Система управления статическим тиристорным компенсатором

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электросталеплавильным комплексам, и может быть использована для скоординированной работы статического тиристорного компенсатора (СТК) и автоматики регулирования напряжения трансформатора (АРНТ) с учетом режимов работы дуговой сталеплавильной печи (ДСП).
Известна система управления статическим тиристорным компенсатором, включающая первое апериодическое звено, выход которого соединён с первым входом сумматора, с первым входом блока логики, с первым входом блока умножения и с входом второго апериодического звена, выход последнего соединен с третьим входом второго управляемого переключателя, у которого первый вход подключен к выходу блока постоянного сигнала, второй вход соединён с выходом блока логики, а выход второго управляемого переключателя связан со вторым входом сумматора, выход сумматора соединён с входом пропорционально-интегрального регулятора, выход которого подключен ко второму входу блока логики и ко второму входу блока умножения, при этом выход последнего соединён с входом третьего апериодического звена, выход которого связан с входом первого блока усиления и входом второго блока усиления, выход первого блока усиления соединён с первым входом первого управляемого переключателя, выход второго блока усиления соединён с третьим входом первого управляемого переключателя, второй вход которого связан с выходом блока логики, выход первого управляемого переключателя соединён с третьим входом сумматора («New Static Var Compensator Control Strategy and Coordination with Under-Load Tap Changer» / Mansour H. Abdel-Rahman, Fathi M.H. Youssef, Ahmed A. Saber. IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 21, no. 3, 2006, pp. 1630-1635, http://ieeexplore.ieee.org/document/1645210).
Координация режимов работы статического тиристорного компенсатора с автоматикой АРНТ в известной системе управления СТК обеспечивается за счёт перехода с фиксированной уставки регулирования по напряжению на уставку с переменным значением, которое равно усреднённой величине напряжения, измеренного в точке подключения СТК. Переход с фиксированной уставки на переменную производится после выхода величины напряжения в точке подключения СТК за некоторый диапазон. В случае повышения напряжения выше некоторого предельного уровня фиксированная уставка по напряжению в системе управления СТК меняется на переменную, в результате чего напряжение на вторичной стороне сетевого трансформатора повышается, и АРНТ переключает ступень устройства регулирования напряжения под нагрузкой сетевого трансформатора (РПН), увеличивая коэффициент трансформации. В случае снижения напряжения ниже некоторого предельного уровня фиксированная уставка по напряжению также меняется на переменную, напряжение на вторичной стороне сетевого трансформатора понижается, и АРНТ переключает ступень РПН, уменьшая коэффициент трансформации.
Описанная система управления СТК с функцией согласования его работы и автоматики АРНТ в электрических сетях обеспечивает функционирование тиристорно-реакторной группы в составе СТК в регулировочном диапазоне без перегрузки или полного закрытия тиристоров.
Недостатком данной системы управления является то, что она ориентирована только на обеспечение скоординированного функционирования СТК и АРНТ без учёта режимов работы нагрузки, поэтому реализация аналогичным образом в системе управления СТК, устанавливаемого с электросталеплавильными агрегатами, функции согласования работы компенсатора с АРНТ будет не эффективным, т.к. в системе электроснабжения дуговых печей СТК применяется не только для соблюдения показателей качества электрической энергии, но и для улучшения электрических режимов работы ДСП.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является система автоматического управления статическим тиристорным компенсатором, содержащая три блока вычисления и блок управления, состоящий из блока суммирования и функционального блока, причем входы первого и второго блоков вычисления подключены к трансформатору напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса, второй вход второго блока вычисления соединен с трансформатором тока, вход третьего блока вычисления подключен к измерителю коэффициента мощности, при этом выходы каждого из блоков вычисления подключены к соответствующим входам блока суммирования, выход которого соединен с входом функционального блока, а выход функционального блока соединен с входом тиристорно-реакторной группы статического тиристорного компенсатора (патент США № 6674267, G05F 1/70).
Недостатком известной системы управления статическим тиристорным компенсатором является то, что в ней не предусмотрено мер по обеспечению скоординированной работы статического тиристорного компенсатора и автоматики регулирования напряжения сетевого трансформатора. То есть система управления СТК и АРНТ работают независимо друг от друга. Установка ступени устройства регулирования напряжения под нагрузкой автоматикой АРНТ в некоторое положение по собственным алгоритмам без учёта режима работы электросталеплавильного комплекса «дуговая сталеплавильная печь – статический тиристорный компенсатор» (ДСП-СТК) может стать причиной:
1) пониженного напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса в случае работы СТК в режиме обеспечения нулевого потребления суммарной реактивной мощности комплексом «ДСП-СТК» ( МВАр), что приведёт к снижению производительности дуговой печи;
2) в случае работы СТК в режиме стабилизации напряжения на шинах распределительного устройства электросталеплавильного комплекса ():
- больших перетоков реактивной мощности из сети и в сеть от компенсатора, что приведёт к увеличению потерь активной мощности и электроэнергии;
- нарушения нормативного коэффициента реактивной мощности на границе балансовой принадлежности предприятия и электроснабжающей организации;
- перегрузки тиристорно-реакторной группы (ТРГ) в составе СТК.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в улучшении электрических и технологических характеристик электросталеплавильного комплекса, за счет согласованной работы автоматики регулирования напряжения сетевого трансформатора с электрическими режимами комплекса «дуговая сталеплавильная печь–статический тиристорный компенсатор» («ДСП-СТК»).
Техническим результатом полезной модели являются:
1) уменьшение отрицательного отклонения напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса при работе СТК в режиме обеспечения нулевого потребления реактивной мощности комплексом «ДСП-СТК» ( МВАр) и, как следствие, увеличение мощности и производительности дуговой печи;
2) при работе СТК в режиме стабилизации напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса ():
- снижение перетоков реактивной мощности из сети и в сеть от компенсатора, и, как следствие, снижение потерь в элементах сети, питающей комплекс «ДСП-СТК»;
- соблюдение нормативного коэффициента реактивной мощности () на границе балансовой принадлежности предприятия и электроснабжающей организации;
- исключение ситуаций перегрузки тиристорно-реакторной группы СТК и нехватки реактивной мощности, генерируемой фильтрокомпенсирующими цепями, для реализации режима .
Техническая задача решается тем, что система управления статическим тиристорным компенсатором, содержащая три блока вычисления и блок управления, состоящий из блока суммирования и функционального блока, причем вход первого и первый вход второго блоков вычисления подключены к трансформатору напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса, второй вход второго блока вычисления соединен с трансформатором тока, вход третьего блока вычисления подключен к измерителю коэффициента мощности, при этом выходы каждого из блоков вычисления подключены к соответствующим входам блока суммирования, выход которого соединен с входом функционального блока, а выход функционального блока соединен с входом тиристорно-реакторной группы статического тиристорного компенсатора, согласно полезной модели снабжена блоком определения номера ступени устройства регулирования напряжения под нагрузкой сетевого трансформатора, вход которого подключен к трансформатору напряжения на шинах распределительного устройства высокого напряжения, а выход соединен с входом автоматики регулирования напряжения сетевого трансформатора.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображена упрощённая схема электросталеплавильного комплекса;
на фиг. 2 приведены графики напряжения за одни сутки на первичной стороне  и на вторичной стороне  сетевого трансформатора, усреднённые по часам;
на фиг. 3 представлены графики изменения электрических параметров комплекса «ДСП-СТК» во времени, усреднённые по стадиям плавки дуговой печи, в случае работы СТК по реактивной мощности ( МВАр):
а) графики активной мощности дуг ДСП .
б) графики напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса ;
на фиг. 4 показаны графики изменения электрических параметров электросталеплавильного комплекса во времени, усреднённые по стадиям плавки дуговой печи, в случае работы СТК в режиме стабилизации напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса :
а) графики суммарной реактивной мощности электросталеплавильного комплекса ;
б) графики коэффициента реактивной мощности на границе балансовой принадлежности предприятия и электроснабжающей организации ;
в) графики изменения потерь активной мощности в элементах питающей сети .
г) графики напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса ;
Система управления статическим тиристорным компенсатором 1  (фиг. 1) содержит первый блок вычисления 2, второй блок вычисления 3, третий блок вычисления 4 и блок управления 5, состоящий из блока суммирования 6 и функционального блока 7. Система управления СТК дополнительно содержит блок определения ступени РПН сетевого трансформатора 8, вход которого соединён с трансформатором напряжения 9, подключенный к шинам распределительного устройства высокого напряжения (РУ ВН) 10, а выход блока 8 соединен с входом автоматики АРНТ 11. При этом вход первого блока вычисления 2 и первый вход второго блока вычисления 3 соединены с трансформатором напряжения 12, второй вход второго блока вычисления 3 подключен к трансформатору тока 13. Первый вход третьего блока вычисления 3 подключен к измерителю коэффициента мощности 14. При этом выходы первого блока вычисления 2, второго блока вычисления 3, третьего блока вычисления 4 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока суммирования 6, а выход последнего соединен с входом функционального блока 7. При этом выход функционального блока 7 соединён с входом тиристорно-реакторной группы 15.
Блоки в системе управления СТК 1, показанные на фиг. 1, не привязаны к конкретному устройству или его программному обеспечению. Реализация алгоритмов, выполняемых данными блоками, возможна с использованием различных известных аналоговых, цифровых и микропроцессорных устройств, например на базе контроллера MACH2 фирмы ABB.
Статический тиристорный компенсатор, находящийся под управлением заявляемой системы управления 1, состоит из тиристорно-реакторной группы 15 и фильтрокомпенсирующих цепей 16. Тиристорно-реакторная группа 15 и фильтрокомпенсирующие цепи 16 подключены к общим шинам электросталеплавильного комплекса 17 вместе с мощной или сверхмощной дуговой сталеплавильной печью 18. Рассматриваемый тип электросталеплавильных комплексов получает питание от отдельного сетевого трансформатора 19, снабжённого устройством регулирования напряжения под нагрузкой 20, которое находится под управлением автоматики АРНТ 11.
Заявляемая система управления статическим тиристорным компенсатором работает следующим образом. На вход первого блока вычисления 2 поступают сигналы линейных напряжений , измеренные на шинах электросталеплавильного комплекса трансформатором напряжения 12, на основании которых данный блок по внутренним алгоритмам определяет первую величину задания  на реактивную проводимость тиристорно-реакторной группы 15. На первый вход второго блока вычисления 3 поступают сигналы фазных напряжений , измеренные на шинах электросталеплавильного комплекса трансформатором напряжения 12, на второй его вход поступают сигналы суммарных токов комплекса «ДСП-СТК»  от трансформатора тока 13. В блоке вычисления 3 рассчитывается вторая величина задания на реактивную проводимость . В третьем блоке вычисления 4 определяется третья величина задания на реактивную проводимость  на основе сигнала коэффициента мощности , поступающего с измерителя коэффициента мощности 14, и постоянного сигнала уставки коэффициента мощности . С выходов первого, второго и третьего блоков вычисления 2, 3, 4 информация по трем значениям уставки на реактивную проводимость ,  и  поступает в блок суммирования 6, на выходе которого формируется общее задание на реактивную проводимость тиристорно-реакторной группы , значение которого поступает в функциональный блок 7. В данном блоке реализована обратная регулировочная характеристика , где  - угол отпирания тиристоров. Сигналы углов  поступают в систему импульсно-фазового управления тиристорно-реакторной группы 15. В блок определения номера ступени РПН сетевого трансформатора 8 поступают сигналы о линейных напряжениях , измеренные на шинах распределительного устройства высокого напряжения 10 трансформатором напряжения 9. Блок определения номера ступени РПН сетевого трансформатора 8 на основе сигнала средней величины трёх действующих значений линейных напряжений , рассчитанного в данном блоке, и сигнала о режиме работы компенсатора от системы управления СТК, по заранее определённым массивам рабочих диапазонов действующих значений линейных напряжений на шинах распределительного устройства высокого напряжения 10 определяет номер ступени РПН сетевого трансформатора 19 и подает соответствующий сигнал  в АРНТ 11, которая, в свою очередь, работая с собственными настройками (время задержки переключения ответвления и др.), воздействует на устройство РПН 20 и устанавливает необходимую ступень. Блок-схема логики работы нового блока определения номера ступени РПН сетевого трансформатора приведена на фиг.5.
Напряжение во внешней питающей сети (РУ ВН) может изменяться в широких пределах (фиг. 2, а), соответственно на шинах электросталеплавильного комплекса будут иметь место значительные отклонения напряжения относительно номинального уровня при работе с одной ступенью РПН сетевого трансформатора (фиг. 2, б), поэтому необходимо обеспечить управление АРНТ сетевого трансформатора из условия достижения оптимальных электрических характеристик комплекса «ДСП-СТК».
Рабочие диапазоны действующих значений линейных напряжений на шинах распределительного устройства высокого напряжения в блоке определения номера ступени РПН сетевого трансформатора рассчитаны для двух случаев:
1) СТК работает в режиме обеспечения нулевого потребления суммарной реактивной мощности комплексом «ДСП-СТК» ( МВАр);
2) СТК работает в режиме стабилизации напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса на номинальном уровне ().
Рабочие диапазоны действующих значений линейных напряжений для всех ступеней РПН сетевого трансформатора в блоке 8 получены в результате предварительного расчёта, выполненного на имитационной модели электросталеплавильного комплекса «ДСП-СТК», разработанной в приложении Simulink математического пакета Matlab. Предварительный расчёт рабочих диапазонов действующих значений линейных напряжений на шинах РУ ВН для всех ступеней РПН сетевого трансформатора проводится индивидуально для каждого электросталеплавильного комплекса, т.к. его параметры на разных объектах отличаются друг от друга. Рабочие диапазоны действующих значений линейных напряжений на шинах РУ ВН для каждой ступени РПН сетевого трансформатора определяются с учётом следующих ограничений:
1) номинальная мощность сетевого трансформатора ();
2) номинальная мощность печного трансформатора ();
3) максимальные токи дуг ДСП ().
Проверка выбранных ступеней РПН сетевого трансформатора выполняется на имитационной модели комплекса «ДСП-СТК» для двух крайних режимов:
1) дуговая сталеплавильная печь отключена (технологическая пауза);
2) дуговая сталеплавильная печь работает с максимальной нагрузкой в наиболее длительную стадию.
В первом режиме, помимо соблюдения приведённых выше ограничений, проводится проверка следующих параметров:
а) положительное отклонение напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса относительно номинального уровня при работе СТК в режиме обеспечения нулевого потребления реактивной мощности комплексом «ДСП-СТК» ( МВАр);
б) при работе СТК в режиме стабилизации напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса ():
- суммарной реактивной мощности  комплекса «ДСП-СТК», преследуется цель её минимизации;
- рабочей мощности тиристорно-реакторной группы (), т.е. работа ТРГ без перегрузки в регулировочном диапазоне;
Во втором режиме, кроме рассмотренных выше ограничений, осуществляется проверка следующих параметров:
а) отрицательное отклонение напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса относительно номинального уровня при работе СТК в режиме обеспечения нулевого потребления реактивной мощности комплексом «ДСП-СТК» ( МВАр);
б) при работе СТК в режиме стабилизации напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса ():
- коэффициента реактивной мощности  на границе балансового раздела предприятия и электроснабжающей организации;
- рабочей мощности тиристорно-реакторной группы (), т.е. работа ТРГ в регулировочном диапазоне, установленной мощности СТК достаточно для реализации режима регулирования .
Реализация предложенных алгоритмов по определению номера ступени РПН сетевого трансформатора в блоке 8 возможна на базе промышленного контроллера MACH2 фирмы ABB, который используется для функционирования основной системы управления статического тиристорного компенсатора. Программная среда системы MACH2 предусматривает возможность структурного программирования. При структурном программировании используются встроенные библиотеки с готовыми функциональными блоками (блоки математических операций, блоки вычисления тригонометрических функций, ПИД-регулятор и др.). На их основе с использованием графического интерфейса можно реализовать необходимую функциональную схему. Используя свободные функциональные блоки, не задействованные в реализации основных режимов управления, можно реализовать алгоритмы управления нового блока определения номера ступени РПН сетевого трансформатора. Подобный подход применяется при программировании промышленных логических контроллеров, например, фирмы Siemens серии Simatic S7-300, S7-400, S7-1500, которые находят широкое применение в современных системах промышленной автоматизации. Сформированный сигнал на выходе блока определения номера ступени РПН сетевого трансформатора в системе управления тиристорно-реакторной группы поступает на один из свободных выходов цифроаналогового преобразователя, присутствующего в системе MACH2, который необходимо связать с определённым аналоговым или цифровым входом ввода-вывода автоматики АРНТ.
Для подтверждения достигаемого технического результата от использования заявляемой полезной модели построены графики изменения электрических параметров электросталеплавильного комплекса во времени для случаев, когда СТК работает по реактивной мощности (фиг. 3) и по напряжению (фиг. 4). Данные для построения графиков на фигурах 3 и 4 получены в результате расчёта, проведённого на имитационной модели комплекса «ДСП-СТК». Под цифрой 1 показаны графики, построенные при ступенях РПН сетевого трансформатора, которые определены по собственным алгоритмам автоматики АРНТ. Под цифрой 2 показаны графики, рассчитанные при ступенях РПН сетевого трансформатора, которые были заданы блоком 8 системы управления СТК 1 в автоматику АРНТ.
Приведем пояснения к фиг. 3. На всех стадиях плавки дуговой печи активная мощность дуг при установке ступени РПН в положение, определённое блоком 8 в системе управления СТК, выше по сравнению с активной мощностью дуг при работе АРНТ по собственным алгоритмам (фиг. 3, а). Данный эффект достигается тем, что напряжение на шинах электросталеплавильного комплекса после установки РПН в новое положение, рассчитанное в блоке 8 (график 2, фиг. 3, б) выше напряжения, наблюдаемого при раздельной работе АРНТ и СТК. В результате увеличения мощности дуг ДСП снизилось время цикла плавки  и, как следствие, повысилась производительность дуговой печи.
Рассмотрим графики, представленные на фиг. 4. Сравнение активной мощности дуг ДСП при работе СТК в режиме стабилизации напряжения имеет смысла, т.к. напряжение в обоих случаях: с положением РПН сетевого трансформатора, рассчитанным по внутренним алгоритмам автоматики АРНТ и с положением РПН, определённым в блоке 8 системы управления СТК 1 - равно номинальному или близко к нему. По графикам изменения суммарной реактивной мощности  (фиг. 4, а) видно, что при работе комплекса «ДСП-СТК» с исходной ступенью РПН сетевого трансформатора, определённой автоматикой АРНТ без учёта режимов электросталеплавильного комплекса, имеет место генерация компенсатором большой величины реактивной мощности в сеть для стабилизации напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса на номинальном уровне. После установки ступени РПН в новое положение с использованием заявляемой полезной модели генерация реактивной мощности в сеть значительно снизилась. Коэффициент реактивной мощности на границе балансовой принадлежности в первом случае (график 1, фиг. 4, б) длительно превышает нормативное значение  (на объекте, имитационная модель которого была использована для исследования, граница балансовой принадлежности проходит по первичной стороне сетевого трансформатора с напряжением 220 кВ). Из-за снижения избыточной генерации реактивной мощности за счёт определения нового положения РПН сетевого трансформатора  не превышает нормативного значения (график 2, фиг. 4, б). Снижение перетоков реактивной мощности по элементам сети привело к уменьшению в них потерь активной мощности  (фиг. 4, в). На фиг. 4, г показаны графики изменения напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса, по которым видно, что при исходном положении РПН сетевого трансформатора (график 1) на некоторых стадиях плавки дуговой печи величина напряжения ниже номинального уровня, это объясняется тем, что установленной мощности СТК недостаточно для реализации режима управления  при положении РПН сетевого трансформатора, который определён по внутренним алгоритмам АРНТ. В этом случае, тиристорно-реакторная группа работает в нерегулируемом диапазоне ( МВАр), и мощность ДСП снижается из-за отрицательного отклонения напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса. При работе комплекса «ДСП-СТК» с положением РПН сетевого трансформатора, рассчитанным в блоке 8, напряжение на шинах электросталеплавильного комплекса равно номинальному (график 2), при этом  МВАр.
На основании вышеизложенного следует, что заявляемая полезная модель позволяет улучшить электрические и технологические характеристики электросталеплавильного комплекса путем обеспечения скоординированной работы СТК и автоматики АРНТ сетевого трансформатора с учетом режимов работы дуговой сталеплавильной печи.