Kvalita elektrické energie v průmyslových sítích

Abstract

K tématu bylo přistoupeno tak, aby byla v úvodu zpracována problematika kvality elektrické energie z hlediska legislativy, následně byly definovány parametry kvality elektrické energie (měření i vyhodnocování) a dále uvedeny principy šíření rušení v distribučních soustavách s důrazem na hledisko zdrojů rušení. Jako nejvýznamnější zdroj rušení v průmyslových distribučních soustavách se projevují elektrické obloukové pece (EOP), na které se práce dále specializuje. Pro efektivní uchopení této problematiky práce obsahuje představení technologie EOP a odvození pracovních charakteristik EOP, na základě kterých jsou snadno pochopitelné hlavní mechanismy vzniku flicker efektu. Tato část práce rovněž obsahuje ukázku srovnání teoretických charakteristik s daty z reálného provozu. V návaznosti na příčiny vzniku a mechanismy šíření rušení jsou v práci popsané základní možnosti zlepšení kvality elektrické energie na základě základních opatření bez využití přídavných zařízení. Tyto opatření spočívají ve volbě vhodného místa připojení problematických odběratelů v distribuční soustavě, dále ve volbě vhodných komponentů a ve volbě vhodné konfigurace dané distribuční soustavy. Další možnosti je ještě zásah do výrobní technologie problematického odběratele s cílem omezení problému s kvalitou elektrické energie bez negativního dopadu na produkci odběratele. Potenciál pro výraznější omezení rušení přináší přídavná kompenzační zařízení. Práce podává přehled o současně používaných kompenzačních zařízení pro různorodé aplikace. Na základě vymezení této dizertační práce na průmyslové distribuční soustavy a problematiku spojenou s EOP je další část této práce zaměřená na polovodičově řízené kompenzační zařízení velkých výkonu na bázi výkonových tyristorů – SVC (Static VAr Compensator) a na bázi výkonových tranzistorů – STATCOM (Static Synchronous Compensator). U uvedené dvojice technologií je kladen důraz i na srovnání realizačních a provozních aspektů. Jádro práce se zaměřuje na modifikaci řídicího systému SVC s cílem efektivnějšího omezení flicker efektu. Analyzovaný řídicí systém SVC se skládá z otevřené regulační smyčky, která poskytuje rychlou odezvu na dynamické změny výkonu EOP, a uzavřené regulační smyčky, která poskytuje přesnou regulaci k zajištění požadované hodnoty účiníku v předávacím místě – PCC (Point of Common Coupling). Vylepšení spočívá v použití alternativních technik pro zpracování signálu vstupních řídicích proměnných. První alternativní technikou je použití SOGI (Second Order Generalized Integrator), který se také používá v jiných souvisejících aplikacích. Druhou alternativní technikou je použití váhovací funkce flicker efektu, která odpovídá funkci použité k měření flicker efektu pomocí standardizovaného flickermetru. K ověření vlastností navrhovaných technik bylo použito experimentální laboratorní pracoviště. K simulaci dynamického chování EOP byla použita data měřená ze skutečného provozu, která byla implementována do experimentu pomocí VSC (Voltage Source Converter). Analýza naměřených dat a dat získaných z laboratorních přístrojů vykazuje vysokou podobnost. Pokusy byly prováděny v několika variantách, aby odrážely rozdíly v různých fázích výrobního procesu v EOP. U všech variant byl vyhodnocen výsledný efekt blikání a jednotlivé techniky byly porovnány navzájem a s výsledky jiných prací. Práce navíc obsahuje případovou studií, která je prakticky zaměřena na konkrétní oblast. Popisuje podmínky a rozsah problémů s kvalitou elektrické energie ve studované oblasti a vyhodnocuje přínos již realizovaných opatření.

The topic was approached in such a way that the issue of electricity quality from the point of view of legislation was dealt in the introduction. Subsequently, the parameters of electricity quality were defined (measurement and evaluation). Furthermore, the principles of interference propagation in distribution systems were presented with emphasis on the aspect of interference sources. Electric arc furnaces (EAF), on which the work further specializes, are the most significant source of interference in industrial distribution systems. To effectively grasp this issue, the work contains an introduction to EAF technology and the derivation of EAF performance characteristics, based on which the main mechanisms of the flicker effect are easily understood. This part of the work also contains an example of the comparison of theoretical characteristics with data from real operation. In connection with the causes and mechanisms of interference propagation, the work describes the basic possibilities of improving the power quality on the basis of basic measures without the use of additional equipment. These measures consist in the selection of a suitable connection point for problematic customers in the distribution system, as well as in the selection of suitable components and the selection of a suitable configuration of the given distribution system. Another possibility is to intervene in the production technology of the problematic customer in order to reduce the problem with the power quality without a negative impact on the customer's production. Additional compensation devices provide the potential for more significant interference reduction. The work provides an overview of currently used compensation devices for various applications. Based on the definition of this dissertation on industrial distribution systems and issues related to EAFs, another part of this work focuses on semiconductor-controlled high power compensation devices based on power thyristors - SVC (Static VAr Compensator) and power transistors – STATCOM (Static Synchronous Compensator). Emphasis is also placed on the comparison of implementation and operational aspects of these technologies. The core of the work focuses on the modification of the SVC control system in order to more effectively reduce the flicker effect. The analyzed SVC control system consists of an open control loop, which provides a fast response to dynamic changes in EAF power, and a closed control loop, which provides precise control to ensure the required power factor value in the PCC (Point of Common Coupling). The improvement lies in the use of alternative techniques for signal processing of the input control variables. The first alternative technique is to use SOGI (Second Order Generalized Integrator), which is also used in other related applications. The second alternative technique is to use the weighting function of the flicker effect, which corresponds to the function used to measure the flicker effect using a standardized flickmeter. An experimental laboratory was used to verify the properties of the proposed techniques. Data from real operation were used to simulate the dynamic behavior of the EAF and were implemented in the experiment using VSC(Voltage Source Converter). The analysis of measured data and data obtained from laboratory instruments shows a high similarity. The experiments were performed in several variants to reflect the differences at different stages of the production process in the EAF. For all variants, the resulting flicker effect was evaluated and the individual techniques were compared with each other and with the results of other work. In addition, the work contains a case study, which is practically focused on a specific area. It describes the conditions and extent of problems with the power quality in the studied area and evaluates the benefits of already implemented measures.