鋁電解直流大電流穩流系統改進

摘要：電解鋁行業直流大電流自動穩流控制系統開發出了數字式穩流控制系統得到廣泛應用。文章簡要介紹目前國內直流大電流自動穩流控制系統的工作原理及實際運行中存在的問題，并提出了改進方案。

關鍵詞：穩流控制；通訊方式；PID參數設定；裝置模塊化；反饋信號

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）09-0045-03

1 概述

目前國內電解鋁行業直流大電流自動穩流控制系統仍采用早起北京整流變壓器廠研制的模擬電子電路控制原理，后經包頭鋁業集團動力公司科技人員在此基礎上將多年實踐運行經驗結合PLC可編程序控制器技術開發出了數字式穩流控制系統得到廣泛應用。該系統工作原理是通過改變主回路飽和電抗器偏移繞組或控制繞組的電流來改變電抗器中的磁勢（電抗值），即自飽和電抗器作為直流電流恒流控制的主要執行器件，是將整流機組輸出的直流電流通過直流互感器變換，由穩流系統將變換后的電流轉換成4-20mv電壓信號反饋給PLC，與給定信號比較，PLC進行PID計算，控制輸出脈沖的占空比，改變IGBT的輸出電流，從而使整流元件自然換向角延遲，達到調整系統直流電流在給定值的目的。其直流電流的調節方式根據主回路整流柜元件的不同有二種調節方式：即整流調壓變壓器有載調壓+自飽和電抗器+硅整流柜的組合方式，變壓器有載開關粗調，電抗器細調及整流調壓變壓器有載調壓+可控硅整流柜的組合方式，變壓器有載開關粗調，可控硅細調的調節方式。目前國內大型電解鋁企業多采用第一種方式。它的調壓范圍設計一般在50～70V/DC之間。

2 自動穩流控制系統在實際運行中存在的問題

隨著整流設備制造技術的不斷發展，單機組直流電流由20000A上升到100000A，電壓由600V/DC也提升到了1500V/DC左右，電解鋁向系列電流500KA、單系列年產能30～40萬噸方向發展，而整流機組穩流控制系統在技術上基本沒有研究和發展，致使系列直流電流在效應瞬間波動范圍達到16000A左右，電壓的波動幅度也在50V左右。產生如此較大幅度波動的因素主要表現在以下幾點：

穩流裝置在設計時未考慮整流系統諧波對穩流控制系統的影響以及通訊方式。

飽和電抗器的控制繞組和偏移繞組結構基本一樣，特性一致，控制卻不盡相同。目前穩流系統電源部分，對偏移繞組的控制電路采用單相調壓器調壓、經單相變壓器降壓、再經過單相橋式整流、后置電路直接控制電抗器偏移繞組；而電抗器控制繞組電源部分采用三相整流變壓器、再經過三相橋式整流、加上后置電路、由PID調節控制IGBT模塊、調節電抗器控制繞組的電流大小。這兩種電源電路電壓波形存在差異，對飽和電抗器鐵芯助磁和消磁的電流不對稱。

飽和電抗器控制和偏移繞組在沒加直流控制電流的情況下可感生出300Hz的非正弦交流電壓、幅值大小不一，約在800～2600V之間，易造成反饋板、觸發板和IGBT模塊損壞。

穩流控制PID用總調方式下、在“目標值”臨界點時，各機組之間有“翹翹板”式的波動現象，即在總調模式下各機組電流分配是在小閉環（單機組閉環系統）與大閉環（系列電流閉環系統）系統雙重作用下進行調節，在小閉環調節過程中同時接受大閉環的調節指令，造成機組輸出電流的不斷變化。

調變有載開關一般只壓1～2檔（1檔居多）。有載開關每升降1檔，系列直流電壓升降在8～14V/DC之間（與變壓器容量及有載開關級數有關），在電解系列產生一個效應（約30V左右）時，系列電壓釋放8～14V/DC，覆蓋不了30V的效應電壓。壓至2～3檔時往往導致飽和電抗器工作于非線性區，穩流不起作用。

壓檔太多（3～4檔）系統功率因數降低較多，電壓質量下降，不能滿足電網基本要求。

壓檔太多（3～4檔）時，電解效應瞬間熄滅后，PID響應速度慢，系統波動較大，容易引起直流過電流，導致機組跳閘。

3 整流機組穩流控制系統的改進理念

穩流控制系統信號的上傳以及各機組穩控柜之間的通訊連接，均應采用光纜通訊，通訊速度快，不受強電、磁場及諧波干擾。

穩流控制單元結構模塊化，接線簡單，便于安裝、檢修、更換。如配置4臺逆變直流控制電源，2臺分別用于2組控制繞組，2臺分別用于2組偏移繞組。配置1臺2路直流電流測量顯示及PID控制箱，即組成一套單機組測量顯示及穩流控制系統。使原穩流控制系統采用單相、三相電源變壓器、平波電抗器及DCS-800等元器件得到徹底改進。

采用PID控制箱后，在沒有后臺計算機情況下，可現場通過面板設置各種參數；有直流電流測量顯示功能（0.2級）；有直流過載參數設定功能；PID控制參數設定功能；實際測量值和設定目標值有直觀的光標及數字2種顯示功能。通過網絡通訊功能，可實現由主控室后臺計算機對穩流運行參數的讀取和修改；穩流PID控制電源部分設有恒壓功能的小型電源濾波器，可有效改善電解企業電網中諧波影響，并保證交流電源電壓在120～250V波動時對測量和控制無影響。

逆變直流控制電源，最高電壓15V，最大電流30A、偏移和控制電源結構相同，可以內觸發控制（本控）給電抗器偏移繞組用，也可外觸發控制（由PID控制）給電抗器控制繞組用。在整流變電抗器端子箱處配置阻容吸收回路，能吸收飽和電抗器工作過程中控制和偏移繞組感生的、頻率300Hz的非正弦交流尖峰電壓。

穩流控制只采用小閉環調節控制系統，可有效避免總調方式下機組間“翹翹板”式的波動，單柜一直在自動閉環方式下運行，取消手動穩流控制方式。PID控制計算只對給定的某一數值與反饋數值大小進行比較、跟蹤與調節，只采集直流電流傳感器信號作為反饋信號，取消傳統的交流反饋作為后備反饋的做法。因為交流反饋只能反應電流變化的大小趨勢，交流反饋折算值和直流測量的直流電流值之間不成線性比例，不能作為PID控制的反饋信號用。

為滿足電解投產初期及后期、機組全投或檢修等各種情況下穩流系統跟蹤、調節響應速度的需要，計算機后臺對PID控制參數設定除“比例，積分”外，還應該增加對PID積分隔離區、PID控制輸出幅值比例、控制回差部分的參數設定。

4 運行效果

經我們將改進后的穩流控制系統投入運行5個月的情況分析，改進后的穩流控制系統技術性能基本符合大電流系統：

單機組及系列電流精度：≤0.2%

系統響應速度≤3S

同機組A、B柜電流差值≤100A

機組之間電流差值≤100A

穩流深度：能最大發揮飽和電抗器的作用。

控制技術先進、完整、可靠性高，滿足穩定運行的設計要求。

作者簡介：黃貴平（1967—），寧夏海原人，寧夏能源鋁業公司動力分公司副經理，電氣工程師。