500 kA鋁電解供電系統(tǒng)穩(wěn)流控制策略優(yōu)化

岑建軍， 陳祉丞， 郭昊昊， 李霄燕

(1. 中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司連城分公司， 甘肅 連城 1730335；2. 大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院， 哈爾濱 150001)

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)電解鋁廠大電流整流普遍存在電解電流輸出不穩(wěn)定的問題，導(dǎo)致獲得的鋁的質(zhì)量和產(chǎn)量下降[1-3]。因此，在當(dāng)前鋁電解供電系統(tǒng)中，控制電解電流的穩(wěn)流十分重要。

目前，國(guó)內(nèi)、外電解電源主要有2種方案[4]：二極管整流和晶閘管整流。除大型鋁冶煉廠采用大功率二極管整流外，晶閘管整流在我國(guó)電解電源領(lǐng)域占主導(dǎo)地位[5]。在國(guó)內(nèi)大型電解鋁整流系統(tǒng)中，常采用移相變壓器、整流變壓器有載調(diào)壓與自飽和電抗器三者相結(jié)合的電解電流調(diào)節(jié)方式[6]，即先用有載調(diào)壓變壓器(On-load Tap Changer，OLTC)對(duì)電解電流進(jìn)行粗調(diào)，然后用自飽和電抗器對(duì)電解電流進(jìn)行細(xì)調(diào)。其中，自飽和電抗器為電解電流恒電流控制的主要執(zhí)行元件。

中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司(簡(jiǎn)稱中鋁)連城分公司500 kA整流供電系統(tǒng)于2011年3月建成并投入使用，主要承擔(dān)著500 kA電解生產(chǎn)及其動(dòng)力系統(tǒng)的供電任務(wù)。目前，中鋁連城分公司整流所穩(wěn)流控制系統(tǒng)主要存在著輸出波動(dòng)過大、穩(wěn)流系統(tǒng)處于持續(xù)的低頻振蕩狀態(tài)、未進(jìn)入穩(wěn)定的工作區(qū)等問題。針對(duì)上述問題，本文對(duì)現(xiàn)有有載調(diào)壓變壓器、移相變壓器以及自飽和電抗器三者的協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了分析與改進(jìn)，并基于改進(jìn)后的策略進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備的調(diào)試運(yùn)行。

1 電解鋁整流系統(tǒng)的工作原理

圖1所示為中鋁連城分公司500 kA整流系統(tǒng)控制原理圖。圖中，Ig，If，ΔI分別為給定電流、反饋電流及其差值；Ik，Id分別為控制電流和輸出電流。輸入為公網(wǎng)提供的工頻交流電，依次經(jīng)過有載調(diào)壓變壓器、移相變壓器和以自飽和電抗器為核心的同向逆并聯(lián)整流器；輸出為符合負(fù)載要求的直流電[7-8]。應(yīng)用數(shù)字式可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)流系統(tǒng)的控制。穩(wěn)流大閉環(huán)PLC控制系統(tǒng)配置一套S7-300，系列電流由總測(cè)直流傳感器采集，經(jīng)隔離變送器反饋給PLC，與系列電流設(shè)定值進(jìn)行比較，通過PID運(yùn)算，將輸出結(jié)果作為單機(jī)組穩(wěn)流的分調(diào)給定，實(shí)現(xiàn)大閉環(huán)穩(wěn)流控制。單機(jī)組穩(wěn)流小閉環(huán)PLC控制系統(tǒng)配置一套S7-200，由直流傳感器采集機(jī)組的直流輸出電流；然后，經(jīng)隔離變換器后反饋給PLC，并與給定電流信號(hào)比較；由PLC中控制器進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而控制電流，達(dá)到單機(jī)組輸出電流穩(wěn)定的目標(biāo)，使電解系列總輸出電流達(dá)到系列設(shè)定的目標(biāo)值[9-10]。

1-有載調(diào)壓變壓器； 2-移相變壓器； 3-自飽和電抗器

1.1 移相變壓器

中鋁連城分公司的電解鋁整流系統(tǒng)采用如圖2所示的移相變壓器。該移相變壓器由4個(gè)不同組別的三相變壓器的并聯(lián)而成。這4個(gè)三相變壓器分別采用Yy11、Yy5、Yd12、Yd6接法，在相位上產(chǎn)生了4個(gè)不同的變化，將每個(gè)周期的脈波數(shù)變?yōu)樵瓉淼?倍，即12脈波，每個(gè)脈波相差30°。

圖2 移相變壓器結(jié)構(gòu)圖

1.2 自飽和電抗器

自飽和電抗器的等效電路圖如圖3所示。其中，Us為工作電壓；Uk為控制電壓；Nk為控制繞組匝數(shù)；Ns為工作繞組的匝數(shù)。

圖3 自飽和電抗器等效電路

圖中，帶有二極管一側(cè)為控制回路，控制回路導(dǎo)通使鐵芯去磁；另一側(cè)為工作回路，工作回路導(dǎo)通使鐵芯增磁，兩側(cè)回路的激磁作用方向相反。當(dāng)鐵芯處于飽和狀態(tài)時(shí)，磁導(dǎo)率很小，當(dāng)鐵芯處于不飽和狀態(tài)時(shí)，磁導(dǎo)率取值較大。當(dāng)自飽和電抗器處于不飽和狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的電感值較大，可將激磁電感支路視為開路。因此，在到達(dá)自然換向點(diǎn)后，若電抗器還未達(dá)到飽和狀態(tài)，則阻斷了回路的正常導(dǎo)通，發(fā)生換向延遲[11-12]。圖4所示為整流系統(tǒng)中采用的整流電路。

圖4 12脈波整流電路

自飽和電抗器的控制電路如圖5所示。電網(wǎng)提供的交流電依次經(jīng)過變壓器、整流橋、Buck電路后得到穩(wěn)定的控制電壓，通過控制Buck電路中IGBT的通斷改變控制電壓的大小。采集流經(jīng)電解槽的電流，當(dāng)電流值與標(biāo)準(zhǔn)值不相等時(shí)，利用PWM技術(shù)，通過控制器向晶閘管發(fā)出占空比變化的信號(hào)，改變晶閘管通斷頻率，從而改變控制電壓，使電解槽電流變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)值?？刂破鞒２捎肞I、PID等控制方式。

圖5 飽和電抗器控制回路

1.3 穩(wěn)流協(xié)調(diào)控制策略

中鋁連城分公司整流所穩(wěn)流控制系統(tǒng)共有7臺(tái)整流機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配置1套單機(jī)組穩(wěn)流控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單機(jī)組的小閉環(huán)穩(wěn)流控制，另配置1套總調(diào)穩(wěn)流控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)7臺(tái)機(jī)組的大閉環(huán)穩(wěn)流控制，其原理如圖6所示。

圖6 電解鋁穩(wěn)流控制原理圖

有載調(diào)壓變壓器在電解電流波動(dòng)較大、飽和電抗器不足以調(diào)節(jié)時(shí)進(jìn)行寬范圍調(diào)整。穩(wěn)流協(xié)調(diào)控制流程圖如圖7所示。

圖7 電解鋁穩(wěn)流控制流程圖

圖中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或電解槽發(fā)生陽極效應(yīng)時(shí)，電解電流發(fā)生變化，計(jì)算此時(shí)電流與給定標(biāo)準(zhǔn)值的差值ΔI′。設(shè)自飽和電抗器電流的調(diào)節(jié)范圍為ΔI，若ΔI′>ΔI，即電流波動(dòng)超出自飽和電抗器的調(diào)節(jié)能力時(shí)，觸發(fā)OLTC升降檔操作，延遲一段時(shí)間后，再進(jìn)行ΔI′的計(jì)算，若仍有ΔI′>ΔI，則重復(fù)調(diào)節(jié)OLTC，直到ΔI′減小至小于ΔI為止[13-16]。

2 系統(tǒng)的配置與調(diào)試

2.1 系統(tǒng)配置

中鋁連城分公司500 kA整流所按照自飽和電抗器控制電流0～30 A、控制電壓0～10 V、調(diào)壓深度70 V進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備表

2.2 系統(tǒng)存在的問題

分別對(duì)7臺(tái)整流機(jī)組和總控控制器進(jìn)行測(cè)試，圖8所示為1～4號(hào)機(jī)組的輸出電流與占空比波形。由圖8可見，系統(tǒng)輸出電流和占空比的波動(dòng)較大。經(jīng)分析認(rèn)定PI控制器存在問題，由于響應(yīng)無法跟隨較高的速率波動(dòng)，從而使系統(tǒng)無法快速調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致波動(dòng)疊加進(jìn)一步擴(kuò)大。影響系統(tǒng)響應(yīng)速度的因素可能有以下幾種：① 反饋濾波參數(shù)選取不合理，造成反饋存在較大滯后；② 控制程序參數(shù)選擇不合理，即PI參數(shù)不合適；③ 控制器運(yùn)算掃描速度慢。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)， PLC S7-200掃描周期為5～10 ms，掃描周期滿足要求，故可以排除硬件速度慢的因素。因此，本文主要針對(duì)前2個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖9所示為系統(tǒng)輸出總電流和控制器輸出占空比波形。由圖9可見，系統(tǒng)的輸出處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，無法及時(shí)跟隨?？偪乜刂破魇窍到y(tǒng)的控制外環(huán)，理論上，與單機(jī)組內(nèi)環(huán)相比，其響應(yīng)速度應(yīng)該稍慢一些，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過對(duì)PLCS7-300監(jiān)測(cè)后，發(fā)現(xiàn)其程序運(yùn)算時(shí)間僅為1 ms級(jí)，掃描速度快；然而，PLC S7-200掃描速度為10 ms級(jí)，故其不能及時(shí)地完成對(duì)總控制器輸出的運(yùn)算，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；雖然PLCS7-300控制器執(zhí)行速度快，但是若反饋信號(hào)滯后，則其計(jì)算就失去了意義。因此，必需對(duì)總控制器進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)

(1) 消除500 kA整流系列直流側(cè)輸出在固定周期(2～10 s)內(nèi)電流低頻振蕩的問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，過濾系統(tǒng)中沖擊脈動(dòng)的誘發(fā)因子，消除因整流供電機(jī)組振蕩解列造成的電解系列停電的事故。

(2) 實(shí)現(xiàn)500 kA整流系統(tǒng)直流輸出電流穩(wěn)定性控制，為電解槽正常生產(chǎn)工藝過程提供保障。具體要求如下：① 單柜穩(wěn)流精度為±0.5%，即單柜輸出電流波動(dòng)幅度控制在200 A內(nèi)；② 系列穩(wěn)流精度為±1%，即系列輸出電流波動(dòng)幅度控制在5 kA內(nèi)。

2.4 優(yōu)化過程與結(jié)果

經(jīng)過對(duì)設(shè)備分析以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，本文對(duì)單機(jī)組PLC S7-200和總控制器PLC流程分別進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)前、后的PLC流程如圖10所示。

通過理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，調(diào)整了反饋濾波參數(shù)和控制程序參數(shù)(PI參數(shù))，以提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度。表2所示為調(diào)整前、后單機(jī)組kP，kI參數(shù)。

(a) 1號(hào)機(jī)組電流

(b) 1號(hào)機(jī)組占空比

(c)2號(hào)機(jī)組電流

(d) 2號(hào)機(jī)組占空比

(e) 3號(hào)機(jī)組電流

(f) 3號(hào)機(jī)組占空比

(g) 4號(hào)機(jī)組電流

(h) 4號(hào)機(jī)組占空比

圖8單機(jī)組輸出電流與占空比波形

(a) 總電流

圖9系統(tǒng)輸出電流和控制器輸出波形

(a) 單機(jī)組PLC S7-200

(b) 總控制器PLC S7-300

機(jī)組編號(hào)調(diào)整前調(diào)整后kPkIkPkI1-3.600.090-5.500.1002-2.000.045-4.800.1003-2.600.060-5.000.1004-1.800.045-4.000.100

同時(shí)，對(duì)總控制器kP，kI，kD參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過10次測(cè)試，最終得到比較滿意的結(jié)果，表3給出了總控制器kP，kI，kD參數(shù)調(diào)整的數(shù)據(jù)。

表3 總控制器kP ，kI，kD 的調(diào)整結(jié)果

利用優(yōu)化后的參數(shù)分別于2016-12-07—2016-12-09對(duì)4臺(tái)機(jī)組進(jìn)行調(diào)試。其中，2016-12-07調(diào)試1#和3#機(jī)組，2016-12-08調(diào)試4#機(jī)組，2016-12-09調(diào)試2#機(jī)組。圖11所示為4臺(tái)機(jī)組調(diào)試當(dāng)天的直流電流輸出曲線。圖中，虛線左側(cè)為優(yōu)化前電流輸出曲線，右側(cè)為優(yōu)化后電流輸出曲線。由圖可見，在優(yōu)化前，單機(jī)組直流電流輸出波動(dòng)較大，系統(tǒng)極不穩(wěn)定，而優(yōu)化后，直流電流輸出波動(dòng)較優(yōu)化前小很多，優(yōu)化效果明顯。

(a) 1#機(jī)組

(b) 2#機(jī)組

(c) 3#機(jī)組

(d) 4#機(jī)組

圖11優(yōu)化PI參數(shù)前、后單柜直流電流曲線

圖12所示為電解計(jì)算站參數(shù)調(diào)整前、后的電流輸出曲線。圖中虛線左側(cè)為優(yōu)化前電流，右側(cè)為優(yōu)化后電流。

圖12 電解計(jì)算站調(diào)整前、后電流曲線

由圖可見，優(yōu)化后，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)得到了改善，但是仍存在系統(tǒng)響應(yīng)慢的問題。該問題最大的原因在于飽和電抗器的響應(yīng)速率和反饋的滯后，可通過增加kP以增大反應(yīng)速度、增加kI進(jìn)行超前調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行改進(jìn)，但是，該種方案在業(yè)界還無先例應(yīng)用，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 語

本文采用載調(diào)壓變壓器、移相變壓器以及自飽和電抗器三者協(xié)調(diào)控制策略，明顯改進(jìn)了500 kA整流供電系統(tǒng)穩(wěn)流控制精度，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到顯著提高。系統(tǒng)改進(jìn)后，穩(wěn)流系統(tǒng)在部分工作區(qū)域或工作時(shí)段能夠達(dá)到理想狀態(tài)，低頻振蕩現(xiàn)象得到抑制；10 V左右的效應(yīng)系列的電流可控制在3 kA以內(nèi)波動(dòng)，30 V效應(yīng)系列的電流可控制在5 kA以內(nèi)波動(dòng)，45 V效應(yīng)系列的電流可控制在7 kA以內(nèi)波動(dòng)，單柜穩(wěn)流精度為±0.5%，系列穩(wěn)流精度為±1%。

[1] 黃克勤，杜光輝，田占偉．400 kA整流配電系統(tǒng)典型事故及應(yīng)對(duì)措施 [J] ．科技資訊，2016,14(1):33，35．

[2] ARONSTEIN J, HARE T K. AC and DC electromigration failure of aluminum contact junctions [J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2005, 28(4): 701-709.

[3] RODRIGUEZ J R, PONTT J, SILVA C, et al. Large current rectifiers: state of the art and future trends [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005, 52(3): 738-746.

[4] 喬樹通，姜建國(guó)，左東升.電解電源及其控制的現(xiàn)狀與展望 [J].氯堿工業(yè)，2006(1)：6-10.

[5] 張曉虎.大功率整流系統(tǒng)能效評(píng)估與在線監(jiān)測(cè)方法及其應(yīng)用研究 [D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2014:1-5．

[6] 牛玉娟．河南中孚300 kA級(jí)鋁電解穩(wěn)流控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 [D]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010:7-10．

[7] 李潔，卜旭芳．?dāng)?shù)字式穩(wěn)流控制系統(tǒng)在電解鋁中的應(yīng)用 [J]．中國(guó)有色冶金，2012,41(5)：46-49．

[8] 劉皓明，孟俠，高元，等．電解鋁整流系統(tǒng)建模與穩(wěn)流協(xié)調(diào)控制策略 [J]．中國(guó)電力，2015，,48(1)：121-126．

[9] 黃貴平．鋁電解直流大電流穩(wěn)流系統(tǒng)改進(jìn) [J]．中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2014(9):45-47．

[10] 李慶華，賀海倉．綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在電解鋁整流供電過程中應(yīng)用 [C]//2016河南省有色金屬學(xué)術(shù)年會(huì). 鄭州: 河南省有色金屬學(xué)會(huì)，2016：1-4．

[11] 楊銘，許和平，許其品，等．自飽和電抗器在大功率電解鋁整流中的控制特性分析 [J]．變壓器，2014，51(7):6-11．

[12] 許和平，楊銘，許其品，等．電解鋁整流電路中平衡電抗器的分析與設(shè)計(jì) [J]．電氣傳動(dòng)，2013,43(11)：44-49．

[13] 劉皓明，黃海萍，高元，等．考慮有載調(diào)壓變壓器的電解鋁穩(wěn)流控制及其能效分析 [J]．電力需求側(cè)管理，2013，15(3):34-37．

[14] ABBOTT S B, ROBINSON D A, PERERA S, et al. Simulation of HTS saturable core-type FCLs for MV distribution systems [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006,21(2): 1013-1018.

[15] AGALGAONKAR A P, MUTTAQI K M, PERERA S. Response analysis of saturable reactors and tap changer in an aluminium smelting plant [C] ∥ 2009 Third International Conference on Power Systems. Kharagpur, India: IEEE, 2009:1-6.

[16] 司丞坤，高金峰．有載調(diào)壓變壓器對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響分析 [J]．電測(cè)與儀表，2015,52(20):113-119．