Разработка фундаментальных основ и научно обоснованных технических решений по обеспечению качества электроэнергии во внутризаводских системах электроснабжения с мощными промышленными электроприводами

За последние десять лет на крупных промышленных предприятиях образовался новый класс технических систем (ТС), включающих три главных компонента: питающую сеть, многоуровневый преобразователь частоты (ПЧ) с активным выпрямителем напряжения (АВ) и регулируемый электропривод переменного тока большой мощности. Они являются примером использования последних научно-технических достижений в области электротехники и электроники, обладающих рядом существенных преимуществ, с точки зрения эффективности преобразования и потребления электрической энергии, а именно: 1) возможность рекуперации энергии в питающую сеть в тормозных режимах электропривода; 2) возможность поддержания единичного коэффициента мощности в точке подключения активного выпрямителя к питающей сети; 3) улучшение гармонического состава потребляемого тока в диапазоне низких и средних частот за счет применения модифицированных алгоритмов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с удалением или подавлением выделенных гармоник. Однако, как показал практический опыт эксплуатации данных ТС на отечественных и зарубежных металлургических предприятиях, современные многоуровневые активные выпрямители снижают эффективность функционирования ТС по следующим выявленным причинам: 1) обнаружена высокая вероятность сильного ухудшения качества напряжения во внутризаводской распределительной электрической сети 6-35 кВ из-за наложения высокочастотных гармоник входного напряжения и тока АВ на резонансные области частотной характеристики питающей сети; 2) обнаружена низкая помехоустойчивость активных выпрямителей к провалам и несимметрии напряжения со стороны питающей сети. Так, например, на ряде металлургических предприятиях России, например, на АО «Металлургический завод Балаково», ООО «Абинский электрометаллургический завод», Череповецкий металлургический комбинат ПАО «Северсталь» и др. из-за сильных искажений напряжения в распределительной сети 10 кВ наблюдались проблемы с функционированием электрооборудования, а также выходы из строя преобразователей частоты, функционирующих параллельно мощным источникам гармоник высокого порядка – ПЧ-АВ в составе главных электроприводов прокатных станов. В свою очередь, на предприятии ЗАО «ММК Metalurji» (г. Искендерун, Турция) с начала ввода в эксплуатацию металлургического комплекса с прокатными станами сохраняется проблема аварийного отключения главных электроприводов станов горячей и холодной прокатки из-за частых провалов напряжения, передающихся из районной энергосистемы по линиям электропередачи на главную понизительную подстанцию завода. Необходимо отметить, что аналогичные проблемы в рассматриваемых технических системах встречаются на многих зарубежных промышленных предприятиях, что видно из анализа зарубежной научно-технической литературы. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о существовании нерешенной научной проблемы электромагнитной совместимости в рассматриваемых ТС, которая заключается в отсутствие научно обоснованных методик определения и снижения влияния мощных нелинейных потребителей и источников электрической энергии на основе полупроводниковых преобразователей в искажение напряжения питающей сети в точке общего присоединения в диапазоне высоких частот. Ведущие фирмы-производители, такие как АВВ, Siemens, Schneider Electric, Toshiba Mitsubishi, Danieli и др., в большинстве случаев не осуществляют реализацию технических мероприятий в рассматриваемых ТС по обеспечению электромагнитной совместимости мощных электроприводов на базе ПЧ-АВ с внутризаводской сетью среднего напряжения 6-35 кВ. Целью заявляемого научного проекта является разработка фундаментальных основ и научно обоснованных технических решений, направленных на обеспечение электромагнитной совместимости мощных промышленных электроприводов на базе ПЧ-АВ с распределительной сетью среднего напряжения системы внутризаводского электроснабжения. В рамках реализации научного проекта планируется решение следующих основных задач: 1. Экспериментальные исследования режимов работы мощных электроприводов на базе ПЧ-АВ на действующих промышленных предприятиях. Экспериментальные и теоретические исследования существующих алгоритмов ШИМ, применяемых для активных выпрямителей ПЧ-АВ. Экспериментальные исследования качества электроэнергии во внутризаводских электрических сетях с мощными электроприводами на базе ПЧ-АВ. 2. Разработка комплексных математических моделей системы внутризаводского электроснабжения и электроприводов на базе ПЧ-АВ для исследования возможных резонансных явлений в частотных характеристиках сети, влияния работы ПЧ-АВ на качества напряжения на общих секциях заводской подстанции, режимов работы ПЧ-АВ при провалах напряжения, а также дальнейшей разработки и исследования научно обоснованных технических решений по обеспечению надежной работы и электромагнитной совместимости мощных ПЧ-АВ с питающей сетью 6-35 кВ. 3. Разработка способа диагностики резонансных явлений во внутризаводской сети 6-35 кВ промышленного предприятия за счет специальных тестовых воздействий со стороны ПЧ-АВ, функционирующих в данной сети. 4. Разработка усовершенствованных алгоритмов ШИМ с функцией адаптации к резонансным явлениям в питающей сети среднего напряжения 6-35 кВ, обеспечивающих улучшение гармонического состава напряжения на общих секциях главной понизительной подстанции предприятия, от которой получают питание различные группы электроприемников, в том числе, чувствительных к ухудшению качества электроэнергии. 5. Разработка специальных типов фильтрокомпенсирующих устройств, обеспечивающих необходимую коррекцию частотной характеристики питающей сети 6-35 кВ с целью исключения наложения диапазона частот высших гармоник токов, генерируемых ПЧ-АВ, с резонансными областями в частотных характеристиках. 6. Разработка усовершенствованных алгоритмов управления ПЧ-АВ, а также алгоритмов управления мощными статическими тиристорными компенсаторами (СТК), установленными на промышленном предприятии, с целью обеспечения надежного функционирования силовых преобразователей в составе мощных электроприводов производственных механизмов при возникновении провалов напряжения в системе внутризаводского электроснабжения. Ожидаемые результаты реализации научного проекта в виде новой методики проектирования рассматриваемых ТС, усовершенствованных алгоритмов ШИМ для активных выпрямителей ПЧ-АВ с функцией адаптации к резонансным явлениям в питающей сети 6-35 кВ, новых типов фильтрокомпенсирующих устройств для коррекции частотных характеристик питающей сети 6-35 кВ, новых алгоритмов управления ПЧ-АВ и мощных промышленных СТК для обеспечения надежной работы силовых преобразователей при провалах напряжения, обладают научной новизной, практической и теоретической значимостью. Применение вышеперечисленных технических решений на практике позволит успешно решить существующую проблему электромагнитной совместимости мощных электроприводов на базе ПЧ-АВ с питающей сетью 6-35 кВ, а также повысить надежность работы силовых преобразователей данного типа при внешних возмущениях со стороны питающей сети. Разработанные научно обоснованные технические решения будут рекомендованы к внедрению на действующих промышленных предприятиях, где функционируют мощные электроприводы промышленных механизмов на базе ПЧ-АВ. Также результаты работы могут быть использованы производителями ПЧ-АВ и промышленных фильтрокомпенсирующих устройств с целью реализации предложенных рекомендаций при настройке систем управления ПЧ-АВ, а также выборе параметров компенсирующих устройств, при проектировании и вводе в эксплуатацию данных технических систем.