Система управления статическим тиристорным компенсатором

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройствам регулирования реактивной мощности резкопеременных нагрузок промышленных предприятий, например, дуговых сталеплавильных печей (ДСП) с помощью статических тиристорных компенсаторов (СТК), и может быть использована для компенсации провалов напряжения, возникающих в питающей сети.
Известна система электропитания нагрузки переменного тока, содержащая источник питания, питающие провода и узел компенсации реактивного тока, состоящий из цепочек, соединенных в звезду и включающих в себя последовательно соединенные конденсаторы и катушки индуктивности, соединенных в треугольник, выводы которого подключены также на зажимы нагрузки, блок для управления вентилями, датчик угла между током и напряжением со стороны источника питания, датчик реактивного тока и сумматор, причем один из входов датчика реактивного тока служит для подключения на ток нагрузки, а второй – на напряжение фазы со стороны источника питания, при этом его выход подключен на один из входов сумматора, второй его вход которого связан с выходом датчика угла, а выход – с входом блока управления вентилями. Помимо этого, система снабжена цепью обратной связи с выхода сумматора на его дополнительный вход, состоящей из последовательно соединенных регулируемого ограничителя и стабилизатора, и между источником питания и питающими проводами установлен разделительный трансформатор (Авт. св-во СССР № 776582, Н02J 3/18).
Основными недостатками устройства являются:
1) неэффективное регулирование реактивной мощности;
2) увеличение времени реагирования системы управления на возмущения в питающей сети;
3) невозможность его использования для компенсации провалов напряжения при подключении на параллельную работу с дуговой сталеплавильной печью и агрегатами непрерывной обработки полосы.
зад
∑
зад
∑
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является система управления статическим тиристорным компенсатором, которая содержит прямой и обратный канал регулирования реактивной мощности. Вход прямого канала, состоящего из блока расчёта реактивных проводимостей фаз тиристорно-реакторной группы (ТРГ), соединён с выходами измерительных трансформаторов тока и напряжения ДСП и фильтрокомпенсирующих цепей (ФКЦ). Вход обратного канала, состоящего из блока расчета суммарной реактивной мощности электросталеплавильного комплекса, пропорционально-интегрального регулятора (ПИ-регулятор) реактивной мощности, соединен с выходами измерительных трансформаторов тока и напряжения, установленных на общих шинах ДСП и СТК. Так же система управления СТК содержит контур регулирования напряжения, который содержит трехфазный ПИ-регулятор напряжения, вход которого соединен с выходом измерительного трансформатора напряжения, установленного на общих шинах ДСП и СТК, а выход соединен с блоком расчета дополнительных проводимостей фаз ТРГ. Выходы прямого и обратного каналов регулирования реактивной мощности и контура регулирования напряжения соединены через переключатель с блоком ограничения, который ограничивает общий сигнал реактивной проводимости на уровне максимально возможной реактивной проводимости фаз ТРГ. Выход блока ограничения соединен с входом блока нелинейности, в котором реализована обратная регулировочная характеристика α = f(B), где α – сигнал задания на углы отпирания тиристоров; B – суммарная реактивная проводимость фаз ТРГ. Выход блока нелинейности соединен с входом системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорно-реакторной группой СТК («Использование статического тиристорного компенсатора сверхмощной дуговой сталеплавильной печи для обеспечения устойчивости электроэнергетической системы и повышения надежности внутризаводского электроснабжения» [Электронный ресурс]/ Николаев А.А., Корнилов Г.П., Ивекеев В.С., Ложкин И.А., Котышев В.Е., Машиностроение: Сетевой электронный научный журнал 2014. № 1. Стр. 53-69 - режим доступа к журн.:  http://indust-engineering.ru/issues/2014/2014-1-8.pdf).
Недостатками известной системы управления СТК являются:
1) Низкое качество демпфирования провалов напряжения из-за возникновения бросков напряжения в начальные и конечные моменты демпфирования;
2) Невозможность учета изменения характера провалов при понижении уровня напряжения из-за установки сетевых трансформаторов с той или иной группой соединения обмоток.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в повышении надёжности электроснабжения промышленных предприятий с чувствительными электроприемниками за счет улучшения качества демпфирования провалов напряжения.
Техническим результатом полезной модели является:
1) мгновенное реагирование системы управления СТК на несимметричный режим питающей сети и обеспечение безостановочной работы агрегатов непрерывной обработки полосы электросталеплавильных комплексов, включающих в себя преобразователи частоты с активными выпрямителями;
2) восстановление напряжения до номинального значения за минимальное время с переходными процессами, не вызывающих опасных перенапряжений в сети;
3) демпфирование провалов напряжения с учётом генерирующей способности СТК и сохранением его устойчивой работы.
Техническая проблема решается тем, что система автоматического управления статическим тиристорным компенсатором, выполненная в виде контура регулирования реактивной мощности СТК, состоящего из блока расчёта реактивных проводимостей фаз тиристорно-реакторной группы, входы которого соединены с выходами измерительных трансформаторов тока дуговой сталеплавильной печи и фильтрокомпенсирующих цепей соответственно, а выход – с первым входом блока суммирования, выход которого подключен к первому входу блока переключения; блока расчета реактивной мощности, входы которого соединены с выходами измерительных трансформаторов тока и напряжения шин электросталеплавильного комплекса, а выход соединен с пропорционально-интегральным регулятором реактивной мощности, выход которого подключен ко второму входу блока суммирования; контура регулирования напряжения, выполненного в виде трехфазного пропорционально-интегрального регулятора напряжения, вход которого соединен с выходом измерительного трансформатора напряжения шин электросталеплавильного комплекса, а выход соединен с блоком расчета дополнительных проводимостей фаз тиристорно-реакторной группы,  выход которого подключен ко второму входу блока переключения, выход которого соединен с входом блока ограничения, а выход блока ограничения соединен с входом блока нелинейности, который подключен к входу системы импульсно-фазового управления тиристорно-реакторной группой статического тиристорного компенсатора, согласно изменению, она снабжена блоком диагностики несимметричных режимов работы питающей сети, вход которого соединен с выходом измерительного трансформатора напряжения со схемой соединения вторичной обмотки «разомкнутый треугольник», подключенного к шинам распределительного устройства высокого напряжения, а выход блока диагностики несимметричных режимов работы питающей сети соединен с третьим входом блока переключения, при этом в качестве трехфазного пропорционально-интегрального регулятора напряжения, установленного в контуре регулирования напряжения, использован трехфазный пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор напряжения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показана упрощённая схема электросталеплавильного комплекса;
- на фиг. 2 представлены графики мгновенных значений фазных напряжений на первичной и вторичной стороне сетевого трансформатора при однофазном коротком замыкании:
а) в питающей линии;
б) на шинах электросталеплавильного комплекса и агрегатов непрерывной обработки полосы;
- на фиг. 3 представлены реактивные проводимости в нормальном режиме работы сети с номинальным уровнем напряжения и в момент переходного процесса;
- на фиг. 4 изображены временные диаграммы напряжений, иллюстрирующие снижение амплитуды и длительности провала напряжения при использовании усовершенствованной системы управления СТК:
а) мгновенные значения фазных токов в треугольнике ТРГ СТК;
б) действующие значения фазных напряжений в питающей линии и внутризаводской сети, выраженные в относительных единицах.
Система управления СТК (фиг. 1) включает в себя контур регулирования реактивной мощности СТК 1 и контур регулирования напряжения 2. Контур регулирования реактивной мощности СТК 1 содержит блок расчёта реактивных проводимостей фаз ТРГ 3, входы которого соединены с измерительным трансформатором тока  4 дуговой сталеплавильной печи 5 и измерительным трансформатором тока 6 ФКЦ 7, и блок расчёта реактивной мощности 8, входы которого соединены с измерительными трансформаторами тока и напряжения 9 и 10 соответственно, подключенных к шинам электросталеплавильного комплекса 11, а выход – с ПИ-регулятором реактивной мощности СТК 12. Выходы блоков 3 и 12 соединены соответственно с первым и вторым входами блока суммирования 13. Выход блока суммирования 13 соединен с первым входом блока переключения 14. Контур регулирования напряжения 2 содержит трехфазный пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор напряжения (ПИД-регулятор) 15 (фиг.1), вход которого соединен с измерительным трансформатором напряжения 10, а выход соединен с входом блока расчёта дополнительных проводимостей фаз ТРГ 16. Выход блока расчёта дополнительных проводимостей фаз ТРГ 16 соединен со вторым входом блока переключения 14. Блок диагностики несимметричных режимов работы питающей сети 17 соединён с измерительным трансформатором напряжения 18, установленным на шинах распределительного устройства высокого напряжения (РУ ВН) 19, питающих сетевой трансформатор 20. Выход блока диагностики несимметричных режимов работы питающей сети 17 соединен с третьим входом блока переключения 14, выход которого соединен с блоком ограничения 21. Выход блока ограничения 21 соединен с входом блока нелинейности 22, сигнал с которого подается на вход блока системы импульсно-фазового управления тиристорно-реакторной группы СТК 23. Выход блока 23 связан с тиристорно-реакторной группой СТК 24. Кроме того,  к шинам электросталеплавильного комплекса 11 подключены агрегаты непрерывной обработки полосы 25 (фиг. 1).
Заявляемая система управления статическим тиристорным компенсатором работает следующим образом. Система автоматического управления СТК включает в себя контур регулирования реактивной мощности СТК 1 (фиг. 1), который подразделяется на два канала регулирования – прямой и обратный. Прямому каналу соответствует блок 3, на вход которого подаются фазные токи ДСП 5 от измерительного трансформатора тока 4 и фазные токи ФКЦ 7 от измерительного трансформатора тока 6. При этом в прямом канале происходит разложение токов нагрузки на ортогональные d-q составляющие для прямой и обратной последовательностей во вращающейся системе координат и формируются реактивные проводимости фаз ТРГ 24, в результате чего обеспечивается симметрирование токов по фазам и полная компенсация реактивной мощности ДСП 5. В обратном канале располагаются блок расчёта реактивной мощности 8 и ПИ-регулятор реактивной мощности СТК 12. На вход блока 8 подаются фазные значения тока и напряжения электросталеплавильного комплекса с измерительного трансформатора тока 9 и измерительного трансформатора напряжения 10. ПИ-регулятор реактивной мощности СТК 12 сравнивает значения фактической и реальной величины реактивной мощности и создаёт корректирующий сигнал, необходимый для формирования общего задания на реактивную мощность в узле нагрузки. Выходные сигналы блоков 3 и 12 суммируются в блоке суммирования 13, в результате чего формируются значения реактивных проводимостей фаз ТРГ. Таким образом, статический тиристорный компенсатор в нормальном режиме работы сети будет выполнять свои основные функции:
а) компенсацию реактивной мощности нагрузки;
б) фильтрацию высших гармоник;
в) снижение фликера в питающей сети;
г) симметрирование токов нагрузки;
д) повышение среднего коэффициента мощности.
Для улучшения качества демпфирования провалов напряжения в случае возникновения однофазного короткого замыкания в линии, питающей предприятие, в системе управления статическим тиристорным компенсатором разработан блок диагностики несимметричных режимов работы питающей сети 17 (фиг. 1), а также произведена замена трехфазного ПИ-регулятора напряжения в контуре регулирования напряжения 2 на трехфазный ПИД-регулятор напряжения 15.
Блок диагностики несимметричных режимов работы питающей сети 17 определяет момент включения контура регулирования напряжения 2 и отключения контура регулирования реактивной мощности СТК 1 с помощью блока переключения 14. Основной структурной частью блока диагностики несимметричных режимов работы питающей сети 17 является математическая модель триггера. Триггер - это устройство, предназначенное для запоминания двоичной информации. Он обладает способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний под воздействием внешних сигналов. В качестве внешнего сигнала на триггер подаётся сигнал со схемы «разомкнутого треугольника» измерительного трансформатора напряжения 18. В нормальном режиме работы сети напряжение между выведенными концами «разомкнутого треугольника» равно нулю, т.к. в данной схеме геометрически суммируются все фазные напряжения РУ ВН 19. Как только произойдёт однофазное короткое замыкание, эта сумма будет отличной от нуля, и на выходе «разомкнутого треугольника» появится напряжение. Таким образом, сформируется сигнал на включение триггера, находящегося в блоке диагностики несимметричных режимов работы питающей сети 17. Исходя из этого, система будет мгновенно срабатывать при появлении ненулевых значений мгновенных фазных напряжений, что будет являться сигналом появления провала напряжения.
Блок 15 (фиг. 1) контура регулирования напряжения 2 состоит из трёхфазного регулятора напряжения, созданного на базе пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора. Интегральная часть трехфазного ПИД-регулятора напряжения обеспечивает выход на нулевую ошибку регулирования. Пропорционально-дифференциальная часть ПИД-регулятора напряжения 15 обеспечивает необходимое быстродействие регулятора в переходных режимах: в период возникновения провала и в период восстановления напряжения. В блоке 16 производится расчёт дополнительных проводимостей фаз ТРГ на основе выходных сигналов трехфазного ПИД-регулятора напряжения 15.
Дадим пояснение к фиг. 2. В силу того, что сетевые трансформаторы зачастую имеют схему соединения Y/Δ, провал напряжения, возникающий во внешней питающей сети, имеет свои особенности. На графике (фиг. 2, а) зафиксировано снижение напряжения на стороне 380 кВ по фазе А. После трансформации на сторону 35 кВ происходит снижение напряжения по двум фазам – А и С (фиг. 2, б). Таким образом, имея один однофазный провал напряжения на шинах РУ ВН, получаются провалы по двум фазам на шинах электросталеплавильного комплекса. Данный факт был учтен при разработке алгоритмов демпфирования провалов напряжения.
Результатом работы блока диагностики несимметричных режимов работы питающей сети 17 является сигнал об аварийном режиме работы сети. Данный сигнал с блока диагностики несимметричных режимов работы питающей сети 17 поступает на вход интегратора трехфазного ПИД-регулятора напряжения 15. Это будет говорить о том, что необходимо включиться контуру регулирования напряжения 2. При этом контур регулирования реактивной мощности СТК 1 с прямым и обратным каналом отключается при помощи блока переключения 14. Для того, чтобы контур регулирования реактивной мощности СТК 1 не копил ошибку регулирования, пока происходит провал напряжения, аналогичный сигнал с обратным знаком приходит на вход ПИ-регулятора реактивной мощности СТК 12. Данный сигнал останавливает ПИ-регулятор реактивной мощности СТК 12 в процессе провала, а после того, как напряжение восстановилось, он снова введет его в работу. Это позволяет обеспечить нормальный переходный процесс при восстановлении напряжения, т.к. при остановке интегратора на выходе ПИ-регулятора реактивной мощности СТК 12 запомнились значения реактивной проводимости, когда уровень напряжения был номинальным. В момент времени, когда напряжение восстановится, произойдет возврат с исходной точки и минимума завышения напряжения в момент восстановления. Данный процесс происходит в интервале времени, равном 0,4…0,6 c (фиг. 3).
зад.
Далее на основе суммарных фазных проводимостей в блоке ограничения 21 (фиг. 1) формируется общий сигнал реактивной проводимости на уровне максимально возможной, после чего данный сигнал поступает на вход блока нелинейности 22, где реализована обратная регулировочная характеристика α
зад
∑
α = f(B), где
зад
α – сигнал задания на углы отпирания тиристоров;
∑
B – суммарная реактивная проводимость фаз ТРГ.
Выход блока нелинейности 22 соединен с системой импульсно-фазового управления тиристорно-реакторной группой СТК 23, где формируются углы отпирания тиристоров ТРГ α.
Реализация описанного выше вида демпфирования провалов напряжения в питающей сети за счёт изменения алгоритмов управления электрическим режимом СТК возможна на базе промышленного контроллера MACH2 фирмы ABB, при наличии пароля разработчика. В программной среде системы MACH2 используются встроенные библиотеки с готовыми функциональными блоками, необходимыми для применения предложенных изменений. Используя свободные функциональные блоки, не задействованные в реализации основных режимов управления, можно разработать алгоритмы для компенсации провалов напряжения на металлургических предприятиях с чувствительными электроприемниками, включающими в себя преобразователи частоты с активными выпрямителями и подключенными на параллельную работу с электротехническим комплексом «ДСП-СТК».
ДОП
В качестве подтверждения заявленного технического результата полезной модели приведены графики (фиг. 4, а, б), иллюстрирующие снижение амплитуды и длительности провала напряжения при использовании усовершенствованной системы управления СТК с трехфазным ПИД-регулятором напряжения 15 и блоком диагностики несимметричных режимов работы питающей сети 17. Данные для построения были получены в результате расчёта, проведённого на имитационной модели электротехнического комплекса «ДСП-СТК». На фиг. 4, а показаны мгновенные значения фазных токов в треугольнике ТРГ при провале напряжения в фазе А. Характер изменения токов ТРГ в период возникновения провала напряжения объясняется тем, что с целью компенсации провала напряжения в питающей линии в системе управления СТК были сформированы дополнительные составляющие реактивной проводимости B в контуре регулирования напряжения 2, которые изменили результирующие проводимости таким образом, чтобы исключить несимметрию напряжения на шинах электросталеплавильного комплекса. Далее на основе этих проводимостей были сформированы соответствующие углы отпирания тиристоров ТРГ СТК 24, которые также позволяют обеспечить условия для дополнительной генерации реактивной мощности ФКЦ 7, необходимой для демпфирования провала напряжения.
На фиг. 4, б показаны действующие значения фазных напряжений на шинах РУ ВН 19 и шинах электросталеплавильного комплекса 11, выраженные в относительных единицах. На шинах РУ ВН 19 в период времени 0,05…0,25 c (фиг. 4, б) зафиксирован провал напряжения в фазе А глубиной 25 % и длительностью 200 мс. В результате работы предлагаемой системы управления СТК удалось:
1) добиться мгновенного реагирования системы управления СТК на несимметричный режим питающей сети и обеспечить безостановочную работу агрегатов непрерывной обработки полосы электросталеплавильных комплексов, включающих в себя преобразователи частоты с активными выпрямителями;
2) восстановить напряжение до номинального значения за минимальное время с переходными процессами, не вызывающими опасных перенапряжений в сети. Это достигается за счёт согласованной работы контура регулирования напряжения 2 и блока диагностики несимметричных режимов работы питающей сети 17, принципы которой были рассмотрены выше. При этом основная часть системы регулирования с прямым и обратным каналами находятся в неактивном состоянии. Отклонения напряжений от номинального уровня из-за возникновения переходных процессов в начальный и конечный моменты провала напряжения минимальны и не превышают 12 %. Такой провал напряжения не приведёт к выходу из строя или отключению преобразователей частоты, чувствительных к данным явлениям;
3) демпфировать провалы напряжения с учётом генерирующей способности СТК и сохранением его устойчивой работы.
Из вышеизложенного следует, что заявляемая полезная модель позволяет повысить надёжность внутрицехового электроснабжения металлургических предприятий в результате быстрого реагирования системы управления СТК на несимметричный провал напряжения, и его компенсации за счёт использования собственного резерва реактивной мощности с учетом сохранения стандартных функций СТК по улучшению качества электроэнергии.