Возможности использования в автоматизированной системе управления электроснабжением промышленных предприятий тиристорных конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности

УДК 621.316.761

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В АВТОМАТИЗИРОВАННОМ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕМ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ТИРИСТОРНЫХ КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ

РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

В.Н. Крысанов, К.В. Иванов

В статье рассматриваются типовые потребители реактивной мощности в составе промышленных предприятий, приводятся их суточные графики нагрузки в соответствии с производственным процессом. Функционально описывается автоматизированная система управления электрохозяйством, описываются критерии адаптации устройств компенсации реактивной мощности (конденсаторных установок) к автоматизированной системе управления электрохозяйством. В соответствии с задачей адаптации поднимается проблематика элементов коммутации конденсаторных батарей. Проводится анализ различных вариантов подключения конденсаторных установок к сети и предлагается альтернативный вариант. Приводится расчет номинального тока батареи статических конденсаторов и определение количества коммутаций в соответствии с типовым графиком нагрузки. По рассчитанному значению номинального тока производится подбор силовых элементов, необходимых для конденсаторной установки, из современной полупроводниковой элементной базы. В заключении составляется сравнительная таблица ценовых характеристик и срока службы ранее подобранного оборудования. В соответствии с удельной стоимостью 1 кВАр рассчитывается экономический эффект от применения различных способов подключения конденсаторной батареи. Проводится сравнение, в ходе которого устанавливается, что оптимальным способом по критерию «цена-качество-надежность» является использование тиристорной группы в режиме кратковременной перегрузки совместно с твердотельным реле

Ключевые слова: компенсация реактивной мощности, тиристорные конденсаторные установки

Основным и ключевым элементом эффективного функционирования систем энергоснабжения регионального уровня является

автоматизированная система оперативно-диспетчерского управления распределительных сетевых компаний (АС РСК).

Интерфейс; с пользователем

АРМ здмичистрирпаанчя AF'М прнюпадны" прилежании АРМ главнпгп энергетика

П рт-ктч дньк? за дач и

Краткосрочное Долгосршное

про гнозирование прогнозирован №

потребления потребления

Мпниурр стоим пеги пр оиз вцзс-гвв алектргвнарти

Оптимизация нагр^гзки

!1ланирование и уп равл ен и е з акупкам и

Контроль качества элеюртвчергии

Управление сценариями переключения

Балансы птчетъ;

Еадачи реального времени

Сигнализация и предупреждения

Отравление оборудованием pHeprncha&TceHm

Контроль шетяний

оборудования СЕВ

энергоанабжения

YpoB5Hb4)CFW ированк+пдан

к

Модель базы данньк

1

Рис. 1. Функциональная модель АСУСЭС

Она непосредственно связана с автоматизированными системами управления электрохозяйством (АСУ СЭС) отдельных промышленных и жилищно-коммунальных

Крысанов Валерий Николаевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: sovteh2000@mail.ru

Иванов Константин Владимирович - ВГТУ, аспирант, e-mail: Dharma_lost@bk.ru

объектов. Обычно используется функциональная модель АСУСЭС, приведенная на рис. 1.

Коротко отметим ее основные функции:

— определение потребности в ресурсах и планирование их расхода по видам деятельности предприятия;

— управление производством, распределением и потреблением энергоресурсов;

— анализ расхода энергетических ресурсов и затрат на их производство;

— контроль состояния оборудования; организация и управление

техобслуживанием и ремонтом энергетического оборудования;

— диагностика энергооборудования;

— передача информации в смежные системы автоматизации.

Учитывая, что АСУСЭС работает в режиме реального времени, то для эффективной работы блока «Управление оборудованием

электроснабжения» (в состав которого входят и аппаратные средства компенсации реактивной мощности КРМ), необходимо обеспечить соответствие технических параметров устройств КРМ (как минимум, по быстродействию и надежности) требованиям управляющих команд от АСУСЭС. Уточним эти требования на примере

типовых электропотребителей промышленных предприятий.

В сфере промышленной электроэнергетики существует множество потребителей реактивной энергии. К таким потребителям относятся, прежде всего, металлургические заводы, химические предприятия, предприятия электрохимической обработки металлов и драгоценных камней, предприятия, имеющие электродуговую и контактную сварку, обычные предприятия, использующие для освещения газоразрядные лампы, предприятия нефтяной, газовой и угольной отраслей, предприятия, имеющие электродвигатели различного типа.

Одним из потребителей реактивной мощности в составе промышленного предприятия является компрессорная установка. Она обеспечивает выработку сжатого воздуха для нужд предприятия. На рис.2 представлен типовой график нагрузки компрессорной установки в ночное время суток [1].

Рис. 2. График нагрузки компрессорной установки

Как видно из рис. 2, количество коммутаций за сутки может достигать 144, однако реактивная мощность, потребляемая компрессорной установкой, изменяется от 60кВАр до 80кВАр и только раз понижается до 0, соответственно потребление реактивной мощности происходит почти постоянно.

<г„-

ч

<2?

Также в качестве потребителя реактивной мощности рассмотрим насосную станцию водоподготовки и очистки крупного промышленного предприятия. График

среднесуточного технологического потребления воды предприятия представлен на рис. 3.

б 12 14 18 22 24 т,ч

Рис. 3. График среднесуточного технологического потребления воды промышленного предприятия

Необходимо компенсировать реактивную мощность, создаваемую индуктивной

составляющей активно-индуктивной нагрузки мощностью 100кВАр в каждой фазе. В течение рабочего дня насосная станция для обеспечения нужд предприятия согласно графику, представленному на рис. 3, включается и

отключается (в среднегодовом выражении), как минимум, 100 в день. Соответственно, количество коммутаций установки КРМ, желательно реализовать на том же уровне.

Ниже будет проведен технико-экономический анализ существующих

аппаратных решений КРМ, которые могут быть

адаптированы в АСУ СЭС промышленных предприятий.

Самым слабым местом наиболее распространенных установок КРМ являются элементы коммутации конденсаторных батарей (КБ) ввиду их ограниченного ресурса. Одним из самых распространенных способов коммутации конденсаторов является использование контактора. При выборе контактора для этих целей необходимо учитывать номинальное напряжение, рабочий ток контактов.

По заданным параметрам рассмотрим магнитный пускатель LC1E300M5 фирмы SchneiderElectric. Данный пускатель имеет 3 силовых контакта, рассчитан на номинальный ток 300 А и номинальное напряжение 690 В, может выдержать ток перегрузки 2200 А в течение 10 секунд. Механическая износостойкость контактов составляет 5 млн. циклов, а электрическая износостойкость 0,5 млн. циклов при применении по категории АС-3 [2]. Стоимость пускателя 22500 р.

Также рассмотрим магнитный пускатель Siemens 3RT10656AP36, имеющий 3 полюса. Номинальный ток пускателя 265А, номинальное напряжение 400В. Заявленный ресурс составляет 5 млн. циклов [3]. Стоимость данного магнитного пускателя 35000р.

Вторым способом коммутации

конденсаторов является использование тиристоров, включенных встречно-параллельно. Для правильного выбора вентильных ключей необходимо учесть параметры коммутируемого тока. В первую очередь частота коммутируемого тока должна соответствовать частоте, для работы на которой предназначен вентиль. При коммутации через тиристор протекает ток, значение которого по абсолютной величине определяется по формуле:

U

I = — = U= 263 А

Вторым важным параметром является обратное напряжение, выдерживаемое вентилем. При использовании вентилей в сетях 0,4кВ, выдерживаемое обратное напряжение должно быть не менее 400В.

Итак, при выборе тиристора необходимо, чтобы его параметры соответствовали следующим условиям:

— частота коммутируемого напряжения 50 Гц;

— прямой ток > 263 А;

— обратное напряжение > 400 В.

Широкий ассортимент современных

силовых полупроводниковых вентилей позволяет выбрать готовый силовой блок, состоящий из нескольких вентилей, подходящий по полученным выше параметрам. Такие блоки

имеют высокую стоимость. Вторым решением данной проблемы выбора вентилей является сборка силового блока из нескольких вентилей, рассчитанных на данное напряжение. Соединив параллельно несколько вентилей так, чтобы суммарный коммутируемый ток был равен требуемому значению, получим силовой блок. Но тогда дополнительные затраты приходятся на создание охлаждающей системы для данного блока. В частности, при проблеме выбора готового блока или собранного из нескольких вентилей, в каждом конкретном случае необходимо принимать экономически

целесообразное решение.

Для заданных условий выберем силовой тиристор VS-VSKH320 производства фирмы Vishay со значением максимально допустимого среднего тока 320 А, минимальным значением обратного напряжения 1200 В, значением ударного тока в открытом состоянии в течение времени 10 мс, не более, 9кА [4]. Стоимость силового блока из тиристора и обратного диода составляет примерно 17350 р.

Еще один способ подключения конденсаторной батареи к сети заключается в использовании для этих целей контактора совместно с силовыми тиристорами [5,6].

Основными параметрами при выборе контактора остаются номинальной ток и рабочее напряжение контактов. При таком способе коммутации пускатель будет работать в облегченных режимах за счет применения тиристоров, и можно считать, что он выработает весь срок службы.

Применяя вышеописанный способ коммутации конденсаторной батареи, резко снижаются требования к тиристорам по максимальному току. Благодаря тому, что тиристор кратковременно может работать в режиме перегрузки, есть возможность снизить значение установленной мощности. Рассмотрим силовой тиристор VS-VSKT41 производства фирмы Vishay со значением максимально допустимого среднего тока 45 А, минимальным значением обратного напряжения 400 В, значением ударного тока в открытом состоянии в течении времени 10 мс, не более, 850 А [7]. На рис. 4 приведена зависимость величины тока перегрузки от времени воздействия импульса тока перегрузки. В нашем случае переходный процесс будет длиться 100 мс. Исходя из рис.4, максимальный ток перегрузки в течение 100 мс составит около 450 А, что достаточно для наших условий. Стоимость силового блока из тиристора и диода составляет примерно 4000 р.

900 800 700 I, A 600 500 400

300

0.01 0.1 1 1:, с

Рис. 4. Максимальная кратковременная перегрузка по току VS-VSKT41

Также рассмотрим тиристор фирмы Еирес модель TD61N. Данный тиристор рассчитан на работы при обратном напряжении 1200В, максимальном среднем токе 60А, ударном токе в открытом состоянии в течение времени 10 мс, не более, 1550А. На рис. 5 изображена перегрузочная характеристика данного тиристора. Основываясь на рис. 5, минимальное значение тока перегрузки в течение 100 мс, которое сможет выдержать тиристор, равно 500А. Стоимость данного тиристора 5800р.

/a

yf Ta = 35°C У/

//

/

/

— :

0.01 t [s] 0,1 1

Рис. 5. Максимальная кратковременная перегрузка по току TD61N

Благодаря бурному развитию

полупроводниковой техники в последние годы, на рынке представлен еще один перспективный вариант элемента коммутации - твердотельное реле. Твердотельное реле — электронное устройство, являющееся типом реле без механических движущихся частей, служащее для включения и выключения силовых цепей с помощью низких напряжений, подаваемых на клеммы управления. Твердотельное реле содержит датчик, который реагирует на вход (управляющий сигнал) и твердотельную электронику, включающую силовую цепь. Этот тип реле может использоваться в сетях постоянного и переменного тока. Устройство применяется для тех же функций, что и обычное реле, но не содержит движущихся частей.

Большинству твердотельных реле свойственно однозначное превосходство над

электромеханическими реле:

— меньшие размеры, позволяющие создавать более компактные устройства;

— полная бесшумность работы;

— гальваническая развязка цепей управления благодаря оптрону;

— увеличенный срок службы благодаря отсутствию движущихся частей;

— выходное сопротивление не меняется во время всего срока службы;

— отсутствие скачка напряжения при переключении;

— отсутствие искры, что позволяет использовать устройство на взрыво- и пожароопасных объектах;

— меньшая чувствительность к внешним условиям, вроде вибраций и магнитных полей [8].

К минусам твердотельных реле можно отнести высокую стоимость, однако срок их службы гораздо дольше, чем у электромагнитных.

Выбирается твердотельное реле по рабочему напряжению, рабочему току через контакты, а также управляющему напряжению. Для нашего устройства необходимо: рабочее напряжение -более 400 В, рабочий ток через контакты - более 263 А, управляющее напряжение - не более 5 В, для прямой совмести с микроконтроллером, без необходимости дополнительных источников питания.

По заданным параметрам рассмотрим трехфазное твердотельное реле фирмы Greegoo SSR модель GDM29048ZD3 [9]. Его параметры полностью отвечают предъявляемым

требованиям: рабочее напряжение - 480 В, рабочий ток - 290 А, управляющее напряжение -3-32 В постоянного тока, напряжение включения - 3 В, напряжение отключения - 1,5 В. Его стоимость составляет примерно 6500 р.

Также следует рассмотреть твердотельное реле NCR HHG1A-1. Оно имеет три силовых контакта для коммутации, а также 2 дополнительных сигнальных контакта. Данное реле рассчитано на рабочее напряжение 440 В, рабочий ток - 300 А. Управление реле осуществляется подачей сигнала 3-32В постоянного тока на управляющие выводы, причем напряжение включения - 3В, выключения -1В. Стоимость твердотельного реле составляет 3000 р [10]. Отметим, что для функционирования такого КРМ необходима специальная СУ, реализующая соответствующий алгоритм работы всех элементов установки [11].

Экономический эффект применения описанных выше КРМ приведен в таблице ниже.

!! I !! 11! ! ! ! ! ! |11

."Maximum Non-repetitive Surge Current \ Versus Puise Train Duration. Control-\of conduction may not be maintaned.

[ Initial Tj- 125-C No Voltage Reapplied Rated Vrrm reapplied

Способ коммутации Общая стоимость, р Удельная стоимость 1 кВАр, р/кВАр Срок службы, лет Экономия, р/кВАр

Контактор 22500 225 Не менее 13 0

Тиристоры 34700 347 Не ограничен -122

Тиристоры и контактор 30500 305 Не менее 100 -80

Тиристоры и твердотельное реле 11000 110 Не ограничен 115

В соответствии с вышеизложенным, можно сделать вывод о возможности эффективного применения устройств КРМ на основе КБ в АСУ СЭС многих энергоемких промышленных предприятий. При этом необходимо реализовать специальный алгоритм подключения КБ и силовую часть на основе оптимальной схемы полупроводниковых ключей.

Литература

1. Крюков, А.В. Моделирование систем электроснабжения [Текст]: учебное пособие / А.В. Крюков. - Иркутск: ИрГУПС, 2014. - 142 с.

2. Schneiderelectric: [Электронный ресурс]. URL:http://www.schneider-electric.ru/ru/. (Дата обращения: 10.11.2016).

3. SIEMENS 3RT1065 Контакторы: [Электронный ресурс]. // Промышленная автоматика. URL: http://www.proavtomatika.ru/

contactor/siemens/3rt10/3rt1065.htm. (Дата обращения: 11.11.2016).

4. VS-VSKH320- 16PbF Series: [Электронный ресурс]. // Vishay Semiconductors. URL: http://www.vishay.com/docs/94667/vs-vskh32016pbf.pdf. (Дата обращения: 12.11.2016).

5. Крысанов В.Н. Устройство подключения конденсаторных батарей [Текст] / В.Н. Крысанов // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всерос. конф. -Воронеж: ВГТУ, 2009.

6. Алиева Л.Ф., Крысанов В.Н., Рубин Я.С., Быков В.Е. Авторское свидетельство СССР, No 909755, кл. Н 02 J 7/10, 1980.

7. VS-VSK.41.., VS-VSK.56.. Series: [Электронный ресурс]. // Vishay Semiconductors. http://www.vishay.com/docs/94630/vs-vsk4156.pdf. (Дата обращения: 13.11.2016).

8. Твердотельное реле: [Электронный ресурс]. //Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2 %D0%B2%D0%B5%D 1 %80%D0%B4%D0%BE%D 1 %82% D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5_ %D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%B5

9. SCR output Single phase SSR (200 to 400A): [Электронный ресурс]. // GREEGOO. URL: http://www.greegoo.com/Catalogue/scr-output-ssr ID3.html. (Дата обращения: 14.11.2016).

10. Solid State Relay HHG1A-1 (SSR-DA): [Электронный ресурс]. // Nicerelay. http://www.nicerelay. com/eWebEditor/UploadFile/201411317 1826126.pdf.

11. Крысанов В.Н. Оптимизация способов подключения конденсаторной батареи [Текст] / В.Н. Крысанов, А.В. Демихов // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2009/4. - С. 53-58.

Воронежский государственный технический университет

THE POSSIBILITY OF USING THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR IN AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF POWER GRID OF INDUSTRIAL ENTERPRISES FOR COMPENSATING REACTIVE POWER

V.N. Krysanov, Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: sovteh2000@mail.ru

K.V. Ivanov, graduate, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: Dharma_lost@bk.ru

The article considers typical industry consumers of reactive power as a part of industrial enterprises, given their daily load curves in accordance with the production process. Functionally describes an automated control system of power grid, describes the criteria for adaptation of reactive power compensation devices (capacitor banks) in the adapted to automated control system of power grid. In accordance with the task of adaptation the problems of capacitor banks switching elements raised. It analysis connectivity options of capacitor banks to the power grid and offers an alternative. It gives calculation of nominal current of static capacitor bank and determination of the number of commutations in accordance with the standard load curve. According to the calculated value of the rated current selection of necessary to a capacitor bank power components is made of the modern semiconductor components. In conclusion compiled a comparative table of price performance and service life of the previously chosen equipment. In accordance with a specific value of 1 kVAr calculated economic benefit from the use of different ways to connect the capacitor bank. A comparison in which it is established that the best way to the

criterion of "price-quality-reliability" is the use of thyristor group short-term overload conditions, together with a solid state

relay

Key words: compensating reactive power, thyristor switched capacitor

References

1. Krjukov, A.V. Modelirovanie sistem jelektrosnabzhenija: uchebnoe posobie [Simulation systems of power supply: tutorial] // Irkutsk: IrGUPS, 2014. - 142 p.

2. Schneiderelectric: [Electronic resource]. URL: http://www.schneider-electric.ru/ru/.

3. SIEMENS 3RT1065 Kontaktory [Contactors]: [Electronic resource]. // Promyshlennaja avtomatika. URL: http://www.proavtomatika.ru/contactor/siemens/3rt10/3rt1065.htm.

4. VS-VSKH320-16PbF Series: [Electronic resource]. // Vishay Semiconductors. URL: http://www.vishay.com/docs/94667/vs-vskh32016pbf.pdf.

5. Krysanov V.N. Ustrojstvo podkljuchenija kondensatornyh batarej [Device connected capacitor banks] // New technologies in science researches, design, control, production: conference - Voronezh: Voronezh. gos. tehn. un-t, 2009.

6. Alieva L.F., Krysanov V.N., RubinJa.S., Bykov V.E. Avtorskoe svidetel'stvo [Copyright certificate] SSSR, No 909755, kl. N 02 J 7/10, 1980.

7. VS-VSK.41.., VS-VSK.56.. Series: [Electronic resource]. // Vishay Semiconductors. http://www.vishay.com/docs/94630/vs-vsk4156.pdf.

8. Tverdotel'noe rele [Solid state relay]: [Electronic resource]. // Vikipedija. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2

%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%B4%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE% D0%B5_%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%B5

9. SCR output Single phase SSR (200 to 400A): [Electronic resource]. // GREEGOO. URL: http://www.greegoo.com/Catalogue/scr-output-ssr_ID3.html.

10. Solid State Relay HHG1A-1 (SSR-DA): [Electronic resource]. // Nicerelay. http://www.nicerelay.com/eWebEditor/UploadFile/2014113171826126.pdf.

11. Krysanov V.N. Optimizacija sposobov podkljuchenija kondensatornoj batarei [Optimization of ways to connect capacitor banks] // Electrical complexes and control systems. - Voronezh, 2009/4. - p. 53-58.