СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОСЕТИ ОТ КОЛЕБАНИЙ РЕАКТИВНОЙ НАГРУЗКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 1999 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к способу стабилизации устройства электропитания или электросети от колебаний реактивной нагрузки, по меньшей мере одного электрического устройства или установки с изменяющейся реактивной нагрузкой в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения и к устройству для компенсации реактивной мощности в соответствии с ограничительной частью п.6 формулы изобретения.

В соответствии с указанными в ограничительных частях пп.1, 6 формулы изобретения известный уровень техники может быть охарактеризован на примере патента США N 5155740. В нем описано устройство для компенсации флуктуаций для дуговых электропечей постоянного тока, у которого регулирование реактивной мощности происходит только в зависимости от продектированной реактивной мощности дуговой электропечи.

При такой компенсации не учитываются токи в фильтрующих ветвях и вспомогательных устройствах. При небольших токах электрода реактивная мощность печи может стать слишком малой. Вместе с жестко встроенными конденсаторными батареями это приводит к перекомпенсации, что часто бывает неприемлемым для потребителей сети.

Из публикации N СН-1Т 123090 D, "Компенсационные установки для промышленности" швейцарской фирмы Асеа Браун Бовери АГ, декабрь 1983 г., стр. 1-12, известно управление изменениями реактивной нагрузки, возникающими при эксплуатации дуговых электропечей, посредством трехфазного реактора из трех дроссельных катушек без сердечника через тиристорный задатчик переменного тока индивидуально для каждой фазы. Управление происходит в зависимости от напряжения сети, фактического значения тока дуговой электропечи и компенсационной установки, а также от заданного значения тока реактора. Параллельно реактору включены конденсаторы, которые своими сериесными дросселями и при необходимости демпфирующими реакторами действуют как источник реактивной мощности и одновременно как фильтр для отсоса гармоник тока разного порядка. Изменяющаяся реактивная нагрузка реактора и потребителей суммируются при этом таким образом, что сумма обеих реактивных нагрузок постоянна и вместе с постоянной емкостной реактивной мощностью конденсаторных групп дает нужное значение cosϕ.
За счет измерения и анализа управляющих или регулирующих величин возникает относительно длительное среднее время запаздывания системы 5 мс.

Из европейской заявки N 0489239 известно управление дуговой печью с питанием постоянным током при помощи двух регулирующих контуров. Регулятор тока обеспечивает ток постоянной величины в соответствии с установленным заданным значением тока. Регулирующий контур электрода влияет на его положение и тем самым на длину дуги. При увеличении длины дуги регулятор тока должен повышать напряжение или управлять выпрямителем так, чтобы ток оставался постоянной величиной. Однако это возможно, пока имеется резерв напряжения. Регулирование электрода происходит посредством адаптируемого регулятора постоянного напряжения. Фактическим значением постоянного напряжения служит напряжение дуги, подаваемое через демпфирующее звено к компаратору или сумматору. Заданное значение постоянного напряжения необходимо рассчитывать каждый раз с учетом ступени напряжения трансформатора и тока электрода для каждой рабочей точки. Сначала в соответствии со ступенью преобразовательного трансформатора, а тем самым с возможным размахом напряжения преобразователя тока заданное значение ограничивают посредством ограничителя таким образом, что преобразователь тока работает в установившемся режиме ниже предельного положения выпрямителя, максимум вплотную к этому положению. Заданное значение подают в сглаженном виде к сумматору с тем, чтобы при скачках заданного значения постоянного напряжения воспрепятствовать перерегулированию фактического значения, что вызвало бы обрыв дуги. О компенсации колебаний реактивной мощности в заявке ничего не сказано.

Изобретение, определенное пп.1 и 6 формулы, решает задачу усовершенствования способа и устройства для компенсации реактивной мощности с целью стабилизации устройства электропитания или электросети от колебаний реактивной нагрузки, по меньшей мере одного электрического устройства или установки с изменяющейся реактивной нагрузкой упомянутого выше рода таким образом, чтобы лучше компенсировать колебания реактивной нагрузки.

Преимущество изобретения состоит в том, что за счет определения суммарного тока для компенсации колебаний реактивной мощности реактивные мощности всех нагрузок, связанных с компенсируемой установкой, компенсируются относительно быстро. Возникает постоянная индуктивная реактивная мощность для всей установки, которую можно компенсировать постоянно установленными или включенными конденсаторными батареями или фильтрами гармоник. С помощью этого регулирования колебаний реактивной нагрузки установку с изменяющейся реактивной нагрузкой можно присоединить даже к весьма слаботочной электросети. Установки мощностью свыше 50 МВт можно таким образом присоединять к электросетям, мощность короткого замыкания которых, по меньшей мере, равна 10-кратной мощности установки.

Изобретение поясняется ниже с помощью примера его осуществления, иллюстируемого чертежами, на которых показано следующее:
фиг.1 - дуговая печь постоянного тока с контуром регулирования тока, контуром регулирования электрода и контуром регулирования реактивной мощности;
фиг. 2 - характеристики для определения активной и реактивной мощностей дуговой печи в зависимости от сигнала фактического значения угла зажигания и сигнала фактического значения тока дуговой печи согласно фиг.1;
фиг.3 - характеристика для определения угла зажигания для контура регулирования реактивной мощности в зависимости от общей реактивной мощности установки с дуговой печью согласно фиг.1.

На фиг. 1 изображена дуговая печь 8 с электродом или катодом 7, которая через два реактора или дроссельные катушки 6, 6', последовательно включенные в параллельных ветвях с выпрямителем 5, 5', трансформатором 2, 2' печи с несколькими ступенями переключения и преобразователем тока 3, 3', присоединена к сети 1 переменного тока с переменным напряжением 22 кВ. Расположенный в зоне пода дуговой печи 8 второй электрод или анод 12 соединен с положительным полюсом выпрямителя 5 (не показано). Между нижним концом катода 7 и расплавляемым материалом или скрапом (не показан) и поверхностью расплава или плавильной ванны 11 горит дуга 10.

Посредством преобразователей тока 3, 3' в подающих линиях переменного тока к выпрямителям 5, 5' сигналы фактических значений частичных токов i_ist1, i_ist2 детектируют и подают к неинвертирующим входам сумматора 23 и двум инвертирующим входам компаратора или сумматора 13. К одному неинвертирующему входу этого сумматора 13, например, от потенциометра (не показан) подают задаваемый сигнал заданного значения тока i_soll.

Выход сумматора 13 соединен с регулятором тока 14 с пропорционально-интегральной характеристикой, который в соответствии с углом зажигания подает выходной сигнал α_ist управляющей величины к импульсному преобразователю зажигания 15, выход которого управляет выпрямителями 5, 5'.

Сигнал α_ist управляющей величины для выпрямителей через демпфирующее звено 16' или полосовой фильтр 16 для согласования сигналов, контроля предельного значения и отфильтровывания нежелательных частот поступает на инвертирующий вход сумматора 17, на неинвертирующий вход которого поступает задаваемый сигнал α_soll задающей величины для регулятора электрода в соответствии с заданным значением угла зажигания в пределах 15 - 50^o, предпочтительно 25 - 35^o. Выход сумматора 17 соединен с регулятором 18 электрода с пропорциональной характеристикой, выходной сигнал которого через вентильный усилитель 19 воздействует на вентиль 20 устройства 21 для перемещения электрода. Это устройство 21, например гидравлический насос с механизмом перемещения и регулятором скорости электрода, механически связано с катодом 7 и обеспечивает его перемещение по высоте; оно действует как звено задержки 1-го порядка.

Устройство регулирования электрода работает приблизительно в 10 раз медленнее устройства регулирования тока. Перемещение катода 7 по высоте происходит так, что выпрямитель 5 работает в среднем с модуляцией, например, 25 эл. град. независимо от вторичного напряжения трансформатора 2 печи и от установленного значения тока i_soll. Для простоты, значения и соответствующие им сигналы обозначены одинаково.

Отфильтровываемые полосовым фильтром 16 частоты составляют 0,5 - 20 Гц.

Посредством регулирования до постоянной модуляции на выпрямителе 5 обеспечивается достижение постоянного среднего коэффициента мощности в питающей сети 1 переменного тока. Мощность в рабочей точке очень просто определяется выбором ступени напряжения трансформатора 2 печи и заданием постоянного тока.

Если с одной ступенью напряжения трансформатора 2 печи хотят достичь разных рабочих точек или изменяющейся мощности, то соответственно задают значение i_soll тока. Однако при уменьшенном токе и все еще постоянной модуляции на выпрямителе 5 получают меньшую мощность. Вследствие меньших потерь напряжения в сети 1 переменного тока длина дуга 10, однако, увеличивается. Процесс в печи требует при меньшей мощности также более короткую дугу 10. Для достижения этого можно при изменении заданного значения i_soll тока одновременно задать и соответствующее новое значение для модуляции выпрямителя 5. Для этой цели предусмотрен более подробно описанный в заявке N 0498239 функциональный датчик 22, который в зависимости от заданного значения i_soll тока подает сигнал α_soll задающей величины для регулятора электрода, как это показано на фиг.1 штриховой линией. Таким образом можно также увеличить диапазон мощности.

Для компенсации изменяющейся реактивной мощности дуговой печи 8 предусмотрен трехфазный компенсатор 31, который на каждую фазу переменного тока содержит задатчик 28 переменного тока, включенный последовательно с дроссельной катушкой 29, и выключателем 30, соединенным с сетью 1 переменного тока. Три задатчика 28 переменного тока соединены между собой в треугольник, и управление каждым из них происходит от импульсного преобразователя зажигания 27.

Сеть 1 переменного тока через преобразователь тока 33 с отводом от него общей силы тока i₃₃ всей установки со вспомогательными потребителями (не показаны) и фильтрующими ветвями 4, 4' для емкостной реактивной мощности, далее через высоковольтный трансформатор и два выключателя присоединена к трехфазной высоковольтной сети 32 с переменным напряжением 220 кВ. Общая сила тока i₃₃, продетектированная детектором 34 напряжение U_i сети 1 переменного тока, и задаваемый фазовый угол α_soll подаются на вход регулятора 35 фазового угла, с выхода которого на инвертирующий вход сумматора 25 поступает сигнал Q_soll5 заданной реактивной мощности для дуговой печи 8. На другой инвертирующий вход сумматора 25 поступает сигнал Q₈ фактического значения реактивной мощности с выхода функционального датчика 24, на вход которого от сумматора 23 поступает сигнал i_ist фактического значения тока, причем i_ist = i_ist1 + i_ist2, а с выхода регулятора тока 14 - сигнал управляющей величины α_ist для выпрямителей. На один неинвертирующий вход сумматора 25 поступает сигнал Q_F реактивной мощности фильтра, соответствующий постоянной емкостной реактивной мощности фильтрующих ветвей 4, 4'. На выходе сумматора 25 формируется сигнал Q_G общей реактивной мощности, соответствующий Q_G = Q_F - Q₈ - Q_soll8, поступающий к функциональному датчику 26, с выхода которого на импульсный преобразователь зажигания 27 подается стабилизирующий сигнал α_st угла зажигания.

На фиг. 2 изображено поле характеристик функции, реализованной посредством функционального датчика 24:
Q₈= K₁i_ist[1-(cosα_ist-K₂i_ist)²]^0,5, где K₁ и K₂ - специфические для данной установки коэффициенты с 0,1 ≤ K₁ ≤ 1, предпочтительно с 0,3 ≤ K₁ ≤ 0,6 и 0,7 • 10^-3 ≤ K₂ ≤ 1,3 • 10^-3, предпочтительно 0,9 • 10^-3 ≤ K₂≤ 1,1 • 10^-3. При этом сигнал α_ist управляющей величины для выпрямителей указан в градусах, сигнал i_ist фактического значения тока - в кА, активная мощность Р по оси ординат - в МВт, а реактивная мощность Q по оси абсцисс - в МBар. Для значения активной мощности Р в 50 МВт и сигнала α_ist управляющей величины для выпрямителей в 35^o реактивная мощность Q₈ составляет, например, 46 МBар.

На фиг.3 изображена характеристика 36 функции, реализованной посредством функционального датчика 26: Q_G ≈ α°st

/90^o - 2 - (sin2 • α_st)/π, где α_st нанесено в градусах по оси ординат, Q_G в % - по оси абсцисс. На практике идеальная кривая 36 может быть аппроксимирована изображенными штриховой линией сегментами 37 и использована для определения значения стабилизирующего угла зажигания α_st.
Описанный пример относится к установке с активной мощностью Р 60 МВт при постоянном токе 100 кА и установленной реактивной или компенсационной мощностью 30 Мвар. Установка рассчитана так, что при 100 кА и модуляции выпрямителей 5, 5' сигналом α_ist управляющей величины 35^o в питающей сети 1 переменного тока возникает коэффициент мощности cos ϕ = 0,9.

Дуговая печь постоянного тока создает при эксплуатации нежелательные колебания реактивной мощности, компенсируемые посредством компенсатора. Задатчиком переменного тока компенсатора управляют в зависимости от сигнала (α_ist) стабилизации угла зажигания, посредством функционального датчика в зависимости от сигнала (Q_SG115) заданной реактивной мощности, сигнала (Q_S) фактического значения реактивной мощности дуговой печи и сигнала (Q_r) реактивной мощности фильтра, соответствующего реактивной мощности фильтрующих ветвей. Сигнал (Q_SG115) заданной реактивной мощности в зависимости от общей силы тока ( i₃₃ ), которая помимо фактического значения ( i_ist ) тока дуговой печи включает в себя также ток фильтрующих ветвей и ток возможных вспомогательных устройств. При этом лучше компенсируются колебания реактивной мощности нагрузки. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ стабилизации устройства электропитания или электросети от колебаний реактивной нагрузки по меньшей мере одной электрической установки с изменяющейся реактивной нагрузкой, силу тока i_ist которой регулируют посредством сигнала α_ist управляющей величины до заданного значения тока I_soll или заданного значения реактивной мощности, отличающийся тем, что колебания реактивной мощности компенсируют путем подачи сигнала α_st стабилизации угла зажигания на по меньшей мере один задатчик переменного тока компенсатора реактивной мощности, при этом сигнал α_st формируют согласно уравнению
θ_G≈ α°st

/90^°-2-(sin2α_st)/π,
где θ_G - сигнал общей реактивной мощности, определяемый уравнением

где θ_F - реактивная мощность фильтрующих ветвей, θ₈ - сигнал фактического значения реактивной мощности по меньшей мере одной электрической установки, сформированный согласно уравнению
Q₈= K₁i_ist[1-(cosα_ist-K₂i_ist)²]^0,5,
где 0,1 ≤ K₁ ≤ 1; 0,7 • 10^-3 ≤ K₂ ≤ 1,3 • 10^-3,
при этом - сигнал заданной реактивной мощности, представляет собой регулирующий сигнал, сформированный в зависимости от напряжения питающей сети, в зависимости от общей силы тока, включающего в себя ток по меньшей мере одной электрической установки и ток по меньшей мере одной фильтрующей ветви, и от задаваемого фазового угла α_soll.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что K₁ и K₂ выбирают из диапазона 0,3 ≤ K₁ ≤ 0,6; 0,9 • 10^-3 ≤ K₂ ≤ 1,1 • 10^-3. 3. Устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее по меньшей мере одну установку с изменяющейся реактивной мощностью, по меньшей мере одну фильтрующую ветвь с емкостной реактивной мощностью, по меньшей мере один компенсатор реактивной мощности с по меньшей мере один задатчиком переменного тока, регулятор фазового угла, вход которого соединен с по меньшей мере одним преобразователем тока для определения общей силы тока, отличающееся тем, что с выхода регулятора фазового угла на инвертирующий вход сумматора поступает сигнал заданного значения реактивной мощности на другой инвертирующий вход сумматора поступает сигнал Q₈ фактического значения реактивной мощности с выхода второго функционального датчика, на вход которого поступает сигнал значения силы тока i_ist установки с изменяющейся реактивной мощностью и сигнал α_ist управляющей величины с выхода регулятора тока i_ist, на неинвертирующий вход сумматора подают сигнал Q_F реактивной мощности фильтрующей ветви, сигнал Q_G общей реактивной мощности с выхода сумматора поступает на вход первого функционального датчика, с выхода которого подается сигнал стабилизации угла зажигания α_st для управления задатчиком переменного тока компенсатора реактивной мощности, при этом α_st определяется согласно уравнению
Q_G= α_st/90^°-2-(sin2α_st)/π,
Q₈ определяется согласно уравнению
Q₈= K₁i_ist[1-cosα_ist-K₂i_ist)²]^0,5,
где 0,1 ≤ K₁ ≤ 1;
0,7 • 10^-3 ≤ K₂ ≤ 1,3 • 10^-3. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что K₁ и K₂ выбираются из диапазонов: 0,3 ≤ K₁ ≤ 0,6; 0,9 • 10^-3 ≤ K₂ ≤ 1,1 • 10^-3.