Применение статических компенсаторов реактивной мощности типа TCR-SVC в распределительных системах 35 кВ 

Введение

Шины в системе электроснабжения 35 кВ и распределительном устройстве являются важным звеном в централизованном сборе и распределении электроэнергии. Их работоспособность имеет первостепенное значение для бесперебойного электроснабжения, поэтому тщательный мониторинг и техническое обслуживание шин являются крайне важными. Статические компенсаторы реактивной мощности (SVC) представляют собой современное устройство динамической коррекции коэффициента мощности для распределительных сетей, позволяющее добиться значительной экономии энергии за счет повышения коэффициента мощности. Одновременно они служат для уменьшения гармоник в сети, стабилизации напряжения и улучшения общего качества сети. Устройство SVC установлено в системе электроснабжения 35 кВ, обслуживающей две важнейшие производственные линии — черновой и чистовой прокатные станы — горячего прокатного стана 1780 мм на прокатном заводе Angang Steel. Его основная функция — компенсация реактивной мощности на шинах системы. Внедрение технологии SVC обеспечивает безопасную, стабильную и экономичную работу системы.

Принцип работы 1SVC

SVC отличается гибкими методами управления, позволяющими осуществлять непрерывное, фазовое и почти линейное регулирование реактивной мощности. Одновременно с этим стационарная конденсаторная батарея (FC) сконфигурирована как многоконтурный фильтр. Такая схема эффективно фильтрует гармоники, индуцированные фазоуправляемым тиристором (TCR).

Блок SVC — это высокотехнологичный продукт, разработанный на основе комплексного применения современной силовой электроники, технологий управления электроэнергией и методов автоматизации. Он представляет собой силовое электронное устройство, способное быстро и непрерывно подавать емкостную и индуктивную реактивную мощность в электрические системы. Используя зрелые, надежные, передовые и практичные тиристорные реакторы (TCR) и фиксированные конденсаторные батареи, он использует типичную конфигурацию TCR+FC. Это позволяет точно и быстро отслеживать динамические колебания в сети или нагрузке. Он динамически компенсирует изменяющуюся реактивную мощность с временем отклика управления менее 10 миллисекунд, достигая коэффициента мощности, близкого к единице. Конфигурация TCR+FC состоит из трех основных компонентов: фильтра FC, тиристорного реактора TCR и системы управления и защиты. Фильтр FC обеспечивает компенсацию емкостной реактивной мощности и фильтрацию гармоник. Тиристорный реактор TCR уравновешивает индуктивную реактивную мощность, генерируемую колебаниями нагрузки в системе. Регулируя угол включения тиристора, он контролирует ток, протекающий через реактор, чтобы регулировать реактивную мощность в соответствии с изменениями нагрузки. Это модулирует реактивную мощность F реактора, чтобы противодействовать индуктивной реактивной мощности I_L. Независимо от изменений реактивной мощности нагрузки, сумма обоих компонентов остается постоянной. Эта постоянная величина равна емкостной реактивной мощности, выдаваемой конденсаторной батареей, что делает реактивную мощность сети постоянной или нулевой. В конечном итоге это поддерживает коэффициент мощности питания сети для пользователей на заданном значении, обеспечивая компенсацию реактивной мощности для подавления колебаний напряжения в системе и мерцания, вызванных изменениями нагрузки. A представляет индуктивную реактивную мощность, генерируемую во время работы системы в рабочей точке нагрузки. Конденсаторная батарея в блоке компенсации обеспечивает фиксированную емкостную реактивную мощность Q. Обычно последняя превышает первую. Избыточная емкостная реактивная мощность уравновешивается TCRF (тиристорным управляемым реактором). Когда реактивная мощность нагрузки Q на заводе изменяется, система управления SVC регулирует ток TCR, чтобы изменить Q. Значение реактивной мощности TCR динамически отслеживает и компенсирует реактивную мощность нагрузки в режиме реального времени, поддерживая баланс реактивной мощности системы. Состав и принцип работы устройства TCR показаны на рисунке 2.

Основная конструкция TCR состоит из тиристорного клапана и реактора, соединенных последовательно. Тиристорный клапан состоит из нескольких тиристорных элементов, соединенных обратно параллельно с другими вспомогательными компонентами. В тиристорном клапане тиристорные элементы, соединенные обратно-параллельно, проводят ток поочередно во время положительного и отрицательного полуциклов напряжения питания. В практических инженерных приложениях угол управления тиристором обычно работает в диапазоне от 100° до 165°. При условии практически постоянного напряжения в сети увеличение угла управления уменьшает ток TCR и снижает индуктивную реактивную мощность устройства. И наоборот, уменьшение угла управления увеличивает ток TCR. Увеличение индуктивной реактивной мощности устройства приводит к получению его характеристических кривых напряжения-тока, как показано на рисунке 2(B). Каждая кривая представляет собой вольт-амперную характеристику TCR при определенном угле проводимости. Что касается основной составляющей тока, устройство TCR функционирует как регулируемая проводимость с эквивалентной проводимостью , где представляет угол проводимости тиристора, а L обозначает индуктивность реактора. (E представляет угловую частоту напряжения сети. TCR позволяет использовать несколько режимов управления, включая одновременное трехфазное управление, фазовое управление и трехфазное балансирование. Для асимметричных нагрузок следует использовать фазовое регулирование. Теоретической основой для фазового регулирования TCR является теория Штейнметца. Руководствуясь этой теорией, фазовое регулирование устраняет токи отрицательной последовательности и балансирует трехфазную сеть. SVC может компенсировать нагрузку для достижения чисто активной, трехфазной сбалансированной системы. Для компенсации реактивной мощности сбалансированных трехфазных нагрузок обычно используются алгоритмы сбалансированного регулирования, тогда как для несбалансированных трехфазных нагрузок широко применяется фазовое регулирование. Такой подход обеспечивает эффективные результаты в области управления качеством электроэнергии.

Состав системы управления 2SVC

SVC использует передовую полностью цифровую систему управления. Эта система управления состоит из трех компонентов: шкафа управления, импульсного шкафа и силового блока. Шкаф управления получает сигналы напряжения и тока на месте. После вычислительной обработки он выдает импульсы запуска. Одновременно он контролирует рабочий статус тиристора. Импульсный шкаф преобразует импульсы запуска в соответствующие импульсные сигналы для достижения запуска. Блок питания состоит из шести компонентов: тиристоров, RC-демпферов, радиаторов с тепловыми трубками, импульсных трансформаторов, плат BOD и плат обнаружения пробоя. Он подключен последовательно с цепью реактора, управляя состояниями проводимости и блокировки тиристора под управлением импульсного сигнала. Это обеспечивает прохождение реактором заданного компенсационного тока. Его базовая блок-схема показана на рисунке 3.

Главный блок управления в шкафу управления служит ядром всей системы управления SVC. Он выполняет выборку и расчет таких параметров, как напряжение и ток шины, для определения угла включения тиристора. Эта информация преобразуется в оптические сигналы и передается в импульсный шкаф. Одновременно главный блок управления связывается с промышленным управляющим компьютером для получения различных параметров, установленных последним, которые затем распределяются по функциональным платам в главном блоке управления. Он также передает сигналы, собранные с каждой платы, обратно на промышленный управляющий компьютер. Система управления использует гибридный подход с открытым и замкнутым контуром. Управление с открытым контуром обеспечивает время отклика контроллера SVC, отвечая требованиям по подавлению колебаний напряжения и мерцания. Управление с замкнутым контуром регулирует точность управляемого тока TCR, обеспечивая стабильный коэффициент мощности системы. Основной реактор является сухим реактором с воздушным сердечником. Система управления тиристорами использует постоянное регулирование реактивной мощности. Корпус тиристорного клапана отличается усовершенствованной конструкцией и технологией изготовления, использующей горизонтальную конфигурацию. Оборудование компактно, надежно в эксплуатации и требует минимального обслуживания. Ядром контроллера является высокоскоростной цифровой сигнальный процессор (DSP), который обладает такими преимуществами, как простая конструкция, легкость расширения/модификации аппаратного и программного обеспечения, высокая точность управления и надежная функциональность. Получение сигналов осуществляется с высокой скоростью, в режиме реального времени и с высокой точностью, с быстрой обработкой сигналов. В системе управления и большинстве периферийных цепей используется поверхностный монтаж компонентов, что обеспечивает высокую надежность работы и сильную противопомеховую способность. Для тиристоров используется эффективное естественное охлаждение с помощью тепловых трубок. По сравнению с водяным охлаждением этот подход обеспечивает более простую конструкцию и позволяет добиться безотказной работы. Система автоматического мониторинга PLC выполняет различные функции релейной защиты. Интуитивно понятный сенсорный интерфейс облегчает взаимодействие человека с машиной.

Программное обеспечение для мониторинга 3SVC

Для облегчения мониторинга рабочего состояния оборудования SVC в режиме реального времени соответствующее программное обеспечение для мониторинга SVC было установлено как на промышленном управляющем компьютере на месте установки оборудования, так и на ПК в комнате мониторинга пользователя. Это программное обеспечение предоставляет подробную и актуальную информацию о рабочих параметрах оборудования и состоянии различных его компонентов. Система мониторинга SVC позволяет удобно и интуитивно просматривать рабочие параметры оборудования SVC, кривые производительности, исторические записи, журналы неисправностей и многое другое, а также поддерживает сетевую передачу данных и возможности удаленного мониторинга.

3.1 Введение в системные модули

Система мониторинга SVC состоит из следующих модулей:

(1) Система мониторинга SVC. Работает на промышленном управляющем компьютере в шкафу управления оборудованием SVC: ① Обеспечивает мониторинг оборудования и параметров в режиме реального времени. Отображает данные в реальном времени и кривые в режиме реального времени; ② Обеспечивает функции хранения данных и запроса; ③ Обеспечивает функции сигнализации о неисправностях и мониторинга состояния тиристоров; ④ Обеспечивает статистический анализ данных о коэффициенте мощности по часам, дням, месяцам и годам; ⑤ Обеспечивает интерфейс для изменения рабочих параметров SVC; ⑥ Включает инструмент для рисования основной схемы подключения, позволяющий вносить изменения в зависимости от условий на месте; ⑦ Поставляет данные, необходимые для удаленного мониторинга, и может работать автономно в случае отключения сети.

(2) Система мониторинга SVC. Работает на сервере данных. Этот модуль собирает данные с различных устройств SVC и выполняет их хранение. Обеспечивает удаленный мониторинг устройств SVC через сеть.

(3) Служба данных удаленного мониторинга SVC. Работает на сервере данных. Обеспечивает службы данных для удаленного мониторинга.

(4) Сетевой клиент системы мониторинга SVC. Работает на удаленных рабочих станциях мониторинга (которые должны быть подключены к серверу пользовательских данных). Если требуется удаленный мониторинг оборудования через сеть, любая рабочая станция, подключенная к серверу данных, может использовать сетевой клиент для мониторинга оборудования.

Контролируемые данные включают:

3.2 Функции системы

Эта система обладает двойной функцией динамической непрерывной компенсации реактивной мощности и подавления гармоник, отличается передовой технологией, высокой производительностью и надежной работой. Она служит следующим целям: ① Повышает коэффициент мощности, снижая потери и экономя энергию; ② Увеличивает пропускную способность сети и снижает мощность распределительных трансформаторов; ③ Улучшает качество напряжения для пользователей, сводя к минимуму колебания напряжения и мерцание; ④ Подавляет гармоники. Она приносит пользователям существенные экономические и социальные выгоды.

Блок SVC автоматически отслеживает и компенсирует колебания реактивной мощности в сети, подавляет мерцание, улучшает коэффициент мощности, повышает стабильность системы и улучшает качество электроэнергии. Тиристорный регулируемый реактор (TCR) включает в себя функции защиты, в том числе от перегрузки по току, ненормального питания, потери синхронизации, потери импульса, дисбаланса импульсов, пробоя тиристора (при пробое одного тиристора срабатывает сигнал тревоги по фазе, но нормальная работа продолжается; при пробое двух тиристоров происходит немедленное отключение).

Система мониторинга SVC обладает следующими функциональными возможностями: ① Основное соединение: отображает текущие параметры устройства, включая напряжение шины, реактивную мощность, активный и реактивный токи, фазорегулируемый ток, коэффициент мощности, угол зажигания и значения тока для каждого канала фильтра. ⑦ Кривые в реальном времени: отображает кривые в реальном времени для каждого параметра. ③ Исторические кривые: исторические кривые данных можно просматривать, указав дату, время начала, время окончания и название кривой. ④ Исторические записи: просмотр подробных исторических данных с указанием даты и периода времени; ⑤ Записи о неисправностях: запрос исторических записей о неисправностях системы с выбором диапазона дат; ⑥ Мониторинг тиристоров: отображает текущее состояние каждого рабочего тиристора. Отображается тремя цветами: желтым, зеленым и красным. В случае повреждения тиристора в любой фазе соответствующий индикатор становится черным: ⑦ Коэффициент мощности: укажите время запроса, чтобы получить исторические или текущие ежемесячные статистические данные по коэффициенту мощности, включая средние значения за час, день и месяц; ⑧ Параметры системы: отображение текущих настроек устройства; ⑨ Язык интерфейса: доступные языки интерфейса: упрощенный китайский и английский; ⑩ Сигналы неисправностей: в случае возникновения неисправности в системе появляется красное окно с информацией о неисправности. Если установлена звуковая карта, раздается звуковой сигнал. После устранения неисправности окно автоматически закрывается, а звуковой сигнал прекращается.

3.3 Эксплуатация, техническое обслуживание и особенности системы

(1) Зрелая, надежная, передовая, практичная и оптимизированная конструкция системы SVC, отличающаяся простотой эксплуатации и удобством обслуживания. Более интуитивная;

(2) Исключительные возможности самодиагностики: статическая самопроверка и динамический мониторинг во время работы. Способность оперативно выдавать точные ранние предупреждения и принимать защитные меры против различных непредвиденных событий в системе:

(3) Полностью цифровая интеллектуальная система управления. Благодаря интуитивно понятному человеко-машинному интерфейсу, облегчающему эксплуатацию и техническое обслуживание, она обеспечивает комплексные и надежные возможности управления, мониторинга и диагностики неисправностей. В результате значительно сокращается время, необходимое для ввода в эксплуатацию, технического обслуживания и ремонта:

(4) Модульная конструкция: силовые агрегаты и схемы управления имеют модульную или компонентную (вставную) структуру, при этом идентичные модули являются взаимозаменяемыми, что повышает надежность и удобство обслуживания.

(5) Во время эксплуатации регулярно проводите проверки температуры, проверяйте конденсаторы на наличие утечки масла, проверяйте электрические компоненты на герметичность и удаляйте пыль. Следите за тем, не пропадают ли импульсные сигналы.

4. Эффект применения

Ввод в эксплуатацию устройства динамической компенсации реактивной мощности высоковольтной сети SVC на прокатном стане Angang Steel на линии горячей прокатки 1780 мм. Это позволило улучшить качество электроэнергии на подстанции 110 кВ по нескольким параметрам, включая колебания напряжения, гармоники и реактивную мощность: ① Стабилизация напряжения шины 35 кВ. Улучшение качества электроснабжения. Обеспечение качества продукции. Устранение падений напряжения в системе во время заторов на прокатном стане: ⑦ Смягчение гармоник. Уровень гармонических искажений не превышает требования национальных стандартов; ③ Коррекция коэффициента мощности. Достигается коэффициент мощности, близкий к единице; ④ Повышение коэффициента использования оборудования. Поскольку реактивная мощность, необходимая для прокатных станов, в основном поставляется в режиме реального времени SVC, главный трансформатор больше не обеспечивает реактивную мощность, что повышает его эксплуатационную эффективность: ⑤ Снижение затрат на электроэнергию: внедрение SVC очищает электропитание, повышая его качество. Реактивная мощность практически устраняется в системе, в то время как активная мощность увеличивается. Снижение реактивных и гармонических токов существенно уменьшает потери в линии и потребление реактивной мощности двигателем. Это повышает эффективность двигателя и выходную мощность. ⑥ Улучшение качества электроэнергии продлевает срок службы электрооборудования (особенно трансформаторов и двигателей). Это снижает частоту возникновения неисправностей в системах автоматического управления (таких как срабатывание защиты системы, вызванное нестабильной работой тиристорных систем управления или сбоями компьютера, тем самым смягчая негативное влияние на производство).

5. Заключение

С момента ввода в эксплуатацию на сталепрокатном стане 1780 мм компании Angang Steel система SVC работает удовлетворительно. Она демонстрирует высокую устойчивость к сильным электромагнитным помехам, быстрое время отклика, высокую надежность и низкий уровень отказов, достигая достойных результатов и повышая общий уровень автоматизации предприятия.