Procedury regulacyjne w systemie automatycznej regulacji mocy biernej w zakładzie przemysłowym

Seria: EL E K T R Y K A z. 172 N r kol. 1470

M arian H Y LA

PROCEDURY REGULACYJNE W SYSTEMIE AUTOMATYCZNEJ REGULACJI MOCY BIERNEJ W ZAKŁADZIE PRZEMYSŁOWYM

Streszczenie. W artykule przedstaw iono m etodę tw orzenia algorytm ów dla sterownika nadrzędnego w system ie autom atycznej regulacji mocy biernej z w ykorzystaniem silników.

O prócz podstaw ow ego zadania, tzn. utrzym yw ania w punkcie zasilania zakładu zadanego w spółczynnika m ocy tgcp, algorytm y pow inny optym alizow ać rozdział mocy zadanych do poszczególnych silników w g dodatkow ych kryteriów z uw zględnieniem dodatkow ych ograni­

czeń. Zam ieszczono w yniki sym ulacji układu autom atycznej regulacji mocy biernej w ykorzy­

stującej przedstaw ione algorytm y.

CONTROL PROCEDURES FOR REACTIVE POWER CONTROL SYSTEM IN FACTORY

Sum m ary. The paper presents the m ethod o f creating control algorithm s for the central controller in reactive pow er autom atic com pensation system w ith synchronous m otors usage.

Despite the m ain task, w hich is to keep the pow er factor on the set level at the factory supply­

ing point, algorithm s should optim ise the set reactive pow er distribution to the synchronous m achines using extra criteria w hentaking into account additional lim itations. The sim ulation results o f the reactive pow er control system using the presented algorithm s are given as well.

1. W P R O W A D Z E N IE

W iele zakładów przem ysłow ych w Polsce ponosi dodatkowe opłaty za energię elektrycz­

n ą zw iązane ze zbyt dużym poborem mocy biernej indukcyjnej w dniach roboczych, oraz z oddaw aniem m ocy biernej indukcyjnej do sieci w dniach w olnych od pracy lub nocą przy m ałym obciążeniu m o c ą czynną. P rzyczyną takiego stanu je s t brak układów automatycznej regulacji w ew nątrz zakładow ych źródeł mocy biernej, w tym szczególnie pracujących w wielu zakładach w sposób ciągły silników synchronicznych dużej mocy.

90 M .Hyla

D zięki układow i autom atycznej regulacji, w ykorzystującem u zainstalow ane ju ż w zakła­

dzie silniki synchroniczne i baterie kondensatorów m ożna by niejednokrotnie uniknąć prze­

kraczania d y rektyw nego w spółczynnika m ocy oraz oddaw ania mocy biernej do sieci.

K ryterium ekonom iczne w ym usza m inim alizację kosztów inw estycyjnych i eksploata­

cyjnych układu kom pensacji. W ty m celu założono w ykorzystanie ja k o regulow anych źródeł m ocy biernej silników synchronicznych ju ż pracujących w zakładzie i spełniających zadania napędow e, bez nakładów inw estycyjnych na nowe urządzenia. P ociąga to jednak za sobą ograniczenia, które m u sz ą zostać uw zględnione w m etodzie rozdziału m ocy biernej zadanej dla poszczególnych źródeł zw iązane z konfiguracją sieci w ew nątrzzakładow ej, oraz sam ych silników synchronicznych.

K oncepcja układu autom atycznej regulacji m ocy biernej [3] opiera się na centralnym (nadrzędnym ) regulatorze m ocy biernej podejm ującym decyzje co do rozdziału zapotrzebo­

w anej w danym kroku regulacji m ocy biernej do poszczególnych lokalnych (podrzędnych) m ikroprocesorow ych regulatorów w ykonaw czych na podstaw ie pom iarów rzeczyw istych m o­

cy w punkcie zasilania zakładu. Regulacji podlega w artość średnia 15-m inutow a w spółczyn­

nika m ocy tgcp.

M etoda rozdziału zapotrzebow anej m ocy biernej do poszczególnych regulow anych źró­

deł m ocy pow in n a zapew niać utrzym anie żądanego przez Zakład Energetyczny w spółczynni­

ka m ocy w punkcie zasilania zakładu. Ponadto pow inna zapew niać m inim alizację kosztów w ytw orzenia i przesy łu m ocy biernej w zakładowej sieci energetycznej oraz pozw alać na w prow adzenie d odatkow ych ograniczeń, np. zw iązanych ze zm ianam i napięcia w kablach zasilających spow odow anych przesyłem m ocy biernej.

2. A L G O R Y T M R E G U L A C JI

P roblem odpow iedniego rozdziału m ocy biernej zadanej do poszczególnych sterow ników lokalnych sprow adza się do m inim alizacji funkcji

w przestrzeni n- w ym iarow ej. D odatkow o przestrzeń ta ograniczona je st zależnością

(i)

Q\ + 0 2 + •■■ + (?» - ^Qz

oraz ograniczeniam i:

Q \min ~ Q \ ~ ^ l i n a x ’

Q ' l min — Q2^{~ Q}2^{m a x *}

O < 0 < 0

c i i m m — *~-n — 2£./i m a x ’

w ynikającym i z o bciążenia silników m o cą czynną przy ustalonych w artościach ograniczeń:

■^wlmin ~ ^w\ “ ^ w l m a x ’

^w 2m in ~ ^ w 2 " ^^t'2 m ax ,

(3)

(4)

^ w n inin ~ ^»71 ~ ^ w im a x *

gdzie: Qz - sum aryczna m oc bierna zadana, Qi - m oc bierna /-tego silnika, Iwi - prąd w zbudzenia /-tego silnika.

Z m iana obciążenia silnika m o c ą czynną pow oduje zm ianę w artości ograniczeń m inim al­

nej i m aksym alnej m ocy biernej, ja k ą dany silnik m oże wypracow ać. Jednocześnie w związku z nadrzędnością funkcji napędow ych oraz m ożliw ością zm ian konfiguracji sieci zm ienia się ilość silników dostępnych do potrzeb regulacji mocy biernej, a w ięc w ym iar n przestrzeni, w której m inim alizujem y funkcję (1).

A lgorytm regulacji pow inien pozw alać na proste uw zględnienie innych ograniczeń.

Z założenia algorytm sterow ania pow inien być prosty, o dużej szybkości obliczeń, aby m ożna go było zastosow ać w prostych i tanich system ach m ikroprocesorow ych. Z tego w zględu standardow e podejście polegające na tw orzeniu funkcji celu, w prow adzaniu ograni­

czeń za po m o cą funkcji bariery, a następnie num eryczna optym alizacja w zględem każdej zm iennej nie spełnia staw ianych wym ogów .

Z astosow anie ja k o sterow ników lokalnych m ikroprocesorow ych regulatorów m ocy bier­

nej silników synchronicznych typu RMB-01 [2] pozw ala na inne podejście do przedstaw ione­

go problem u. Silnik synchroniczny z regulatorem RM B-01 pracuje w obszarze ograniczonym znam ionow ym i m inim alnym prądem w zbudzenia, oraz znam ionow ym prądem stojana. O gra­

niczenia ustaw iane s ą w taki sposób, aby zapewnić bezpieczną pracę silnika niezależnie od w artości m ocy biernej zadanej i aktualnego obciążenia m ocą czynną. M oc bierna zadana prze­

syłana je st ze sterow nika centralnego łączem szeregow ym . Sygnałem zw rotnym je st inform a­

cja o rzeczyw istej m ocy czynnej i biernej silnika, w ejściu w którekolwiek ograniczenie, trybie pracy (dostępności dla potrzeb regulacji m ocy biernej).

Przyjęto więc, że optym alizacja funkcji celu odbywać się będzie w przestrzeni bez ograni­

czeń zw iązanych z wartościam i m inim alnym i i m aksym alnym i mocy biernej każdego z silni­

ków. W zależności od znaku błędu regulacji oraz ewentualnej pracy silnika na odpowiednim

92 M .Hyla

ograniczeniu algorytm pow inien podjąć decyzję o uw zględnieniu lub nieuw zględnianiu dane­

go silnika w aktualnym kroku regulacji.

P odstaw ow ym algorytm em rozdziału m ocy biernej zadanej do poszczególnych sterow ni­

ków lokalnych je s t rów nom ierny podział zgodnie ze w zorem

N ie u w zględnia on je d n ak procedur optym alizacji dodatkow ych param etrów .

Stw orzono w ięc k ilka algorytm ów regulacji dla sterow nika nadrzędnego zapew niających m.in.:

• m inim alizację prądów stojanów silników i kabli zasilających,

• m inim alizację strat m ocy czynnej w kablach zasilających spow odow anych przesyłem m o­

cy biernej,

• m inim alizację strat m ocy czynnej w silnikach synchronicznych,

• ograniczanie zm ian napięcia w kablach zasilających spow odow anych przesyłem mocy biernej,

oraz algorytm y łączące kilka z pow yższych [4,5].

O pracow ane algorytm y u w zględniają rów nież sterow anie bateriam i kondensatorów i fil­

tró w w yższych harm onicznych ja k o elem entów składow ych układu autom atycznej regulacji m ocy biernej.

W szystkie algorytm y m ożna opisać je d n ą z trzech poniższych funkcji.

M inim alizacje funkcji przeprow adzono poprzez w yznaczenie pochodnych cząstkow ych w zględem każdej zm iennej niezależnej, a po przyrów naniu ich do zera stosujem y m etody w y­

znacznikow e K ram era do rozw iązania pow stałego układu rów nań liniow ych. D la każdej z funkcji istnieje ograniczenie zgodnie z (2 ):

(5 )

(6) W ybrane ty p y funkcji w raz z rozw iązaniam i przedstaw iono poniżej.

F unkcja typu 1 :

n

F { x l , x 1,...,x K) = '£ ś {alx f + c ,) . (7 )

R ozw iązanie dla k- tej zm iennej:

(

)

Funkcja typu 2:

(9)

R ozw iązanie dla k- tej zm iennej:

(

)

n

F unkcja typu 3:

n

F ( x „ x 2,...,x„ ) = '£ ( a ,x ? + bix i + c i ) .

(

)

R ozw iązanie d la k- tej zm iennej:

(

)

O czyw iście, aby w w yznaczonych punktach funkcje posiadały m inim um , m usi być speł­

niony w arunek co do znaku drugich pochodnych.

N a rys. 1. przedstaw iono schem at blokowy algorytm u regulacji dla sterow nika nadrzędnego z uw zględnieniem dodatkow ych ograniczeń.

P oszczególne kroki procedury są następujące:

1. Pom iar m ocy czynnej i biernej na w ejściu lub w yjściu transform atora 110/6 kV. Oblicze­

nie zapotrzebow anej zm iany mocy biernej w g wzoru:

2. O znaczenie w szystkich silników jako dostępnych do potrzeb regulacji m ocy biernej.

3. O bliczenie sum arycznej mocy zapotrzebow anej,jaką m usi w yprodukow ać n dostępnych silników w g wzoru:

4. Rozdział zapotrzebow anej m ocy biernej do poszczególnych silników w g w ybranego kry­

terium.

5. Spraw dzenie dla każdego z n dostępnych silników , czy zadana m oc nie w ykracza poza je g o obszar pracy przy aktualnym obciążeniu. Jeżeli dla k- tego silnika zachodzi:

& Q : = P ‘g<P: - Q ( 13)

n

(14)

L k = * oraz Q ;k > Q„ , ( 15)

lub

L , = L m oraz Q :k < Qk . (16)

94 M .Hvla

R y s .l. S chem at blokow y algorytm u regulacji sterow nika nadrzędnego z uw zględnieniem do­

datkow ych ograniczeń

Fig. 1. B łock diagram o f control procedurę for the central controller w ith additional restric­

tions

następuje przejście do punktu 6 . Jeżeli dla żadnego z dostępnych silników nie zostały spełnione w arunki (15) i (16), następuje przejście do punktu 8.

6. Jeżeli dla k- tego silnika spełnione są w arunki (15) lub (16), zostaje on uznany za niedo­

stępny na potrzeby regulacji mocy biernej.

7. S praw dzenie, czy pozostały jeszcze dostępne silniki. Jeżeli nie następuje przejście do punktu 8, w przeciw nym w ypadku realizow any je st pow rót do punktu 3 i ponowne obli­

czenie oraz rozdział zapotrzebow anej mocy biernej do dostępnych silników,

8. W punkcie 8 realizow ane je st uw zględnienie dodatkow ych ograniczeń. Zostanie ono om ów ione na przykładzie ograniczania zm ian napięcia w kablach zasilających.

Przyjm ując, że zm iana napięcia w k- tym kablu wynosi

AUu, = I k (R kk c o s <pl + X kl[sm<pi) =R kkPk + X kkQk (17) 3 U

oraz zakładając dopuszczalny w zrost A U t , oraz spadek A U i napięcia m ożna w yznaczyć m i­

nim alną i m aksym alną w artość mocy biernej, ja k ą może w yprodukow ać dany silnik:

Po obliczeniu m ocy biernych zadanych dla poszczególnych silników następuje spraw­

dzenie pow yższego w arunku. Jeżeli zostanie stw ierdzone dla któregoś silnika przekroczenie podanych ograniczeń, odbyw a się przejście do punktu 9, w przeciw nym w ypadku następuje w yjście z procedury.

9. W punkcie 9 m oc zadana do silnika, dla którego stw ierdzono przekroczenie zależności (18), ograniczana je s t do dopuszczalnej w artości, silnik zostaje uznany za niedostępny i reali­

zow any je s t pow rót do punktu 3.

N ależy zauw ażyć, że sterow nik centralny nie musi znać aktualnej wartości prądu wzbu­

dzenia ani obciążenia m o c ą czy n n ą silnika. W ystarczającą inform acją je s t w artość mocy bier­

nej oraz fakt przebyw ania na górnym lub dolnym ograniczeniu od prądu w zbudzenia uzyski­

wane z regulatora R M B-01. B łąd regulacji, tzn. różnica między w artością m ocy biernej zada­

nej i rzeczyw istej, m oże pow stać jedynie w m om encie w ejścia silnika w którekolwiek ograni­

czenie. B łąd ten zostanie zlikw idow any w następnym kroku regulacji poprzez inny rozdział m ocy zadanej do pozostałych silników.

D zięki p o w y ższ ej p ro ced u rze u n ik a się czasochłonnego o p ty m a liz o w an ia funkcji n- zm iennych z 2n ograniczeniam i.

P rzedstaw iony algorytm rozdziału zapotrzebowanej mocy biernej do poszczególnych regulatorów lokalnych spraw dzono na drodze sym ulacji kom puterowej.

3Ł/A U , + R u Pk X *

(18)

3. W Y N IK I S Y M U L A C JI

O biektem sym ulacji by ła sieć 6 kV pewnego zakładu przem ysłowego. Schem at sieci przedstaw iono na rys.2 .

96 M .Hvla

'.V !••!« ll' l M ’llwl |l |l Hl‘|l v Iw-llK'l f in r

R ys.2. O biekt sym ulacji - zakładow a sieć 6 kV

Fig.2. O bject o f sim ulation - industry internal 6 kV pow er network

N a rys.3 przedstaw iono w yniki sym ulacji układu bez w ykorzystyw ania procedur regulacji m ocy biernej. Jako dane w ejściow e reprezentujące zastępcze obciążenia R ozdzielni O ddzia­

łow ych oraz silników synchronicznych w ykorzystano wyniki pom iarów przeprow adzone w pew nym zakładzie przem ysłow ym . Silniki pracują ze stałym prądem w zbudzenia w okolicy 80-90 % w artości znam ionow ej. W szystkie sekcje baterii kondensatorów są załączone.

Rys.3. P rzebiegi średnich 15-m inutow ych m ocy czynnej i biernej oraz w spółczynnika m ocy tg<j) bez procedur regulacji

F ig.3. T ransient states o f the pow er averaging in 15 m inutes intervals and pow er factor w ith­

out reactive pow er control procedures

N a rys.4. przedstaw iono odpow iednie przebiegi z w ykorzystaniem algorytm u kom pensa­

cji m ocy biernej z m in im a liz a c ją strat m ocy w kablach zasilających silniki oraz baterię kon -

densatorów dla zadanego tgę= 0,3 oraz dopuszczalnych zm ian napięcia A U % = ± 5 % . W yko­

rzystano 4 silniki synchroniczne oraz baterię kondensatorów zasilanych z transform atora Tr I.

Rys.4. Przebiegi średnich 15-m inutowych m ocy czynnej i biernej oraz w spółczynnika mocy tg<|> z w ykorzystaniem procedur regulacji

Fig.4. T ransient states o f the pow er averaging in 15 m inutes intervals and pow er factor with reactive pow er control procedures

4. P O D SU M O W A N IE

Przedstaw ione podejście do problem u kom pensacji m ocy biernej wykorzystującej pracu­

jące silniki synchroniczne o zm iennym obciążeniu z uw zględnieniem optym alizacji wg róż­

nych kryteriów z dodatkow ym i ograniczeniam i pozw ala na zaadoptow anie opracowanych algorytm ów dla sterow nika nadrzędnego w system ie autom atycznej regulacji mocy biernej.

Duża szybkość obliczeń oraz proste działania algebraiczne um ożliw iają zastosow anie ich w prostych i tanich system ach m ikroprocesorow ych.

U kłady autom atycznej regulacji m ocy biernej bazujące na przedstaw ionej koncepcji i al­

gorytm ach regulacji w drożono w 2 zakładach przemysłowych.

LITER ATU RA

1. Praca zbiorow a: „G ospodarka m ocą bierną w zakładach przem ysłow ych” . Zbiór refera­

tów, W rocław -Lubin 1984.

2. O rzechow ski T.: W ielopoziom ow y system sterow ania silnikam i synchronicznym i. Mat. II K onferencji Sterow anie w Energoelektronice i N apędzie Elektrycznym SEN E ’95, Łódź

1995, ss. 465-470.

3. H yla M., Latko A ., G ierlotka K., W olski A.: K oncepcja układu autom atycznej regulacji mocy biernej w dużym zakładzie przemysłowym. Mat. III K onferencji Sterowanie w Energoelektronice i N apędzie Elektrycznym S E N E ’97, Ł ódź 1997, ss. 229-234.

98 M .Hyla

4. H yla M.: M ikroprocesorow y regulator m ocy biernej silników synchronicznych RMB-01.

Mat. IX S ym pozjum P odstaw ow e Problem y Energoelektroniki i Elektrom echaniki P P E E ’99, W isła 1999, ss. 429-435.

5. H yla M.: A lgorytm y regulacji dla sterow nika nadrzędnego w w ielopoziom ow ym systemie autom atycznej kom pensacji m ocy biernej, Mat. IV K onferencji Sterow anie w Energoelek­

tronice i N apędzie E lektrycznym S E N E ’99, Ł ódź 1999, ss. 255-260.

6. H yla M.: W ielokryterialne sterow anie układem kom pensacji mocy biernej w zakładzie przem ysłow ym , grant K BN nr 8 T10A 069 15, G liwice 1999.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. Stanisław Piróg

W płynęło do R edakcji dnia 4 kw ietnia 2000 r.

A b s tra c t

The paper presents the reactive pow er flow control system in large industrial plants in w hich periods o f big reactive pow er consum ption or large reactive pow er production appear at different tim e o f a day or on different w eek - days.

The reactive pow er flow control system is based on the central superordinated reactive pow er controller, w hich co-operates w ith local specialised synchronous m otors controllers.

The central controller takes m easurem ents o f the real pow er values at the industry supplying points and m akes d ecision h ow to distribute the required reactive pow er properly am ong local controllers.

The w ay o f creating controlling algorithm s for the central superordinated controller is described. Such algorithm s ensure not only the m ain function o f keeping the industry supply­

ing points pow er factor on the set level but also m inim isation o f reactive pow er production and distribution in the internal 6 kV pow er network.

T he algorithm s allow easily im posing additional restrictions to control procedures. The general block diagram o f the control procedure is show n in F ig .l.

F ig.2. P resents a sim ulation object w hich is the internal 6 kV industry pow er network.

The paper is illustrated w ith exem plary sim ulation w aveform s w ithout control procedures (F ig.3.) and w ith use o f the considered procedure (Fig.4.).

R eactive pow er flow control system s based on the described idea and algorithm s o f con­

trol w ere successfully applied to tw o big industrial plants.