автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка и совершенствование способов компенсации неактивной мощности дуговых сталеплавильных печей

На правах рукописи

Панова Олеся Сергеевна

РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ КОМПЕНСАЦИИ НЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

Специальность 05.09.12 - «Силовая электроника»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О МАЙ 2ы0

Москва 2010

004602523

Работа выполнена на кафедре Промышленной электроники Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Чаплыгин Евгений Евгеньевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Розанов Юрий Константинович;

кандидат технических наук Сухов Александр Валерьевич

Ведущее предприятие:

ОАО «НТЦ электроэнергетики»

Защита состоится «28» мая 2010 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, аудитория Е 603.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан «_»_2010 года.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.157.12 _ БуреИ.Г.

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время доля стали, выплавляемой в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) в объеме мировой выплавки стали превышает 30%. Увеличение выплавки сопровождается ростом вместимости печей и их мощности. В настоящее время мощность ДСП, рассчитанных на питающее напряжение 35 кВ, достигает 100 - 200 МВА.

Дуговые сталеплавильные печи как нагрузки негативно влияют на качество электрической энергии питающей сети. Характер потребления активной и реактивной электроэнергии печными агрегатами соответствует их резкопеременным, повторно кратковременным режимам работы. Работа ДСП с нестабильным потреблением реактивной мощности сопровождается в электрической сети потреблением неактивной мощности и возникновением колебаний напряжения (эффект фликера). Несинусоидальность и несимметричность фазных токов, потребляемых печью, приводит к искажению формы кривой и несимметрии напряжения и появлению медленно изменяющейся постоянной составляющей тока, что в свою очередь оказывает негативное влияние на сетевое оборудование, увеличивая потери и уменьшая срок его службы.

Эффективным энергосберегающим мероприятием по повышению качества электроэнергии является установка средств компенсации неактивной мощности. Для компенсации неактивных составляющих полной мощности ДСП применяются различные сетевые компенсаторы (фильтры), подключаемые параллельно входу ДСП. Высокий уровень мощностей и напряжений ДСП ограничивает до настоящего применение в компенсаторах полностью управляемых полупроводниковых ключей. Поэтому главное внимание уделено бестрансформаторным компенсаторам на базе однооперационных тиристоров, успешно применяющихся в высоковольтных устройствах. Тиристорно-реакторная группа (ТРГ) в сочетании с резонансным пассивным сетевым фильтром является наиболее распространенным компенсатором реактивной мощности и давно находит применение в промышленности. Компенсация реактивного тока ДСП позволяет повысить рабочее напряжение ДСП и повысить ее производительность на 20 %.

Этим вопросам посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов: Матура Р.М, Штейнмеца Ч.П., Железко Ю.С., Тропина В.В., Розанова Ю.К., Чаплыгина Е.Е., Жежеленко И.В, L. Gyugyi, N.G. Hingorani и др. В их работах успешно использованы различные методы для решения задач, связанных с обеспечением качества электроэнергии, потребляемой резкопеременной нагрузкой.

Однако недостаточно изученными остаются вопросы выбора величины реактивных элементов компенсатора при работе на стохастическую нагрузку. Практически не рассматривался вопрос о способах компенсации низших гармоник спектра тока ДСП - медленно изменяющейся постоянной составляющей.

Функции компенсации постоянной составляющей тока ДСП могут возлагаться как на ТРГ, так и на активный сетевой фильтр, выполненный на базе выпрямителя на однооперационных тиристорах (ВСФ), на стороне постоянного тока которого подключен индуктивный накопитель энергии. Работа ТРГ и ВСФ в режиме компенсации низкочастотных составляющих тока практически не исследовалась, не проводилось и сопоставление различных способов решения этой задачи, включая исследование динамических режимов работы компенсаторов и способов построения систем управления.

При выполнении работы использован опыт работы ЗАО «Ансальдо-ВЭИ» над созданием компенсаторов для ДСП мощностью 40 МВА для предприятия Новоросметалл, а также результаты экспериментальных исследований указанной ДСП.

Цель работы заключается в исследовании возможных способов компенсации неактивных составляющих тока ДСП и усовершенствовании их, в том числе для компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей тока ДСП, определении оптимальных алгоритмов управления компенсатором с точки зрения качества подавления неактивных составляющих полной мощности.

Основные задачи. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

■ Разработан метод статистического моделирования для определения реактивных токов, требуемых для компенсации реактивной мощности ДСП. Рассчитана требуемая мощность пассивного фильтра.

■ Разработаны быстродействующие модели для исследования электромагнитных процессов в ТРГ и ВСФ, основанные на модифицированном спектральном методе переключающих функций.

■ Разработаны алгоритмы управления ТРГ и ВСФ в режиме компенсации постоянной составляющей, построены регулировочные характеристики, проведено сопоставление решений по энергетическим параметрам сети и аппаратным затратам, необходимым для выполнения указанной задачи.

■ Проведен анализ способов построения систем управления ВСФ и ТРГ при управлении стохастическим объектом, исследован вопрос выбора частоты управления и на основе сопоставления различных вариантов выбраны алгоритмы управления, обеспечивающие максимально возможную для устройств на однооперационных тиристорах компенсацию неактивных составляющих токов ДСП.

Методика исследований. Для решения поставленных задач использованы методы гармонического анализа и теории вероятностей, статистические модели на базисе MathCad, спектральные модели на основе метода переключающих функций, моделирование на основе пакетов прикладных программ Matlab-Simulink, программы математических расчетов в среде SharpDevelop с использованием осциллограмм реальных напряжений

и токов печи. Проведены эксперименты на физических моделях (макетах) ТРГ полной мощностью 2 кВА и ВСФ полной мощностью 5 кВА.

Достоверность научных результатов обеспечена сопоставлением основных результатов, полученных на основе различных методов математического моделирования, и воспроизведением зависимостей на физических моделях (макетах) ТРГ и ВСФ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

■ Предложен оригинальный способ статистического моделирования для определения требуемых реактивных токов для компенсации реактивной мощности ДСП.

■ Разработаны быстродействующие спектральные модели компенсаторов ТРГ и ВСФ.

■ Определены возможности и способы компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей тока печи с помощью ТРГ либо ВСФ, проведено сопоставление эффективности компенсации и затрат, показаны преимущества ВСФ для решения этой задачи, и предложена система управления компенсатором.

■ Предложен оригинальный алгоритм управления ТРГ, обеспечивающий высокое качество компенсации колебаний реактивного тока ДСП при упрощении построения микропроцессорной системы управления.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

■ Применение статистического метода по определению мощности компенсатора, что позволяет более точно рассчитать параметры реактивных элементов и ключей, используя реальные данные с объекта.

» Применение ВСФ позволяет компенсировать медленно изменяющуюся постоянную составляющую токов ДСП, что улучшает качество сетевого тока, позволяет снизить затраты на трансформаторное оборудование, уменьшая потери и продлевая срок его службы.

■ Применение предложенных алгоритмов управления при компенсации постоянной составляющей и реактивной мощности позволяет достичь высоких показателей подавления неактивных составляющих тока ДСП при использовании микропроцессоров массового применения.

На защиту выносится:

■ Методика оценки мощности обобщенного компенсатора с учетом стохастических характеристик объекта.

■ Анализ работы ТРГ при компенсации реактивной мощности и медленно изменяющейся постоянной составляющей тока ДСП и результаты этого анализа, построение регулировочных характеристик ТРГ.

■ Анализ работы ВСФ в режиме компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей тока ДСП, способ построения регулировочных характеристик, обеспечивающий минимизацию установленной мощности накопительного элемента.

■ Результаты сопоставления способов подавления медленно изменяющейся постоянной составляющей тока печи базе ТРГ либо ВСФ.

■ Сравнительный анализ способов управления ТРГ и ВСФ и результаты анализа.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной электроники МЭИ И' на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в 2008, 2009 и 2010 г.

Публикации: по результатам работы опубликовано 5 работ: 2 статьи и 3 публикации тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Содержит 173 ст-р. текста, 9 таблиц и 68 рисунков. Список литературы содержит 90 наименований на 6 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, дана краткая характеристика работы.

В главе 1 вначале дан обзор основных положений теории мощности и проведен анализ основных составляющих неактивного тока печи. ДСП является стохастической несимметричной нагрузкой, спектр тока печи содержит субгармонические (0-50 Гц) и высокочастотные (100, 150, 200, 250, 300 Гц и т.д.) колебания. Временная диаграмма тока ДСП и спектр приведены на рис. 1 а, б.

1.00« 1.05з ' 1.10s 1.15з 1.20« 1.45« 1.30«

а)

•--Г---1---1--1-- ШШШ Ш1&Ш1 ___>---1___i___i___ Ш llilll ;

- --I——1— EEjE ¡Ш1Ш ;

. . L > . k . -*. . _<_ JIIIJI-JIIJIIJII! liii; ll&l :

'felJitiVrJiift *

OHi 50Hz 100Hz 150Hz 200Hz 250Hz 300Hz

6) Рис. 1.

При анализе неактивного тока ДСП выделяются следующие составляющие:

1) Основная гармоника тока, модулированная во времени по случайному закону (составляющие спектра тока от 25 до 75 Гц). Анализ основной гармоники показал, что математическое ожидание фазового угла тока печи составляет 30 град. Амплитуда активной и реактивной составляющих модулирована по случайному закону. Заметная корреляция процессов в разных фазах отсутствует, хотя сумма фазных токов равна нулю.

2) Низкочастотные гармоники спектра ДСП (частоты от 0 до 25 Гц) могут быть представлены как медленно изменяющаяся от периода к периоду постоянная составляющая тока. Корреляция между фазами также очень слабая, хотя сумма постоянных составляющих токов равна нулю.

3) Высокочастотные составляющие, искажающие форму тока печи.

Каждая из этих составляющих негативно влияет на работу сети и

силового оборудования. Реактивный ток вызывает снижение питающего напряжения и производительности печи на 20 %. Флуктуации амплитуды реактивного тока снижают качество напряжения сети и вызывают эффект фликера. Медленно изменяющаяся постоянная составляющая и несимметричная нагрузка по фазам негативно влияют на работу трансформатора, увеличивает потери и приводит к завышению его установленной мощности. Высокочастотные гармоники вызывают дополнительные потери и снижают срок службы оборудования.

Для компенсации неактивных составляющих полной мощности ДСП применяются различные сетевые компенсаторы (фильтры), подключаемые параллельно входу ДСП. Компенсаторы подразделяются на пассивные, состоящие исключительно из реактивных элементов, и активные, содержащие мощные полупроводниковые ключи. Широко распространено применение гибридных фильтров, представляющих собой совокупность пассивных и активных компенсаторов. Высокий уровень мощностей и напряжений ДСП ограничивает применение в компенсаторах полностью управляемых полупроводниковых ключей. Поэтому, учитывая несимметричность токов, рассматриваются бестрансформаторные компенсаторы на базе однооперационных тиристоров.

Тиристорно-реакторная группа ТРГ (рис. 2) в сочетании с резонансным пассивным сетевым фильтром - фильтро-компенсирующими цепями (ФКЦ) является наиболее распространенным компенсатором реактивной мощности и давно находит применение в промышленности. ФКЦ содержит резонансные контуры и в значительной мере подавляет высокочастотные составляющие тока печи, и является источником постоянной емкостной реактивной мощности. ТРГ при фазовым управлении позволяет изменять основную гармонику реактивного тока.

В существующих компенсаторах задача ограничивается лишь компенсацией реактивной мощности и подавлением флуктуаций реактивного тока.

110 кз

Функции компенсации постоянной составляющей тока ДСП могут возлагаться как на ТРГ, так и на активный сетевой фильтр ВСФ, выполненный на базе выпрямителя на однооперационных тиристорах, на стороне постоянного тока которого подключен индуктивный накопитель энергии. Работа ТРГ и ВСФ в режиме компенсации постоянной составляющей тока практически не исследовалась, как не проводилось и сопоставление различных способов решения этой задачи.

Глава 2 посвящена разработке метода статистического моделирования для определения мощности компенсатора с учетом стохастических характеристик ДСП и анализу тиристорно-реакторного компенсатора. Несмотря на опыт применения гибридных компенсаторов для ДСП, отсутствует методика определения мощностей его звеньев при учете вероятностных параметров печи.

Токи ДСП в каждой фазе имеют активные и реактивные составляющие первой гармоники. Для осуществления полной компенсации необходимо, чтобы в фазах компенсатора протекали такие реактивные токи, чтобы они были равны и противоположны по знаку соответствующим реактивным фазовым токам печи. Данное условие будет выполнено, если реактивные сопротивления обобщенного компенсатора будут соотноситься с токами печи по следующим выражениям:

3 Ц„

Ха"~7 +7 _7 >

гЛ гВпр гСпр у —_2_

Лх 7 +/ '

1 гВпр т 1 гСпр 1гЛ

з ит

1гСпр + Ка Квщ>

Поскольку ДСП является стохастическим объектом, то для выбора мощности компенсатора необходимо охватить все режимы плавки, получить значения токов для каждого режима и выбрать из них максимальные.

Проводится модельный эксперимент, в котором ток печи задается постоянной и переменной составляющими, для имитации последней используется датчик случайных чисел (при проведении эксперимента моделировалось 10000 режимов):

/(«) = /„„ + Д/„-ч(и), (2)

где Мтах - максимальное отклонение тока от стационарного значения /стац; г|(п) - случайное число, принимающее значения от 0 до 1: а — номер режима.

Но в этом случае возникает проблема, связанная с тем, что сумма токов ДСП в каждом режиме должна быть равна нулю и статистически фазы печи должны быть идентичны. При независимом задании статистически идентичных трех фазных токов данное условие не выполняется. В случае задания двух токов переменная составляющая третьего тока определяется суммой отклонений двух других токов и в соответствии с Теорией ошибок имеет иные статистические характеристики и отклонения, выходящие за заданный диапазон разброса. Проблема решается путем определения параметров эквивалентной схемы для каждой фазы и их корректировки на основе метода Рунге-Кутта.

На рис. 3 приведены результаты эксперимента - требуемые токи в ветвях компенсатора. Для рассматриваемой в работе ДСП в одном плече треугольника компенсатора требуется изменять реактивный ток от 900 А емкостного тока до 200 А индуктивного. Таким образом, с учетом стохастических характеристик объекта определяются требуемые токи компенсатора, максимальные токи пассивного фильтра и ТРГ.

Рис. 3

Индуктивно-тиристорный компенсатор ТРГ является полифункциональным устройством. В симметричном режиме это плавнорегулируемый потребитель реактивной мощности (режим I). При

несимметрии углов проводимости тиристоров ТРГ может быть не только потребителем реактивной мощности, но и источником регулируемой постоянной составляющей тока {режим II).

Для анализа электромагнитных процессов в ТРГ создана быстродействующая спектральная модель, обладающая высокой производительностью. Результаты спектрального моделирования выборочно проверены на модели в базисе МАТЬАВ-БМиЬШК и на макете ТРГ.

В режиме I ТРГ компенсирует разницу между емкостной реактивной мощностью пассивных фильтров ФКЦ и индуктивной мощностью ДСП. В соответствии с проведенным анализом для рассматриваемой ДСП требуется генерация основной гармоники реактивного тока с амплитудой /оснт от 0 до 1100 А {основной ток), при этом максимальная мощность трехфазного компенсатора равна 82 МВАр, реактивное сопротивление в ветви ТРГ на частоте сети 45 Ом, при этом величина индуктивности равна 143 мГн.

В режиме II ТРГ одновременно с компенсацией реактивной составляющей может компенсировать медленно изменяющуюся постоянную составляющую сети при работе в несимметричном режиме, когда за счет несимметрии углов задержки включения тиристоров среднее значение одной из полуволн тока в ветви ТРГ больше, чем на другой. Таким образом, ток ТРГ должен помимо основного тока содержать дополнительную постоянную составляющую:

-Ттрг = Д сн.ш * П(0)сеТи 1) + /доп- (3)

Поскольку отсутствует заметная корреляция между величиной реактивного тока печи и постоянной составляющей тока, то /осн.т и /доп могут принимать любые значения в заданных пределах. Таким образом, выделяются два критических режима:

Режим А. Токи /0С1,.т = 0, а /доп максимален. В этом режиме компенсатор формирует ток только одной полярности, так что его среднее значение равно /Д0ПЛИКС. При этом ток ТРГ в этом режиме содержит дополнительную реактивную составляющую, так называемый балластный ТОК /балл* КОТОрыЙ должен быть скомпенсирован емкостным током пассивного компенсатора: ¿ГРГ = Лкнт'5т(шсстк 0 + /дОП+ /бгллмакс'5Ш(ыссти 1). (4)

Режим В. Токи Л)сн.т и /д0П максимальны. При этом, как показывает расчет, максимальный ток через ветвь ТРГ равен:

ЛтГ.т = -4сн.т + 2,8 /вдп.макс. (5)

Для рассматриваемой ДСП /грг.т= 1660 А. Реактивное сопротивление в ветви ТРГ на частоте сети 32 Ом, при этом величина индуктивности равна 102 мГн.

На рис. 4, а - г приведены результаты спектрального моделирования симметричного режима I (а, б) и несимметричного режима И, В (в, г).

Таким образом, при работе ТРГ в режиме II требуемая реактивная мощность ТРГ и ФКЦ увеличивается на 40%, при этом мощность искажения ТРГ увеличивается в 2,8 раза (см. табл. 1).

б) г)

Рис. 4.

Компенсатор Режим Qmax.MBAP Тмах, МВА Imax, А

ТРГ Режим I 82 11,4 560

Режим II 115 31,6 860

ФКЦ Режим I 67 - -

Режим II 94 - -

В главе 3 проводится анализ выпрямительного компенсатора ВСФ в режиме компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей.

Тиристорный сетевой фильтр (см. рис. 2) повторяет схему выпрямителя с индуктивным накопителем в цепи постоянного тока, осуществляющий двухсторонний обмен энергией. Активная мощность, потребляемая таким компенсатором в установившемся режиме, равна мощности потерь в самом компенсаторе.

ВСФ является полифункциональным устройством, но его работа в качестве компенсатора медленно изменяющейся постоянной составляющей ранее не исследовалась. При работе ВСФ в режиме компенсации постоянной составляющей на периоде задаются значения постоянных токов в фазах фильтра: IAV, IBv, lev" -{hv+ hv)-

При регулировании осуществляется независимое управление углами задержки включения всех шести тиристоров, причем для однозначного определения всех углов управления тиристоров ВСФ вводятся дополнительные условия - симметричность работы анодной и катодной групп, при этом обеспечивается равенство нулю напряжения, формируемого каждой группой на стороне постоянного тока:

cosal + cosa3 + cosa5 = О cosa2 + cosa4 + coscr6 = О

ÍM- = li-.(a 4-яб),

2 2г

•^ = •¿-•(06-02).

2 2>г

При выполнении режима компенсации постоянной составляющей токов печи на ВСФ возлагаются задачи оптимизации параметров схемы:

1. ВСФ должен обеспечивать формирование медленно изменяющихся постоянных составляющих фазных токов в пределах от -200 А до +200 А.

2. Необходимо минимизировать максимальный реактивный фазовый ток. Этот ток является балластным током, поскольку он должен быть скомпенсирован в каждой фазе емкостным током пассивного фильтра ФКЦ.

3. Необходимо минимизировать величину индуктивности накопительного элемента в цепи постоянного тока и его установленную мощность.

С учетом заданных требований на основе модельного эксперимента выявлен кпитический режим в кптппом иыбипяиггся чнячрния интп/ктивности

л i / i ■ - i - -■ - -r-v

накопителя и усредненного значения тока накопителя, который должен оставаться непрерывным. Результаты модельного эксперимента представлены на рис. 5, а - в.

Для ВСФ при проведении модельного эксперимента построены регулировочные характеристики в режиме компенсации постоянной составляющей. На рис. 6 представлена регулировочная характеристика для угла управления al.

а)

б)

Рис. 5

а1,град 80

• ; •. X. Г t" ~

trf-^r• -г • ^; -I

40 -

-200 -103 0 100

Ibv, А

.......♦......lav-2С0 А

-----lav=150A

—А—lav=100 А —&—lav=50A

-.......ж— lav-0 А

~ -*- - lav= -50 А --¿--|av= -100 А --S- lav= -150 А —В—lav= -200 А

200

Рис. 6

Система управления ВСФ содержит два контура управления. Первый из них обеспечивает формирование сетевых токов с нужными параметрами. Второй стабилизирует средний ток накопительного элемента. При наличии коммутационных процессов и активных потерь ток накопителя падает, при этом необходимо уменьшить углы управления тиристоров. Таким образом, в систему управления вводится корректирующая поправка по углу, величина которой позволяет восстановить среднее значение тока накопителя, при этом, как показало моделирование в базисе MATLAB-SIMULINK, достаточно корректировать углы управления всех тиристоров на одну и ту же величину.

Проведенные исследования компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей тока печи с помощью ТРГ и ВСФ позволяют сравнить эти варианты. В таблице 2 приведены максимальные значения мощностей и токов тиристоров. При компенсации постоянной составляющей токов печи с помощью ВСФ мощность ФКЦ увеличиваются на 20% вместо 40% при использовании ТРГ. Мощность искажения уменьшается на 9,2 MB А, реактивная мощность снижается на 12 MB АР, при этом увеличения суммарных токов тиристоров не наблюдается.

Таким образом, показана целесообразность введения в компенсатор неактивной мощности для компенсации постоянных токов печи именно ВСФ.

Табл. 2.

Компенсатор Режим Qmax, МВАР Тмах, МВА Imax, А

ТРГ Режим I 82 11,4 560

Режим II 115 31,6 860

ВСФ Режим II 14 11 300

ФКЦ Режим I 67 - -

Режим II ТРГ 94 - -

Режим II ВСФ 80 - -

В главе 4 рассматриваются способы построения систем управления ВСФ и ТРГ при управлении стохастическим объектом.

По результатам исследований, проведенных в главе 2 и 3, найдены способы, позволяющие сформировать компенсирующие токи требуемой величины - реактивную составляющую или постоянную составляющую. Но для компенсации неактивных составляющих тока печи необходимо априорное определение их значений на текущем периоде. Поскольку ДСП представляет собой стохастическую резкопеременную нагрузку, то априорное определение составляющих токов возможно лишь на основе прогноза. Прогноз составляется на основе измерения тока печи на одном или нескольких периодах управления (например, на периоде сети).

На рис. 7 построены частотные характеристики, отражающие эффективность компенсации в зависимости от частоты. Чем выше частота, тем менее эффективна компенсация, высшие гармоники могут усиливаться. При увеличении интервала усреднения увеличение высших гармоник незначительно, но хуже подавляются низкочастотные составляющие. Поэтому увеличение интервала усреднения нецелесообразно. Для ограничения высокочастотных составляющих предложено ограничить скорость изменения тока компенсатора, но и при оптимальном уровне ограничения 50 А, но, как показал модельный эксперимент, в при этом способ управления по периодам не является достаточно эффективным.

Г. ГЦ

Рис. 7.

При увеличении частоты управления (управление по полупериодам) возникает проблема выделения постоянной составляющей из мгновенных значений тока печи на полупериоде. Рассматривалось несколько вариантов вычисления постоянной составляющей по полупериодам, и выявлено, что наименьшие погрешности получаются при сдвиге интервала усреднения относительно момента перехода фазного напряжения через ноль на плюс 60 град. При этом способе управления амплитуды гармоник в среднем снижаются на 60 %, при этом высокочастотная область остается практически нетронутой (рис. 8).

к' |11 1 1 1 ,|, | ,

1 1 Вш1 Ш в 11ШН1ШШ1ш1Ш1ши1|11ШШ1Шн1

О 5 10 15 20 25

Пгц

а)

.1, 1

^лшпштл1шштшш|3тш ММ! 1МШ

0 5 10 15 20 25

б) Рис. 8.

В таблице 3 приведены среднеквадратические значения составляющих спектра при рассмотренных способах компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей тока ДСП. Значения получены при рассмотрении различных режимов работы ДСП.

Табл. 3.

Интервал управления Способы управления Сс.КВ

ДСП без компенсатора - 110

Период сети При \¥=1 без ограничения производной 102

То же При \ч=2 без ограничения производной 101

То же При \у=3 без ограничения производной 97

То же При 71=1 с ограничением производной на уровне 200 А 101

То же При \у=1 с ограничением производной на уровне 100 А 98

То же При \у=1 с ограничением производной на уровне 50 А 95

Половина периода сети Отставание интервала управления от момента перехода напряжения через ноль на 30° 85

То же Опережение интервалом управления момента перехода напряжения через ноль на 60° 57

Управление ВСФ по полупериодам было проверено на математической модели ВСФ и на макете, результаты моделирования представлены на рис. 9. ВСФ обладает требуемыми динамическими свойствами и позволяет осуществить компенсацию медленно меняющейся постоянной составляющей тока печи при управлении по полупериодам. Высокие динамические свойства компенсатора достигнуты за счет симметрирования углов управления тиристоров, которое было произведено при выборе алгоритма работы ВСФ и построении его регулировочных характеристик. Работа при управлении по полупериодам не сопровождается кумуляцией энергии в накопительном элементе.

Рис.9

При компенсации реактивной составляющей тока с помощью ТРГ рассматривается также управление по полупериодам. Важным отличием системы компенсации реактивного тока от компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей является то, что необходимо компенсировать фазовый ток системы (ДСП, пассивный фильтр, ВСФ) в то время как ТРГ соединена по схеме треугольника и управление током осуществляется в ветвях этого треугольника за счет изменения реактивной проводимости ветвей. Если обозначить амплитуды реактивных фазовых токов печи как 1Ар, /£р, /Ср., а амплитуды реактивных токов в ветвях треугольника ТРГ IAB, he, ¡са> то токи компенсатора будут связаны следующими соотношениями:

jjCWWr,); / __L(/ +i -1 v (7)

'¡¡С - /rl'j» + 'cn JAnJ> •Ji

Уa = jjCip+A* -V-

Для определения закона модуляции амплитуды реактивной составляющей тока фазы используется разложение в ряд Фурье на половине периода частоты сети. При синусоидальности тока результат интегрирования не зависит от сдвига момента начала интегрирования и дает тот же результат, что и интегрирование на периоде. Значительное влияние на результат интегрирования оказывают низкочастотные составляющие, в частности постоянная составляющая (формула 1):

2 ©+* *) 0+Т Л Г

Л=- f[i(O + fl-«>s(0)rf6 = - f/(/)• cos(0)d0 +—sin(0), (8) гс J л I я

3»/

■у О-ГЛ Д /2

^ = ~ L(/)-cos(^--Vsin(©) (9)

71 8 ^ ,/2 " 4/

Второе слагаемое в выражении (8) — sin(0) - ошибка в определении

Л

амплитуды реактивной составляющей. Для компенсации ошибки амплитуда несинусоидального реактивного тока /нс(?) может вычисляться по формуле

(9)-

Наиболее эффективным способом управления ТРГ является следующий: реактивные токи всех фаз определяются одновременно на интервале длительностью 180 град. Сразу по завершении измерений происходит загрузка модуляторов всех фаз ТРГ. Параллельно во времени происходит интегрирование на втором интервале длительностью 180 град., который отстает от первого на 60 град. По завершении второго интервала также происходит загрузка (обновление) сигналов на входе модуляторов всех фаз. Далее процесс развивается аналогично. Перезагрузка модуляторов происходит шесть раз за период сети. Ошибка по скорости, вызванная приращениями амплитуды реактивного тока минимальна. Таким образом, обеспечивается минимальная задержка в отработке возмущений и повышенное быстродействие.

На рис. 10 представлены результаты исследования способа - спектры огибающих амплитуд реактивного тока ДСП и суммарного тока системы «ДСП-компенсатор». В среднем гармоники подавляются на 60%.

иц

60 -1-

40--

20

0 5 10 15 20 25

Г, ГЦ б) Рис. 10.

В таблице 4 приведены значения среднеквадратического и максимального отклонения при рассмотренных способах компенсации реактивной составляющей тока ДСП. Значения предельных отклонений получены при рассмотрении различных режимов работы ДСП.

Табл, 4.

Интервал управления Способы управления Хс.кв |Хщах|

ДСП без компенсатора - 180 875

Половина периода сети Способ 1 155 700

Способ 2 95 440

Способ 3 75 360

Динамика работы ТРГ проверена на компьютерной модели и на макете ТРГ в характерных режимах. Высокие динамические свойства компенсатора объясняются тем, что в нем не может быть кумуляции энергии, поскольку он функционирует в режиме прерывистых токов.

В заключении главы рассматриваются принципы реализации микропроцессорных систем управления ТРГ и ВСФ. Составлены алгоритмы микропроцессорного управления ТРГ и ВСФ, которые использованы для управления моделями компенсаторов.

ВЫВОДЫ

1. Предложен способ статистического моделирования для определения требуемых реактивных токов для компенсации реактивной мощности ДСП на основе анализа обобщенного компенсатора. Рассчитаны требуемые мощности пассивного фильтра и активного компенсатора реактивной мощности.

2. Предложены способы спектрального моделирования ТРГ и ВСФ. С помощью разработанных спектральных моделей проведен анализ электромагнитных процессов в компенсаторах в режимах генерации реактивного тока и медленно изменяющейся постоянной составляющей. Определена требуемая полная мощность и ее составляющие активных компенсаторов, получены регулировочные характеристики, реализация которых в ВСФ исключить кумуляцию энергии в накопительном элементе и осуществлять управление по полупериодам частоты сети.

3. Проведен анализ ТРГ в режиме компенсации постоянной составляющей, который показал, что для осуществления данного режима необходимо увеличение мощности ТРГ на 40% и увеличение мощности ФКЦ на 40%.

4. Определена минимальная мощность накопительного элемента ВСФ. Проведено исследование ВСФ на математических моделях в среде Ма&аЬ-БшиНпк с учетом коммутационных процессов и потерь. Установлено, что для возвращения в расчетный режим компенсации постоянной составляющей достаточно коррекции углов задержки включения всех тиристоров на одинаковую величину, что может быть практически осуществлено с помощью обратной связи по току накопительного элемента.

5. Проведен сравнительный анализ затрат на оборудование при работе ТРГ и ВСФ в режиме компенсации постоянной составляющей. Установлено, что преимущества обеспечивает использование для этой цели ВСФ, при этом не увеличиваются затраты на полупроводниковые приборы, уменьшаются затраты на конденсаторы ФКЦ на 20%, снижается мощность искажения в системе.

6. Исследована динамика процессов компенсации неактивных составляющей полной мощности стохастического объекта. Установлено, что для качественной компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей и флуктуаций реактивного тока необходимо управление по полупериодам частоты сети. Рассмотрены способы выделения постоянной составляющей и флуктуаций реактивного тока при измерениях на половине периода сети. Предложены способы управления, позволяющие снизить погрешности при измерениях и задержку в отработке возмущений. Разработаны алгоритмы управления микропроцессорными системами управления ТРГ и ВСФ.

7. Проведены исследования динамики ВСФ и ТРГ на компьютерных и физических моделях, которые показали, что данные устройства обладают требуемыми динамическими свойствами и позволяют осуществить компенсацию неактивных составляющих полной мощности ДСП.

Применение предложенных алгоритмов управления по полупериодам позволяет снизить медленно меняющуюся постоянную составляющую в 2 раза. Подавление флуктуаций реактивного тока составляет 60% в области частот фликера (от 5 до 15 Гц).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чаплыгин Е. Е., Ковырзина О. С. Компенсация неактивных составляющих полной мощности дуговых сталеплавильных печей // Электричество, № 11, 2009, с. 30-38.

2. Чаплыгин Е. Е., Ковырзина О. С., Мологин Д. С. Исследование токов дуговой сталеплавильной печи с целью выбора оптимальной схемы компенсации // Практическая силовая электроника, № 34, 2009, с. 4750.

3. Ковырзина О. С. Математическое моделирование дуговых сталеплавильных печей. // XIV международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов/Тезисы докладов. - М.МЭИ,

2008. с. 218.

4. Ковырзина О. С. Выбор элементов статического тиристорного компенсатора неактивной мощности в сетях с дуговыми сталеплавильными печами. // XV международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов/Тезисы докладов. - М.МЭИ,

2009. с. 199.

5. Ковырзина О. С. Метод скользящего среднего для систем компенсации неактивной мощности в сетях с дуговыми сталеплавильными печами. // XVI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов/Тезисы докладов. - М.МЭИ, 2010. с. 250.

Подписано в печатьU.04. Юг. Зак. 41 Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

Тир. ЮО

ВВЕДЕНИЕ.

1. ВЛИЯНИЕ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

НА ПИТАЮЩУЮ СЕТЬ.

1.1. Энергетические соотношения в системе «сеть-потребитель».

1.2. Результаты экспериментального исследования токов ДСП.

1.3. Модуляция постоянной составляющей токов ДСП.

1.4. Модуляция основной гармоники сетевого тока ДСП.

1.5. Оценка негативного влияния неактивных составляющих тока печи.

1.6. Обзор способов компенсации неактивной мощности ДСП.

1.7. Существующая система компенсации неактивной мощности

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

2. КОМПЕНСАТОР НА ОСНОВЕ ТИРИСТОРНО-РЕАКТОРНОЙ ГРУППЫ.

2.1. Анализ обобщенного реактивного компенсатора.

2.2. Расчет мощности обобщенного компенсатора.

2.3. Спектральная модель тиристорно-реакторной группы.

2.4. Анализ ТРГ в режиме компенсации реактивной мощности.

2.5. Анализ ТРГ в режиме компенсации постоянной составляющей.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

3. АКТИВНЫЕ СЕТЕВЫЕ ФИЛЬТРЫ.

3.1. Принцип действия и возможности выпрямительного сетевого фильтра.

3.2. Построение регулировочных характеристик идеализированного ВСФ.

3.3. Спектральная модель ВСФ.

3.4. Анализ ВСФ в режиме компенсации постоянной составляющей.

3.5. Коммутационные процессы в ВСФ.

3.6. Сравнение различных способов подавления постоянной составляющей токов печи.

3.7. Перспективы применения мостовых активных фильтров с высокочастотной коммутацией.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

4. ДИНАМИКА ТИРИСТОРНЫХ КОМПЕНСАТОРОВ НЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПОЛНОЙ

МОЩНОСТИ.

4.1. Частотные характеристики при управлении стохастическим объектом.

4.2. Компенсация постоянной составляющей по периодам.

4.3. Компенсация постоянной составляющей по полупериодам.

4.4. Динамика ВСФ.

4.5. Компенсация реактивной мощности по полупериодам.

4.6. Динамика ТРГ.

4.7. Частота дискретизации системы управления.

4.8. Вопросы реализации микропроцессорных систем управления ТРГ и ВСФ.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Актуальность проблемы. В настоящее время доля стали, выплавляемой в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) в объеме мировой выплавки стали превышает 30%. Увеличение выплавки сопровождается ростом вместимости печей и их мощности. В настоящее время мощность ДСП, рассчитанных на питающее напряжение 35 кВ, достигает 100 - 200 MB А.

Дуговые сталеплавильные печи как нагрузки негативно влияют на качество электрической энергии питающей сети. Характер потребления активной и реактивной электроэнергии печными агрегатами соответствует их резкопеременным, повторно кратковременным режимам работы. Работа ДСП с нестабильным потреблением реактивной мощности сопровождается в электрической сети потреблением неактивной мощности и возникновением колебаний напряжения (эффект фликера). Несинусоидальность и несимметричность фазных токов, потребляемых печью, приводит к искажению формы кривой и несимметрии напряжения и появлению медленно изменяющейся постоянной составляющей тока, что в свою очередь оказывает негативное влияние на сетевое оборудование, увеличивая потери и уменьшая срок его службы.

Эффективным энергосберегающим мероприятием по повышению качества электроэнергии является установка средств компенсации неактивной мощности. Для компенсации неактивных составляющих полной мощности ДСП применяются различные сетевые компенсаторы (фильтры), подключаемые параллельно входу ДСП. Компенсаторы подразделяются на пассивные, состоящие исключительно из реактивных элементов, и активные, содержащие мощные полупроводниковые ключи (однооперационные тиристоры либо полностью управляемые ключи). Широко распространено применение гибридных фильтров, представляющих собой совокупность пассивных и активных компенсаторов.

Высокий уровень мощностей и напряжений ДСП ограничивает до настоящего применение в компенсаторах полностью управляемых полупроводниковых ключей. Поэтому главное внимание уделено бестрансформаторным компенсаторам на базе однооперационных тиристоров, успешно применяющихся в высоковольтных устройствах. Тиристорно-реакторная группа (ТРГ) в сочетании с резонансным пассивным сетевым фильтром является наиболее распространенным компенсатором реактивной мощности и давно находит применение в промышленности. Компенсация реактивного тока ДСП позволяет повысить рабочее напряжение ДСП и повысить ее производительность на 20 %.

Однако недостаточно изученными остаются вопросы выбора величины реактивных элементов компенсатора при работе на стохастическую нагрузку. Практически не рассматривался вопрос о способах компенсации низших гармоник спектра тока ДСП - медленно изменяющейся постоянной составляющей.

Функции компенсации постоянной составляющей тока ДСП могут возлагаться как ТРГ, так и на активный сетевой фильтр (ВСФ), выполненный на базе выпрямителя на однооперационных тиристорах, на стороне постоянного тока которого подключен индуктивный накопитель энергии. Работа ТРГ и ВСФ в режиме компенсации постоянной составляющей тока практически не исследовалась, как не проводилось и сопоставление различных способов решения этой задачи, включая исследование динамических режимов работы компенсаторов и способов построения систем управления.

При выполнении работы использован опыт работы ЗАО «Ансальдо-ВЭИ» над созданием компенсаторов для ДСП мощностью 40 МВА для предприятия Новоросметалл, а также результаты экспериментальных исследований указанной ДСП.

Цель работы заключается в исследовании возможных способов компенсации неактивных составляющих тока ДСП и усовершенствовании их, в том числе для компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей тока ДСП, определении оптимальных алгоритмов управления компенсатором с точки зрения качества подавления неактивных составляющих полной мощности.

Основные задачи. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

Разработан метод статистического моделирования для определения реактивных токов, требуемых для компенсации реактивной мощности ДСП. Рассчитана требуемая мощность пассивного фильтра.

Разработаны быстродействующие модели для исследования электромагнитных процессов в ТРГ и ВСФ, основанные на модифицированном спектральном методе переключающих функций.

Разработаны алгоритмы управления ТРГ и ВСФ в режиме компенсации постоянной составляющей, построены регулировочные характеристики, проведено сопоставление решений по энергетическим параметрам сети и аппаратным затратам, необходимым для выполнения указанной задачи.

Проведен анализ способов построения систем управления ВСФ и ТРГ при управлении стохастическим объектом, исследован вопрос выбора частоты управления и на основе сопоставления различных вариантов выбраны алгоритмы управления, обеспечивающие максимально возможную для устройств на однооперационных тиристорах компенсацию неактивных составляющих токов ДСП.

Методика исследований. Для решения поставленных задач использованы методы гармонического анализа и теории вероятностей, статистические модели на базисе MathCad, спектральные модели на основе метода переключающих функций, моделирование на основе пакетов прикладных программ Matlab-Simulink, программы математических расчетов в среде SharpDevelop с использованием осциллограмм реальных напряжений и токов печи. Проведены эксперименты на физических моделях (макетах) ТРГ полной мощностью 2 кВА и ВСФ полной мощностью 5 кВА.

Достоверность научных результатов обеспечена сопоставлением основных результатов, полученных на основе различных методов математического моделирования, и воспроизведением зависимостей на физических моделях (макетах) ТРГ и ВСФ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен оригинальный способ статистического моделирования для определения требуемых реактивных токов для компенсации реактивной мощности ДСП.

2. Разработаны быстродействующие спектральные модели компенсаторов ТРГ и ВСФ.

3. Определены возможности и способы компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей тока печи с помощью ТРГ либо ВСФ, проведено сопоставление эффективности компенсации и затрат, показаны преимущества ВСФ для решения этой задачи, и предложена система управления компенсатором.

4. Предложен оригинальный алгоритм управления ТРГ, обеспечивающий высокое качество компенсации колебаний реактивного тока ДСП при упрощении построения микропроцессорной системы управления.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Применение статистического метода по определению мощности компенсатора, что позволяет более точно рассчитать параметры реактивных элементов и ключей, используя реальные данные с объекта.

2. Применение ВСФ позволяет компенсировать медленно изменяющуюся постоянную составляющую токов ДСП, что улучшает качество сетевого тока, позволяет снизить затраты на трансформаторное оборудование, уменьшая потери и продлевая срок его службы.

3. Применение предложенных алгоритмов управления при компенсации постоянной составляющей и реактивной мощности позволяет достичь высоких показателей подавления неактивных составляющих тока ДСП при использовании микропроцессоров массового применения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной электроники МЭИ и на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в 2008, 2009 и 2010 г.

Публикации; по результатам работы опубликовано 5 работ: 2 статьи и 3 публикации тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Содержит 173 стр. текста, 9 таблиц и 68 рисунков. Список литературы содержит 90 наименований на 6 страницах.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. Исследован процесс компенсации неактивных составляющей полной мощности. Получены частотные характеристики при управлении стохастическим объектом, из которых следует, что компенсация эффективна лишь для частот ниже/-р=0,2/у1ф, где^„р=1/Гу11р.

2. Проведен анализ компенсации постоянной составляющей по периодам при наименьшем интервале усреднения и при ограничении производной тока компенсатора, что позволяет сдерживать увеличение гармоник выше frp. Анализ компенсации постоянной составляющей по периодам показал, что низкочастотная область спектра снижается на 40%, при этом при ограничении производной тока компенсатора высокочастотная область спектра тока печи не изменяется.

3. Проведен анализ компенсации постоянной составляющей по полупериодам. Разработаны два способа расчета постоянной составляющей на полупериодах. Первый способ заключается в определении «эталона» тока печи методом скользящего среднего на 20 предыдущих полупериодах тока, и вычисление текущей постоянной составляющей как разницы среднего тока печи на полупериоде и «эталона» тока. Применение первого способа показало подавление на 50% низкочастотной области спектра.

4. Второй способ компенсации постоянной составляющей позволяет решить проблемы влияния флуктуаций основной гармоники на измерения постоянной составляющей и заключается в смещении на 60° начала расчета постоянной составляющей тока относительно напряжения (от вершины одной полуволны тока до вершины другой). Данный способ показал наибольшую эффективность по сравнёнию с другими способами компенсации постоянной составляющей, он позволяет достичь 70% подавления низкочастотной области спектра.

5. Проведено исследование динамики ВСФ на компьютерной и физической (макете) моделях. Показано, что ВСФ обладает требуемыми динамическими свойствами и позволяет осуществить компенсацию медленно меняющейся постоянной составляющей тока печи при управлении по полупериодам, при этом, благодаря алгоритмам, выбранным в главе 3, работа ВСФ при управлении по полупериодам не сопровождается кумуляцией энергии в накопительном элементе.

6. Проведен анализ компенсации реактивной составляющей тока ДСП по полупериодам. Оценено влияние постоянной составляющей на компенсацию реактивного тока печи и определены способы управления ТРГ, из которых первый является наименее эффективным, поскольку выдача импульсов управления осуществляется после определения углов всех тиристоров (задержка 300°). Второй способ управления ТРГ отличается повышенным быстродействием, поскольку обновленные данные поступают каждые 60°, данный способ показывает подавление реактивного тока на 60% в области частот фликера (от 5 до 15 Гц).

7. Проведено исследование динамики ТРГ на компьютерной и физической (макете) моделях. ТРГ обладает требуемыми динамическими свойствами и позволяет осуществить компенсацию реактивной составляющей тока печи при управлении по полупериодам.

8. Исследован вопрос выбора частоты дискретизации систем управления ТРГ и ВСФ. Для системы управления ТРГ частота дискретизации составляет 4,8 кГц. Для компенсации постоянной составляющей тока необходимо проводить опрос датчиков тока через каждые 100 мкс.

9. Разработаны алгоритмы систем управления ТРГ и ВСФ, по которым выполнены системы управления математических и физических моделей ТРГ и ВСФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы по диссертации.

1. Предложен способ статистического моделирования для определения требуемых реактивных токов для компенсации реактивной мощности ДСП на основе анализа обобщенного компенсатора. Рассчитаны требуемые мощности пассивного фильтра и активного компенсатора реактивной мощности.

2. Предложены способы спектрального моделирования ТРГ и ВСФ. С помощью разработанных спектральных моделей проведен анализ электромагнитных процессов в компенсаторах в режимах генерации реактивного тока и медленно изменяющейся постоянной составляющей. Определена требуемая полная мощность и ее составляющие активных компенсаторов, получены регулировочные характеристики, реализация которых в ВСФ исключить кумуляцию энергии в накопительном элементе и осуществлять управление по полупериодам частоты сети.

3. Проведен анализ ТРГ в режиме компенсации постоянной составляющей, который показал, что для осуществления данного режима необходимо увеличение мощности ТРГ на 40% и увеличение мощности ФКЦ на 40%.

4. Определена минимальная мощность накопительного элемента ВСФ. Проведено исследование ВСФ на математических моделях в среде MatLab-Simulink с учетом коммутационных процессов и потерь. Установлено, что для возвращения в расчетный режим компенсации постоянной составляющей достаточно коррекции углов задержки включения всех тиристоров на одинаковую величину, что может быть практически осуществлено с помощью обратной связи по току накопительного элемента.

5. Проведен сравнительный анализ затрат на оборудование при работе ТРГ и ВСФ в режиме компенсации постоянной составляющей. Установлено, что преимущества обеспечивает использование для этой цели ВСФ, при этом не увеличиваются затраты на полупроводниковые приборы, уменьшаются затраты па конденсаторы ФКЦ на 20%, снижается мощность искажения в системе.

6. Исследована динамика процессов компенсации неактивных составляющей полной мощности стохастического объекта. Установлено, что для качественной компенсации медленно изменяющейся постоянной составляющей и флуктуаций реактивного тока необходимо управление по полупериодам частоты сети. Рассмотрены способы выделения постоянной составляющей и флуктуаций реактивного тока при измерениях на половине периода сети. Предложены способы управления, позволяющие снизить погрешности при измерениях и задержку в отработке возмущений.

Разработаны алгоритмы управления микропроцессорными системами управления ТРГ и ВСФ.

7. Проведены исследования динамики ВСФ и ТРГ на компьютерных и физических моделях, которые показали, что данные устройства обладают требуемыми динамическими свойствами и позволяют осуществить компенсацию неактивных составляющих полной мощности ДСП. Применение предложенных алгоритмов управления по полупериодам позволяет снизить медленно меняющуюся постоянную составляющую в 2 раза. Подавление флуктуаций реактивного тока составляет 60% в области частот фликера (от 5 до 15 Гц).

1. Адлер Ю.П., Маркина Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных решений/Москва, «Наука», 1971.

2. Анго Р. Математика для электрорадиоинженеров, М. Наука, 1965.

3. Берх И.М., Мазуров М.И., Николаев А.В. Система векторного регулирования статического компенсатора (СТАТКОМ) Известия НИИ Постоянного тока, № 59, 2002.

4. Бессонов JI. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: Высшая школа, 1996. 623 с.

5. Бикеев Р.А. Динамические режимы в электромеханических системах дуговых сталеплавильных печах и их воздействие на вводимую активную мощность: Дисс. канд. Техн наук.-Новосибирск.:НГТУ, 2004 г.

6. Влияние дуговых печей на системы электроснабжения. Под ред. Смелянского и Минеева Р. В. М., Энергия, 1975,- 85с.

7. Герман-Галкин С. Компьютерное моделирование преобразователей в пакете Matlab.- М.: Корона Принт, 2001- 320 с.

8. Горюнов И. Т., Мозгалев В. С., Богданов В.А. Проблемы обеспечения качества электрической энергии. Электрические станции, № 1, 2001 г.

9. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.Госстандарт, 1998.

10. ГОСТ Р 51317.3.8-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Передача сигналов по электрическим сетям. Уровни сигналов, полосы частот и нормы электромагнитных помех. М.: Из-во стандартов. 2000.

11. ГОСТ Р 51317.4.15-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Фликерметр. Технические требования и методы испытаний. М.: из-во стандартов, 2000.

12. ГОСТ Р 51317.4.6-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными электромагнитными помехами. Требования и методы испытаний. -М.: из-во стандартов, 2000.

13. Гурский Д. А., Турбина Е. С. Вычисления в Mathcad 12 СПб: Питер, 2006. - 544 с.

14. Дайновский Р.А. и др. Исследование режимов работы СТАТКОМ, выполненного на базе трехуровневого преобразователя напряжения // VIIсимпозиум «Электротехника 2010». -М.: ТРАВЭК, 2003.

15. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB: Специальный справочник.- СПб: Питер, 2001 480 с.

16. Жежеленко И. В. И др. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. Киев: Техника, 1981. 160 с.

17. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1984.

18. Зиновьев Г. С. Вентильные компенсаторы реактивной мощности, мощности искажения и мощности несимметрии на базе инвертора напряжения. В сб.: Современные задачи преобразовательной техники. Ч. 2. Киев: ИЗД АН УССР, 1975.

19. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. — Изд. 3-е, испр. и доп. -Новосибирск: из-во НГТУ, 2004. 672 с.

20. Ивакин В. Н., Сысоева Н. Г., Худяков В. В. Электропередачи и вставки постоянного тока и статические тиристорные компенсаторы. М.: Энергоатомиздат, 1993. 336 с.

21. Иванов В.Д. Электрические характеристики ДСП с переменной реактивностью. //Электротехническая промышленность. Сер. "Электротермия". 1979 г, Вып. II (207). С. 14-15.

22. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М. Энергоатомиздат, 1987.

23. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. В 2-х т. Том 1. М.: Изд-во МЭИ, 2004.

24. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. -М.:Энергия, 1975.

25. Карташев И. И., Зуев Э. Н. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения. М.: Издательство МЭИ, 2001.

26. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1973. - 832 с.

27. Кочкин В. И., Нечаев О. П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М. Изд. НЦ ЭНАС, 2000.

28. Кузьменко В.А., Тропин В.В. Датчик реактивной мощности резко-переменной нагрузки для управления компенсатором реактивной мощности. Патент РФ №2081494. МКИ Н 02 J 3/18, G01 R 21/06. // Опубл. 10.06.97.1. Бюл. №16

29. Лабунцов В. А., Чаплыгин Е. Е. Компенсаторы неактивной мощности на вентилях с естественной коммутацией// Электричество, № 9, 1996 г.

30. Лабунцов В. А., Чжан Дайжун Однофазные полупроводниковые компенсаторы пассивной составляющей мгновенной мощности// Электричество, № 12, 1993.

31. Лопухов Г. А. Эволюция электросталеплавильного производства к 2010 году // Электрометаллургия. 2002 №5 С. 2-3

32. Маевский О. А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М.Энергия, 1978.

33. Макаров В. С., Макаров А. Н. Дуговые печи. М.: МЭИ, 1991.-91 с.

34. Марков Н.А. Электрические цепи и режимы дуговых электропечных установок. М., «Энергия», 1975.

35. Николаев А. В. Разработка принципов управления статическим компенсатором (СТАТКОМ) и исследование его работы на подстанциях переменного и постоянного тока. Кандидатская диссертация. СПб. ОАО «НИИПТ», 2005.

36. Окороков Н. В. Дуговые сталеплавильные печи. М.: Металлургия, 1971.-344 с.

37. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Мартынов В.Ф., Сталоцов П.М., Шаписро А.Л. Новый класс мощных электронных приборов электроннолучевые вентили // Прикладная физика, 2000, № 2

38. Разевиг В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2. М.: СОЛОН-Р, 2001

39. Розанов Ю.К. Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника: учебник для ВУЗов. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 632 с.

40. Савицки А. Дуговая печь трехфазного тока как нелинейное звено автоматической системы регулирования мощности, Электричество №2, 2000.

41. Статические компенсаторы для регулирования реактивной мощности. Под ред. Матура Р. М. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 160 с.

42. Стомахин А. Я. Современный технический уровень и перспективы развития электросталеплавильного производства. //Труды III конгресса сталеплавильщиков. М., 1996.

43. Супронович Г. Улучшение коэффицента мощности преобразовательных установок: Пер. с польск. М.:Энергоатомиздат, 1985. - 136 с.

44. Тропин В. В. Компенсация реактивной мощности дуговых сталеплавильных печей с заданной динамической точностью на базетиристорно-реакторного компенсатора. Кандидатская диссертация, М. ВЭИ, 1985.

45. Тутубалин В. Н. Теория вероятностей и случайных процессов. -М.: Изд-во МГУ, 1992.

46. Фишлер Я. Л., Урманов Р. А., Песиряева Л. М. Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок. М.: Энергоатомиздат, 1988.-320 с.

47. Фонг Л. Г. Компенсация реактивной и искажающей мощностей в судовых и корабельных электроэнергетических системах, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. МЭИ, 2009.

48. Фролов А. В., Фролов Г. В. Язык С#. Самоучитель. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 560 с.

49. Харкевич А.А. Спектры и анализ; П.И.Романовский Ряды Фурье, М. «Наука», 1964.

50. Хныков А.В. Теория и расчет трансформаторов. М: СОЛОН-Р, 2004 г.

51. Чаплыгин Е. Е. Анализ искажений выходного тока и сетевого тока матричного преобразователя частоты // Электричество, № 11, 2007 г., с.24-37

52. Чаплыгин Е.Е. Вопросы управления вентильными компенсаторами пассивной мгновенной мощности//Электричество, № 11, 1995.

53. Чаплыгин Е.Е., Хаммами У. Цифровое управление компенсаторами реактивной мощности // Электричество, № 11, 1992.

54. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс, 2008. - 288 с.

55. Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева// Под ред. А.Д. Свенчанского. 2-ое изд., перераб.- М.: Энергоатом издат, 1981. -296с.

56. Электроснабжение и автоматизация электротермических установок : Учебник для техникумов. / А. Д. Свенчанский, 3. Л. Трейзон, Л. А. Мнухин М. : Энергия, 1980.

57. Энергетическая электроника: Справочное пособие: пер. с нем./Под ред. В. А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 464 с.

58. Ezer D., Hanna R. A., Penny J. Active Voltage Correction for Industrial Plants // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 38, NO. 6, 2002

59. Gibo N., Takenaka K. Development of Control Scheme of A Line-commutated SVC for Flicker Control. The 8th International Power Engineering1. Conference (IPEC 2007)

60. Mendis S.R., Gonzalez D.A. Harmonic and transient overvoltage analyses in arc furnaces powersystem. IEEE Trans. On industry application vol.28, N.O. 2, March/April 1992

61. S. R. Mendis, M. T. Bishop, A. V. Do, D. M. Boyd. Investigation of Transmission System Voltage Flicker due to Multiple AC and DC Furnace Operations. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 10, No. 1, 1995

62. Akagi H. Active filters for power conditions. The power electronics. Handbook. Ed. T. L. Scvorenina, USA: CRC Press, 2002

63. Coates R., Brewer G. L. The measurement and analysis of waveform distortion caused by a large multi-furnace arc furnace installation, ibid, pp 135145

64. Czarnecki L. S. Consideration on the reactive power in nonsinusoidal situations // IEEE, Trans. Instr. Meas., Vol, IM-34, No 3, Sept. 1985

65. Czarnecki L.S. Current of nonsinusoidal voltage source applied to nonlinear loads // Int. Journ. On Circuit Theory and Appl., Vol.11, No 2, 1983

66. Gyugyi L. Static shunt compensation for voltage flicker reduction and power factor correction. Proceeding of the American Power Conference, 1976, pp 12711285

67. Hausler M., Franzl M. Dimensioning and Loss Evaluation of Phase Compensators with Thyristor Valves- Brown Boveri Rev., 3-82., p.85-89

68. Hosono I. Suppression and measurement of arc furnace flicker with a large Static Var Compensator, Transaction IEEE, Vol. PAS-98, 1979, pp 2276-2284

69. J.A. Bonner, W.M. Hunt, R.G. Rocamora, R.F. Dudley. Selecting Ratings For Capacitors And Reactors In Applications Involving Multiple Single-Tuned Filters. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 10, No. 1, 1995

70. Kilic Т., Milun S. Three-Phase Shunt Active Power Filter Using IGBT Based Voltage Source Inverter // EPE-PEMC 2002, Cavtat & Dubrovnik, Croatia

71. L. Tang, S. Kolluri, M. F. McGranaghan. Voltage flicker prediction for two simultaneously operated AC Arc furnaces. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 12, No. 2, 1997

72. Lemmenmier J. Report on UTE/UNTPEDE Enquire about the Effect of Electrical Arc Furnaces on Power Systems. VII Международный конгресс no электротермии, Варшава, 1972. Перевод ВНИИЭТО № Ц-7976.

73. Liserre М., Blaabjerg F., Hansen S. Design and Control of an LCL-FilterBased Three-Phase Active Rectifier // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 41, NO. 5, 2005

74. M. Moroozian, SM IEEE &e, ABB Utilities, FACTs Division "Benefits of SVC STATCOM for Electric Utility Application"

75. Mendis S. R., Bishop M. Т., Witte J. F. Investigations of voltage flicker in electric arc furnace power system. IEEE Industry Application Magazine, 1996

76. Newman M. J., Zmood D. N., Holmes D. G. Stationary Frame Harmonic

77. Reference Generation for Active Filter Systems // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 38, NO. 6, 2002

78. Ozgun, A. Abur. Flicker Study Using a Novel Arc Furnace Model. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 17, NO. 4, 2002

79. Pettersson K. Raising the production of arc furnaces by stabilizing the voltage with Thyristor-Switched Capacitors. ASEA Journal. Vol 50, No 1, 1977, pp 9-16

80. Pourbeik P., Bostrom A. Modeling and Application Studies for a Modern Static VAr System Installation. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 21, # 1, January 2006

81. R. Grunbaum, E. Gustafsson, J.-P. Hasler, T. Larsson, M. Lahtinen STATCOM, a Prerequisite for a Melt Shop Expansion Performance Experiences, IEEE Power Tech 2003

82. Reichert K., Terens L. Harmonic Interaction between Static var Systems and the Network, Problems, Analysis and Solutions. International Symposium on Controlled Reactive Compensation, IREQ, Varennes, Quebec, September 1979

83. Soto D. et al. A non-linear control strategy for a cascaded multilevel STATCOM using a fixed switching pattern // EPE 2003, Toulouse, Fr.

84. Sundberg Y. The Arc Furnace as a Load on the Network. ASEA Journal, Vol. 49, No. 4, 1976, pp 75-87

85. Zhenyu Fan, Enslin Johan. Harmonic Impedance Analysis in the Presence of Static Var Compensator (SVC), IEEE 2006

86. Ziguzi T. Problems of lamp flicker caused by large electric arc-furnaces for steel production in Japan. V International Congress on Electro-heat, 1963. -143.