铝电解直流大电流稳流系统改进

摘要：电解铝行业直流大电流自动稳流控制系统开发出了数字式稳流控制系统得到广泛应用。文章简要介绍目前国内直流大电流自动稳流控制系统的工作原理及实际运行中存在的问题，并提出了改进方案。

关键词：稳流控制；通讯方式；PID参数设定；装置模块化；反馈信号

中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）09-0045-03

1 概述

目前国内电解铝行业直流大电流自动稳流控制系统仍采用早起北京整流变压器厂研制的模拟电子电路控制原理，后经包头铝业集团动力公司科技人员在此基础上将多年实践运行经验结合PLC可编程序控制器技术开发出了数字式稳流控制系统得到广泛应用。该系统工作原理是通过改变主回路饱和电抗器偏移绕组或控制绕组的电流来改变电抗器中的磁势（电抗值），即自饱和电抗器作为直流电流恒流控制的主要执行器件，是将整流机组输出的直流电流通过直流互感器变换，由稳流系统将变换后的电流转换成4-20mv电压信号反馈给PLC，与给定信号比较，PLC进行PID计算，控制输出脉冲的占空比，改变IGBT的输出电流，从而使整流元件自然换向角延迟，达到调整系统直流电流在给定值的目的。其直流电流的调节方式根据主回路整流柜元件的不同有二种调节方式：即整流调压变压器有载调压+自饱和电抗器+硅整流柜的组合方式，变压器有载开关粗调，电抗器细调及整流调压变压器有载调压+可控硅整流柜的组合方式，变压器有载开关粗调，可控硅细调的调节方式。目前国内大型电解铝企业多采用第一种方式。它的调压范围设计一般在50～70V/DC之间。

2 自动稳流控制系统在实际运行中存在的问题

随着整流设备制造技术的不断发展，单机组直流电流由20000A上升到100000A，电压由600V/DC也提升到了1500V/DC左右，电解铝向系列电流500KA、单系列年产能30～40万吨方向发展，而整流机组稳流控制系统在技术上基本没有研究和发展，致使系列直流电流在效应瞬间波动范围达到16000A左右，电压的波动幅度也在50V左右。产生如此较大幅度波动的因素主要表现在以下几点：

稳流装置在设计时未考虑整流系统谐波对稳流控制系统的影响以及通讯方式。

饱和电抗器的控制绕组和偏移绕组结构基本一样，特性一致，控制却不尽相同。目前稳流系统电源部分，对偏移绕组的控制电路采用单相调压器调压、经单相变压器降压、再经过单相桥式整流、后置电路直接控制电抗器偏移绕组；而电抗器控制绕组电源部分采用三相整流变压器、再经过三相桥式整流、加上后置电路、由PID调节控制IGBT模块、调节电抗器控制绕组的电流大小。这两种电源电路电压波形存在差异，对饱和电抗器铁芯助磁和消磁的电流不对称。

饱和电抗器控制和偏移绕组在没加直流控制电流的情况下可感生出300Hz的非正弦交流电压、幅值大小不一，约在800～2600V之间，易造成反馈板、触发板和IGBT模块损坏。

稳流控制PID用总调方式下、在“目标值”临界点时，各机组之间有“翘翘板”式的波动现象，即在总调模式下各机组电流分配是在小闭环（单机组闭环系统）与大闭环（系列电流闭环系统）系统双重作用下进行调节，在小闭环调节过程中同时接受大闭环的调节指令，造成机组输出电流的不断变化。

调变有载开关一般只压1～2档（1档居多）。有载开关每升降1档，系列直流电压升降在8～14V/DC之间（与变压器容量及有载开关级数有关），在电解系列产生一个效应（约30V左右）时，系列电压释放8～14V/DC，覆盖不了30V的效应电压。压至2～3档时往往导致饱和电抗器工作于非线性区，稳流不起作用。

压档太多（3～4档）系统功率因数降低较多，电压质量下降，不能满足电网基本要求。

压档太多（3～4档）时，电解效应瞬间熄灭后，PID响应速度慢，系统波动较大，容易引起直流过电流，导致机组跳闸。

3 整流机组稳流控制系统的改进理念

稳流控制系统信号的上传以及各机组稳控柜之间的通讯连接，均应采用光缆通讯，通讯速度快，不受强电、磁场及谐波干扰。

稳流控制单元结构模块化，接线简单，便于安装、检修、更换。如配置4台逆变直流控制电源，2台分别用于2组控制绕组，2台分别用于2组偏移绕组。配置1台2路直流电流测量显示及PID控制箱，即组成一套单机组测量显示及稳流控制系统。使原稳流控制系统采用单相、三相电源变压器、平波电抗器及DCS-800等元器件得到彻底改进。

采用PID控制箱后，在没有后台计算机情况下，可现场通过面板设置各种参数；有直流电流测量显示功能（0.2级）；有直流过载参数设定功能；PID控制参数设定功能；实际测量值和设定目标值有直观的光标及数字2种显示功能。通过网络通讯功能，可实现由主控室后台计算机对稳流运行参数的读取和修改；稳流PID控制电源部分设有恒压功能的小型电源滤波器，可有效改善电解企业电网中谐波影响，并保证交流电源电压在120～250V波动时对测量和控制无影响。

逆变直流控制电源，最高电压15V，最大电流30A、偏移和控制电源结构相同，可以内触发控制（本控）给电抗器偏移绕组用，也可外触发控制（由PID控制）给电抗器控制绕组用。在整流变电抗器端子箱处配置阻容吸收回路，能吸收饱和电抗器工作过程中控制和偏移绕组感生的、频率300Hz的非正弦交流尖峰电压。

稳流控制只采用小闭环调节控制系统，可有效避免总调方式下机组间“翘翘板”式的波动，单柜一直在自动闭环方式下运行，取消手动稳流控制方式。PID控制计算只对给定的某一数值与反馈数值大小进行比较、跟踪与调节，只采集直流电流传感器信号作为反馈信号，取消传统的交流反馈作为后备反馈的做法。因为交流反馈只能反应电流变化的大小趋势，交流反馈折算值和直流测量的直流电流值之间不成线性比例，不能作为PID控制的反馈信号用。

为满足电解投产初期及后期、机组全投或检修等各种情况下稳流系统跟踪、调节响应速度的需要，计算机后台对PID控制参数设定除“比例，积分”外，还应该增加对PID积分隔离区、PID控制输出幅值比例、控制回差部分的参数设定。

4 运行效果

经我们将改进后的稳流控制系统投入运行5个月的情况分析，改进后的稳流控制系统技术性能基本符合大电流系统：

单机组及系列电流精度：≤0.2%

系统响应速度≤3S

同机组A、B柜电流差值≤100A

机组之间电流差值≤100A

稳流深度：能最大发挥饱和电抗器的作用。

控制技术先进、完整、可靠性高，满足稳定运行的设计要求。

作者简介：黄贵平（1967—），宁夏海原人，宁夏能源铝业公司动力分公司副经理，电气工程师。