岑建军， 陈祉丞， 郭昊昊， 李霄燕

(1. 中国铝业股份有限公司连城分公司， 甘肃 连城 1730335；2. 大连海事大学 轮机工程学院， 辽宁 大连 116026；3. 哈尔滨工业大学 电气工程及其自动化学院， 哈尔滨 150001)

现阶段，国内电解铝厂大电流整流普遍存在电解电流输出不稳定的问题，导致获得的铝的质量和产量下降[1-3]。因此，在当前铝电解供电系统中，控制电解电流的稳流十分重要。

目前，国内、外电解电源主要有2种方案[4]：二极管整流和晶闸管整流。除大型铝冶炼厂采用大功率二极管整流外，晶闸管整流在我国电解电源领域占主导地位[5]。在国内大型电解铝整流系统中，常采用移相变压器、整流变压器有载调压与自饱和电抗器三者相结合的电解电流调节方式[6]，即先用有载调压变压器(On-load Tap Changer，OLTC)对电解电流进行粗调，然后用自饱和电抗器对电解电流进行细调。其中，自饱和电抗器为电解电流恒电流控制的主要执行元件。

中国铝业股份有限公司(简称中铝)连城分公司500 kA整流供电系统于2011年3月建成并投入使用，主要承担着500 kA电解生产及其动力系统的供电任务。目前，中铝连城分公司整流所稳流控制系统主要存在着输出波动过大、稳流系统处于持续的低频振荡状态、未进入稳定的工作区等问题。针对上述问题，本文对现有有载调压变压器、移相变压器以及自饱和电抗器三者的协调控制策略进行了分析与改进，并基于改进后的策略进行了现场实际设备的调试运行。

1 电解铝整流系统的工作原理

图1所示为中铝连城分公司500 kA整流系统控制原理图。图中，Ig，If，ΔI分别为给定电流、反馈电流及其差值；Ik，Id分别为控制电流和输出电流。输入为公网提供的工频交流电，依次经过有载调压变压器、移相变压器和以自饱和电抗器为核心的同向逆并联整流器；输出为符合负载要求的直流电[7-8]。应用数字式可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)实现对稳流系统的控制。稳流大闭环PLC控制系统配置一套S7-300，系列电流由总测直流传感器采集，经隔离变送器反馈给PLC，与系列电流设定值进行比较，通过PID运算，将输出结果作为单机组稳流的分调给定，实现大闭环稳流控制。单机组稳流小闭环PLC控制系统配置一套S7-200，由直流传感器采集机组的直流输出电流；然后，经隔离变换器后反馈给PLC，并与给定电流信号比较；由PLC中控制器进行运算，进而控制电流，达到单机组输出电流稳定的目标，使电解系列总输出电流达到系列设定的目标值[9-10]。

1-有载调压变压器； 2-移相变压器； 3-自饱和电抗器

1.1 移相变压器

中铝连城分公司的电解铝整流系统采用如图2所示的移相变压器。该移相变压器由4个不同组别的三相变压器的并联而成。这4个三相变压器分别采用Yy11、Yy5、Yd12、Yd6接法，在相位上产生了4个不同的变化，将每个周期的脉波数变为原来的4倍，即12脉波，每个脉波相差30°。

图2 移相变压器结构图

1.2 自饱和电抗器

自饱和电抗器的等效电路图如图3所示。其中，Us为工作电压；Uk为控制电压；Nk为控制绕组匝数；Ns为工作绕组的匝数。

图3 自饱和电抗器等效电路

图中，带有二极管一侧为控制回路，控制回路导通使铁芯去磁；另一侧为工作回路，工作回路导通使铁芯增磁，两侧回路的激磁作用方向相反。当铁芯处于饱和状态时，磁导率很小，当铁芯处于不饱和状态时，磁导率取值较大。当自饱和电抗器处于不饱和状态时，产生的电感值较大，可将激磁电感支路视为开路。因此，在到达自然换向点后，若电抗器还未达到饱和状态，则阻断了回路的正常导通，发生换向延迟[11-12]。图4所示为整流系统中采用的整流电路。

图4 12脉波整流电路

自饱和电抗器的控制电路如图5所示。电网提供的交流电依次经过变压器、整流桥、Buck电路后得到稳定的控制电压，通过控制Buck电路中IGBT的通断改变控制电压的大小。采集流经电解槽的电流，当电流值与标准值不相等时，利用PWM技术，通过控制器向晶闸管发出占空比变化的信号，改变晶闸管通断频率，从而改变控制电压，使电解槽电流变为标准值。控制器常采用PI、PID等控制方式。

图5 饱和电抗器控制回路

1.3 稳流协调控制策略

中铝连城分公司整流所稳流控制系统共有7台整流机组，每台机组配置1套单机组稳流控制系统，实现单机组的小闭环稳流控制，另配置1套总调稳流控制系统，实现7台机组的大闭环稳流控制，其原理如图6所示。

图6 电解铝稳流控制原理图

有载调压变压器在电解电流波动较大、饱和电抗器不足以调节时进行宽范围调整。稳流协调控制流程图如图7所示。

图7 电解铝稳流控制流程图

图中，当系统发生故障或电解槽发生阳极效应时，电解电流发生变化，计算此时电流与给定标准值的差值ΔI′。设自饱和电抗器电流的调节范围为ΔI，若ΔI′>ΔI，即电流波动超出自饱和电抗器的调节能力时，触发OLTC升降档操作，延迟一段时间后，再进行ΔI′的计算，若仍有ΔI′>ΔI，则重复调节OLTC，直到ΔI′减小至小于ΔI为止[13-16]。

2 系统的配置与调试

2.1 系统配置

中铝连城分公司500 kA整流所按照自饱和电抗器控制电流0～30 A、控制电压0～10 V、调压深度70 V进行设计，系统参数如表1所示。

表1 设备表

2.2 系统存在的问题

分别对7台整流机组和总控控制器进行测试，图8所示为1～4号机组的输出电流与占空比波形。由图8可见，系统输出电流和占空比的波动较大。经分析认定PI控制器存在问题，由于响应无法跟随较高的速率波动，从而使系统无法快速调节，最终导致波动叠加进一步扩大。影响系统响应速度的因素可能有以下几种：① 反馈滤波参数选取不合理，造成反馈存在较大滞后；② 控制程序参数选择不合理，即PI参数不合适；③ 控制器运算扫描速度慢。经现场测试发现， PLC S7-200扫描周期为5～10 ms，扫描周期满足要求，故可以排除硬件速度慢的因素。因此，本文主要针对前2个因素对系统进行优化，以提升系统的响应速度，提高系统的稳定性。

图9所示为系统输出总电流和控制器输出占空比波形。由图9可见，系统的输出处于不稳定状态，且控制器动态响应速度慢，无法及时跟随。总控控制器是系统的控制外环，理论上，与单机组内环相比，其响应速度应该稍慢一些，才能保证系统的稳定运行。通过对PLCS7-300监测后，发现其程序运算时间仅为1 ms级，扫描速度快；然而，PLC S7-200扫描速度为10 ms级，故其不能及时地完成对总控制器输出的运算，从而导致系统不稳定；虽然PLCS7-300控制器执行速度快，但是若反馈信号滞后，则其计算就失去了意义。因此，必需对总控制器进行优化。

2.3 系统优化目标

(1) 消除500 kA整流系列直流侧输出在固定周期(2～10 s)内电流低频振荡的问题，提高系统的稳定性，过滤系统中冲击脉动的诱发因子，消除因整流供电机组振荡解列造成的电解系列停电的事故。

(2) 实现500 kA整流系统直流输出电流稳定性控制，为电解槽正常生产工艺过程提供保障。具体要求如下：① 单柜稳流精度为±0.5%，即单柜输出电流波动幅度控制在200 A内；② 系列稳流精度为±1%，即系列输出电流波动幅度控制在5 kA内。

2.4 优化过程与结果

经过对设备分析以及现场测试，本文对单机组PLC S7-200和总控制器PLC流程分别进行了改进，改进前、后的PLC流程如图10所示。

通过理论分析与现场实际，调整了反馈滤波参数和控制程序参数(PI参数)，以提升系统的响应速度。表2所示为调整前、后单机组kP，kI参数。

(a) 1号机组电流

(b) 1号机组占空比

(c)2号机组电流

(d) 2号机组占空比

(e) 3号机组电流

(f) 3号机组占空比

(g) 4号机组电流

(h) 4号机组占空比

图8单机组输出电流与占空比波形

(a) 总电流

图9系统输出电流和控制器输出波形

(a) 单机组PLC S7-200

(b) 总控制器PLC S7-300

机组编号调整前调整后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

同时，对总控制器kP，kI，kD参数进行调整，经过10次测试，最终得到比较满意的结果，表3给出了总控制器kP，kI，kD参数调整的数据。

表3 总控制器kP ，kI，kD 的调整结果

利用优化后的参数分别于2016-12-07—2016-12-09对4台机组进行调试。其中，2016-12-07调试1#和3#机组，2016-12-08调试4#机组，2016-12-09调试2#机组。图11所示为4台机组调试当天的直流电流输出曲线。图中，虚线左侧为优化前电流输出曲线，右侧为优化后电流输出曲线。由图可见，在优化前，单机组直流电流输出波动较大，系统极不稳定，而优化后，直流电流输出波动较优化前小很多，优化效果明显。

(a) 1#机组

(b) 2#机组

(c) 3#机组

(d) 4#机组

图11优化PI参数前、后单柜直流电流曲线

图12所示为电解计算站参数调整前、后的电流输出曲线。图中虚线左侧为优化前电流，右侧为优化后电流。

图12 电解计算站调整前、后电流曲线

由图可见，优化后，系统运行状态得到了改善，但是仍存在系统响应慢的问题。该问题最大的原因在于饱和电抗器的响应速率和反馈的滞后，可通过增加kP以增大反应速度、增加kI进行超前调节的方法进行改进，但是，该种方案在业界还无先例应用，存在一定风险。

3 结 语

本文采用载调压变压器、移相变压器以及自饱和电抗器三者协调控制策略，明显改进了500 kA整流供电系统稳流控制精度，系统的稳定性得到显著提高。系统改进后，稳流系统在部分工作区域或工作时段能够达到理想状态，低频振荡现象得到抑制；10 V左右的效应系列的电流可控制在3 kA以内波动，30 V效应系列的电流可控制在5 kA以内波动，45 V效应系列的电流可控制在7 kA以内波动，单柜稳流精度为±0.5%，系列稳流精度为±1%。

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