电解铝整流系统建模与稳流协调控制对策分析论文

 

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　　摘要：在供电系统中,由于主网干扰对供电管理系统的电力品质影响相当大,电解铝整流式系统也可能为电力系统主网造成很大干扰,所以应该对电解铝整流系统进行严谨设计。电解铝整流体系的扰动,通常可分成工业生产系统当中的负载突变和系统负荷两个形式,而系统负荷则在工业生产活动中的各个时期都呈平稳变动。在电解铝的整体生产流程中,电流伴随着阳极效应出现,负载的变化也会呈现出以上两个过程,从而可能导致电解电流与期望数值产生偏离,所以一定要采取相应对策并加以校正,保证电解铝的整流系统电流持续、平稳地工作。本文将针对电解铝整流系统运行原理了解之后,制定出完善电解铝整流系统稳流协调控制策略,明确了电解铝整流系统优化的价值,为电解企业的自身稳定发展奠定基础。

　　关键词：电解铝；整流系统；稳流协调控制

　　结合我国当前实际情况来看，我国电解铝厂大电流整流系统一般都存在不稳定问题，这也直接造成铝的质量、铝的产量不断下降。所以在当前电解铝整流系统当中，应该控制好电解电流的稳定性。铝电解稳电流控制器要求系统在有干扰的任何情形下,仍然可以按照设定值输送平稳的直流电流;同时由于电解铝系列产品连续性很强,所以在制造流程中要求供给较大的直流电流的同时需要保持直流电流的稳定性,所以目前在国外已经普遍使用了可控硅整流机组电源。虽然可控硅稳流系统在控制速度、电流稳定度、操作简单等方面具有优势，但是由于其协调控制难度大、控制系统复杂、对控制精度要求高，整流元件易批量损坏等，不适合我国国情，在国内仅部分铝电解企业在应用。

　　目前，国内大多数铝电解企业整流系统运用的还是二极管整流，因为二极管导通是不受控制的。而为达到对输出电流的监控,可以采用在控制系统中的调压变压器的有载开关,来调节变压器的二次侧输出电流,以实现监控输出电流的目的;但是由于有载开关动作速度慢，且存在电压级差和动作次数的限制，仅靠有载开关无法精确达到控制输出稳定电流的目的。所以,在有载开关电源调压的基本上又添加了通过整流变压器的饱和电抗器调压的方法,即以有载开关为粗调,再以饱和电抗器为细调,二者联合来实现对系列电流的精确控制。

　　1　电解铝整流系统运行原理

　　电解铝整流系统原理，代表电流的给定值、代表电流的反馈值、代表其差值。其中代表的是控制电流、代表输出电流。输入为220KV交流电由公网供电，经过变压器将220KV交流电变为10KV，经整流器整流后输出为符合铝电解生产所需的直流电。通过数字式可编程逻辑控制器来完成对稳流系统的控制。稳流大闭环PLC控制系统配备了与其相互协调的传感采集器，将电流经过隔离变送器反馈到PLC控制系统当中，经过PID运算后，将运算结果作为单机组稳流的分调给定，实现系列电流的闭环调节。直流传感器采集机组的直流输出电流。经隔离变换器变换之后将其传递至PLC系统，与给定电流信号加以对比，通过调节可控硅的占空比，从而实现对电流的控制，使单机组输出稳定的直流电流，进而保证电解系列总电流以设定值进行输出。

　　整流变压器由四个不同的三相变压器并联组成。四个三相变压器使用不同的并联模式，导致四种不同的相位变化，从而将每个周期中的脉冲数转换为原来的四倍。自饱和电抗器的工作原理带有二极管D的一侧为控制回路，当控制回路导通时，会导致铁芯退磁，而当工作回路导通时将促使铁芯增磁。当铁芯处于饱和状态时，那么磁导率将处于最低值，而当铁芯处于不饱和状态时，那么磁导率则线性增加。所以在自饱和电抗器处于非饱和状态时，所产生的电感应值相对较大。在此基础上，达到自然换向点之后，若电抗器仍未达到饱和状态，则电路的正常导通将被切断，将会出现换向延迟问题。电网所供给的交流电将依次通过变压器、整流桥和降压电路，以获得稳定状态，在控制降压电路中，通过控制IGBT的通断进而改变控制电流的大小。当采集到的电流与流经电解槽电流与给定值不同时，PWM脉冲宽度调制技术则开始工作，使用控制器调整晶闸管占空比，以便于调整晶闸管通断频率，进而调整控制电流，使得电解槽电流变为稳定状态。
 

　　2　电解铝整流系统稳流协调控制策略

　　某企业电解铝整流系统中一共有7台高压整流机组，每台机组均配制一套稳流控制系统，同时完成对单机组的小闭环稳流控制，另配置一套总调稳流控制系统，以便于同时完成7台机组的大闭环稳流控制，而当有载调压变压器在电解电流波动相对较大，例如当系统中出现故障时或者电解槽发生阳极效应，导致电解电流发生变化时，饱和电抗器的调节范围不足以调控时。此时假设电流实际值与给定值之差为。自饱和电抗器电流的调节范围为，若＞，那么电流波动超出自饱和电抗器的调节能力时，那么则会触发有载开关进行升降档操作，在升降有载开关之后再对进行计算。若仍然＞那么便需要重复调节有载开关，直到减少到小于为止。

　　3　电解铝整流系统建模与稳流协调控制方法

　　3.1　电解铝整流系统建配置

　　某公司为500kA电解铝生产企业，设计值自饱和电抗器的控制电流为0——30A、控制电压为0——10V、调压深度为70V进行，电解铝整流系统技术参数如下所示。

　　整流变压器具体参数如下：

　　额定容量/(MV·A)：220。

　　额定直流电压/kV：2X48。

　　阀侧电流/kA：2X2X19.548。

　　移向角/(°)：±4.286,±8.571,±12.857,0。

　　调变联结组别：YNaOd11。

　　主变联结组别：ZNy0-y6/ZNd11-d5。

　　有载开关分接位置/级：95。

　　补偿容量/(MV·A)：30。

　　补偿电压/kV：20。

　　硅整流柜具体参数如下：

　　额定电流/A：2X48。

　　额定电压/kV：1.25。

　　并联支路数：6。

　　单机组元件数/只：144。

　　硅整流元件型号：瑞士ABB4英寸原件5SDD50N5500BUSSMANN。

　　快熔型号：170M80272500A/1250V。

　　接线方式：同相逆并联整流，二极管整流。

　　稳流控制柜具体参数如下：

　　单相控制变压器型号：220V/18V，500V·A。

　　自耦调压器型号:TDGC2220V/0~250V；500V·A。平波电抗器型号:100mH/30A；80mH/10A。

　　三相整流桥型号:6RI75E080(75A/1.2kV)。
　
　　单相整流桥型号:MDQ30A/1200V。

　　IGBT型号:2MBI75S-120(75A/1.2kV)。

　　稳流触发器型号:WLCF-II。

　　无感电容型号:PMB1200V1μF/1200V。

　　3.2　电解铝整流系统存在的问题

　　针对该电解铝整流系统实际情况，先后对七台电解铝整流机组、总调PLC控制器等进行采样，同时也对机组的输出电流和占空比波形进行了分析，发现该电解铝整流系统和占空比波动都很大。通过分析PI控制器发现其存在一定的问题，由于响应速度慢，而波动速率较快，导致系统调整滞后，直接造成波动叠加，波动幅度进一步增加。在此基础上，对电解铝整流系统实际问题进行分析，探究出造成电解铝整流系统波动的实际原因，主要有以下几个因素。其一，反馈滤波参数选择不合理，使得反馈产生了比较大的滞后性。其二，控制程序参数选择不合理，导致反馈的滞后性较大。其三，控制器运行扫描速度也比较缓慢。结合电解铝整流系统的实际测试发现，PLC扫描周期为5—10ms，扫描速度跟实际要求相符合，可以排除第三个因素：硬件响应速度相对缓慢。所以在进行电解铝整流系统优化时，有针对性的针对前二个因素进行系统优化，以便于提升电解铝整流系统速度，维护整个系统的稳定性。通过对电解铝整流系统输出总电流和控制器输出占空比波形进行分析，可以明显看出系统输出处于不稳定状态，并且控制器动态响应速度相对较慢，很难及时进行动态化的跟踪。总控控制器是系统控制外环，从理论层次上来看，与单机组内环相比，其响应速度稍微慢一些，只有这样才能够保障系统运行稳定性。对电解铝整流系统进行监测之后，发现其程序运算时间为1ms级，扫描速度相对较快，扫描速度为10ms级，所以不能及时的完成对总控制器输出运算，从而导致了系统的不稳。尽管电解铝整流控制系统的执行速度比较快，但是若反馈信号滞后过多，其运算结果便没有了意义，所以必须对总调PLC控制系统加以优化。
 

　　3.3　电解铝整流系统稳流协调控制优化目标

　　电解铝整流系统稳流协调控制优化目标主要有两个，其一，电解铝整流系统想要确保其运行稳定性，解决500kA整流系统中直流输出在固定周期内电流低频振荡问题，那么便能够利用过滤系统脉冲的诱发因子方式，减少整流系统供电机组因振荡解列而引起的电解系列非停事故。其二，实现500kA整流系统的直流输出电流稳定性控制时，为了电解槽正常生产工艺能够得到保障，那么必须保证将单柜输出电流波动控制在200A内。系列稳流精度应该为正负百分之一，系列输出电流的波动幅度应该把控在5kA以内。

　　4　电解铝整流系统稳流协调控制优化过程

　　通过对设备进行分析，同时对现场进行测试，在进行电解铝整流系统稳流协调控制优化时，主要对单机组PLC和总调PLC流程分别进行了改良，改良前的PLC系统工艺流程为主程序→系统初始化→控制信号处理→系统监测保护和改良后的PLC系统工艺流程主程序→系统初始化→控制器计算程序→控制信号处理→系统监测保护。通过理论分析与现场实践比较，主要调整了反馈滤波参数和控制程序参数，以便于进一步提高系统的响应速度。调整前1,2,3,4号机组的KP参数分别为-3.60，-2.0，-5.50，1.80；K1参数分别为0.90，0.45，-4.80，0.045；调整后的KP参数分别为-5.50，-4.80，-5.00，-4.00；K1参数均为0.1。

　　在此基础上，还对总控制器K1、KD参数进行了调整，通过十次测验结果分析，最终得出了相对较为满意的结果，其结果如下所示，给出了控制器K1、KD参数调整数据内容。

　　原始值：K1：1.0；KD：2.5

　　修改值1：K1：1.2；KD：1.0

　　修改值2：K1：0.5；KD：0.5

　　修改值3：K1：0.8；KD：1.5

　　修改值4：K1：0.8；KD：0.6

　　修改值5：K1：1.3；KD：2.0

　　修改值6：K1：1.5；KD：1.5

　　修改值7：K1：1.8；KD：1.0

　　修改值8：K1：2.0；KD：1.0

　　修改值9：K1：2.5；KD：1.3

　　修改值10：K1：2.6；KD：1.3

　　对电解铝整流系统稳流协调控制优化之后，对其参数等内容进行了详细的分析，对其中4台机组进行了随机抽签测试，并且对4台机组当天的直流输出曲线进行了分析。通过对曲线进行分析，可以明确看出在优化之前，单机直流电输出波动相对较大，这也明确了在优化之前，系统运行存在不稳定的特点，通过对电解铝整流系统稳流协调控制优化，在图像虚线之后，直流电流输出存在优化情况，并且其效果也非常明显。通过对比分析，能够明显看出电解铝整流系统参数调整后的电流稳定性要比调整前的好很多。

　　通过对电解铝整流系统稳流协调控制优化，可以有效强化电解铝整流系统运行稳定性，保障电解铝整流系统在稳定、良好的状态下进行运行。在饱和电抗器的响应速度和反馈结果滞后的情况下，可以增加KP的速度、增加K1并进行超前调节进行改进，有效缓解之前电解铝整流系统稳性较差这一问题。但是值得注意的是，在借助此种方式开展电解铝整流系统稳流协调控制优化时，应该积极借鉴西方国家的先进经验，确保电解铝整流系统稳流协调控制优化质量，减少风险问题出现，凸显电解铝整流系统最佳性能。

　　5　结语

　　总而言之，电解铝整流系统稳流协调控制优化的意义重大，可以不断强化电解铝整流系统运行稳定性、高效性。在进行电解铝整流系统稳流协调控制优化时，必须要结合企业自身实际情况，科学合理的选择电解铝整流系统实际情况，及时发现潜在的安全隐患，制定出快捷、便利、高效性的电解铝整流系统。明确电解铝整流系统稳流协调控制优化目标、探寻电解铝整流系统稳流协调问题，确保电解铝整流系统的高质量运行。