Sistemas avanzados de compensación de potencia reactiva en instalaciones siderúrgicas de laminación

Resumen

Los trenes de laminación de bandas en caliente constituyen una de las instalaciones con mayor consumo de energía eléctrica de todo el proceso siderúrgico y, sin duda, una de las de mayor potencia instalada. La mayor parte de estos trenes de laminación cuentan con grandes cicloconvertidores constituidos por tiristores que demandan ingentes cantidades de potencia reactiva y corrientes con elevado contenido armónico que distorsionan notablemente la red. Debido este gran impacto en la red de estos convertidores, es necesario instalar voluminosos sistemas de filtrado pasivo que compensan las componentes armónicas más características y los flujos de reactiva a la componente fundamental. Sin embargo, estos sistemas de filtrado pasivo en ocasiones son una fuente de problemas de resonancias que ocasionan el disparo de las protecciones en la instalación y, por tanto, repercutiendo negativamente en la producción, Además, la naturaleza estática de los sistemas de filtrado, hace necesaria la instalación de otros sistemas dinámicos que compensen las numerosas fluctuaciones inherentes al proceso de laminación. Esta tesis está dedicada al estudio de los problemas de calidad de suministro eléctrico en instalaciones siderúrgicas de laminación en caliente constituidas por cicloconvertidores de diversas topologías, prestando especial atención, a los relacionados con la corrección del factor de potencia y la mitigación de armónicos. Entre las aportaciones más relevantes del trabajo está el desarrollo de modelos de simulación que permiten reproducir el funcionamiento de los accionamientos de las cajas de laminación de los trenes reversible y acabador, tanto de manera detallada como promediada. Los modelos han sido desarrollados en base a datos reales de instalaciones y validados mediante medidas eléctricas en la subestación de la instalación. También se desarrollan métodos de estimación de las consignas de par y velocidad de los accionamientos que permiten alimentar los modelos. Por otro lado, en la tesis se desarrolla un exhaustivo estudio de los sistemas de filtrado pasivo, complementando el mismo con un sistema dinámico constituido por un STATCOM de 6 pulsos. Estos sistemas de filtrado pasivo y el STATCOM son incorporados a los modelos desarrollados y complementados finalmente con ensayos en tiempo real para determinar las potenciales mejoras que se podrían introducir en estas instalaciones. Hot strip mills are one of facilities with the highest electrical demand in the steelmaking process and, overall, with the highest installed electrical power. Most of these hot strip mills have high power cycloconverters, made up by thyristors, and demand huge reactive power flows and currents with high harmonic content, which disturb the grid. Due to this harmonic distortion it is necessary to install passive filtering systems to improve the voltage quality and compensate the reactive power flows. However, these passive filtering systems are often a source of problems because of resonances which cause the trip of the protection relays. In addition, the passive nature of these systems makes it necessary to include other dynamic systems able to compensate the fluctuations of the rolling process. This thesis deals with the power quality problems in the hot strip mills with cycloconverters of several topologies, focusing on the power factor correction and the harmonic filtering. One of the most relevant contributions of this work is the development of electrical simulation models that allow to reproduce the power drive operation of each rolling stand, not only in a detailed version but also in an average version. The simulation models are based on real data and they have been validated properly by using electrical measurements in a real hot strip mill substation. It has been also developed an estimation method for the rolling torque and the speed reference for all the motors of the stands. In addition, a large analysis of the passive filtering systems has been carried out, including a 6-pulse STATCOM to conform a hybrid and dynamic compensation system. This passive filtering system and the STATCOM have been include in the simulation models, and also in a Real-Time simulation platform, in order to test the potential advantages of the hybrid systems in this kind of facilities, for reactive power compensation and harmonic filtering.