1 UVOD Električna energija je blago in kot taka mora ustrezati standardom kakovosti. Ohranjanje določene ravni kakovosti je nujno za pravilno delovanje naprav, priključenih na električno omrežje. Za kakovost napetosti v določeni točki omrežja sta odgovorna tako operater omrežja in kot tudi uporabnik. Vsak uporabnik omrežja (porabnik ali proizvajalec električne energije) mora omejiti negativni vpliv na omrežje (injekcija harmonikov, odjem jalove moči, fliker, nesimetrična obremenitev) in ga ohraniti znotraj vnaprej dogovorjenih ravni. Kršitev standardov kakovosti lahko pripelje do odstopanj osnovnih parametrov napetosti v stacionarnem stanju in do deformacije oblike napetostnega signala. 2 SIMULACIJSKI MODEL IN PRINCIP OBRATOVANJA SERIJSKE KRMILJENE DUŠILKE Serijska krmiljena dušilka se uporablja za izboljšanje stabilnosti visokonapetostnega obloka in s tem zmanjšanje flikerja. Cilj je, da s serijsko dušilko stabiliziramo oblok peči, pri čemer se za krmiljenje dušilke uporabijo polprevodniška stikala (tiristorji). S pravilnim vodenjem serijske dušilke, ki je priključena med transformatorjem in pečjo, stabiliziramo oblok obločne peči. Pri tem dušilka deluje kot dinamična vzmet [1, 2]. Tehnologija temelji na možnosti hitrih preklopov pri sodobnih polprevodniških stikalih in naprednem prediktivnem računalniškem vodenju. Slika 1 prikazuje enopolno shemo elektroobločne peči, priključene na visokonapetostno omrežje, z vgrajeno krmiljeno serijsko dušilko. Krmiljena dušilka deluje na principu preusmerjanja toka obločne peči iz serijske dušilke (L1) v paralelno dušilko (L2). Z vklapljanjem in izklapljanjem paralelne dušilke, ki ima manjšo induktivnost, lahko vplivamo na tok oziroma moč peči. Ko regulacijski algoritem zazna prevelik tok, polprevodniška stikala ne prevajajo in tok steče preko serijske dušilke (na sliki 1 označeno s P1), z večjo induktivnostjo. Tako omejimo najvišjo vrednost, ki jo tok doseže. Kadar algoritem vodenja zazna stabilen oblok, stikala prevajajo in priključijo paralelno dušilko (označeno s P2), kar omogoča obratovanje peči pri večji moči [1, 2, 3]. Prejet 17. februar, 2011 Odobren 14. marec, 2011 UPORABA TIRISTORSKO KRMILJENE SERIJSKE DUŠILKE ZA ZMANJŠANJE FLIKERJA ELEKTROOBLOČNE PEČI 113 Slika 1. Enopolna shema simuliranega omrežja Slika 1 prikazuje simulirano omrežje. Prikazan je del električnega omrežja jeklarne, kjer obratuje obločna peč. Omrežje se napaja prek transformatorske postaje 110/35 kV. Deli omrežja so še pečni transformator 35/0,4 kV, dušilki, tiristorska stikala ter impedanca napajalnega kabla med transformatorsko postajo in pečnim transformatorjem. Vrednosti posameznih parametrov so podane v tabeli 1. Sk’’ predstavlja kratkostično moč omrežja na zbiralkah 110 kV. Vrednosti kratkostične napetosti (uk) pečnega transformatorja so za različne stopnje regulatorja odcepov podane v tabeli 2. Omrežje je bilo modelirano v programskem paketu PSCAD [5, 6]. Napetost Uomrežja [kV] 110 Kratkostična moč Sk'' [MVA] 3750 Kratkostična napetost uk_110/35 [%] 7,69 Induktivnost serijske dušilke L1 [H] 0,02 Induktivnost kabla Lc [H] 0,0002 Induktivnost peči Lf [H] 0,00035 Induktivnost paralelne dušilke L2 [H] 0,001 Upornost paralelne dušilke R2 [Ω] 0,015 Upornost dušilke R [Ω] 0,3 Upornost kabla Rc [Ω] 0,062 Upornost peči Rf [Ω] 0,00035 Tabela 1. Vrednosti parametrov modela na sliki 1 Odcep transformatorja Napetost na NN strani transformatorja [V] uk [%] 7 343,1 4,19 8 363,3 3,96 9 383,2 3,75 10 4,038 3,54 11 425,1 3,33 12 444,9 3,14 13 464,6 2,94 14 481,7 2,78 15 500 2,61 Tabela 2. Vrednosti uk za različne stopnje regulatorja odcepov pečnega transformatorja. 2.1 Opis modela obločne peči V nadaljevanju je opis nelinearnega modela elektroobločne peči. Nelinearna napetostno-tokovna karakteristika, U-I, je podana z naslednjim izrazom [5, 6]: �� = ����� = ��� + �� (1) kjer sta Ua in Ia napetost in tok peči, Uat je najnižja napetost peči, ki nastopi, kadar je tok peči najvišji, C in D pa sta konstanti, ki podajata razliko med naraščajočo in padajočo karakteristiko toka [5]. Za simulacijo spreminjanja dolžine obloka peči se uporabljajo stohastične in deterministične metode. S stohastičnimi metodami dobimo naključno spreminjanje dolžine obloka, kar je bližje realnosti, vendar pa je matematična analiza kompleksna in zahteva statistično obdelavo rezultatov. Deterministične metode po drugi strani upoštevajo sinusno spreminjanje dolžine obloka z določeno frekvenco, kar poenostavljeno odraža realno fizikalno sliko. To nam omogoči enostavnejše izračune, ki zahtevajo manj procesorske moči. Deterministični model v primerjavi s stohastičnim daje višje vrednosti flikerja, zato so rezultati, ki jih dobimo z uporabo tega modela, konservativni. To so razlogi za izbiro determinističnega spreminjanja dolžine obloka pri modeliranju peči. Dolžina obloka je določena z naslednjim izrazom: ���� = �� − � � sin� � (2) kjer je D1 podan z amplitudo sinusne krivulje, l0 pa je konstanta. Kadar je dejanska dolžina obloka enaka l0, model obločne peči ne generira harmonikov. Ker so človeške oči najdovzetnejše za nihanja svetlobnega toka s frekvenco 8,8 Hz, je bila krožna frekvenca ω v izrazu (2) nastavljena na 9 Hz [5, 6]. 110 / 35 kV L1 35 / 0.4 kV Oblok VN omrežje Lc Rc R f Lf R1 Dušilka Tiristorska stikala P 2 P 1 110 kV S ’’k I f L2 R2 SPASOJEVIĆ, BLAŽIČ, PAPIČ 114 2.2 Opis algoritma vodenja Algoritem vodenja temelji na meritvah jalove moči (tokov) obločne peči. Blokovna shema algoritma je prikazana na sliki 2. Jalova komponenta (q- komponenta) toka je proporcionalna jalovi moči peči. Ker je tok popačen s harmoniki, q-komponenta toka ni konstantna vrednost. Z uporabo hitre Fourierove transformacije (FFT) algoritem izloči nizkofrekvenčna nihanja jalovega toka, ki so vir flikerja. S 50 Hz FFT izločimo harmonske komponente toka, z 9 Hz FFT pa osnovno harmonsko komponento. Izhodni vrednosti obeh filtrov v naslednjem koraku odštejemo. To predstavlja vhodni signal v blok 1, ki razliko pretvori v reaktanco X. Kadar je razlika minimalna, dobimo na izhodu tabele 1 vrednost 6,28 Ω, kar je najvišja vrednost obeh reaktanc. Kadar razlika doseže maksimalno vrednost, dobimo na izhodu tabele 0,30 Ω, kar je najmanjša vrednost reaktanc. V naslednjem koraku vrednost reaktance pretvorimo v susceptanco B. Susceptanca B predstavlja vrednost susceptance obeh dušilk (slika 2. b). Slika 2. Blokovna shema algoritma vodenja Vrednost susceptance B1 je konstantna in enaka 0,159 S, medtem ko je vrednost susceptance B2 odvisna od toka tiristorskih stikal. Kot α je nelinearna funkcija susceptance B2 in je določen s pomočjo tabele 2 [5]. Ta je zaradi faznega zamika med napetostjo na 35 kV in toka čez tiristorje korigiran z αc. Vrednost kota korekcije je enaka 53˚. Končno dobimo kot α1, ki predstavlja kot proženja tiristorskih stikal. Predstavljen algoritem vodenja se lahko uporabi za izbrano frekvenco spreminjanja dolžine obloka. 3 SIMULACIJE OBRATOVANJA V nadaljevanju so predstavljeni trije primeri simulacij. V prvi simulaciji je predstavljeno obratovanje peči brez serijskih dušilk, v drugem primeru dušilke obratujejo z “grobo regulacijo”, v tretjem primeru pa so dušilke vodene s predstavljenim algoritmom. Na koncu sledi še primerjava rezultatov. Kot osnovo za primerjavo smo privzeli rezultate simulacij obratovanja peči brez kompenzacije flikerja. 3.1 Simulacija brez kompenzacije V nadaljevanju so predstavljeni rezultati simulacije obratovanja peči brez kompenzacije, tj. brez serijskih dušilk. Časovni poteki moči, napetosti in toka so prikazani na slikah 3 in 4. Vrednosti delovne in jalove moči ter flikerja so podane v tabeli 3. S slik 3 in 4 so razvidna visokofrekvenčna in nizkofrekvenčna nihanja napetosti, toka ter delovne in jalove moči. Prav tako je razvidno, da sta delovna in jalova komponenta moči peči enaki delovni in jalovi komponenti moči omrežja. Jakost flikerja Pst na 110 kV zbiralkah je enaka 1,03. Slika 3. Časovna poteka delovne in jalove komponente moči peči (Pfur, Qfur) brez tiristorsko krmiljenih dušilk, 13. stopnja transformatorja. Slika 4. Časovna poteka napetosti zbiralk 35 kV in toka omrežja brez tiristorsko krmiljenih dušilk, 13. stopnja transformatorja. Izvedene so bile tudi simulacije za različne stopnje regulatorja napetostnih odcepov pečnega transformatorja. Rezultati za posamezne stopnje so podani v tabeli 3. Da bi omogočili primerjavo rezultatov, smo vse nadaljnje simulacije izvedli pri približno enaki obratovalni točki peči. 3 f / d q fft (9 Hz) fft (50 Hz) If L1 Igd Igq d c d c 1 X BX BL 1 BL 2 B lo k Tab ela 1 B lok Tabela 2 pu α L 1 R 1 B 1 I 1 L 2R2 B 2 I l1 I 2 B a) b) If L2 If L3 α c α 1 UPORABA TIRISTORSKO KRMILJENE SERIJSKE DUŠILKE ZA ZMANJŠANJE FLIKERJA ELEKTROOBLOČNE PEČI 115 Odcep transformatorja 15 14 13 12 Pst_35kV 9,51 8,91 8,36 7,71 Pst_110kV 1,21 1,15 1,10 1,03 Pfur [MW] 31,15 29,74 28,28 26,51 Qfur [MVAr] 40,71 37,37 34,20 30,51 Tabela 3. Vrednosti veličin za različne stopnje regulatorja odcepov pečnega transformatorja, brez krmiljenih dušilk (srednje vrednosti P in Q). 3.2 Simulacija z “grobo regulacijo” Simulirano je bilo delovanje peči s kompenzacijo flikerja, kjer je imela tiristorsko krmiljena paralelna dušilka samo dve mogoči stanji – popolnoma odprta (α = 90˚) ali popolnoma zaprta (α = 180˚). Od tod tudi poimenovanje “groba regulacija”. Pri popolnoma odprti dušilki tok doseže maksimalno vrednost. Pri popolnoma zaprti dušilki algoritem vodenja tiristorskih stikal ne deluje. Slika 5 prikazuje časovna poteka delovne in jalove moči. Algoritem začne delovati po 5 s od začetka simulacije. Pred tem serijska dušilka deluje kot vklopna induktivnost. Iz poteka delovne in jalove moči vidimo, da je prisotno izrazito nihanje obeh veličin, kar je posledica grobe regulacije. Pri tem je bil regulator odcepov pečnega transformatorja nastavljen na stopnjo 16. Slika 5. Poteki delovne in jalove moči peči ter delovne in jalove moči omrežja pri “grobi regulaciji”, 16. stopnja regulatorja odcepov Algoritem vodenja uporabljen v prikazani simulaciji temelji na stalnem merjenju razlike med referenčno in dejansko vrednostjo q-komponente toka. Referenčna vrednost je enaka 0. Kadar algoritem zazna, da je razlika vrednosti večja od 0, se stikala odpro in tok steče čez induktivnost L1. Kadar je razlika manjša od nič, se tiristorska stikala zapro ter tako kratkostičijo serijsko induktivnost L1. Posledično prihaja do velikih nihanj delovne in jalove komponente moči. Fliker na zbiralkah 35 kV in 110 kV je prikazan na sliki 6. Omeniti je potrebno, da model flikermetra v programu PSCAD prvi dve sekundi simulacije ne izračunava velikosti flikerja. Na sliki 7 je prikazana amplituda napetosti zbiralk 35 kV pred in po začetku obratovanja regulacijskega algoritma. V tabeli 4 so podane srednje vrednosti parametrov peči. Slika 6. Potek vrednosti flikerja zbiralk 35 kV in 110 kV za “grobo regulacijo” pred in po začetku delovanja kompenzatorja Slika 7. Poteka napetosti zbiralk 35 kV in toka omrežja pri “grobi regulaciji” pred in po začetku delovanja kompenzatorja, 16. stopnja regulatorja odcepov Odcep 16 Pst_35kV 4,79 Pst_110kV 0,56 Pfur [MW] 28,99 Qfur [MVAr] 34,80 Pgrid [MW] 29,24 Qgrid [MVAr] 39,62 Tabela 4. Vrednosti parametrov peči pri “grobi regulaciji”, 16. stopnja regulatorja odcepov (srednje vrednosti moči P in Q) 3.3 Simulacija s popolno regulacijo V nadaljevanju so prikazani rezultati simulacij obratovanja peči s popolno regulacijo kompenzacije flikerja. Pri tem se krmilni kot α spreminja med 90˚ in 180˚ [7]. Zaradi faznega zamika med napetostjo zbiralk 35 kV in toka čez tiristorje tok doseže najvišjo vrednost pri kotu proženja α = 90˚. Najnižjo vrednost doseže pri kotu 180˚. V prvih 5 s simulacije algoritem vodenja ne deluje. V tem času serijska sušilka deluje kot vklopna induktivnost. Po preteku 5 s regulacijski algoritem začne delovati in izračunavati kot α. Na slikah 8 in 9 so prikazani poteki delovne in jalove moči ter tok in fliker pred in po začetku delovanja regulacijskega algoritma. V tabeli 5 so podane vrednosti moči in flikerja za 16. stopnjo regulatorja odcepov pečnega transformatorja. SPASOJEVIĆ, BLAŽIČ, PAPIČ 116 Slika 8. Poteki delovne in jalove moči peči (Pfur, Qfur) in delovne in jalove moči omrežja (Pgrid, Qgrid) pred in po začetku delovanja regulacijskega algoritma, 16. stopnja regulatorja odcepov Slika 9. Poteka napetosti zbiralk 35 kV in toka omrežja pred in po začetku delovanja regulacijskega algoritma, 16. stopnja regulatorja odcepov Slika 10. Potek vrednosti flikerja zbiralk 110 kV in 35 kV pred in po začetku delovanja regulacijskega algoritma, 16. stopnja regulatorja odcepov Odcep 16 Pst_35kV 1,83 Pst_110kV 0,16 Pfur 27,29 Qfur 30,82 Pgrid 27,55 Qgrid 37,80 Tabela 5. Vrednosti moči za 16. stopnjo regulatorja odcepov pečnega transformatorja (srednje vrednosti moči P in Q) 4 ANALIZA REZULTATOV SIMULACIJ Lahko vidimo, da je po začetku delovanja regulacijskega algoritma nihanje omrežne jalove moči manjše, medtem ko je nihanje delovne moči nekoliko večje (slika 8). Nekoliko se poveča tudi poraba energije, kar je posledica načina obratovanja kompenzatorja. Da bi prikazali prednosti kompenzacije jalove moči s krmiljeno serijsko dušilko, prvih 5 s simulacije regulator ne obratuje. V tem času kompenzator obratuje kot fiksna serijska dušilka. Vrednosti parametrov za ta čas simulacije in za čas po preteku 5 s so prikazani v tabeli 6. Podani so tudi rezultati obratovanja brez kompenzatorja. Opazimo lahko, da se z začetkom obratovanja kompenzacije nivo flikerja občutno zniža. Hkrati se poraba energije v primerjavi z obratovanjem brez kompenzacije nekoliko poveča, kar je posledica večjih izgub na serijski dušilki. Odcep 16 16 13 Čas Prvih 5 s Po preteku 5 s Brez kompenzatorja Pst_35kV 7,11 1,83 8.36 Pst_110kV 0,92 0,16 1.10 Pfur [MW] 23,31 27,29 28.28 Qfur [MVAr] 23,16 30,82 34.20 Pgrid [MW] 23,80 27,55 28.28 Qgrid [MVAr] 33,37 37,80 34.20 Tabela 6. Vrednosti električnih parametrov za prvih 5 s simulacije, po preteku 5 s simulacije in za obratovanje brez kompenzacije (srednje vrednosti moči P in Q) Iz tabele 6 je razvidno, da je obratovalna točka peči s kompenzacijo flikerja pri P = 27,29 MW in Q = 30,82 MVAr približno enaka obratovalni točki brez kompenzacije flikerja pri 13. stopnji regulatorja odcepov pečnega transformatorja. Prav tako lahko zaključimo, da je delovna moč peči pri obratovanju z “grobo regulacijo” kompenzacije približno enaka delovni moči brez kompenzacije z obratovanjem peči pri 13. stopnji regulatorja odcepov (glej tabelo 7). Regulacija “Groba” Brez kompenzacije S kompenzacijo Odcep 16 13 16 Pst_35kV 4,79 8,36 1,83 Pst_110kV 0,56 1,10 0,16 Pfur 28,99 28,28 27,29 Qfur 34,80 34,20 30,82 Tabela 7. Primerjava rezultatov simulacij Rezultati simulacij so prikazani tudi na sliki 11. Opazimo lahko, da pri približno enaki delovni moči peči s kompenzacijo dosežemo občutno znižanje nivoja flikerja. Ta je s kompenzacijo približno 7-krat nižji kot brez kompenzacije. Z uporabo tiristorsko krmiljenih dušilk lahko torej dosežemo občutno znižanje flikerja v visokonapetostnem omrežju. UPORABA TIRISTORSKO KRMILJENE SERIJSKE DUŠILKE ZA ZMANJŠANJE FLIKERJA ELEKTROOBLOČNE PEČI 117 Slika 11. Grafična primerjava vrednosti flikerja pri približno enaki delovni moči peči 5 SKLEP V članku je prikazana uporaba tiristorsko krmiljenih serijskih dušilk kot učinkovitega načina kompenzacije flikerja. S primerjavo z drugimi načini kompenzacije (pasivna dušilka) je bilo ugotovljeno, da ima uporaba krmiljenih dušilk več prednosti: manjše nihanje jalove moči, bolj stabilno obratovanje peči, peč lahko obratuje z večjo delovno močjo pri isti stopnji regulatorja odcepov transformatorja. Uporaba serijskih krmiljenih dušilk je dražja, a hkrati tudi bolj učinkovita rešitev za zmanjšanje flikerja. ZAHVALA Operacijo delno financira Evropska unija, in sicer iz Evropskega socialnega sklada. Operacija se izvaja v okviru Operativnega programa razvoja človeških virov za obdobje 2007 – 2013, 1. razvojne prioritete: Spodbujanje podjetništva in prilagodljivosti, prednostne usmeritve 1.1.: Strokovnjaki in raziskovalci za konkurenčnost podjetij.