500 kA鋁電解供電系統穩流控制策略優化

岑建軍， 陳祉丞， 郭昊昊， 李霄燕

(1. 中國鋁業股份有限公司連城分公司， 甘肅 連城 1730335；2. 大連海事大學 輪機工程學院， 遼寧 大連 116026；3. 哈爾濱工業大學 電氣工程及其自動化學院， 哈爾濱 150001)

現階段，國內電解鋁廠大電流整流普遍存在電解電流輸出不穩定的問題，導致獲得的鋁的質量和產量下降[1-3]。因此，在當前鋁電解供電系統中，控制電解電流的穩流十分重要。

目前，國內、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，晶閘管整流在我國電解電源領域占主導地位[5]。在國內大型電解鋁整流系統中，常采用移相變壓器、整流變壓器有載調壓與自飽和電抗器三者相結合的電解電流調節方式[6]，即先用有載調壓變壓器(On-load Tap Changer，OLTC)對電解電流進行粗調，然后用自飽和電抗器對電解電流進行細調。其中，自飽和電抗器為電解電流恒電流控制的主要執行元件。

中國鋁業股份有限公司(簡稱中鋁)連城分公司500 kA整流供電系統于2011年3月建成并投入使用，主要承擔著500 kA電解生產及其動力系統的供電任務。目前，中鋁連城分公司整流所穩流控制系統主要存在著輸出波動過大、穩流系統處于持續的低頻振蕩狀態、未進入穩定的工作區等問題。針對上述問題，本文對現有有載調壓變壓器、移相變壓器以及自飽和電抗器三者的協調控制策略進行了分析與改進，并基于改進后的策略進行了現場實際設備的調試運行。

1 電解鋁整流系統的工作原理

圖1所示為中鋁連城分公司500 kA整流系統控制原理圖。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。輸入為公網提供的工頻交流電，依次經過有載調壓變壓器、移相變壓器和以自飽和電抗器為核心的同向逆并聯整流器；輸出為符合負載要求的直流電[7-8]。應用數字式可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)實現對穩流系統的控制。穩流大閉環PLC控制系統配置一套S7-300，系列電流由總測直流傳感器采集，經隔離變送器反饋給PLC，與系列電流設定值進行比較，通過PID運算，將輸出結果作為單機組穩流的分調給定，實現大閉環穩流控制。單機組穩流小閉環PLC控制系統配置一套S7-200，由直流傳感器采集機組的直流輸出電流；然后，經隔離變換器后反饋給PLC，并與給定電流信號比較；由PLC中控制器進行運算，進而控制電流，達到單機組輸出電流穩定的目標，使電解系列總輸出電流達到系列設定的目標值[9-10]。

1-有載調壓變壓器； 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采用如圖2所示的移相變壓器。該移相變壓器由4個不同組別的三相變壓器的并聯而成。這4個三相變壓器分別采用Yy11、Yy5、Yd12、Yd6接法，在相位上產生了4個不同的變化，將每個周期的脈波數變為原來的4倍，即12脈波，每個脈波相差30°。

圖2 移相變壓器結構圖

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；Ns為工作繞組的匝數。

圖3 自飽和電抗器等效電路

圖中，帶有二極管一側為控制回路，控制回路導通使鐵芯去磁；另一側為工作回路，工作回路導通使鐵芯增磁，兩側回路的激磁作用方向相反。當鐵芯處于飽和狀態時，磁導率很小，當鐵芯處于不飽和狀態時，磁導率取值較大。當自飽和電抗器處于不飽和狀態時，產生的電感值較大，可將激磁電感支路視為開路。因此，在到達自然換向點后，若電抗器還未達到飽和狀態，則阻斷了回路的正常導通，發生換向延遲[11-12]。圖4所示為整流系統中采用的整流電路。

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。電網提供的交流電依次經過變壓器、整流橋、Buck電路后得到穩定的控制電壓，通過控制Buck電路中IGBT的通斷改變控制電壓的大小。采集流經電解槽的電流，當電流值與標準值不相等時，利用PWM技術，通過控制器向晶閘管發出占空比變化的信號，改變晶閘管通斷頻率，從而改變控制電壓，使電解槽電流變為標準值。控制器常采用PI、PID等控制方式。

圖5 飽和電抗器控制回路

1.3 穩流協調控制策略

中鋁連城分公司整流所穩流控制系統共有7臺整流機組，每臺機組配置1套單機組穩流控制系統，實現單機組的小閉環穩流控制，另配置1套總調穩流控制系統，實現7臺機組的大閉環穩流控制，其原理如圖6所示。

圖6 電解鋁穩流控制原理圖

有載調壓變壓器在電解電流波動較大、飽和電抗器不足以調節時進行寬范圍調整。穩流協調控制流程圖如圖7所示。

圖7 電解鋁穩流控制流程圖

圖中，當系統發生故障或電解槽發生陽極效應時，電解電流發生變化，計算此時電流與給定標準值的差值ΔI′。設自飽和電抗器電流的調節范圍為ΔI，若ΔI′>ΔI，即電流波動超出自飽和電抗器的調節能力時，觸發OLTC升降檔操作，延遲一段時間后，再進行ΔI′的計算，若仍有ΔI′>ΔI，則重復調節OLTC，直到ΔI′減小至小于ΔI為止[13-16]。

2 系統的配置與調試

2.1 系統配置

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、調壓深度70 V進行設計，系統參數如表1所示。

表1 設備表

2.2 系統存在的問題

分別對7臺整流機組和總控控制器進行測試，圖8所示為1～4號機組的輸出電流與占空比波形。由圖8可見，系統輸出電流和占空比的波動較大。經分析認定PI控制器存在問題，由于響應無法跟隨較高的速率波動，從而使系統無法快速調節，最終導致波動疊加進一步擴大。影響系統響應速度的因素可能有以下幾種：① 反饋濾波參數選取不合理，造成反饋存在較大滯后；② 控制程序參數選擇不合理，即PI參數不合適；③ 控制器運算掃描速度慢。經現場測試發現， 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，本文主要針對前2個因素對系統進行優化，以提升系統的響應速度，提高系統的穩定性。

圖9所示為系統輸出總電流和控制器輸出占空比波形。由圖9可見，系統的輸出處于不穩定狀態，且控制器動態響應速度慢，無法及時跟隨。總控控制器是系統的控制外環，理論上，與單機組內環相比，其響應速度應該稍慢一些，才能保證系統的穩定運行。通過對PLCS7-300監測后，發現其程序運算時間僅為1 ms級，掃描速度快；然而，PLC S7-200掃描速度為10 ms級，故其不能及時地完成對總控制器輸出的運算，從而導致系統不穩定；雖然PLCS7-300控制器執行速度快，但是若反饋信號滯后，則其計算就失去了意義。因此，必需對總控制器進行優化。

2.3 系統優化目標

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

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

2.4 優化過程與結果

經過對設備分析以及現場測試，本文對單機組PLC S7-200和總控制器PLC流程分別進行了改進，改進前、后的PLC流程如圖10所示。

通過理論分析與現場實際，調整了反饋濾波參數和控制程序參數(PI參數)，以提升系統的響應速度。表2所示為調整前、后單機組kP，kI參數。

(a) 1號機組電流

(b) 1號機組占空比

(c)2號機組電流

(d) 2號機組占空比

(e) 3號機組電流

(f) 3號機組占空比

(g) 4號機組電流

(h) 4號機組占空比

圖8單機組輸出電流與占空比波形

(a) 總電流

圖9系統輸出電流和控制器輸出波形

(a) 單機組PLC S7-200

(b) 總控制器PLC S7-300

機組編號調整前調整后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，對總控制器kP，kI，kD參數進行調整，經過10次測試，最終得到比較滿意的結果，表3給出了總控制器kP，kI，kD參數調整的數據。

表3 總控制器kP ，kI，kD 的調整結果

利用優化后的參數分別于2016-12-07—2016-12-09對4臺機組進行調試。其中，2016-12-07調試1#和3#機組，2016-12-08調試4#機組，2016-12-09調試2#機組。圖11所示為4臺機組調試當天的直流電流輸出曲線。圖中，虛線左側為優化前電流輸出曲線，右側為優化后電流輸出曲線。由圖可見，在優化前，單機組直流電流輸出波動較大，系統極不穩定，而優化后，直流電流輸出波動較優化前小很多，優化效果明顯。

(a) 1#機組

(b) 2#機組

(c) 3#機組

(d) 4#機組

圖11優化PI參數前、后單柜直流電流曲線

圖12所示為電解計算站參數調整前、后的電流輸出曲線。圖中虛線左側為優化前電流，右側為優化后電流。

圖12 電解計算站調整前、后電流曲線

由圖可見，優化后，系統運行狀態得到了改善，但是仍存在系統響應慢的問題。該問題最大的原因在于飽和電抗器的響應速率和反饋的滯后，可通過增加kP以增大反應速度、增加kI進行超前調節的方法進行改進，但是，該種方案在業界還無先例應用，存在一定風險。

3 結 語

本文采用載調壓變壓器、移相變壓器以及自飽和電抗器三者協調控制策略，明顯改進了500 kA整流供電系統穩流控制精度，系統的穩定性得到顯著提高。系統改進后，穩流系統在部分工作區域或工作時段能夠達到理想狀態，低頻振蕩現象得到抑制；10 V左右的效應系列的電流可控制在3 kA以內波動，30 V效應系列的電流可控制在5 kA以內波動，45 V效應系列的電流可控制在7 kA以內波動，單柜穩流精度為±0.5%，系列穩流精度為±1%。

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