталеплавильные печи как нагрузки негативно влияют на качество электрической энергии питающей сети. Характер потребления активной и реактивной электроэнергии печными агрегатами соответствует их резкопеременным, повторно кратковременным режимам работы. Работа ДСП с нестабильным потреблением реактивной мощности сопровождается в электрической сети потреблением неактивной мощности и возникновением колебаний напряжения (эффект фликера). Несинусоидальность и несимметричность фазных токов, потребляемых печью, приводит к искажению формы кривой и несимметрии напряжения и появлению медленно изменяющейся постоянной составляющей тока, что в свою очередь оказывает негативное влияние на сетевое оборудование, увеличивая потери и уменьшая срок его службы.
Эффективным энергосберегающим мероприятием по повышению качества электроэнергии является установка средств компенсации неактивной мощности. Для компенсации неактивных составляющих полной мощности ДСП применяются различные сетевые компенсаторы (фильтры), подключаемые параллельно входу ДСП. Компенсаторы подразделяются на пассивные, состоящие исключительно из реактивных элементов, и активные, содержащие мощные полупроводниковые ключи (однооперационные тиристоры либо полностью управляемые ключи). Широко распространено применение гибридных фильтров, представляющих собой совокупность пассивных и активных компенсаторов.
Высокий уровень мощностей и напряжений ДСП ограничивает до настоящего применение в компенсаторах полностью управляемых полупроводниковых ключей. Поэтому главное внимание уделено бестрансформаторным компенсаторам на базе однооперационных тиристоров, успешно применяющихся в высоковольтных устройствах. Тиристорно-реакторная группа (ТРГ) в сочетании с резонансным пассивным сетевым фильтром является наиболее распространенным компенсатором реактивной мощности и давно находит применение в промышленности. Компенсация реактивного тока ДСП позволяет повысить рабочее напряжение ДСП и повысить ее производительность на 20 %.
Однако недостаточно изученными остаются вопросы выбора величины реактивных элементов компенсатора при работе на стохастическую нагрузку. Практически не рассматривался вопрос о способах компенсации низших
гармоник спектра тока ДСП - медленно изменяющейся постоянной составляющей.
Функции компенсации постоянной составляющей тока ДСП могут возлагаться как ТРГ, так и на активный сетевой фильтр (ВСФ), выполненный на базе выпрямителя на однооперационных тиристорах, на стороне постоянного тока которого подключен индуктивный накопитель энергии. Работа ТРГ и ВСФ в режиме компенсации постоянной составляющей тока практически не исследовалась, как не проводилось и сопоставление различных способов решения этой задачи, включая исследование динамических режимов работы компенсаторов и способов построения систем управления.
При выполнении работы использован опыт работы ЗАО «Ансальдо-ВЭИ» над созданием компенсаторов для ДСП мощностью 40 МВА для предприятия Ыоворосметалл, а также результаты экспериментальных исследований указанной ДСП.
Цель работы заключается в исследовании возможных способов компенсации неактивных составляющих тока ДСП и усовершенствовании их, в том числе для компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей тока ДСП, определении оптимальных алгоритмов управления компенсатором с точки зрения качества подавления неактивных составляющих полной мощности.
Основные задачи. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
Разработан метод статистического моделирования для определения реактивных токов, требуемых для компенсации реактивной мощности ДСП. Рассчитана требуемая мощность пассивного фильтра.
Разработаны быстродействующие модели для исследования электромагнитных процессов в ТРГ и ВСФ, основанные на модифицированном спектральном методе переключающих функций.
Разработаны алгоритмы управления ТРГ и ВСФ в режиме компенсации постоянной составляющей, построены регулировочные характеристики, проведено сопоставление решений по энергетическим параметрам сети и аппаратным затратам, необходимым для выполнения указанной задачи.
Проведен анализ способов построения систем управления ВСФ и ТРГ при управлении стохастическим объектом, исследован вопрос выбора частоты управления и на основе сопоставления различных вариантов выбраны алгоритмы управления, обеспечивающие максимально возможную для устройств на однооперационных тиристорах компенсацию неактивных составляющих токов ДСП.
Методика исследований. Для решения поставленных задач использованы методы гармонического анализа и теории вероятностей, статистические модели на базисе MathCad, спектральные модели на основе метода переключающих функций, моделирование на основе пакетов прикладных программ Matlab-Simulink, программы математических расчетов в среде SharpDevelop с использованием осциллограмм реальных напряжений и токов печи. Проведены эксперименты на физических моделях (макетах) ТРГ полной мощностью 2 кВА и ВСФ полной мощностью 5 кВА.
Достоверность научных результатов обеспечена сопоставлением основных результатов, полученных на основе различных методов математического моделирования, и воспроизведением зависимостей на физических моделях (макетах) ТРГ и ВСФ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложен оригинальный способ статистического моделирования
для определения требуемых реактивных токов для компенсации реактивной
мощности ДСП.
2. Разработаны быстродействующие спектральные модели
компенсаторов ТРГ и ВСФ.
3. Определены возможности и способы компенсации медленно
изменяющейся постоянной составляющей тока печи с помощью ТРГ либо
ВСФ, проведено сопоставление эффективности компенсации и затрат,
показаны преимущества ВСФ для решения этой задачи, и предложена
система управления компенсатором.
4. Предложен оригинальный алгоритм управления ТРГ,
обеспечивающий высокое качество компенсации колебаний реактивного тока
ДСП при упрощении построения микропроцессорной системы управления.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Применение статистического метода по определению мощности
компенсатора, что позволяет более точно рассчитать параметры реактивных
элементов и ключей, используя реальные данные с объекта.
2. Применение ВСФ позволяет компенсировать медленно
изменяющуюся постоянную составляющую токов ДСП, что улучшает
качество сетевого тока, позволяет снизить затраты на трансформаторное
оборудование, уменьшая потери и продлевая срок его службы.
3. Применение предложенных алгоритмов управления при компенсации
постоянной составляющей и реактивной мощности позволяет достичь
высоких показателей подавления неактивных составляющих тока ДСП при
использовании микропроцессоров массового применения.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной электроники МЭИ и на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в 2008, 2009 и 2010 г.
Публикации: по результатам работы опубликовано 5 работ: 2 статьи и 3 публикации тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Содержит 173 стр. текста, 9 таблиц и 68 рисунков. Список литературы содержит 90 наименований на 6
страницах.
