大功率整流器直流并聯輸出控制及其優化運行

趙 鋼，李 晉

（1.云南云鋁涌鑫鋁業有限公司；2.上海ABB工程有限公司，云南 建水 654300）

大功率整流器直流并聯輸出控制及其優化運行

趙 鋼1，李 晉2

（1.云南云鋁涌鑫鋁業有限公司；2.上海ABB工程有限公司，云南 建水 654300）

在電解、焙燒和充電等領域的特定生產工藝中，需要提供恒定的直流電壓或直流功率。此時需對大功率整流器直流輸出進行PID閉環控制。怎樣使用ABB公司的DCS800直流模塊來控制兩個6脈波大功率整流器的并聯輸出，解決其12脈波系統的電壓并聯特性問題。

晶閘管整流器;整流器并聯穩壓控制;DCS800

0　引言

電解、焙燒和充電等生產領域中，特定的一部分生產工藝需要大功率整流器輸出恒定直流電壓和直流功率，以滿足其生產需求。6脈波供電的技術已非常成熟，但隨著對用電諧波量、諧波補償容量、直流輸出電壓紋波量和能耗的要求和限制，通常只有將2個6脈波整流系統并聯起來,組成12脈波整流系統來供電運行，才能滿足其要求。因為12脈波整流系統上述的多項性能指標都遠優于6脈波整流系統，所以12脈波大功率整流系統已越來越多的應用到各行業，并且經過不斷的改進和完善已經越來越多的成為相關行業的優選技術。

在這個12脈波整流供電系統中，2個6脈波大功率整流器直流輸出并聯，因電壓的并聯特性，測量到的電壓反饋只能是2個6脈波大功率整流器系統中輸出電壓較大的1個，所以往往在實際運行中2個并聯6脈波整流系統會出現出力不平衡的問題。

因此如何解決上述不平衡問題是12脈波整流系統的技術難點。首先，因直流電壓的并聯特性，對2個6脈波大功率整流器進行獨立控制是行不通的。其次，也不能將2個6脈波系統作為1個整體來控制，因為2個6脈波大功率整流器的供電主變壓器、整流器自身和整流系統的保護都是獨立的，簡單的整體控制并不安全，而且也會因兩個系統的自身差異引起輸出偏差。

所以我們必須尋找1個有效的方案來解決上述問題。經過筆者研究、開發和測試，改造使用了ABB公司電氣傳動的DCS800直流模塊，很好地解決了這個技術難點，并且將其應用到了實際的產品中，該12脈波大功率整流器系統已成功地在日本長野大町市昭和電工株式會社投入運行。

1　大功率整流器直流并聯輸出的控制

1.1控制系統模型的建立

1套PLC系統+2套DCS800直流模塊。

PLC選用ABB公司的AC500系統。AC500 PLC系統完成對整個整流器系統的監測、操作、測量和保護。AC500系統的人機界面非常完備，運行和維護人員無論是通過其自帶的操作屏還是通過外配的中央控制室計算機，都可以對整個整流系統進行監測和操作。

2套DCS800直流模塊分別對應和控制2個6脈波整流系統。用DCS800來實現直流電壓和直流功率的PID閉環控制功能。同時需將1個DCS800做為主調節器對2個6脈波系統進行整體控制。這是整個控制系統的難點和核心部分，也是首創的將DCS800主從控制模式應用到大功率整流器中。

1.2控制系統的使用

1.2.1AC500 PLC 和DCS800直流模塊的通訊

AC500 PLC 和DCS800直流模塊有很多種通訊方式。筆者選用了Modbus RTU的方式。兩者建立通訊后，通過AC500來控制DCS800的啟停，調節狀態的讀取和寫入，從而完成對整個整流系統的控制。

1.2.2控制原理

通常，2個6脈波整流器系統是獨立控制的，而對并聯運行的2個6脈波系統如要實現穩壓和穩功率控制，受其電壓并聯特性的控制，必須先將2個6脈波系統作為整體，將實際測量的電壓值或功率值作為反饋，進行PID調節后，分別再作為給定給兩個6脈波系統，這樣才能解決兩個系統出力不平衡的問題。

如圖1所示，2個6脈波大功率整流器分別定義為系統1和系統2，使用DCS800的速度調節環和電流調節環來實現閉環調節功能。速度換為外環，電流環為內環。2個DCS800，1個作為主調節器，使用該DCS800的速度環作為外環控制，通過外環PID調節器來調節和控制12脈波系統的直流電壓或直流功率輸出，使用兩個DCS800的電流環分別作為兩個系統的內環控制，分別通過內環PID調節器來限定和控制各自6脈波整流器系統的直流電流輸出。如圖1所示，以穩壓控制為例，系統的直流電壓反饋接入到主調節器的外環反饋，系統1的電流反饋接入到主調節器的內環反饋，系統2的電流反饋接入到從調節器的內環反饋。實際應用中，除了系統的直流電壓測量值，系統的直流功率測量值也接入到了主調節器的外環反饋上。當選擇穩壓模式時，主調節器內部會選擇實際電壓測量值為反饋值；同理，當選擇穩功率模式時，主調節器會選擇實際的功率測量值為實際的反饋值。

1.3大功率整流器直流并聯輸出的優化運行

在日本昭和電工株式會社的項目中，在啟動生產后，我們和昭和電工株式會社的工藝工程師一起反復摸索和試驗，改變了其傳統的直流輸出控制方式，最終創造性的改變和優化了其生產工藝，使生產效益得到了顯著的提高。

圖1　2個6脈波并列控制原理圖

1.3.1傳統生產工藝

在傳統的生產工藝中，如圖（2）所示，橫坐標為時間，縱坐標為12脈波整流器的輸出電壓值，即負載電壓值。1個生產周期分為3個階段：第1個階段是穩壓運行，電壓控制在120V，保持72個小時；第2個階段是穩功率運行，系統輸出功率控制在600kW，保持72個小時；第3個階段又是穩壓運行，電壓控制在60V，保持72個小時。1個生產周期為9天，即這3個生產階段的時間累加值。

圖2　整流器直流輸出曲線傳統生產工藝

1.3.2優化后的生產工藝

在現場設備投運后，通過反復的摸索和測試，對直流輸出的控制方式和生產工藝進行了優化。新生產工藝的生產周期仍分為3個階段，但生產周期的時間由9天縮短到了7天。如圖（3）所示，橫坐標為負載的電阻值，縱坐標為12脈波整流器的直流輸出功率值，即負載功率值。第1個階段是限壓運行，電壓限定在120V，保持88小時；第2個階段是穩功率運行，系統輸出功率控制在900kW，保持32個小時；第3個階段是限電流運行，系統輸出電流限定在額定值，保持48個小時。

圖3　整流器直流輸出曲線優化后的生產工藝

1.3.3傳統和優化后的生產工藝的分析和比較

我們來仔細分析和比較2種生產工藝。

2種生產工藝都分為3個階段。第1個階段為穩壓階段，負載阻值會隨著加熱時間的增加而減小，在保持輸出電壓不變的情況下，負載功率值相應的會隨著時間的增加而增加。原始生產工藝中是120V穩電壓運行，并在負載功率值達到600kW時轉入第2個生產階段進行穩功率控制運行。新生產工藝中從生產開始到負載功率值為600kW這一段和原始生產工藝的生產效益完全一致，但兩者的控制方式不同：原始生產工藝是穩壓運行，而新生產工藝實際上是限壓運行，內外環實際上都是開環運行狀態，是限制其直流輸出電壓值為120V。當負載功率值大于等于600kW時，原始生產工藝轉入到第2個生產階段，而新生產工藝扔保持在第1生產階段，一直保持到負載功率值從600kW增加到900kW時才轉入第2個生產階段。

第2個階段為穩功率階段，原始生產工藝一直穩定在600kW，負載電阻在減小，所以負載電壓在減小。新的生產工藝中一直是穩定在900kW，不僅負載的運行功率比原始工藝大，同時負載的運行電流也比原始工藝大。

第3個階段，原始生產工藝中，當負載阻值達到限定的節點時，由600kW的穩功率階段轉入到60V的穩壓階段。而后直流電流隨著負載阻值減小而增加，一直增加到電流額定值，整個功率也在漸漸增加。而新生產工藝中，從第二階段轉入第三階段的工藝點上，負載電流已經是額定電流。轉入第三階段后，負載的直流電壓在逐漸減少，我們只需限定直流電流輸出不超過額定輸出即可。事實上，在新生產工藝的第3個階段，負載電流始終被限定在了額定值，這樣生產效率顯然比原始生產工藝要高效。

2　結論

我們首創的將DCS800主從控制模式應用到大功率整流器中，巧妙的改造和使用DCS800控制器的速度環和電流環進行PID閉環控制，從而解決了12脈波大功率整流器輸出電壓并聯特性問題，并且也成功的應用到了實際的項目中，得到了理想的驗證。同時我們在實際項目中優化了整流系統的控制方式，并在此基礎上優化了生工藝，提高了生產效益。整流器制造商、使用廠家, 應在生產實踐中, 不斷總結運行經驗，在可靠性、先進性、經濟性上下工夫, 使之日臻完善, 并不斷創新，從而不斷提高企業的效益。

TM461

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1004-1168（2015）06-0066-03

2015-09-15

趙 鋼（1970-），男，山東泰山人，電氣工程師，本科，主要從事大型鋁廠供電研究。