趙 鋼，李 晉

（1.云南云鋁涌鑫鋁業(yè)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(lián)輸出控制及其優(yōu)化運(yùn)行

趙 鋼1，李 晉2

（1.云南云鋁涌鑫鋁業(yè)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(lǐng)域的特定生產(chǎn)工藝中，需要提供恒定的直流電壓或直流功率。此時(shí)需對(duì)大功率整流器直流輸出進(jìn)行PID閉環(huán)控制。怎樣使用ABB公司的DCS800直流模塊來控制兩個(gè)6脈波大功率整流器的并聯(lián)輸出，解決其12脈波系統(tǒng)的電壓并聯(lián)特性問題。

晶閘管整流器;整流器并聯(lián)穩(wěn)壓控制;DCS800

0　引言

電解、焙燒和充電等生產(chǎn)領(lǐng)域中，特定的一部分生產(chǎn)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(chǎn)需求。6脈波供電的技術(shù)已非常成熟，但隨著對(duì)用電諧波量、諧波補(bǔ)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(gè)6脈波整流系統(tǒng)并聯(lián)起來,組成12脈波整流系統(tǒng)來供電運(yùn)行，才能滿足其要求。因?yàn)?2脈波整流系統(tǒng)上述的多項(xiàng)性能指標(biāo)都遠(yuǎn)優(yōu)于6脈波整流系統(tǒng)，所以12脈波大功率整流系統(tǒng)已越來越多的應(yīng)用到各行業(yè)，并且經(jīng)過不斷的改進(jìn)和完善已經(jīng)越來越多的成為相關(guān)行業(yè)的優(yōu)選技術(shù)。

在這個(gè)12脈波整流供電系統(tǒng)中，2個(gè)6脈波大功率整流器直流輸出并聯(lián)，因電壓的并聯(lián)特性，測(cè)量到的電壓反饋只能是2個(gè)6脈波大功率整流器系統(tǒng)中輸出電壓較大的1個(gè)，所以往往在實(shí)際運(yùn)行中2個(gè)并聯(lián)6脈波整流系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)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(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。首先，因直流電壓的并聯(lián)特性，對(duì)2個(gè)6脈波大功率整流器進(jìn)行獨(dú)立控制是行不通的。其次，也不能將2個(gè)6脈波系統(tǒng)作為1個(gè)整體來控制，因?yàn)?個(gè)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(tǒng)的保護(hù)都是獨(dú)立的，簡(jiǎn)單的整體控制并不安全，而且也會(huì)因兩個(gè)系統(tǒng)的自身差異引起輸出偏差。

所以我們必須尋找1個(gè)有效的方案來解決上述問題。經(jīng)過筆者研究、開發(fā)和測(cè)試，改造使用了ABB公司電氣傳動(dòng)的DCS800直流模塊，很好地解決了這個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，并且將其應(yīng)用到了實(shí)際的產(chǎn)品中，該12脈波大功率整流器系統(tǒng)已成功地在日本長(zhǎng)野大町市昭和電工株式會(huì)社投入運(yùn)行。

1　大功率整流器直流并聯(lián)輸出的控制

1.1控制系統(tǒng)模型的建立

1套PLC系統(tǒng)+2套DCS800直流模塊。

PLC選用ABB公司的AC500系統(tǒng)。AC500 PLC系統(tǒng)完成對(duì)整個(gè)整流器系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、操作、測(cè)量和保護(hù)。AC500系統(tǒng)的人機(jī)界面非常完備，運(yùn)行和維護(hù)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(jì)算機(jī)，都可以對(duì)整個(gè)整流系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和操作。

2套DCS800直流模塊分別對(duì)應(yīng)和控制2個(gè)6脈波整流系統(tǒng)。用DCS800來實(shí)現(xiàn)直流電壓和直流功率的PID閉環(huán)控制功能。同時(shí)需將1個(gè)DCS800做為主調(diào)節(jié)器對(duì)2個(gè)6脈波系統(tǒng)進(jìn)行整體控制。這是整個(gè)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)和核心部分，也是首創(chuàng)的將DCS800主從控制模式應(yīng)用到大功率整流器中。

1.2控制系統(tǒng)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(diào)節(jié)狀態(tài)的讀取和寫入，從而完成對(duì)整個(gè)整流系統(tǒng)的控制。

1.2.2控制原理

通常，2個(gè)6脈波整流器系統(tǒng)是獨(dú)立控制的，而對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的2個(gè)6脈波系統(tǒng)如要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和穩(wěn)功率控制，受其電壓并聯(lián)特性的控制，必須先將2個(gè)6脈波系統(tǒng)作為整體，將實(shí)際測(cè)量的電壓值或功率值作為反饋，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后，分別再作為給定給兩個(gè)6脈波系統(tǒng)，這樣才能解決兩個(gè)系統(tǒng)出力不平衡的問題。

如圖1所示，2個(gè)6脈波大功率整流器分別定義為系統(tǒng)1和系統(tǒng)2，使用DCS800的速度調(diào)節(jié)環(huán)和電流調(diào)節(jié)環(huán)來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)功能。速度換為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。2個(gè)DCS800，1個(gè)作為主調(diào)節(jié)器，使用該DCS800的速度環(huán)作為外環(huán)控制，通過外環(huán)PID調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)和控制12脈波系統(tǒng)的直流電壓或直流功率輸出，使用兩個(gè)DCS800的電流環(huán)分別作為兩個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)控制，分別通過內(nèi)環(huán)PID調(diào)節(jié)器來限定和控制各自6脈波整流器系統(tǒng)的直流電流輸出。如圖1所示，以穩(wěn)壓控制為例，系統(tǒng)的直流電壓反饋接入到主調(diào)節(jié)器的外環(huán)反饋，系統(tǒng)1的電流反饋接入到主調(diào)節(jié)器的內(nèi)環(huán)反饋，系統(tǒng)2的電流反饋接入到從調(diào)節(jié)器的內(nèi)環(huán)反饋。實(shí)際應(yīng)用中，除了系統(tǒng)的直流電壓測(cè)量值，系統(tǒng)的直流功率測(cè)量值也接入到了主調(diào)節(jié)器的外環(huán)反饋上。當(dāng)選擇穩(wěn)壓模式時(shí)，主調(diào)節(jié)器內(nèi)部會(huì)選擇實(shí)際電壓測(cè)量值為反饋值；同理，當(dāng)選擇穩(wěn)功率模式時(shí)，主調(diào)節(jié)器會(huì)選擇實(shí)際的功率測(cè)量值為實(shí)際的反饋值。

1.3大功率整流器直流并聯(lián)輸出的優(yōu)化運(yùn)行

在日本昭和電工株式會(huì)社的項(xiàng)目中，在啟動(dòng)生產(chǎn)后，我們和昭和電工株式會(huì)社的工藝工程師一起反復(fù)摸索和試驗(yàn)，改變了其傳統(tǒng)的直流輸出控制方式，最終創(chuàng)造性的改變和優(yōu)化了其生產(chǎn)工藝，使生產(chǎn)效益得到了顯著的提高。

圖1　2個(gè)6脈波并列控制原理圖

1.3.1傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，如圖（2）所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為12脈波整流器的輸出電壓值，即負(fù)載電壓值。1個(gè)生產(chǎn)周期分為3個(gè)階段：第1個(gè)階段是穩(wěn)壓運(yùn)行，電壓控制在120V，保持72個(gè)小時(shí)；第2個(gè)階段是穩(wěn)功率運(yùn)行，系統(tǒng)輸出功率控制在600kW，保持72個(gè)小時(shí)；第3個(gè)階段又是穩(wěn)壓運(yùn)行，電壓控制在60V，保持72個(gè)小時(shí)。1個(gè)生產(chǎn)周期為9天，即這3個(gè)生產(chǎn)階段的時(shí)間累加值。

圖2　整流器直流輸出曲線傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝

1.3.2優(yōu)化后的生產(chǎn)工藝

在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備投運(yùn)后，通過反復(fù)的摸索和測(cè)試，對(duì)直流輸出的控制方式和生產(chǎn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化。新生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)周期仍分為3個(gè)階段，但生產(chǎn)周期的時(shí)間由9天縮短到了7天。如圖（3）所示，橫坐標(biāo)為負(fù)載的電阻值，縱坐標(biāo)為12脈波整流器的直流輸出功率值，即負(fù)載功率值。第1個(gè)階段是限壓運(yùn)行，電壓限定在120V，保持88小時(shí)；第2個(gè)階段是穩(wěn)功率運(yùn)行，系統(tǒng)輸出功率控制在900kW，保持32個(gè)小時(shí)；第3個(gè)階段是限電流運(yùn)行，系統(tǒng)輸出電流限定在額定值，保持48個(gè)小時(shí)。

圖3　整流器直流輸出曲線優(yōu)化后的生產(chǎn)工藝

1.3.3傳統(tǒng)和優(yōu)化后的生產(chǎn)工藝的分析和比較

我們來仔細(xì)分析和比較2種生產(chǎn)工藝。

2種生產(chǎn)工藝都分為3個(gè)階段。第1個(gè)階段為穩(wěn)壓階段，負(fù)載阻值會(huì)隨著加熱時(shí)間的增加而減小，在保持輸出電壓不變的情況下，負(fù)載功率值相應(yīng)的會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加。原始生產(chǎn)工藝中是120V穩(wěn)電壓運(yùn)行，并在負(fù)載功率值達(dá)到600kW時(shí)轉(zhuǎn)入第2個(gè)生產(chǎn)階段進(jìn)行穩(wěn)功率控制運(yùn)行。新生產(chǎn)工藝中從生產(chǎn)開始到負(fù)載功率值為600kW這一段和原始生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)效益完全一致，但兩者的控制方式不同：原始生產(chǎn)工藝是穩(wěn)壓運(yùn)行，而新生產(chǎn)工藝實(shí)際上是限壓運(yùn)行，內(nèi)外環(huán)實(shí)際上都是開環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，是限制其直流輸出電壓值為120V。當(dāng)負(fù)載功率值大于等于600kW時(shí)，原始生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)入到第2個(gè)生產(chǎn)階段，而新生產(chǎn)工藝扔保持在第1生產(chǎn)階段，一直保持到負(fù)載功率值從600kW增加到900kW時(shí)才轉(zhuǎn)入第2個(gè)生產(chǎn)階段。

第2個(gè)階段為穩(wěn)功率階段，原始生產(chǎn)工藝一直穩(wěn)定在600kW，負(fù)載電阻在減小，所以負(fù)載電壓在減小。新的生產(chǎn)工藝中一直是穩(wěn)定在900kW，不僅負(fù)載的運(yùn)行功率比原始工藝大，同時(shí)負(fù)載的運(yùn)行電流也比原始工藝大。

第3個(gè)階段，原始生產(chǎn)工藝中，當(dāng)負(fù)載阻值達(dá)到限定的節(jié)點(diǎn)時(shí)，由600kW的穩(wěn)功率階段轉(zhuǎn)入到60V的穩(wěn)壓階段。而后直流電流隨著負(fù)載阻值減小而增加，一直增加到電流額定值，整個(gè)功率也在漸漸增加。而新生產(chǎn)工藝中，從第二階段轉(zhuǎn)入第三階段的工藝點(diǎn)上，負(fù)載電流已經(jīng)是額定電流。轉(zhuǎn)入第三階段后，負(fù)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(shí)上，在新生產(chǎn)工藝的第3個(gè)階段，負(fù)載電流始終被限定在了額定值，這樣生產(chǎn)效率顯然比原始生產(chǎn)工藝要高效。

2　結(jié)論

我們首創(chuàng)的將DCS800主從控制模式應(yīng)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(huán)和電流環(huán)進(jìn)行PID閉環(huán)控制，從而解決了12脈波大功率整流器輸出電壓并聯(lián)特性問題，并且也成功的應(yīng)用到了實(shí)際的項(xiàng)目中，得到了理想的驗(yàn)證。同時(shí)我們?cè)趯?shí)際項(xiàng)目中優(yōu)化了整流系統(tǒng)的控制方式，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了生工藝，提高了生產(chǎn)效益。整流器制造商、使用廠家, 應(yīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中, 不斷總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性上下工夫, 使之日臻完善, 并不斷創(chuàng)新，從而不斷提高企業(yè)的效益。

TM461

B

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。