劉皓明，黃海萍，高 元，許其品，許和平

（1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 210098；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 210061）

電解鋁是一種重要的工業(yè)負(fù)荷，連續(xù)不斷的供給直流電才能保證煉鋁的正常進(jìn)行。電網(wǎng)側(cè)電壓波動和電解鋁陽極效應(yīng)都會引起電解系列電流不同程度的波動，導(dǎo)致電流效率降低、直流電耗增加以及陽極效應(yīng)頻率增多，進(jìn)而影響鋁電解的生產(chǎn)[1]。

電解鋁節(jié)能降耗有多種途徑。對于電解槽控機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能化模糊控制，使得電解槽極距和槽電壓能較長時間控制在最佳和最恒定的狀態(tài)[2]；對于整流系統(tǒng)，合理分配各機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，控制電流輸出平穩(wěn)，提高整流效率[3]。因此采用自動穩(wěn)流控制對于改善鋁電解生產(chǎn)指標(biāo)、降低直流電耗具有重要的意義。

目前對穩(wěn)流控制研究的文獻(xiàn)，對二極管整流加自飽和電抗器（SR）供電方式結(jié)合有載調(diào)壓開關(guān)（OLTC）協(xié)調(diào)控制的研究不多。文獻(xiàn)[4]簡要說明了電解鋁廠穩(wěn)流控制系統(tǒng)的組成和控制基本原理等。文獻(xiàn)[5]給出了電解槽負(fù)荷變化、電網(wǎng)電壓波動和發(fā)生陽極效應(yīng)時的電流變化情況。文獻(xiàn)[6]用PI控制器來控制自飽和電抗器的電感，給出了有無控制時單臺機(jī)組出口處電流對比情況。

本文介紹了二極管整流加飽和電抗器穩(wěn)流的供電方式，分析了整流機(jī)組控制和系列電流控制的原理。將自飽和電抗器等效為一個可控的電感，以系列電壓的設(shè)定值與測量值之差作為有載調(diào)壓開關(guān)的觸發(fā)信號，提出了一套穩(wěn)流協(xié)調(diào)控制策略。在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建了穩(wěn)流控制的仿真模型，模擬了陽極效應(yīng)的發(fā)生，仿真結(jié)果驗(yàn)證了自飽和電抗器與OLTC配合使用的控制策略的有效性，最后，基于對陽極效應(yīng)沖擊電流的控制效果，對比分析計(jì)算了節(jié)能效益，結(jié)果表明，該穩(wěn)流控制系統(tǒng)能夠帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 穩(wěn)流控制系統(tǒng)

電解鋁大電流整流系統(tǒng)一般由若干套整流子系統(tǒng)并聯(lián)構(gòu)成，圖1所示為某電解鋁廠四機(jī)組直流供電系統(tǒng)。整流子系統(tǒng)采用的是二極管串聯(lián)自飽和電抗器的整流方式，每套整流子系統(tǒng)由有載調(diào)壓變壓器、移相整流變壓器、同相逆并聯(lián)整流器和相關(guān)輔助設(shè)備組成。其中同相逆并聯(lián)整流器一般采用12脈波整流電路，包括A、B 2個6脈波整流柜。

圖1 某電解鋁廠供電系統(tǒng)圖

維持系列電流穩(wěn)定的穩(wěn)流控制系統(tǒng)一般采用“N+1”控制，N為整流機(jī)組數(shù)量，1為總調(diào)控制。電解系列由這N個整流機(jī)組并聯(lián)對其進(jìn)行供電，系列電流等于這N機(jī)組輸出電流之和。對系列電流進(jìn)行總調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)系列電流的大閉環(huán)穩(wěn)定，以保證系列電流更加精確和平穩(wěn)。

1.1 單臺機(jī)組的穩(wěn)流控制

單臺機(jī)組穩(wěn)流控制的主要調(diào)節(jié)對象是自飽和電抗器，實(shí)現(xiàn)該機(jī)組的穩(wěn)流，并保持A、B整流柜輸出電流平衡。

當(dāng)電解系列發(fā)生陽極效應(yīng)，系列電流I減小，由于系列電流為各個整流機(jī)組直流電流之和，因此機(jī)組的直流電流Idc均減小。各機(jī)組設(shè)定電流值與各個機(jī)組直流出口處電流之差ΔI增大，ΔI經(jīng)過PI控制器，控制IGBT占空比，從而改變自飽和電抗器控制繞組電流Ik，最后通過串接在三相整流橋臂上的自飽和電抗器的工作繞組來影響二極管的導(dǎo)通滯后時間，從而調(diào)節(jié)三相整流電路的輸出電流[7]。控制過程如圖2所示。

圖2 單臺機(jī)組穩(wěn)流控制

1.2 系列電流的穩(wěn)流控制

系列電流穩(wěn)流控制主要是對各個機(jī)組自飽和電抗器和有載調(diào)壓開關(guān)的調(diào)節(jié)，以系列電流測量值為反饋的信號，將其與系列電流的設(shè)定值比較，判斷OLTC是否需要動作。若需要，則OLTC動作，否則，只控制自飽和電抗器，如此使得電解鋁廠系列電流測量值與系列電流設(shè)定值相等，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流的目的[8]。

2 控制策略

2.1 自飽和電抗器的控制策略

自飽和電抗器由一種具有非線性磁化曲線和非線性飽和特性的鐵磁材料制造而成，主要由工作繞組、偏移繞組和控制繞組組成，其中工作繞組串接在整流臂上。通過控制自飽和電抗器控制繞組中的電流大小來控制二極管導(dǎo)通的滯后時間，從而實(shí)現(xiàn)對整流器負(fù)載側(cè)電流即電解系列電流的控制[9]。

自飽和電抗器的磁密曲線為

在不計(jì)漏磁和鐵芯損耗時，自飽和電抗器的電感計(jì)算式為

將（1）式代入（2）式可以得到

式中：a、b、c為表示自飽和電抗器磁化曲線的常數(shù)；A為鐵芯截面（cm2）；nac為工作繞組匝數(shù)；l為磁路平均長度（cm）。

本文將自飽和電抗器視為一可控的非線性電感，為簡化計(jì)算，將穩(wěn)定時自飽和電抗器的電感值視為一個穩(wěn)定值。將整流機(jī)組設(shè)定值與機(jī)組出口處電流之差作為PI控制器的給定信號，PI控制器的輸出值與自飽和電抗器的電感穩(wěn)定值相加作為自飽和電抗器的電感值。當(dāng)整流機(jī)組出口處電流與機(jī)組的設(shè)定值不相等時，通過PI控制器來使得自飽和電抗器的電抗值變化，電解系列電流隨之發(fā)生變化。通常，電感值增大將使得系列電流減小。自飽和電抗器的工作特性決定了飽和角能在一定的范圍內(nèi)變動，此時對應(yīng)與直流側(cè)電壓有一定的范圍。因此，由自飽和電抗器實(shí)現(xiàn)機(jī)組電流的細(xì)調(diào)，一般設(shè)置調(diào)壓深度為70 V。圖3所示為自飽和電抗器的控制回路，PI控制器中Kp為比例增益、T為積分環(huán)節(jié)時間常數(shù)。

圖3 自飽和電抗器控制回路

2.2 有載調(diào)壓變壓器的控制策略

本文中將調(diào)壓范圍[0,Umax]分為3段，其中，升檔段為[0,U1]，自由段為(U1,U2]，降檔段為(U2,Umax]，0＜U1＜U2＜Umax這里升檔段和降檔段對應(yīng)著OLTC分接頭的觸發(fā)控制。

其中，自由段的電壓范圍(U2-U1)設(shè)為有載調(diào)壓變壓器正常工作情況下變化一個檔位所引起的輸出電壓變化量的1.5倍左右。同時，為保證調(diào)壓范圍處于自由段且接近U1或U2的情況下，再發(fā)生一次電流波動時有足夠的調(diào)節(jié)能力，升檔段和降檔段的調(diào)壓范圍應(yīng)能夠滿足一次最常見電流波動的調(diào)壓需求。因此，降檔段的調(diào)壓范圍應(yīng)滿足一次陽極效應(yīng)發(fā)生時的需求。

電解鋁廠穩(wěn)流控制流程圖如圖4所示。電解系列發(fā)生陽極效應(yīng)或機(jī)組故障、檢修時，當(dāng)電流測量值與給定值的差ΔI超出自飽和電抗器的調(diào)節(jié)能力，將觸發(fā)OLTC升降檔操作。在OLTC完成一次升檔或降檔操作后，延時一段時間td，再判斷電壓偏差所屬區(qū)間，若仍不處于自由段，繼續(xù)操作OLTC升降檔，直至處于自由段內(nèi)，調(diào)節(jié)自飽和電抗器，實(shí)現(xiàn)系列電流偏差為0。

圖4 電解鋁廠穩(wěn)流控制流程圖

3 穩(wěn)流控制系統(tǒng)的仿真

基于PSCAD/EMTDC搭建12脈波二極管整流機(jī)組的仿真模型。整個供電系統(tǒng)由一個50 Hz、220 kV的無窮大電源，90 m的220 kV輸電線，250 MVA、220 kV/110 kV有載調(diào)壓變壓器組成。12脈波整流系統(tǒng)由并聯(lián)整流橋組成，每個橋分別由110 MVA，110 kV/1.2 kV的Y-△和Y-Y型變壓器供電。

參考標(biāo)準(zhǔn)電解槽數(shù)據(jù)，每個槽的反電動勢被假定為1.7 V，將含有256臺300 kA電解槽的電解系列等效為一個435.2 V的直流電壓源串聯(lián)一個可變的電阻，該電阻值介于0.002 108 3 Ω到0.002 380 99 Ω之間[10]。在直流側(cè)串接0.01 mH的扼流電感，以減小直流電壓和直流電流的波動。搭建的穩(wěn)流控制系統(tǒng)仿真圖如圖5所示。

當(dāng)電解系列1個電解槽發(fā)生陽極效應(yīng)時，分別采用無控制策略、僅SR控制策略和SR＋OLTC協(xié)調(diào)控制策略，系列電流對比如圖6所示。由于SR具有一定的調(diào)節(jié)能力，因此在單一陽極效應(yīng)時，即使沒有OLTC參與，電解系列電流也能維持在300 kA左右。

圖5 穩(wěn)流控制系統(tǒng)仿真圖

圖6 1個電解槽發(fā)生陽極效應(yīng)時系列電流變化

假設(shè)電解系列有3個電解槽同時發(fā)生陽極效應(yīng)，分別采用3種控制策略系列的電流對比如圖7所示?？梢钥闯?，未進(jìn)行控制時系列電流變化較為嚴(yán)重。若只存在SR控制，由于此時已經(jīng)超出了自飽和電抗器的電壓調(diào)節(jié)能力，系列電流變化并不能控制在300 kA左右。當(dāng)OLTC參與時，根據(jù)其觸發(fā)條件，調(diào)節(jié)OLTC降2檔后，再進(jìn)行自飽和電抗器的控制，電解系列電流能夠維持300 kA。

圖7 3個電解槽同時發(fā)生陽極效應(yīng)時系列電流變化

4 節(jié)能分析

正常供電沒有陽極效應(yīng)發(fā)生時，4個機(jī)組的輸出電流都保持在75 kA。當(dāng)陽極效應(yīng)發(fā)生時，電解槽電壓升高，各機(jī)組通過SR+OLTC的配合動作，調(diào)節(jié)輸出電壓，維持了輸出電流的恒定不變，從而有效避免了陽極效應(yīng)發(fā)生時沖擊電流帶來的損耗[11]。

進(jìn)一步仿真，分別取陽極效應(yīng)同時發(fā)生個數(shù)為1個、2個和3個情形下的穩(wěn)流控制效果，結(jié)果如表1所示。

表1 陽極效應(yīng)發(fā)生時不同控制策略下的電解系列電流 kA

考慮到多個陽極效應(yīng)發(fā)生的概率比單個陽極效應(yīng)發(fā)生的概率小得多，這里僅給出單個陽極效應(yīng)發(fā)生引起的損耗的計(jì)算，多個陽極效應(yīng)同時發(fā)生時，計(jì)算過程類似。陽極效應(yīng)發(fā)生時引起的沖擊電流為[11]

式中：IAE為陽極效應(yīng)沖擊電流；n為電解系列同時發(fā)生陽極效應(yīng)的個數(shù)；ΔuAE為發(fā)生單個陽極效應(yīng)引起的電壓升高值，這里取為35 V；N為系列電解槽總數(shù)目，取為256；E為槽電壓，取為4.3 V；Eemf為槽反電動勢，取為1.7 V；Idc為系列直流電流。

則不采用任何穩(wěn)流控制情況下發(fā)生1個陽極效應(yīng)時的沖擊電流為

計(jì)算結(jié)果與表1所示PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果一致。取陽極效應(yīng)系數(shù)為0.3次/（槽·日），效應(yīng)時間τ為5 min，整流系統(tǒng)的功率因數(shù)約為0.9[11]，則不采取穩(wěn)流控制時每天等效時間為

因此穩(wěn)流系統(tǒng)每年可節(jié)省電能為

采用本文所提的協(xié)調(diào)控制策略，系列電流偏差能控制在2 kA以內(nèi)，若忽略此電流偏差增加的能耗，按電價(jià)0.29元/kWh計(jì)算，每年可節(jié)約成本約1 307.1萬元。

5 結(jié)束語

本文對電解鋁廠較為常用的二極管整流系統(tǒng)中的穩(wěn)流控制策略展開研究，分析了機(jī)組控制和系列電流控制的原理及過程，對自飽和電抗器采用PI控制，仿真中將其視為可控的電感。設(shè)計(jì)了針對OLTC的控制策略，即以系列電壓的設(shè)定值與測量值之差為有載調(diào)壓開關(guān)的觸發(fā)信號，通過仿真算例結(jié)果驗(yàn)證了協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

通過節(jié)能分析可以發(fā)現(xiàn)，本文所提的協(xié)調(diào)穩(wěn)流控制策略具有快速響應(yīng)能力和較高的穩(wěn)流精度，能夠很好地平抑陽極效應(yīng)發(fā)生所帶來的系列電流波動，顯著地降低了能耗，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]白潮.自動穩(wěn)流系統(tǒng)在鋁電解中的應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù),1998(2):53-56.

[2]李俊,李全林.鋁電解槽控機(jī)節(jié)能實(shí)踐[J].輕金屬,2003(8):27-29.

[3]華桂林,芮智.鋁電解全數(shù)字整流控制系統(tǒng)的節(jié)電效能[J].江蘇冶金,2008,36(1):1-6.

[4]楊作蒼,魏剛剛.飽和電抗器在鋁電解整流供電中的應(yīng)用[J].甘肅科技,2012(28):67-69.

[5]柯麗.鋁廠穩(wěn)流控制的PLC應(yīng)用[J].湖北電力,2005,29(5):7-8.

[6]Ashish P Agalgaonkar,Kashem M Muttaqi,Sarath Perera.Response Analysis of Saturable Reactors and Tap Changer in an Aluminium Smelting Plant[C]∥The Third International ConferenceonPowerSystems,Kharagpur,India,2009.

[7]J L Aguero,M Beroqui,S Achilles.Aluminum plant Load modeling for stability studies[C]∥IEEE Power Engineering Society,1999.

[8]A P Agalgaonkar,K M Muttaqi,S Perera.Open Loop Response Characterisation of an Aluminium Smelting Plant for Short Time Interval Feeding[C]∥IEEE Power and Energy Society GeneralMeeting,Calgary,Canada,2009.

[9]S B Abbott,D A Robinson,S perera,et al.Simulation of HTS saturable core-type FCLs for MV distribution systems[J].IEEE Transactions.Power Delivery,2006(2):1 013-1 018.

[10]劉業(yè)翔.現(xiàn)代鋁電解[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.

[11]喬樹通,姜建國,黃瑞贊,等.全數(shù)字整流控制系統(tǒng)在電解鋁供電系統(tǒng)中應(yīng)用的節(jié)能研究[J].電氣技術(shù),2007(8):58-61.