شبیه‌سازی یک جبران‌کننده توان راکتیو با ساختار FC/TCRبرای بهبود کیفیت توان کوره‌های قوس الکتریکی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Electric arc furnaces are used in steel plants to melt and retrieve metals especially iron. These furnaces melt scraps using the heat which is made by electric arc. Due to the nature of electric arc and melting process, these devices make some problems like unbalanced voltage and current, voltage and current harmonics, voltage fluctuations, and low power factor. Some issues like voltage stabilization, power factor adjustment and harmonics filtering should be addressed in order to optimize the electric power of arc furnaces in steel plants. Static VAR Compensator is a good solution to reduce the power quality problems caused by electric arc furnaces. In this thesis the effectiveness of Static VAR compensator on improvement of electric arc furnaces power quality was studied by simulating of 63KV line of Mobarakeh Steel Plant. To do so, different models of electric arc furnaces was studied. Because the most important factor in accuracy of electric arc is the voltage-current curve, exponential-hyperbolic model, which has close characteristics to the arc real characteristics, was chosen for this simulation. In this model unbalanced voltage and current and voltage flicker were applied randomly, and it was shown that the behavior of electric arc model was near to real electric arc in Mobarakeh Steel Plant. Static VAR compensator structure and its operations were also studied. With respect to the producer company information, the simulated compensator and proportional-integral (PI) control coefficients are tuned by trial and error, as the respond time of constant zero error and flicker compensation become less than a cycle. Finally, the 63KVA line in Mobarakeh Steel Plant was simulated using the model of electric arc and Static VAR compensator. To make the model more accurate the real values of Transformer and lines impedance was used.The results were studies while the thyristor controlled reactor (TCR) is in and out of the control range, and these results were compared with the practical results. The results show while TCR is working within the control range, it can improve the electric arc furnaces power quality factors such as voltage and current unbalance and voltage fluctuations. The current total harmonic distortion (THD) was reduced from 3.7 % to 1.3%, and compensator bus voltage THD was reduced from 2.2% to 1.1%. The increase of electric arc furnaces numbers increases the consumed reactive power, and as a result, the compensator is unable to compensate the voltage and current unbalance and voltage fluctuations and only increase the supply power factor with a constant value. So, the loads connected to the compensator bus will face these fluctuations constantly. In this case, the percentage of harmonic distortion of the whole current was reduced from 3 to 0.5, and the percentage of the harmonic distortion of the whole bus voltage of compensator was reduced from 4.2 to 1.2. Keywords: Electric Arc Furnace, Fixed Capacitors, Static Reactive Compensator, Thyristor Controlled Reactor.

کوره‌های قوس الکتریکی برای ذوب و بازیابی فلزات، خصوصاً آهن در کارخانه‌های فولاد‌‌ سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع از کوره‌ها، قراضه‌ها را توسط گرمای ناشی از قوس الکتریکی ذوب می‌کنند. به دلیل ماهیت قوس الکتریکی و فرآیند ذوب، این دستگاه‌ها باعث ایجاد مشکلاتی نظیر عدم تعادل ولتاژ و جریان، ولتاژ و جریان هارمونیکی ، نوسانات ولتاژ و ضریب توان پایین می‌شوند. به منظور استفاده بهینه از توان الکتریکی در کوره‌های قوس الکتریکی کارخانه‌های فولادسازی، لازم است مواردی چون تثبیت ولتاژ، اصلاح ضریب توان و فیلتر کردن هارمونیک‌ها مد نظر قرار گیرند.جبران کننده استاتیک توان راکتیوراه حلی مناسب برای کاهش مسائل کیفیت توان ناشی از کوره قوس الکتریکی می‌باشد. این پایان‌نامه به مدل‌سازی خط 63کیلو ولت مجتمع فولاد مبارکه و بار‌های متصل به این خط به منظور بررسی عملکرد جبران‌کننده استاتیک توان راکتیو در بهبود مسائل کیفیت توان کوره‌های قوس الکتریکی می‌پردازد.برای دستیابی به این هدف ابتدا مدل‌های مختلف کوره قوس الکتریکی در حوزه زمان مورد مطالعه قرار می‌گیرد. از آنجا که عامل اصلی در دقت مدل کوره قوس الکتریکی، منحنی مشخصه ولتاژ-جریان قوس می‌باشد، مدل نمایی-هذلولی که منحنی مشخصه نزدیکی به مشخصه واقعی قوس دارد، جهت شبیه‌سازی انتخاب می‌شود. در این مدل عدم تعادل ولتاژ و جریان و فلیکر ولتاژ به صورت تصادفی اعمال گردیده است و نشان داده شده است که رفتار مدل کوره قوس الکتریکی در شبیه‌ساز‌ی‌ها مطابق با عملکرد کوره‌های قوس واقعی مجتمع فولاد مبارکه می‌باشد. همچنین ساختار و چگونگی عملکرد جبران کننده استاتیک توان راکتیو مجتمع فولاد مورد مطالعه قرار گرفته است. سپس با توجه به اطلاعات شرکت سازنده، جبران‌کننده شبیه‌سازی شده و ضرایب کنترل کننده انتگرالی- تناسبی با زمان پاسخ کمتر از یک سیکل برای جبران فلیکر و خطای حالت دائم صفر برای جبران دقیق توان راکتیو با روش سعی و خطا به‌دست آمده است. در نهایت با استفاده از مدل کوره‌های قوس الکتریکی و جبران‌کننده استاتیک توان راکتیو، خط 63 کیلو ولت مجتمع فولاد مبارکه شبیه‌سازی شده است. در شبیه‌سازی‌ها، امپدانس ترانسفورماتورها وخطوط طبق مقادیر واقعی جایگذاری گردید، تا نتایج به‌دست آمده تا حد امکان به نتایج عملی نزدیک شود. نتایج حاصل از شبیه‌سازی دردو حالت عملکرد سلف کنترل شونده با تریستور یکی در محدود کنترل و دیگری خارج از محدوده کنترل، مورد بررسی قرار گرفته و با نتایج واقعی مقایسه شده است. از نتایج به‌دست آمده مشخص شد تا زمانی که سلف کنترل شونده با تریستور در محدوده کنترل عمل ‌کند، به نحو مطلوب مسائل کیفیت توان کوره قوس الکتریکی نظیر عدم تعادل ولتاژ و جریان و نوسانات ولتاژ را بهبود می‌بخشد. همچنین درصد اعوجاج هارمونیکی کل جریان منبع از 7/3 درصد به 3/1 و درصد اعوجاج هارمونیکی کل ولتاژ باس جبران‌کننده از 2/2 درصد به 1/1 کاهش یافته است.اما با افزایش تعداد کوره‌های قوس الکتریکی، توان راکتیو مصرفی این کوره‌ها افزایش می‌یابد، و در نتیجه جبران‌کننده دیگر قادر به جبران عدم تعادل ولتاژ و جریان و کاهش نوسانات ولتاژ نخواهد بود و تنها مقداری ثابت ضریب توان منبع را افزایش می‌دهد. بنابراین بارهای متصل به باس جبران‌کننده در این حالت دائماً در معرض این اعوجاجات قرار خواهند گرفت. البته در این حالت درصد اعوجاج هارمونیکی کل جریان منبع از 3 درصد به 5/0 و درصد اعوجاج کل هارمونیکی ولتاژ باس جبران‌کننده از 2/4 درصد به 2/1 کاهش یافته است. کلمات کلیدی: جبران‌کننده استاتیک توان راکتیو،خازن‌های ثابت، سلف کنترل شونده با تریستور، کوره قوس الکتریکی