автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности работы статического тиристорного компенсатора сверхмощной дуговой сталеплавильной печи

ТРОЛЬИЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

ии^478766 НИКОЛАЕВ АЛЕКСАНДР АРКАДЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СТАТИЧЕСКОГО ТИРИСТОРНОГО КОМПЕНСАТОРА СВЕРХМОЩНОЙ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

- 1 ОКТ 2009

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2009

003478766

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Корнилов Геннадий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дмитриев Борис Фёдорович кандидат технических наук, профессор Заславец Борис Иванович

Ведущая организация: ОАО «Магнитогорский металлургаческий комбинат»

Защита состоится "23" октября 2009 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по ¡адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Автореферат разослан " 22 " сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доценг /

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Отличительной особенностью современного сталеплавильного производства является опережающий рост объемов стали, полученной в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). Технико-экономические показатели таких агрегатов достигли предельных значений: масса жидкой стали на выпуске - 150-180 т, время цикла от плавки до плавки - порядка 40 мин., относительная мощность печного трансформатора приблизилась к 1 МВА на тонну расплава. Термин «сверхмощная, высокоимпедансная ДСП» в своем названии отражает, в том числе, и некоторые электрические характеристики, например, рабочее линейное напряжение на электродах изменяется в пределах 800-1400В, реактор, установленный в третичной обмотке трансформатора имеет регулируемую индуктивность, так что общее сопротивление вторичного контура изменяется в диапазоне 50-100%. Впервые на заводскую площадку заведено напряжение 220 кВ, а сами ДСП укомплектованы статическими тиристор-ными компенсаторами (СТК), мощность которых соизмерима с мощностью печного трансформатора. Две сверхмощные ДСП-180 подобного класса запущены в эксплуатацию в 2006 г. на ОАО «ММК»

Статический тиристорный компенсатор подключен на шины 35 кВ параллельно с печным трансформатором и его основное назначение -компенсация неактивных составляющих полной мощности, а также симметрирование реактивной мощности по фазам при работе печи.

При эксплуатации столь мощных электроприемников с нелинейной, резкопеременной и несимметричной нагрузкой наиболее актуальными являются две проблемы - это, во-первых, выполнение условий электромагнитной совместимости с питающей сетью в точке присоединения и, во-вторых, обеспечение заданной производительности при изменении технологических и электрических параметров ДСП в широких пределах. В значительной степени выполнение этих условий обеспечивается за счет рационального выбора силовых элементов СТК и режимов его работы.

Исследования по оценке воздействий ДСП на питающую сеть и способам их уменьшения нашли отражения в трудах отечественных и зарубежных ученых, в том числе: Кочкина В.И., Нечаева О.П., Жохова Б. Д., Рубцова В.П., Минеева А.Р., Вагина Г.Я., Кучумова JI.A., СалтыковаВ.М., Жежеленко И.В, L. Gyugyi, N.G. Hingorani.

Известные принципы управления СТК главным образом направлены на подавление неактивных составляющих токов ДСП без учета режимов работы самой ДСП и питающей энергосистемы. Вопросы повышения эффективности СТК и наиболее полного использования его резервов с учетом перечисленных выше факторов в настоящее время рассмотрены недостаточно полно.

С учетом сложившихся дефицитов реактивной мощности на крупных металлургических предприятиях актуальной задачей является определение возможностей СТК не только обеспечивать компенсацию реактивной мощности ДСП, но и генерировать ее в питающую сеть с учетом технологических режимов работы печи, включая явно выраженные несимметричные режимы.

Целью работы является разработка усовершенствованных режимов функционирования СТК, обеспечивающих более полное использование установленной мощности основного электрооборудования комплекса «ДСП-СТК» в различных технологических режимах. Для достижения этой цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведение экспериментальных исследований существующих режимов работы комплекса «дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» (ДСП-СТК), а именно: анализ показателей качества напряжения на шинах 35/220 кВ, исследование несимметричных режимов ДСП-180, исследование бросков тока печного трансформатора при его включении на холостом ходу.

2. Разработка математической модели комплекса «ДСП-СТК» и проверка ее адекватности в статических и динамических режимах.

3. Разработка режимов работы СТК, обеспечивающих генерацию избыточной реактивной мощности в питающую сеть с сохранением основных функций компенсатора.

4. Разработка методики оценки несимметричных режимов дуговой печи и расчета оптимальной уставки регулятора СТК на генерацию реактивной мощности в питающую сеть.

5. Анализ режимов работы комплекса «ДСП-СТК» при использовании нового режима СТК: оценка потерь активной мощности комплекса и показателей качества напряжения на шинах 35 и 220 кВ, оценка производительности ДСП-180, исследование бросков тока печного трансформатора при повышенном напряжении.

6. Разработка способов снижения потерь активной мощности в комплексе «ДСП-СТК» и уменьшения броска намагничивающего тока печного трансформатора при регулировании напряжения в точке подключения.

7. Проведение экспериментальных исследований для проверки и подтверждения основных положений работы. Оценка технико-экономической эффективности предлагаемых решений.

Методика проведения исследований базируется на общих положениях теории электрических цепей, автоматического управления, а также математической статистики. Основные результаты диссертационной работы получены на основе математического моделирования в среде МаАаЬ-8шш1тк. В работе использовано прямое решение интегро-дифференциальных уравнений, в том числе нелинейного уравнения проводимости дуги Касси, статистические методы анализа токов ДСП. Теоре-

тические положения диссертационной работы проверялись экспериментально на действующем промышленном оборудовании.

Достоверность научных результатов обеспечена хорошей воспроизводимостью результатов, полученных в результате моделирования, с результатами экспериментальных исследований на действующем оборудовании.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден режим работы СТК сверхмощной дуговой сталеплавильной печи с изменяющейся уставкой регулятора реактивной мощности, позволяющий генерировать избыточную реактивную мощность компенсатора в питающую сеть, снизить общие активные потери в комплексе «ДСП-СТК», повысить производительность дуговой печи и снизить броски тока печного трансформатора при его включении.

2. Разработана методика определения генерирующей способности СТК при несимметричных режимах ДСП, отличительной особенностью которой является учет фактического распределения токов прямой и обратной последовательности действующей ДСП во всех технологических режимах, включая аварийные.

3. Разработана и реализована математическая модель комплекса «ДСП-СТК», отличающаяся от известных тем, что в ней учитываются особенности работы систем управления СТК и электрическим режимом ДСП, включая САР перемещения электродов, и случайные процессы горения дуг. Данная модель позволяет выполнять более детальные теоретические исследования статических и динамических режимов работы СТК.

4. Разработан способ снижения бросков тока при включении печного трансформатора, отличающийся от известных тем, что уменьшение амплитуды тока происходит за счет снижения напряжения на первичной обмотке трансформатора, что достигается переводом СТК в режим потребления реактивной мощности.

5. Разработан способ снижения потерь активной мощности в электрическом контуре ДСП, заключающийся в автоматической коррекции уставок регулятора импеданса фаз ДСП в функции изменения напряжения на первичной обмотке печного трансформатора.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Применение усовершенствованных режимов работы СТК позволяет более эффективно использовать установленную мощность элементов компенсатора, за счет генерирования избыточной реактивной мощности (порядка 25-30 Мвар) в энергоузел промышленного предприятия. В этом режиме достигается снижение потерь активной мощности комплекса «ДСП-СТК» на 13% при отключенной ДСП, и на 3% при работающей печи с использованием коррекции по напряжению в системе управления электрическим режимом. Увеличение напряжения на первичной обмотке печного трансформатора приводит к повышению электрической мощности, вводимой в печь, и производительности ДСП на 3-5%. Реактивная

мощность, генерируемая в сеть 220 кВ двумя комплексами «ДСП-СТК», приводит к снижению ее поставок из внешней энергосистемы на 20%.

2. Перевод СТК в режим потребления реактивной мощности позволяет уменьшить амплитуду тока при включении трансформатора в среднем на 25%, что положительно сказывается на увеличении ресурса вакуумного выключателя, фильтрокомпенсирующих цепей СТК.

3. Результаты исследований переданы в Центральную электротехническую лабораторию, Цех сетей и подстанций и Электросталеплавильный цех ОАО «ММК» для последующего внедрения. Экономический эффект от внедрения определяется снижением потерь активной мощности в элементах комплекса «ДСП-СТК» и составляет более 700 тыс. руб. в год без учета повышения производительности ДСП.

4. Полученные результаты рекомендуются для внедрения на аналогичных электротехнических комплексах «ДСП-СТК».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Усовершенствованный режим работы СТК сверхмощной ДСП с изменяющейся уставкой на реактивную мощность.

2. Математическая модель комплекса «ДСП-СТК».

3. Методика определения генерирующей способности СТК при несимметричных режимах ДСП.

4. Способ снижения бросков тока при включении печного трансформатора на холостом ходу за счет перевода СТК в режим потребления реактивной мощности.

5. Способ снижения потерь активной мощности в электрическом контуре ДСП.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VI Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008 г.), V Международной конференции-симпозиуме «Проблемы электромагнитной совместимости в силовой электронике», проводимой под эгидой общества ШЕЕ (г. Гданьск, Польша), II Международной конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях РФ» (г. Магнитогорск, 2007 г.), научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (ГОУ ВПО «Ш ГУ», Липецк, 2006 г.), ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ» (г. Магнитогорск, 2007- 2009 гг.).

Публикации: Результаты диссертационной работы отражены в 17 публикациях, из них 5 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 92 наименований. Работа изложена на 152 страницах основного текста, содержит 116 рисунков, 24 таблицы и приложения объемом 20 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначена актуальность темы, сформулированы основные цели и задачи исследования, подтверждена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе проведено описание электротехнического комплекса «ДСП-СТК», даны его технические характеристики, а также сформулировано назначение и основные функции статического тиристорного компенсатора и законы его управления; они заключаются в следующем: 1) поддержание технологического процесса плавки в заданном режиме за счет стабилизации напряжения в точке подключения ДСП, и, как следствие, сокращение длительности цикла плавки печи, снижение удельного расхода электроэнергии, сокращение расхода электродов, снижение энергоемкости производства); 2) обеспечите условий электромагнитной совместимости ДСП с питающей сетью - симметрирование напряжения сети и подавление высших гармоник тока, генерируемых ДСП; 3) повышение эффективности системы электроснабжения ДСП за счет обеспечения нулевого перетока реактивной мощности на границе балансовой принадлежности и сстсращсния суммарных потерь активной мощности в комплексе СТК и ДСП

Схема электротехнического комплекса «ДСП-СТК» представлена на рис.1.

Магистральные сети 500,'220 кВ

Г

ДСП-180 СТК

Рис. 1.

Предварительные исследования и результаты расчета воздействий ДСП на питающую сеть показывают, что в комплексе СТК имеются существенные невостребованные резервы генерирования реактивной мощности.

Способность СТК не только генерировать реактивную мощность, но и потреблять её, позволяет регулировать напряжения: на высокой стороне печного трансформатора, в том числе и понижать его, что благоприятным образом сказывается на переходных процессах при включении трансформатора.

Перечисленные режимы - генерация и потребление реактивной мощности должны быть проанализированы с количественной и качественной стороны, это значит - определены диапазоны изменения реактивной мощности СТК в зависимости от режима работы ДСП и состава установленного оборудования при различной степени несимметрии. Также представляет интерес оценить изменение мощности, вводимой в печь, и активные потери в элементах компенсатора и электрическом контуре ДСП.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям комплекса «ДСП-СТК» в различных технологических режимах. Эти исследования направлены на изучение резервов СТК и повышение его эффективности. Их результаты используются для предварительной оценки резервов СТК на генерацию реактивной мощности и построения адекватной математической модели комплекса «ДСП-СТК», необходимой для исследования режимов, воспроизведение которых затруднено на реальном оборудовании, например, двух- и трехфазные короткие замыкания.

Для оценки загрузки компенсатора было проведено осциллографи-рование изменения активной и реактивной мощностей ДСП-180 для большого количества плавок (более 1000), охватывающих все возможные профили с различным составом шихты (рис. 2). В результате статистической обработки установлено, что среднее значение реактивной мощности с вероятностью 95% находится в пределах 70-105 Мвар, что указывает на недоиспользование установленной мощности компенсатора. Это утверждение подтверждается также результатами обработки основных показателей качества напряжения (рис. 3), где приведены изменения коэффициентов искажения синусоидальности Ки и несимметрии напряжения K2U, а также кратковременной дозы фликера на шинах 35 и 220 кВ при отключенном фильтре 4-ой гармоники, мощность которого составляет 69 Мвар.

Сравнение нормативных и фактических значений показателей качества напряжения дано в табл. 1.

Как видно из табл. 1, показатели качества напряжения в основном не превышают допустимых значений, регламентированных ГОСТ 13109-97, даже при заниженной мощности фильтрокомпенсирующих цепей СТК. Это является вторым подтверждением положения о наличии избыточной мощности СТК порядка 60 Мвар.

160 140

а.

I 120

ь ЮО

и

S 80

i 60 ^ 40

20

0

гГ

HI

10

_ l^'ДСП, )

S(Qacnf)

~дсп,-) _ i _ -

id ~T"

^(Рдсп, )

15

16

f„ = 53,5 мин

^ДСП,.)

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 t, С

Рис. 2.

•^2(ШОРМ.ДОП. | А. и^2(/35кВ

..i

: \А- : 2£/220|сВ

О 100 200 300 400 t, с

О 100 200 300 400 t, с В)

р - • 4 я

1 »¡0м1ш(35кВ) — 4>J

Рис. 3.

Таблица 1

Анализ показателей качества электроэнергии на шинах 35 и 220 кВ 111В

Показатели качества электроэнергии Нормально допустимые значения Фактическое знач.

35 кВ 220 кВ

1. Коэффициент искажения синусоидальности 4% 2% 1,0 -5,0% (35 кВ) 0,3 - 0,5 %

2. Коэффициент несимметрии напряжений 2% 2% 1,5 + 3,8 %

3. Кратковременная доза фликера напряжения 1,0 1,0 4,3 0,3

Процесс включения печного трансформатора на холостом ходу сопровождается значительными бросками тока, величина которых составляет 2-3 номинала и случайным образом зависит от фазы включения и величины приложенного напряжения. Это приводит к снижению ресурса безаварийной работы вакуумного выключателя и фильтро компенсирующих •цепей (ФКЦ) СТК. Таким образом, стандартные функции СТК могут бьггь расширены в конкретных условиях действующей ДСП-L 80 путем перевода его в режимы генерации и потребления реактивной мощности.

Третья глава посвящена разработке математической модели комплекса «дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» (рис. 4). Основными требованиями, предъяв.!яемым к модели, являются: адекватное воспроизведение статических и динамических режимов комплекса для различных стадий плавок, возможности изучения несимметричных режимов ДСП и СТК, а также исследования бросков тока при включении печного трансформатора и оценка основных показателей качества электрической энергии на шинах 35 и 220 кВ.

При составлении модели был разработан блочный метод реализации основных подсистем комплекса - трансформатора, электрического контура ДСП, тиристорно-реакторной группы, фильтрокомпенсирующих цепей, систем регулирования СТК и управления электрическим режимом ДСП. При этом реализация отдельных блоков осуществлялась на основе интегро-дифференциальных уравнений связей входа (линейных напряжений) и выхода (линейных токов).

Моделирование электрического контура ДСП проводится с учетом нелинейного дифференциального уравнение Касси для мгновенной проводимости дуги, что позволяет учесть условия ее горения на различных стадиях плавки. Это обеспечивает адекватное воспроизведение гармонического состава тока дуг и учитывает эффект изменения реактивного сопротивления фаз ДСП Система управления СТК является комбинированной и включает в себя прямой и обратный каналы. В прямом канале рассчитываются ортогональные d-q составляющие тока нагрузки для прямой и обратной последовательностей, на основе которых, с помощью преобразования Штейнметца, формируются требуемые значения реактивных про-водимостей фаз ТРГ. В канале обратной связи формируется корректирующий сигнал по разности фактической и реальной величин реактивной мощностей в узле нагрузки. Модель САР перемещения электродов воспроизводит реальную систему ArCOS NT фирмы Siemens VAI, настроенную на поддержание заданных значений полных сопротивлений по фазам ДСП. Печной трансформатор выполнен с учетом общей магнитной системы с реальной характеристикой намагничивания, что позволяет воспроизвести процессы при его включении на холостом ходу.

Для адекватного воспроизведения случайного характера изменения нагрузки по фазам ДСП и исследовании СТК в динамических режимах были использованы формирующие фильтры. Их передаточные функции

_к

Асс М к я

11111

ДСП-180

Уставка на суммарную реактивную I мощность комплекса ДСП-СТК

Измерительные блоки

" лв,вс,са "zab.bc.ca

Идлг.сО-»

'дсплз.с

«н СН

Блок измерения электрических па раметров ДСП-180

мтав,вс.са(')~

*ТРГА,8.с( 0"

Блок измерения электрических параметров СТК

£?ТРГ »0-<п»£?ФЭ>6Ф<

итав,вс,са(0 Блок измерения электрических параметров комплекса ДСП-СТК "тэзав.вс.сл (0 Блок расчета показателей качества электроэнергии на шинах 220 и 35 кВ

'сумлз,с(0 кт220ав,вс,са(0

>^1720

Рис. 4.

рассчитаны на основе экспериментальных данных для основных стадий плавки, по которым построены нормированные автокорреляционные и соответствующие им функции спектральной плотности.

Адекватность математической модели подтверждена воспроизводимостью статических и динамических показателей комплекса «ДСП-СТК» с ошибкой, не превышающей 5%.

Четвертая глава посвящена классификации и анализу возможных несимметричных режимов при работе ДСП, разработке методики по расчету генерирующей способности СТК с учетом этих режимов, анализу энергетических показателей комплекса «ДСП-СТК» при работе СТК в режиме генерации реактивной мощности. Здесь также рассмотрено влияние снижения напряжения на уменьшение бросков тока печного трансформатора при его включении на холостом ходу.

Несимметричные режимы ДСП можно разделить на два класса: конструкционные и эксплуатационные. Первые вызваны неодинаковыми сопротивлениями по фазам вторичного токопровода. Эксплуатационная несимметрия носит случайный характер, и диапазон ее изменения существенно различается по ходу плавки. Она может быть представлена виде суммы двух составляющих - статической с малой скоростью изменения, и быстроизменяющейся динамической.

Задача генерирования реактивной мощности требует проверки сохранения устойчивой работы СТК во всех технологических режимах ДСП, включая аварийные. Разработана методика анализа различных видов несимметрии ДСП. Она заключается в проведении следующих операций:

1. С помощью математической модели строится область распределения токов прямой и обратной последовательностей ДСП (1дст и 1дст) для всех теоретически возможных вариантов несимметрии при наивысшей ступени печного трансформатора и минимальном сопротивлении реактора. Эта область представляет собой квази-треугольник ABC (рис. 5), вершины которого соответствуют экстремальным режимам: А -обрыв дуг в трех фазах, В - двухфазное короткое замыкание при обрыве дуги в третьей фазе, С - трехфазное короткое замыкание.

2. На полученную область распределения наносятся границы устойчивой работы СТК с сохранением функций симметрирования и компенсации реактивной мощности Q3aa - кривая MN. Расчетные реактивные проводимости СТК по фазам, имеют следующий ввд:

I< R С-ЯУп - R___1 гг,(Т __í—ImíT Ij-Pe/T <Bm > (1)

Se«-* ввс стк фи) = - 1т(/дсш ) + 1т(/ДСП2) <Bmm

Я

ctki

(2)

где ßAB,BC,cACTK~ требуемые реактивные проводимости фаз компенсатора; Дшс™ = Джц - Яш-™, и В^^ = Вшп-ВтпЛ„ - минимальное и максимальное проводимость фазы СТК; 5ФКЦ - емкостная проводимость фазы эквивалентного треугольника ФКЦ; 5Tprmaxmin- максимальная и минимальная проводимость ТРГ (при углах отпирания а, = 90° и аг = 180°); ß,M = 0,ш /Ъи] - реактивная проводимость, определяемая уставкой на генерацию реактивной мощности.

3. На расчетную область распределения токов прямой и обратной последовательностей налосятся область фактического рассеивания токов ДСП за весь цикл плавки, полученная экспериментальным путем, и делается вывод о возможности работы СТК с тем или иным уровнем генерирования реактивной мощности.

. Режим двухфазного КЗ при [дСП1. o.e. :....... : В / обрыве дуги в третьей фазе

0,6 N 0,7 0,8 0,9

Напр. дуг меняются симметрично

1дспь o.e.

Рис. 5.

На основании разработанной методики сделан вывод о том, что существующий СТК, установленный на промплощадке ОАО «ММК», при полном составе фильтрокомпенсирующих цепей способен генерировать в питающую сеть 220 кВ реактивную мощность на уровне 30 Мвар с сохранением своих основных функций.

Режим генерации реактивной мощности приводит к изменению напряжения основной и высших гармоник в точке подключения комплекса «ДСП-СТК». Изменение действующего напряжения на шинах 35 и 220 кВ приведено на рис. 6, а; на рис. 6, б показаны коэффициенты искажений синусоидальности сетевого тока и напряжения на шинах 35 кВ. Как видно, генерация реактивной мощности в диапазоне 30 Мвар не приводит к

существенному повышению напряжения основной гармоники (ди35 = 3 %); несинусоидальности напряжения и тока при этом снижаются.

Особый интерес представляет изменение суммарных активных потерь в элементах ДСП и СТК в режиме генерации реактивной мощности. При расчете потерь в ДСП учитываются сопротивления трансформатора, реактора и короткой сети; в СТК - сопротивления фильтровых реакторов и ТРГ, потери в вентилях и конденсаторах. Характер их изменения при отключенной и работающей ДСП-180 показан на рис. 7, а и б.

Ки- /са™)к'

ку 'ерш =Л6

:ети )

& 2 /Г)____

У £?сети' Мвар

5,0 4,0 3,0 2,0 1,0

-150 -100 -50

0 б)

50 100 150

Рис. 6.

Анализ полученных результатов свидетельствует о наличии зоны минимальных потерь при неработающей ДСП (рис. 7, а) при генерации реактивной мощности в диапазоне от 0 до -100 Мвар. При Озад= -30 Мвар снижение потерь составляет 100 кВт. При работающей ДСП-180 режим генерации реактивной мощности без изменения настройки системы АгСОБ может привести к увеличению суммарных потерь (кривая 1, рис.7,б) из-за повышения напряжения и токов дуг.

Предлагается осуществлять автоматическую коррекцию уставок регулятора импеданса в существующей системе АгСОБ таким образом, чтобы при увеличении напряжения происходило увеличение мощности с уменьшением тока, это значит осуществлять переход из рабочей точки А в точку С на рабочих характеристиках рис. 7, г. Это свойство настройки блока коррекции (рис. 7, в) реализовано на практике и обеспечивает снижение тока на 2-3 кА и уменьшение потерь ДСП (кривая 2, рис. 7, б). Кроме уменьшения потерь снижение тока благоприятно сказывается на сокращении расхода электродов и увеличении их срока службы.

Усовершенствованный режим СТК позволяет осуществлять не только генерацию реактивной мощности, но и ее потребление за счет режима форсировки ТРГ. При минимальных углах управления тиристоров ТРГ эта величина составляет порядка 50 Мвар, а снижение напряжения на шинах 35 кВ - 5 %, что благоприятно сказывается на условиях включения печного трансформатора. Снижение бросков тока, зафиксированное на математической модели, составляет порядка 25-30 %.

О 20 40 60 80 100 Л„,«А В) Г)

Рис. 7.

Таким образом, предложенные режимы работы СТК существенно улучшают энергетические показатели комплекса «ДСП-СТК» по сравнению с традиционной настройкой СТК на поддержание нулевого значения реактивной мощности в узле нагрузки; генерация реактивной мощности при работающей ДСП обеспечивает повышение электрической мощности, вводимой в печь и сокращение потерь за счет уменьшения токов дуг и ТРГ; потребление реактивной мощности обеспечивает снижение бросков тока при включении печного трансформатора.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований усовершенствованных режимов СТК, проведенных на действующем оборудовании подстанции глубокого ввода ДСП-180 (ПС №4). Цель экспериментов заключалось в том, чтобы подтвердить возможность генерации и потребления реактивной мощности СТК в заданных пределах и оценить при этом изменение напряжения на шинах 35 кВ, а также зафиксировать снижение бросков тока печного трансформатора при ею включении на холостом ходу.

Схема подключения регистрирующих и контрольно-измерительных приборов приведена на рис. 1. Кроме того, реактивная мощность комплекса «ДСП-СТК» на шинах 35 кВ фиксировалась с помощью встроенной системой визуализации, которая предусмотрена в системе регулиро-

вания СТК Mach2 фирмы ABB. Также были использованы ресурсы и базы данных по основным фидерам Магнитогорского промышленного узла, предоставленные лабораторией электропотребления ЦЭТЛ ОАО «ММК». Основные результаты эксперимента приведены низке на рис. 8 и 9.

Магнитогорский Металлургический Комбинат SVC2 (СТК ДСП-180 №2) Д»»

Тенденция ЕАН Bus

Напряжение на шинах 35 кВ 8 октября 2008 г.

4)

щ

: 29 25

и55ик ' 36,2 кВ

+1,1%

+ 1,9%

,У /о v

+.i,JL%

„т_____ Ii

......I "

-2,21%

■ t,: t2j t3: ц

09:15 09:20 09:25 09:50'

..ЫЫ

Мвар

150 100 50

о—

-50 -100 -150 -200

08:55 09:00 09:05 09:10 09:15 09:20 09:25 09:50 09:35 09:40 09:45 09:50 Реактивная мощность комплекса «ДСП-СТК»

"1 1

= 0 Мвар

п

-20 Мвар -10 Мвар : -30 Мвар

-30 Мвар

НШУ1

+ 10 Мвар

"Г:

У,,o.e. 1.14

0,71 0.57

08:55 09:00 09:05

Напряжение на шине 35 кВ ПС-4 ОАО «ММК»

(к*,, = 0 Мвар

1,05о.е.

б! 'U

09:10 09:15 09:20 09:25 09.30

Рис. 8.

U'„,o.e. ....... 1.14

ts'; IMIiiSs

09:35 09 40 09:45 09:50

25 0 300 t,c

1,00 0.86 0,71 0,57

Напряжение на шине 35 кВ ПС-4 ОАО «NJMK»

: 05:пл2 = +50Мвар

-и,0оо.е.

= 1,0.;о.е.

fc

ft

J_

I

_1_

J_L

J

I

Линейные токи на первичной стороне трансформатора

-1,0 -1.5 -2,0 -2,5

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 t,c

В)

Линейные токи на первичной стороне трансформатора

O.e.. ____ _М5 _1,5____;___

'ДСП

150 200 б)

300 t,c

0.5 0 -0,5 -1.0 -1.5 -2,0 -2,5

1,1

1,0

«

0,75"

i,is - Vi

(ФМИ-

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 t,c

Рис. 9.

При исследовании возможностей СТК фиксировались уставки регулятора реактивной мощности в диапазоне -10 + 30 Мвар (рис. 8). Напряжение на шинах 35 кВ при этом изменялось в пределах -2,2% + +3% от исходного уровня. Таким образом установлено, что при генерации реактивной мощности в указанном диапазоне изменение напряжения не превышает допустимых пределов.

Режим потребления реактивной мощности СТК при С?зад = 50 Мвар приводит к уменьшению бросков тока печного трансформатора при включении на холостом ходу по максимальной амплитуде на 45 % (2,4/1,65), а в среднем на 25 % (рис. 9).

Результаты экспериментальных исследований подтвердили работоспособность предложенных усовершенствованных режимов и показали их эффективность.

Результаты технико-экономических расчетов от внедрения предложенных мероприятий без учета повышения производительности ДСП и увеличения срока службы вакуумного выключателя в условиях электросталеплавильного цеха ОАО «ММК» приведены в табл. 2.

Таблица 2

Расчет ожидаемого технико-экономического эффекта

Показатель Единица измерения Обозначение Значение показателя

Снижение активных потерь в комплексе «ДСП-СТК» при отключенной ДСП-180 кВт П1 100,0

Снижение активных потерь в комплексе «ДСП-СТК» при работающей ДСП-180 кВт ГО 20,0

Фактическое время работы ДСП-180 час Тг 7000,0

Средний коэффициент нахождения ДСП под током (Тщ/Тц) - К 0,76

Стоимость электроэнергии руб/тыс.кВт-ч У 1310,0

Общее время технологических пауз час Т1 1680,0

Общее время работы ДСП под током час Т2 5320,0

Суммарное снижение потребления тыс. кВгч W3K 548,8

Экономия тыс. руб./год Сэк 718,93

Суммарный годовой экономический эффект за счет снижения потерь электрической энергии без учета повышения производительности в двух комплексах «ДСП-СТК» составляет более 700 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены новые усовершенствованные режимы работы статического тиристорного компенсатора дуговой сталеплавильной печи (ДСП-180), позволяющие генерировать избыточную реактивную мощность в питающую сеть, снизить общие активные потери в комплексе «ДСП-СТК», повысить производительность дуговой печи и снизить броски тока печного трансформатора при включении.

2. Разработана математическая модель комплекса «ДСП-СТК», позволяющая в полном объеме проводить исследования динамических и статических режимов СТК, в том числе при аварийных и несимметричных режимах работы дуговой печи. Математическая модель отличается от известных тем, что учитывает особенности работы системы управления электрическим режимом ДСП, включая САР перемещения электродов, а также учитывает случайные процессы горения дуг.

3. Предложена методика оценки несимметричных режимов ДСП и их влияние на резервы генерации избыточной реактивной мощности СТК при различных технологических режимах дуговой печи.

4. Усовершенствованные режимы работы СТК обеспечивают снижение суммарных потерь активной мощности комплекса «ДСП-СТК» при отключенной и работающей ДСП-180, а также увеличение мощности, вводимой в печь, без дополнительных затрат.

5. В результате экспериментальных исследований выявлено, что процесс включения печного трансформатора сопровождается возникновением сильных бросков тока (с амплитудой в 2-3 номинальных значения), негативно сказывающихся на работе электрооборудования: комплекса.

6. Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность снижения бросков тока при включении печного трансформатора за счет перевода СТК на момент включения в режим потребления реактивной мощности из питающей сети, и как следствие, кратковременному снижению напряжения на высокой стороне трансформатора.

7. Результаты экспериментальных исследований усовершенствованных режимов работы СТК на действующем оборудовании ПС-4 и ЭСПЦ ОАО «ММК» показали эффективность предлагаемых решений.

8. Технико-экономический эффект от внедрения результатов работы определяется следующими составляющими: снижением потерь активной мощности в комплексе «ДСП-СТК», а также увеличением ресурсов работы вакуумного выключателя и печного трансформатора. Ориентировочная величина экономического эффекта за счет снижения активных потерь в двух комплексах составляет более 700 тыс. руб. в год.

9. Результаты работы переданы в Центральную электротехническую лабораторию и Цех сетей и подстанций ОАО «ММК» для последующего внедрения на действующем производстве.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Средства и перспективы управления реактивной мощностью крупного металлургического предприятия / Корнилов Г.П., Николаев А.А., Коваленко А.Ю., Кузнецов ЕА. // Электротехника. 2008. №5. С. 25-32. (рецензируемое издание из перечня ВАК).

2. Перспективы и средства повышения эффективности дуговых сталеплавильных печей за счет силового электрооборудования / Корнилов Г.П., Николаев А.А., Якимов И.А. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2009. Вып. 11. №15(148). С. 32-38. (рецензируемое издание из перечня ВАК).

3. Повышение эффективности работы сверхмощной дуговой сталеплавильной печи / Корнилов Г.П., Николаев А.А., Храмшин Т.Р., Шеметов А.Н, Якимов И.А. // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. №1. С. 55-60. (рецензируемое издание из перечня ВАК).

4. Николаев А.А. Исследование статического компенсатора реактивной мощности дуговой сталеплавильной печи в несимметричных режимах на математической модели // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, промышленность: Сб. тр. Шестой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». СПб: Изд-во Политехи, ун-та. 2008. С.287-288.

5. Математическая модель комплекса дуговая сталеплавильная печь -статический компенсатор реактивной мощности. Часть 1. // Корнилов Г.П., Николаев А.А., Храмшин Т.Р. / Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской Федерации: Сб. докл. второй международной конференции по КИС. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. С. 278-286.

6. Experimenta] Investigation ofDependence of Power Quality from the Operation Mode of the Ultra High-Power Electric Are Furnace [Электронный ресурс] / Kornilov G.P., Nikolaev A. A., Khramshin T.R., Shemetov A.N. // Compatibility in Power Electronics (CPE '07): Сб. тр. международной науч. конф. Gdansk (Poland), 2007. С. 1-4. URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp9tp =&arnumber=4296496&isnumber=4296485 (дата обращения: 10.09.2009).

7. Способы моделирования электрического контура дуговой сталеплавильной печи / Корнилов Г.П., Николаев А.А., Храмшин Т.Р. // Энергетика и энергоэффективные технологии: Сб. докл. по итогам научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЛГТУ. Липецк: ГОУ ВПО «ЛГТУ». 2006. С. 34-41.

8. Расчет и оптимизация фильтрокомпенсирующих устройств дуговых электропечей / Мещеряков А.Ю., Николаев А.А., Боков А.И., Романов Д.В. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2005. №4. С. 48-50.

9. Расчет и анализ потерь в статическом компенсаторе реактивной мощности дуговой сталеплавильной печи ОАО «ММК» / Корнилов Г.П., Николаев А.А., Храмшин Т.Р., Храмшин Р.Р. // Электротехнические системы

и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: ГОУ ВПО «Mi"ГУ». 2008. Вып. 15. С. 238-247.

10. Статическое моделирование режимов электропотребления дуговой сталеплавильной печи / Корнилов Г.П., Николаев A.A., Шеметов А.Н., Кузнецов Е.А. И Оптимизация режимов работы электротехнических систем: Межвуз. сб. науч. тр. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2008. С. 148-153.

11. Корнилов Г.П., Николаев A.A., Храмшин Т.Р. Снижение броска намагничивающего тока при включении мощного печного трапсформатора // Энергетика и энергоэффективные технологии: Сб. докл. по итогам научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЛГТУ. Липецк: ГОУ ВПО «ЛГТУ». 2006. С. 42-47.

12. Николаев A.A., Емалеева Н.Г., Якимов И.А. Сравнительный анализ показателей качества электрической энергии в промышленности // Электротехнические системы и комплексы: межвузовский сб. науч. тр. Вып. 15. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2008. С.252-258.

13. Корнилов Г.П., Николаев A.A., Вахитов Т.Ю. Исследование электрического контура дуговой сталеплавильной печи на математической модели // Сборник докладов 66-ой научно-технической конференции по итогам НИР за 2007-2008. Т.2. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2008. С.69-72.

14. Влияние системы управления электрическим режимом на электропотребление ДСП-180 / Корнилов Г.П., Николаев A.A., Храмшин Т.Р., Шеметов А.Н. // Электроэнергетика и Автоматизация в металлургии и машиностроении: Сб. докл. по итогам международной конференции. Магнитогорск: AHO Корпоративный центр подготовки кадров «Персонал» ОАО «ММК», 2008. С. 236-242.

15. Способы управления электрическим режимом электродуговых печей / Журавлев Ю.П., Корнилов Г.П., Николаев A.A., Храмшин Т.Р., Агапитов Е.Б. II Изв. вузов. Электромеханика. 2006. №4. С. 76-81. (рецензируемое издание из перечня ВАК).

16. Управление тепловым и электрическим режимами агрегата печь-ковш / Агапитов Е.Б., Корнилов Г.П., Храмшин Т.Р., Ерофеев М.М., Николаев A.A. // Электрометаллургия. 2006. №6. С. 11-16. (рецензируемое издание из перечня ВАК).

17. Якимов И.А., Николаев A.A. Повышение эффективности дуговой сталеплавильной печи за счет бесступенчатого регулирования напряжения печного трансформатора // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Пятнадцатая международная науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ. 2009. С. 177-178.

Подписано в печать 18.09.2009. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 650.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

ВВЕДЕНИЕ.

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ СТАТИЧЕСКОГО ТИРИСТОРНОГО КОМПЕНСАТОРА ДУГОВОЙ

СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ.

1.1. Описание комплекса «ДСП-СТК».

1.2. Основные требования и их реализация в современных СТК.

1.3. Теоретические основы компенсации реактивной мощности

ДСП с учетом несимметричных режимов.

1.4. Анализ систем автоматического регулирования СТК сверхмощных ДСП.

1.5. Анализ резервов по компенсации реактивной мощности в Магнитогорском промышленном узле.

1.6. Выводы и постановка задачи исследований.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОМПЛЕКСА «ДСП-СТК» ОАО «ММК».

2.1. Цели и задачи экспериментальных исследований.

2.2. Исследования энергетических режимов работы ДСП-180.

2.3. Исследование показателей качества напряжения на шинах 35 и 220 кВ.

2.4. Экспериментальные исследования бросков тока при включении печного трансформатора.

2.5. Исследования колебаний токов ДСП-180 вероятностными методами.

ВЫВОДЫ.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КОМПЛЕКСА «ДСП-СТК».

3.1. Анализ способов моделирования электрической дуги переменного тока.

3.2. Математическая модель печного трансформатора.

3.3. Математическая модель электрического контура ДСП-180.

3.4. Математическая модель гидропривода перемещения электродов.

3.5. Математическая модель СТК.

3.5.1. Модель фильтрокомпенсирующей цепи.

3.5.2. Модель тиристорно-реакторной группы.

3.6. Модель системы управления электрическим режимом и САР перемещения электродов.

3.7. Модель системы управления СТК.

3.8. Проверка адекватности математической модели.

ВЫВОДЫ.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОМПЛЕКСА «ДСП-СТК» ПРИ ГЕНЕРАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ.

4.1. Классификация и анализ несимметричных режимов ДСП-180.

4.2. Разработка методики оценки генерирующей способности СТК.

4.3. Расчет основных показателей комплекса «ДСП-СТК» при генерации реактивной мощности в питающую сеть.

4.3.1. Оценка уровней напряжения на шинах 35 и 220 кВ.

4.3.2. Исследование гармонического состава токов и напряжений на шинах 35 кВ.

4.3.3. Оценка активных потерь в элементах комплекса «ДСП-СТК».

4.3.4. Оценка дозы фликера на шинах 35 кВ.

4.4. Разработка способа снижения потерь в элементах ДСП-180 при генерации реактивной мощности в питающую сеть.

4.5. Разработка способа снижения броска тока при включении печного трансформатора на холостом ходу.

ВЫВОДЫ.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СТК. РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

5.1. Исследование СТК в режиме генерации реактивной мощности.

5.2. Исследование СТК в режиме потребления реактивной мощности. Снижение бросков тока при включении печного трансформатора.

5.3. Расчет технико-экономических показателей от внедрения результатов работы.

ВЫВОДЫ.

Энергосбережение - эффективное использование энергоресурсов, в том числе и электрической энергии, - является одним из приоритетных направлений развития современной экономики как у нас в стране, так и за рубежом [1]. Невосполнимое и всевозрастающее потребление углеводородного сырья ставят эту проблему в ряд наиболее актуальных и востребованных, особенно для энергоемких производств. К таким, безусловно, относятся предприятия черной металлургии, на долю которых относятся более 15 % общего электропотребления.

Наиболее энергоемкими приемниками являются дуговые сталеплавильные печи (ДСП), особенно последнего поколения, у которых мощность печного трансформатора составляет 150 - 200 МВА, масса жидкой стали на выпуске -150-180 т, и время цикла плавки - порядка 40-50 мин [2]. Термин «сверхмощная, высокоимпедансная ДСП» в своем названии отражает, в том числе, и некоторые электрические характеристики, например, рабочее линейное напряжение на электродах изменяется в пределах 800-1400В, реактор, установленный в третичной обмотке трансформатора имеет регулируемую индуктивность, так что общее сопротивление вторичного контура изменяется в диапазоне 50-100%. Две сверхмощные ДСП-180 подобного класса были пущены в эксплуатацию в апреле, октябре 2006 г. на Магнитогорском металлургическом комбинате (ОАО «ММК») [3].

Впервые на промплощадку ОАО «ММК» заведено напряжение 220 кВ, а сами ДСП укомплектованы статическими тиристорными компенсаторами (СТК), мощность которых соизмерима с мощностью печного трансформатора. Это один из немногих случаев использования современных СТК в комплекте с мощными ДСП на постсоветском пространстве.

При эксплуатации столь мощных электроприемников с нелинейной, рез-копеременной и несимметричной нагрузкой наиболее актуальными являются две проблемы - это, во-первых, выполнение условий электромагнитной совместимости с питающей сетью в точке присоединения, и, во-вторых, обеспечение заданной производительности при изменении технологических и электрических параметров ДСП в широких пределах. В значительной степени выполнение этих условий обеспечивается за счет рационального выбора силовых элементов СТК и настройки их систем управления [4].

Исследования по оценке воздействий ДСП на питающую сеть и способам их уменьшения нашли отражения в трудах отечественных и зарубежных ученых, в том числе: Кочкина В.И., Нечаева О.П., Жохова Б.Д., Рубцова В.П., Ми-неева А.Р., Вагина Г.Я., Кучумова Л.А., Салтыкова В.М., Жежеленко И.В., L. Gyugyi, N.G. Hingorani.

Известные принципы управления СТК дуговых сталеплавильных печей главным образом направлены на подавление неактивных составляющих токов ДСП без учета режимов работы самой ДСП и питающей энергосистемы. Вопросы повышения эффективности СТК и наиболее полного использования его резервов с учетом перечисленных выше факторов в настоящее время рассмотрены недостаточно полно. Внедрение цифровой микропроцессорной техники сделало доступным применение усовершенствованных алгоритмов управления, которые позволили значительно улучшить динамические показатели СТК и всего комплекса в целом.

В соответствии с директивными материалами Правительства РФ [5], регламентирующими коммерческие отношения предприятий с энергосистемой, установлено нормативное значение коэффициента реактивной мощности (tgcp = 0,5) для сетей напряжением 110 кВ. Существующее положение по часовым сальдовым поставкам активной и реактивной мощности из внешней энергосистемы для ОАО «ММК» в целом не выполняется (tgcp > 1,2). Одной из причин сложившейся ситуации является низкая степень использования заводских источников реактивной мощности [6]. Дефицит реактивной мощности по данным на апрель 2008 г. составляет порядка 175-200 Мвар. Особую актуальность в этой связи приобретают вопросы повышения использования компенсирующих устройств, ранее введенных в эксплуатацию на ОАО «ММК», и в частности, статического тиристорного компенсатора ДСП-180, состоящего из трех фильтров 2-ой. 3-ей и 4-ой гармоник суммарной мощностью 180 Мвар и тиристорно-реакторной группы - регулируемой индуктивности, такой же мощности (максимальное значение при форсировке достигает 250 Мвар).

Таким образом, целью диссертации является разработка усовершенствованных режимов работы СТК, обеспечивающих более полное использование установленной мощности основного электрооборудования комплекса «дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

16. Результаты работы переданы в Центральную электротехническую лабораторию и электросталеплавильный цех ОАО «ММК» для последующего внедрения на действующем производстве.

176

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Сформулированы основные требования, предъявляемые к СТК дуговых сталеплавильных печей и показана эффективность их выполнения в условиях действующей ДСП-180 ОАО «ММК».

2. Проведен анализ основных принципов управления СТК для сверхмощных современных ДСП. Показана возможность изменения уровня реактивной мощности комплекса «ДСП-СТК» при сохранении основных функций компенсатора.

3. На основании фактических данных по выработке и поставкам реактивной мощности Магнитогорского промышленного узла и основных его сетевых районов, установлен существенный ее дефицит на уровне 300 Мвар для всего МПУ и 60 Мвар для сетевого района, непосредственно связанного с рассматриваемым комплексом «ДСП-СТК». Впервые предложена и обоснована возможность работы СТК в режиме генерации реактивной мощности в питающую сеть.

4. Выполнены экспериментальные исследования энергетических характеристик ДСП-180 и основных показателей качества напряжения на шинах 35 и 220 кВ. Обнаружено, что максимальное значение реактивной мощности ДСП примерно в 1,5 раза ниже установленной генерируемой мощности СТК. Показатели качества напряжения не превышают нормально допустимых значений при работе СТК с отключенным фильтром 4-ой гармоники мощностью 68 Мвар. Вскрыты резервы установленной мощности компенсатора, не используемые в полной мере на действующем оборудовании.

5. Показано, что включение печного трансформатора сопровождается значительными бросками тока, амплитуда которых в 2-3 раза превышает номинальное значение. Поставлена задача разработки способа его уменьшения за счет резервов СТК.

6. На основании статистической обработки экспериментальных данных предложен метод формирования случайных возмущений в ДСП с помощью аппарата формирующих фильтров, передаточные функции которых рассчитываются на основе корреляционных функций и соответствующих им функциям спектральных плотностей.

7. Разработана блочная математическая модель комплекса «ДСП-СТК», включающая в себя все основные подсистемы. Математическая модель отличается от известных тем, что в ней реализован аппарат задания случайных возмущений в виде формирующих фильтров и генератора сигнала белого шума. Модель позволяет в полном объеме проводить исследования динамических и статических режимов СТК при аварийных и несимметричных режимах работы дуговой печи, исследовать основные энергетические параметры комплекса, оценивать показатели качества напряжения на шинах 35 и 220 кВ и переходных процессов при включении печного трансформатора на холостом ходу.

8. Дана классификация несимметричных режимов работы ДСП и предложен способ их представления во всем теоретически возможном диапазоне на плоскости в виде распределения токов прямой и обратной последовательностей.

9. На основе обработки экспериментальных данных получены области распределения симметричных составляющих токов ДСП-180 для всех стадий плавки. Установлено, что начальная стадия плавки характеризуется наибольшей несимметрией, уменьшающейся по мере расплавления шихты.

10. Разработана методика оценки генерирующей способности СТК с учетом несимметричных режимов работы ДСП, позволяющая оценить его резервы и выбрать возможный диапазон генерации реактивной мощности в питающую сеть. В конкретных условиях работы ДСП-180 ОАО «ММК» эта величина находится на уровне -30 Мвар.

11. Проведено исследование основных энергетических показателей комплекса «ДСП-СТК» для новых режимов работы СТК. Установлено, что диапазон изменения напряжения на шинах 35 и 220 кВ не превышает допустимых значений и составляет 3 и 0,5 % соответственно. Показано, что предлагаемые режимы приводят к уменьшению искажения синусоидальности напряжения.

Дан анализ изменения суммарных потерь в комплексе «ДСП-СТК» и показано, что в предлагаемые режимы обеспечивают их снижение.

12. Предложен способ снижения потерь в электрическом контуре ДСП-180 при увеличении напряжения за счет коррекции уставки импеданса в системе управления перемещением электродов ArCOS NT. В результате достигнуто снижение активных потерь в ДСП на 100 кВт и суммарных потерь на 20 кВ при одновременном увеличении мощности, вводимой в печь на 9 % (с 96 МВт до 105 МВт).

13. Проведено исследование влияния новых режимов работы СТК на величину и частоту колебаний напряжения, которые оцениваются интегральным показателем - дозой фликера. Установлено, что в режиме генерации реактивной мощности в диапазоне 0-30 Мвар кратковременная доза фликера снижается на 17 % (с 2,67 до 2,2 единиц).

14. Разработан эффективный способ снижения броска тока при включении печного трансформатора за счет кратковременного перевода СТК в режим потребления реактивной мощности, что обеспечивает понижение напряжения на шинах 35 кВ на 5 %. Снижение броска тока составляет не менее 16 % (с 1,8-/ном Д° 1>5-/„о„).

15. Результаты экспериментальных исследований подтвердили работоспособность предложенных усовершенствованных режимов и показали их эффективность. Технико-экономический эффект от внедрения результатов работы определяется снижением потерь активной мощности в двух комплексах «ДСП-СТК», а также увеличением ресурсов работы печного трансформатора и фильт-рокомпенсирующих цепей. Ожидаемая величина экономического эффекта составляет более 700 тыс. руб. в год.

1. Никифиров Г.В., Олейников В.К., Заславец Б.И. Энергосбережение и управление энергопотреблением в металлургическом производстве // М.: Энер-гоатомиздат. 2003. 480 с.

2. Карасев В.П., Сутягин К.Л., Беляев Д.А. Прогнозирование показателей работы дуговых сталеплавильных печей // Электрометаллургия. 2007. № 10. С. 10-16.

3. Корнилов Г.П., Николаев А.А., Якимов И.А. Перспективы и средства повышения эффективности дуговых сталеплавильных печей за счет силового электрооборудования // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2009. Вып. 11. №15(148). С. 32-38.

4. Средства и перспективы управления реактивной мощностью крупного металлургического предприятия / Корнилов Г. П., Николаев А. А., Коваленко А.Ю., Кузнецов Е. А. // Электротехника. 2008. №5. С. 25-32.

5. Лапшин И.В. Автоматизация дуговых печей. М.: МГУ, 2004. 166 с.

6. Жохов Б.Д. Компенсация реактивной мощности в сетях с электродуговыми печами // Промышленная энергетика. №11. 1994. С.39-45.

7. Статические компенсаторы реактивной мощности в электрических системах: Пер. тематического сб. рабочей группы Исследовательского Комитета №38 СИГРЭ / Под ред. Карташёва И.И. // М.: Энергоатомиздат. 1990. 174 с.

8. Статические компенсаторы для регулирования реактивной мощности / Под ред. Матура Р. // М.: Энергоатомиздат. 1987. 160 с.

9. Управление реактивной мощностью в системах электроснабжения с мощными тиристорными преобразователями прокатных станов / Корнилов Г.П., Шеметов А.Н., Храмшин Т.Р., Журавлёв Ю.П., Семёнов Е.А. // Промышленная энергетика. 2008. №1. С. 39-44.

10. Статические тиристорные компенсаторы для энергосистем и сетей электроснабжения / Бортник И.Н., Буряк С.Ф., Ольшванг М.В., Таратута И.П. // Электричество. 1985. №2. С. 13-19.

11. Рябчицкий М.В. Регулятор качества электроэнергии на базе активного фильтра // Электротехника. 2000. №7. С. 37-41.

12. Кочкин В.И., Нечаев О.П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М.: НЦ ЭНАС. 2002. 247 с.

13. Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б. Исследование режимов работы мощных статических компенсаторов на металлургических предприятиях с дуговыми печами // Промышленная энергетика. №12. 1991.С. 32-42.

14. Расчет и оптимизация фильтрокомпенсирующих устройств дуговых электропечей / Мещеряков А.Ю., Николаев А.А., Боков А.И., Романов Д.В. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2005. №4. С. 48-50.

15. Теоретические основы электротехники: В 3-х томах. T.l / К.С. Демир-чян, Л.Р.Нейман, Н.В. Коровкин и др. СПб.: Питер, 2004.

16. Guygui L., Otto R.A., Putman Т.Н. Principles and applications of static, thy-ristor-controlled shunt compensators. // IEEE. Transaction on Power Apparatus and Systems. Vol. PAS-97. №5. 1978. P. 1935-1945.

17. Patent 4172234 United States, H 02 J 3/18. Static var generator compensating control circuit and method for using same / Laszlo Gyugyi; Michael B. Brennen; Thomas H. Putman Filed: Feb.23, 1978; Date of Patent: Oct. 23, 1979.

18. Patent 4172234 United States, H 02 J 3/18. Voltage regulator utilizing a static var generator with half period averaging and saturating type firing angle control

19. Thomas H. Putman, Laszlo Gyugyi, Michael B. Brennen Filed: Jun. 30, 1977; Date of Patent: Oct 26, 1982.

20. A.C. 1091273 (СССР). H 02 J 3/18. Регулятор статического компенсатора / Кене Ю.А., Варецкий Ю.Е. Опубл. в Б.И. №17. 1984.

21. Patent 4172234 United States, Н 02 J 3/18. Method and a device for compensation of the consumption of reactive power by an industrial load / Lennart Wern-ersson Filed: May. 29, 2003; Date of Patent: Jan. 6, 2004.

22. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. Учебное пособие. // СПб.: Корона. 2001. 320 с.

23. Николаев А.А., Емалеева Н.Г., Якимов И.А. Сравнительный анализ показателей качества электрической энергии в промышленности // Электротехнические системы и комплексы: межвузовский сб. науч. тр. Вып. 15. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2008. С.252-258.

24. Егупов Н. Д., Пупков К. А., Баркин А. И. Методы классической и современной теории автоматического управления: В 5 тт: Т. 2: Статистическая динамика и идентификация систем автоматического управления. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2004 г. 638 с.

25. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. // М.: Изд-во стандартов. 1997.

26. ГОСТ Р 51317.4.15-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Фликерметр. Технические требования и методы испытаний // М.: Изд-во стандартов. 1999.

27. Нечаев О.П. Оценка колебаний напряжения и определение мощности фликеркомпенсатора// Электротехника. 1990. №9. С. 71-73.

28. Статические источники реактивной мощности в электрических сетях / Веников В.А., Жуков JI.A., Карташёв И.И., Рыжов Ю.П. // М.: Энергия. 1975. 136 с.

29. Влияние дуговых электропечей на системы электроснабжения. / Под ред. Смелянского М.Я. и Минеева Р.В. М.: Энергия. 1975. 184 с.

30. Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки специального нагрева: Учебник для вузов / Свенчанский А.Д., Жердев И.Т., Кручи-нин A.M. и др.; под ред. Свенчанского А.Д. 2-е изд., перераб. и доп. // М.: Энергоиздат. 1981. 296 с.

31. Миронова A.M., Миронов Ю.М. Энерготехнологическая эффективность дуговых сталеплавильных печей: Учеб. пособие / Под ред. Ю.М. Миронова. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та. 1999. 154 с.

32. Тельный С.И. К теории трехфазной дуговой печи с непроводящей подиной // Электричество. 1954. №12. С. 38 42.

33. Бедин М., Романо М. Дуговая печь с питанием через насыщающийся реактор // Электрометаллургия. 2004. № 4. С. 15 20.

34. Миронов Ю.М. Закономерности электрических режимов дуговых сталеплавильных печей // Электричество. № 6. 2006. С. 56 62.

35. Параметры дугового разряда и их влияние на эффективность работы электротехнологических установок / Рудцов В.П., Дмитриев И.Ю., Минеев А.Р. // Электричество. № 8. 2000. С. 40-45.

36. Матросов А.П., Миронов Ю.М. Компьютерное моделирование процессов в электрических цепях дуговых печей // Электрометаллургия. №6.2006. С. 27-32.

37. Игнатов И.И., Хаинсон А.В. Расчет электрических параметров и режимов дуговых сталеплавильных печей // Электричество. № 8. 1983. С. 62-65.

38. Казаков О.А. О вольт-амперной характеристике дугового разряда переменного тока// Электричество. № 8. 1995. С. 49-56.

39. Игнатов И.И., Хаинсон А.В. Математическое моделирование электрических режимов дуговых сталеплавильных печей // Электричество. № 8. 1985. С. 69-72.

40. Минеев А.Р. Энергосберегающая статистическая и динамическая оптимизация параметров и структур компьютеризированных электроприводов ( на примере электрических печей) // Электротехника. № 10. 1998. С. 15-22.

41. Разинцев В.И. Электрогидравлические усилители мощности. М: Машиностроение. 1980. 120 с.

42. Басков С.Н. Разработка и исследование автоматизированных электроприводов черновой клети толстолистового стана в режимах регулируемого формоизменения прокатываемого металла : Дис. . канд. техн. наук : 05.09.03 М., 1999.

43. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат. 2001. 697 с.

44. Управление тепловым и электрическим режимами агрегата печь-ковш / Агапитов Е.Б., Корнилов Г.П., Храмшин Т.Р., Ерофеев М.М., Николаев А.А. // Электрометаллургия. 2006. №6. С. 11-16.

45. Hingorani N. G., Gyugyi L. Understanding FACTS. Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems // IEEE Press book. 2000. 432 p.

46. Повышение эффективности работы сверхмощной дуговой сталеплавильной печи / Корнилов Г.П., Николаев А.А., Храмшин Т.Р., Шеметов А.Н, Якимов. И.А. // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. №1. С. 55-60.

47. Thyristor aidarcfurnace economy.-Electrical review, 1983, vol. 213, №11, p 28-29.-Эксперсс-информация, Электротехника / Преобразовательная техника, аппараты низкого напряжения. 1984. №3. С. 3-5.

48. Способы управления электрическим режимом электродуговых печей / Журавлев Ю. П., Корнилов Г. П., Храмшин Т. Р., Николаев А.А., Агапитов Е.Б. // Изв. вузов. Электромеханика. 2006. №4. С.76 81.

49. Нечаев О.П., Таратута И.П., Чуприков B.C. Электрические воздействия на оборудование статического тиристорного компенсатора на Молдавском металлургическом заводе // Электротехника. 1989. № 8.- С. 15-19.

50. Богуш А.Г. О "броске" намагничивающего тока при включении трансформатора //Электричество. 1957, №2. С. 38-40.

51. Влияние характеристик дуговых сталеплавильных печей на качество напряжения в системах электроснабжения / Салтыков В.М., Салтыков О.А., Салтыков А.В. // М.: Энергоатомиздат. 2006. 245.

52. Журавлёв Ю.П. Энерго- и ресурсосбережение- перспективные направления развития энергетики ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» //Изв. вузов. Электромеханика. 2006. №4. С. 13-16.

53. Статические источники реактивной мощности в электрических сетях / Веников В.А., Жуков JI.A., Карташёв И.И., Рыжов Ю.П. // М.: Энергия. 1975. 136 с.

54. Фёдоров А.А., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. // М.: Энергия. 1979. 408 с.

55. Железко Ю.С., Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии. // М.: Энергоатомиздат. 1985. 224 с.

56. Статические тиристорные компенсаторы для энергосистем и сетей электроснабжения / Бортник И.Н., Буряк С.Ф., Ольшванг М.В., Таратута И.П. //Электричество. 1985. №2. С. 13-19.

57. Координированное противоаварийное управление нагрузкой и устройствами FACTS / Воропай Н.И., Этингов П.В., Удалов А.С., Жермон А., Шерка-ви Р. // Электричество. 2005. №10. С. 25-37.

58. Розанов Ю.К. О мощностях в цепях переменного и постоянного токов // Электричество. 2009. №4. С. 32-36.

59. Смирнов С.С. Метод оценки вклада мощной искажающей нагрузки в коэффициенты высших гармоник напряжения сети высокого напряжения // Электричество. 2008. №8.-С. 28-39.

60. Смирнов С.С. Метод определения фактического вклада сети и потребления в коэффициенты высших гармоник напряжения // Электричество. 2005. №10.

61. Кучумов JT.A., Кузнецов А.А., Сапунов М.В. Вопросы измерения параметров электрических режимов и гармонических спектров в сетях с резкопере-менной и нелинейной нагрузкой // Промышленная энергетика. 2005. №3. С44-48.

62. Карташёв И.И., Рыжов Ю.П. Способы и средства управления режимами электропотребления энергетических систем и качеством электроэнергии// Электричество.2007. №9. С20-25.

63. Экономия электроэнергии в дуговых сталеплавильных печах / Тулуев-ский Ю.Н., Зинуров И.Ю., Попов А.Н., Галян B.C. // М.: Энергоатомиздат. 1987. 104 с.

64. Ридингер Д., Бок М. Компьютерная программа для расчета мощности дуговых сталеплавильных печей и стабильности работы дуги // Черные металлы. 2002. №2. С. 49-51.

65. Кнооп М., Кёлле 3. Расчет трехфазных дуговых печей с высоким реактансом и высоким напряжением //Черные металлы. 1996. № 11. С. 20-21.

66. Чванов В.А., Абакумов П.Н. Стабилизатор сети переменного тока на основе статического источника реактивной мощности в режиме симметрирования нагрузки // Вестник ВНИИЭТО Серия «Преобразовательная техника», выпуск 4. 1977 г. С. 7-10.

67. Худяков B.B, Чванов В.А. Управляемый статический источник реактивной мощности // Электричество. №1.1969. С.29-35.

68. Нечаев О.П. Оценка колебаний напряжения и определение мощности фликеркомпенсатора// Электротехника. №9.1990. С.71-73.

69. Абакумов П.Н., Чванов В.А. стабилизатор сети переменного тока на основе статического источника реактивной мощности // Электричество. №12. 1971. С. 61-65.

70. Булатов О.Г., Шитов В.А. принципы построения быстродействующих компенсаторов реактивной мощности // Электротехника. №7. 1989. С.5-9.

71. Thyristor-controlled reactors nonlinear and linear dynamic analytical models / Alves J.E.R., Luiz A. S. Pilotto, Edson Hirokazu W. // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. 23, No. 1, January. 2008.

72. Чуприков B.C. Управление статическим тиристорным компенсатором для линий электропередач // Электричество. №4.1990. С.2-7.

73. Выбор структуры и параметров системы автоматического регулирования мощности дуговых и ферросплавных печей / Савченко В.Л., Зориков Ю.П., Самыгин Р.П., Платонов П.М., Тихонов П.Г. // Электричество. № 9. 1989. С. 6570.

74. Моделирование регулятора мощности дуговой электропечи с управляемой зоной нечувствительности / Иванушкин В.А., Кожеуров В.Н., Сарапу-лов Ф.Н. // Электротехника. № 1. 2006. С. 33-36.

75. Игнатов И.И., Хаинсон А.В. Математическое моделирование электрических режимов дуговых сталеплавильных печей // Электричество. № 8. 1985. С. 69-72.