ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ АКТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Веприков А.А.¹, Полищук В.В.²

¹Аспирант, Санкт-Петербургский горный университет, ²Кандидат технических наук, Петербургский энергетический институт повышения квалификации министерства энергетики Российской Федерации

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ АКТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Аннотация

Приведены научно-технические проблемы повышения энергоэффективности систем электроснабжения промышленных потребителей постоянного тока большой мощности. С использованием компьютерной модели подтверждена эффективность работы активных преобразователей в условиях электротехнологических установок постоянного тока. Показано, что при соблюдении норм параметров качества электроэнергии в пределах действующих стандартов коэффициент мощности электротехнического комплекса с активным выпрямителем напряжения может достигать 0,98-0,99. По результатам эксперимента на физическом объекте мощностью 0,5 МВт установлено, что реальный коэффициент мощности составляет 0,97-0,98 на всём диапазоне регулирования тока нагрузки.

Ключевые слова: электролизёры, дуговая печь постоянного тока, активный преобразователь, коэффициент мощности.

Veprikov A.A.¹, Polishchuk V.V.²

¹Postgdauate Student, St. Petersburg Mining University, ²PhD in Engineering, St. Petersburg Power Engineering Institute of Continuing Education Ministry of Energy of the Russian Federation

INCREASE OF ENERGY EFFICIENCY OF SYSTEMS OF POWER SUPPLY OF INDUSTRIAL CONSUMERS OF DC ON THE BASIS OF ACTIVE CONVERTERS

Abstract

The article discusses scientific and technical problems of increasing the energy efficiency of power supply systems for industrial consumers of high-power direct current. The use of a computer model increases the efficiency of active converters under the conditions of electro-technological installations of direct current. It is shown that if the norms of the electric power quality parameters are observed within the limits of the current standards, the power factor of the electrical complex with the active rectifier can reach 0,98-0,99. Based on the results of the experiment, a 0.5 MW physical facility established that the real power factor is 0.97-0.98 over the whole range of load current control.

Keywords: electrolysers, DC arc furnace, active converter, power factor.

В настоящее время в промышленности широко используется электроэнергия постоянного тока, при этом большая её часть (до 60 %) приходится на цветную металлургию. Мощность потребителей постоянного тока различается в зависимости от их вида, режима работы, удельного расхода электроэнергии и производительности, наиболее энергоёмкими являются:

- электролизные установки получения цветных металлов из расплавов (алюминий, магний) и растворов (цинк, медь, никель, натрий и пр) [1], [2];

- электродуговые печи постоянного тока (сталеплавильные, руднотермические, вакуумные) [3];

- промышленные преобразователи для питания постоянным током приводов постоянного тока и инверторов частотно-регулируемого привода (экскаваторы, прокатные станы, буровые станки, транспорт и т.п.).

Для обеспечения оптимального протекания технологических процессов в вышеприведённых установках требуется регулировать параметры выпрямленного тока и напряжения в диапазоне 0,2-1,15 от номинальной величины с точностью 0,1-0,2 % в течение нескольких секунд. Использование управляемых выпрямительных агрегатов на основе параметрических источников, дросселей и силовых тиристоров приводит к увеличению потребления реактивной мощности. Большую часть времени преобразовательные агрегаты установок электролиза работают на пониженном напряжении с ненулевым углом управления, из-за чего их коэффициент мощности составляет 0,7-0,91 [4], [5]. Источники питания дуговых печей постоянного тока имеют номинальный коэффициент мощности в пределах 0,85-0,94, но при глубоком регулировании тока он снижается до 0,6 [3].

В [6] приводятся результаты исследований дифференцированного во времени электроснабжения (модуляции тока) серий электролизеров, проводившиеся на российских и зарубежных алюминиевых заводах с целью снижения платы за заявленный максимум нагрузок. Результаты работы серии при модуляции тока на 10 % показали возможность ее эксплуатации практически без снижения технико-экономических показателей, при этом потребление энергии в часы «пик» снижалось не менее чем на 16–17 %. Таким образом, для алюминиевых заводов, которые имеют проблемы с нехваткой электроэнергии, либо к ним применяются повышенные тарифы в пиковые периоды в энергосистемах, применение модуляции тока является оправдывающим себя решением и не сказывается отрицательно на технологических операциях.

Полупроводниковые выпрямители приводят к возникновению высших гармоник в сетевом напряжении и потребляемом токе, что может приводить к нарушению электромагнитной совместимости системы электроснабжения предприятия с питающей сетью, нарушениям в работе автоматики, релейной защиты и, в некоторых случаях, самих вентильных преобразователей [7], [8]. Происходит ускоренное старение изоляции электрических машин, аппаратов и кабелей, что сопряжено со снижением надёжности электрооборудования. Использование систем управления выпрямленным напряжением усугубляет эти недостатки, в то же время возможность применения компенсирующих устройств на основе конденсаторных батарей в таких условиях ограниченно из-за возможности их перегрузки токами высших гармоник и возникновения резонансных явлений [4], [8].

В этой связи требуется решить ряд задач, связанных с повышением энергоэффективности систем электроснабжения мощных промышленных потребителей постоянного тока путем введения в их состав активных преобразователей (АП) на основе IGBT транзисторов, позволяющих снизить потребляемую из сети полную мощность, установленную мощность электрооборудования и обеспечить поддержание параметров качества электроэнергии (ПКЭ) в регламентируемых пределах.

Фирмой Semikron реализованы полумостовые IGBT модули по технологии SKiiP 4 мощностью до 2,1 МВт, при напряжении 1,2 кВ и постоянном токе до 3,6 кА, в которых допускается параллельное соединение нескольких модулей (до 6-8 шт), дальнейшее увеличение числа параллельных элементов не рекомендуется из-за возникновения существенной несимметрии управляющих каналов и возможности рассинхронизации времени коммутаций ключей [9].

Для увеличения тока нагрузки предлагается использовать параллельное соединение преобразовательных секций, каждая из которых получает питание от преобразовательного трансформатора (ПТ) [10], [11]. Структура системы электроснабжения с активными выпрямителями (АВ) представлена на рис. 1.

Рис. 1 – Схема системы электроснабжения мощного потребителя постоянного тока с применением активных выпрямителей

 

Требуемый диапазон регулирования выпрямленного напряжения нагрузки достигается путём использования РПН в групповых силовых трансформаторах (Т). Использование АВ с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для коррекции коэффициента мощности преобразователя (χ) позволит решить задачи снижения потребляемой мощности и поддержания ПКЭ на питающем присоединении в пределах действующих стандартов при обеспечении необходимых требований электропитания промышленных потребителей постоянного тока.

Для проверки в среде MATLAB Simulink была построена модель активного выпрямителя напряжения (АВН) со следующими параметрами: частота сетевого напряжения f_s = 50 Гц, U_л = 380 В, внутреннее сопротивление питающей фазы r_ф = 0,08 Ом; индуктивность и активное сопротивление фазы токоограничивающего сетевого реактора L_р = 0,08 мГн, r = 0,6 мОм; активное сопротивление и индуктивность нагрузки Rd = 0,4 Ом, L_d = 0,12 мГн, противо-ЭДС нагрузки E_п = 310 В; емкость конденсатора С_Ф = 32 мФ; напряжение стабилизации U_c = 850 В. При создании модели были приняты следующие допущения:

– система питающих напряжений и преобразователь симметричные;

– питающие напряжения имеют синусоидальную форму (в реальной сети возможны отклонения амплитуды, частоты и формы питающего напряжения в пределах действующих стандартов ПКЭ из-за изменения параметров энергосети и присутствия сторонних потребителей);

– силовые ключи идеальные, их внутреннее сопротивление не зависит от температуры;

– отношение частоты коммутации к частоте основной гармоники питающего напряжения удовлетворяет соотношению N_S = f_S / f₍₁₎ >> 10;

– преобразователь вносит только высокочастотные искажения, т. е. гармоники с частотами, значительно превышающими частоту первой гармоники.

Напряжение на нагрузке изменялось в пределах (0,5-1) U_ном. Созданная модель и результаты, полученные при моделировании, приведены на рис. 2.

Рис. 2 – а - модель активного выпрямителя для питания промышленной нагрузки постоянного тока, формы кривых напряжений и токов питающей сети для б - U=U_ном в - U=0,5U_ном

 

В результате моделирования установлено, что система электроснабжения с использованием АВН с ШИМ позволит синхронизировать фазы сетевого тока и напряжения и повысить χ до 0,98-0,99 при поддержании параметров качества электроэнергии в регламентируемых пределах.

Для экспериментальной проверки эффективности использования АП были проведены исследования системы электроснабжения дуговой вакуумной печи 833Д с номинальной мощностью 0,5 МВт, суммарное число параллельно соединённых преобразователей с IGBT составило 90 шт, что соответствовало диапазону выпрямленного тока от 450 А до 13,5 кА с возможностью плавного регулирования. Максимальная величина постоянного тока одного блока составила 200 А при напряжении в 45 В, в номинальном режиме рабочий ток равен 150 А. Потребляемый из сети фазный ток достигал 840 А при токе нагрузки 12-13 кА. Коэффициент суммарных гармонических искажений напряжения на всём диапазоне регулирования не превышал 5,7 %, а коэффициент мощности исследуемого электротехнического комплекса находился 0,97-0,98. При номинальном токе дуги 12 кА коэффициент полезного действия электротехнического комплекса составил 0,77.

Экспериментальные исследования подтвердили возможность эффективной параллельной работы как отдельных модулей, так и их секций, причём число параллельных секций может наращиваться практически без ограничений, что обеспечит эффективное электроснабжение промышленных потребителей постоянного тока большой мощности.

Список литературы / References

1. БеляевА.И. Металлургия легких металлов / А.И. Беляев – М.: Металлургия, 1970. – 365 с.
2. БобковВ. Силовая преобразовательная техника для мощных электротехнологических установок постоянного тока / В. Бобков, А Бобков, В Копырин // Силовая электроника. –  – №1. – С. 66-68.
3. СафоновВ.И. Электротехнологические установки: учебное пособие / В.И. Сафонов. – Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2014. – 124 с.
4. СальниковВ.Г. Эффективные системы электроснабжения предприятий цветной металлургии / В.Г. Сальников, В.В. Шевченко. – М.: Изд-во «Металлургия», 1986. – 320 с.
5. НикулинА.Д. Тиристорная преобразовательная техника в цветной металлургии / А.Д. Никулин, Л.С. Родштейн, В.Г. Сальников и др. – М.: Изд-во «Металлургия», 1983. – 128 с.
6. ГалевскийГ.В. Металлургия алюминия: стабилизация и модуляция тока электролизной серии: монография / Г.В. Галевский, М.Я. Минцис, Г.А. Сиразутдинов. – Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2011. – 151 с.
7. КруповичВ.И. Проектирование промышленных электрических сетей/ В.И. Крупович, А.А. Ермилов, Е.С. Иванов и др.; под ред. В.И. Круповича. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1979. –328 с.
8. ЖежеленкоИ.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. 4-е изд., перераб. и доп. / И.В. Жежеленко – М.: Энергоатомиздат, 2000. – 331 с.
9. ВинтрихА. Проблемы параллельного и последовательного соединения IGBT. Часть  Параллельная работа IGBT / А. Винтрих, У. Николаи, В. Турски и др.; пер. А. Колпаков, Е. Карташов // Силовая электроника. – 2013. – № 4. – С. 67–74.
10. АбрамовичБ.Н. Повышение эффективности электротехнических преобразовательных комплексов для добычи и переработки полезных ископаемых / Б.Н. Абрамович, А.А. Веприков, Ю.А. Сычёв // Горное оборудование и электромеханика. –  – №1. – С. 7-12.
11. АбрамовичБ.Н. Повышение эффективности электротехнических преобразовательных комплексов для питания электролизёров алюминия / Б.Н. Абрамович, А.А. Веприков, Ю.А. Сычёв и др. // Цветные металлы. – 2016. – №10. – С. 49-53.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Beljaev A.I. Metallurgija legkih metallov [Metallurgy of light metals]. – M.:Metallurgija, 1970. P 365. [in Russian]
2. Bobkov V. Silovaja preobrazovatel'naja tehnika dlja moshhnyh jelektrotehnologicheskih ustanovok postojannogo toka [Power converter equipment for direct current electrotechnological units]. / V. Bobkov, A Bobkov, V Kopyrin // M.: Silovaja jelektronika [Power Electronics]. – 2004. – №1, – P. 66-68. [in Russian]
3. Safonov V.I. Jelektrotehnologicheskie ustanovki: uchebnoe posobie [Electrotechnological units: teaching materials]. / V.I. Safonov – Cheljabinsk: Izdatel'skij centr JuUrGU [South Ural State University bulletin], 2014. – P. 124. [in Russian]
4. Sal'nikov V.G. Jeffektivnye sistemy jelektrosnabzhenija predprijatij cvetnoj metallurgii [Efficient power supply systems for non-ferrous metallurgy]. / V.G. Sal'nikov, V.V. Shevchenko // M.: «Metallurgija», 1986. – P. 320. [in Russian]
5. Nikulin A.D. Tiristornaja preobrazovatel'naja tehnika v cvetnoj metallurgii [Thyristor power converters in non-ferrous metallurgy]. / A.D. Nikulin, L.S. Rodshtejn, V.G. Sal'nikov, V.A. Bobkov – M.: «Metallurgija», 1983. – P 128. [in Russian]
6. Galevskij G.V. Metallurgija aljuminija: stabilizacija i moduljacija toka jelektroliznoj serii: monografija [Metallurgy of aluminum: current stabilization and modulation for electrolysis series: monography]. / G.V. Galevskij, M.Y. Mincis, G.A. Sirazutdinov– Novokuzneck: SibGIU [Siberian State Industrial University], 2011. – P. 151. [in Russian]
7. Krupovich V.I. Proektirovanie promyshlennyh jelektricheskih setej [Engineering of industrial power grids]. / V.I. Krupovich, A.A. Ermilov, V.S. Ivanov, Y.V Krupovich.: pod red. V.I. Krupovicha – 2-e izd., pererab. i dop [Vol. 2]. – M.: Jenergija, 1979. – P. 328. [in Russian]
8. Zhezhelenko I.V. Vysshie garmoniki v sistemah jelektrosnabzhenija promyshlennyh predprijatij [Harmonics in industrial power supply systems]. 4-e izd., pererab. i dop [Vol. 4]. – M.: Jenergoatomizdat. 2000. – P. 331. [in Russian]
9. Vintrih A., Nikolai U., Turski V., Reiman T. Problemy parallel'nogo i posledovatel'nogo soedinenija IGBT. Chast' 1. Parallel'naja rabota IGBT [Parallel and series IGBT connection issues. Part 1: IGBT parallel connection] / A. Vintrih, U. Nikolai.,V. Turski, T. Reiman; per. A. Kolpakov, E. Kartashov // Silovaja jelektronika [Power Electronics]. – 2013. –№ 4. – P. 67–74. [in Russian]
10. Abramovich B.N. Povyshenie jeffektivnosti jelektrotehnicheskih preobrazovatel'nyh kompleksov dlja dobychi i pererabotki poleznyh iskopaemyh [Enhancing the efficiency of electrical converters for mining and processing of mineral resources. / A.A. Veprikov, B.N. Abramovich, Y.A. Sychjov // Gornoe oborudovanie i jelektromehanika [Mining Equipment and Electromechanics], – 2017. – №1. – P. 7-12. [in Russian]
11. Abramovich B.N. Povyshenie jeffektivnosti jelektrotehnicheskih preobrazovatel'nyh kompleksov dlja pitanija jelektrolizjorov aljuminija [Increasing the effectiveness of electro-technical transformation complexes for supplying of aluminium electrolysers]/ A.A. Veprikov, B.N. Abramovich, Y.A. Sychjov, K.A. Homjakov // Cvetnye metally [Non-ferrous Metals]. – 2016. – №10. – P. 49-53. [in Russian]