考慮電網(wǎng)電壓波動和不平衡的電解鋁供電系統(tǒng)電流控制策略

潘 霄,王春生,孫浩楠,鄧鑫陽,王義賀

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,遼寧 沈陽 110015;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽 110006;3.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819)

電解鋁冶煉廠的電解系列需要直流電源為其供電,通常為多臺單機(jī)組12脈沖的機(jī)組并聯(lián)組成等效多相系統(tǒng),為了保證供電可靠性機(jī)組數(shù)量通常為N+1(N+2)組成。雖然具有較高的可靠性,但在電網(wǎng)電壓波動時,會引起輸入電解槽的電流波動,破壞電解穩(wěn)定條件,增大電解鋁過程的能耗。與此同時,在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中,由于某些接地故障或者系統(tǒng)故障導(dǎo)致三相電網(wǎng)電壓不平衡也會使直流側(cè)電流中存在二倍頻的波動,這會增加電能的損耗,還有可能造成繼電保護(hù)、自動裝置工作紊亂,雖然目前電解鋁廠也具有相應(yīng)的諧波處理技術(shù),但其大多是針對整流裝置所產(chǎn)生的諧波,并沒有考慮到三相電網(wǎng)電壓不平衡給系統(tǒng)引入的諧波。因此,必須對直流側(cè)電流采取相應(yīng)的控制策略來應(yīng)對電網(wǎng)電壓波動和電網(wǎng)電壓不平衡情況對鋁電解過程的影響。

1 鋁電解過程分析

現(xiàn)代電解鋁工業(yè)生產(chǎn)主要是以氧化鋁為原料,以冰晶石(3NaF·AlF3)為主要熔劑,以氟化鈣、氟化鎂等氟化鹽為添加劑,用熔鹽電解法來生產(chǎn)鋁。具體的流程如下:將直流電通入電解槽,在陰極和陽極上起一系列電化學(xué)反應(yīng),在電流作用下,電解槽中的氧化鋁被消耗,在陽極上生成二氧化碳和一氧化碳的混合氣體與液態(tài)熔鹽體系產(chǎn)生的氟化物煙氣混合排出至凈化系統(tǒng),通過凈化系統(tǒng)凈化后排空。陰極析出鋁液用真空抬包抽出,經(jīng)過凈化和澄清后,澆鑄成商品鋁錠,或者對生產(chǎn)的鋁錠進(jìn)行加工,制成各種各樣的鋁材[1]。為了清晰的展現(xiàn)鋁電解生產(chǎn)過程中各個工序之間的關(guān)系,給出鋁的電解生產(chǎn)工藝如圖1所示。

由圖1可知,直流電作為鋁電解過程中的能源具有很重要的作用,一方面通過電能實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng),將氧化鋁轉(zhuǎn)化為金屬鋁;另一方面穩(wěn)定的電能是維持穩(wěn)定電解槽重要生產(chǎn)參數(shù)(熔鹽溫度)的重要因素。由于電解槽一旦開始運(yùn)行,需要穩(wěn)定不間斷電能保持電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行,短時間停電或供電波動會造成電解槽生產(chǎn)指標(biāo)的大幅度波動,較長時間停電或供電波動會導(dǎo)致全系列停槽,系列波動或停槽會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 鋁的電解生產(chǎn)工藝

因此保證直流電能的連續(xù)性和穩(wěn)定運(yùn)行是電解系列高效穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)條件。由于電網(wǎng)電壓的波動,或者電網(wǎng)電壓的不平衡會破壞電解穩(wěn)定的技術(shù)條件,而且使電解鋁能耗大幅度增加,因此保證直流電能供給的恒流性也十分重要[2]。

2 電解鋁供電系統(tǒng)

鋁冶煉廠作為高耗能負(fù)荷接入電網(wǎng),需要電網(wǎng)為其提供較高的直流電流和電壓,在這種情況下,通常采用等效多相直流電源裝置作為鋁冶煉廠的供電裝置,為各個電解槽提供電能[3]。并通過實(shí)時監(jiān)測電解槽內(nèi)電壓和電流的值來控制槽內(nèi)的熱平衡。而給電解鋁過程供電的直流電流的穩(wěn)定性是通過飽和電抗器和有載分接開關(guān)(OLTC)實(shí)現(xiàn)的[4]。電解鋁供電系統(tǒng)的框圖如圖2所示,每個多脈沖整流單元通常包括具有抽頭轉(zhuǎn)換能力的整流變壓器、移相變壓器和具有飽和電抗器的整流器,而直流負(fù)載由串聯(lián)電解槽的等效電阻、電感和反電動勢組成。

圖2 電解鋁供電系統(tǒng)的框圖

由于電解鋁整流機(jī)組是電力系統(tǒng)主要的諧波源之一,其產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng),會造成母線電壓畸變,供電質(zhì)量下降,針對這種情況,大多數(shù)解決方案是在整流變壓器中設(shè)置補(bǔ)償裝置來吸收所產(chǎn)生的諧波[5]。而本文主要考慮電網(wǎng)電壓不平衡情況下所引入的諧波,通過對整流器進(jìn)行相應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)諧波的治理。

3 直流側(cè)電流控制

3.1 電網(wǎng)電壓波動時的電流控制策略

直流母線上電流的穩(wěn)定是通過飽和電抗器和有載分接開關(guān)實(shí)現(xiàn)的,將飽和電抗器串聯(lián)在多脈沖整流器的整流臂中,飽和電抗器在整流器的換相過程中起到了推遲換相的作用,從而改變了整流橋的直流輸出電壓,進(jìn)而調(diào)節(jié)了輸出電流。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動,例如電網(wǎng)電壓上升時,輸入電解槽的直流電流增大,同時流過飽和電抗器的控制電流增大,對應(yīng)的電抗器的飽和角增大,使整流橋的換相角延遲增大,導(dǎo)致整流裝置的輸出電壓減小,電解直流電流相應(yīng)減小,達(dá)到了自動調(diào)節(jié)的作用,反之亦然。飽和電抗器的控制特性如圖3所示。

圖3 飽和電抗器的控制特性

由圖3可以看出,只在控制電流的一定區(qū)域內(nèi)采用飽和電抗器控制,而有載分接開關(guān)則通常工作在飽和電抗器的控制范圍之外,這是為了保證直流側(cè)電壓的有效控制。采用飽和電抗器進(jìn)行精細(xì)控制,采用有載分接開關(guān)進(jìn)行粗略控制,以閉環(huán)模式連續(xù)運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電流的自動控制。

電抗器和分接開關(guān)的協(xié)調(diào)控制是控制整流器輸出電流的關(guān)鍵。抽頭變壓器具有多個分接頭,以調(diào)節(jié)直流側(cè)輸出電壓,每個整流器都有一個單位參考電流,在閉環(huán)電流控制中與測量電流進(jìn)行比較。整流電路的電流控制回路如圖4所示,將多脈沖整流器的輸出電流測量值與參考電流進(jìn)行比較,然后由比例積分(P-I)控制器調(diào)節(jié)相應(yīng)飽和電抗器的控制電流,從而將輸出電流保持在期望值。有載分接開關(guān)運(yùn)行在飽和電抗器的控制電流范圍之外。

圖4 整流電路電流控制回路框圖

誤差信號是通過計算直流電流參考值和整流器輸出電流測量值的差異而產(chǎn)生的。冶煉廠的直流負(fù)載電流參考值Idc可根據(jù)下式計算:

(1)

式中:Vdc——直流側(cè)額定電壓;

E——反電動勢的固定值;

R——直流側(cè)負(fù)載所對應(yīng)的恒定直流電阻。

以上控制策略很好的應(yīng)對了電網(wǎng)電壓波動對電解鋁過程的影響,實(shí)現(xiàn)了在電網(wǎng)電壓增大或者減小的情況下,輸入鋁電解槽的直流電流的自動控制。但在真實(shí)的電網(wǎng)情況下,由于電網(wǎng)可能會發(fā)生某些故障,例如單相接地或者斷線故障,會使電網(wǎng)三相電壓不平衡,從而導(dǎo)致直流電流存在諧波干擾,這必然會影響到電解鋁供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[6],因此,接下來討論在不平衡電網(wǎng)情況下的直流電流控制策略。

3.2 電網(wǎng)三相電壓不平衡時的電流控制策略

在不平衡電網(wǎng)情況下,三相不平衡電網(wǎng)電壓可以表示為:

(2)

其中:

(3)

(4)

式中:UP,Un——分別為電壓幅值的正負(fù)序分量;

ω——電網(wǎng)電壓的基波角頻率;

θP,θn——正負(fù)序分量的初相角,上標(biāo)“+”和“-”分別代表正序和負(fù)序。

通過Clarke變換,三相電網(wǎng)電壓可以轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下,變?yōu)閑α和eβ;同理,三相電網(wǎng)電流也轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下,變?yōu)閕α和iβ。其中,用于Clarke變換的變換矩陣為:

(5)

因此,從電網(wǎng)輸入多脈沖整流器的瞬時功率可以表示為:

(6)

(7)

式中:P2ω和Q2ω代表有功功率和無功功率的擾動項(xiàng)。上式還可以寫為:

(8)

為了簡化分析,忽略整流器的內(nèi)部損失,忽略掉負(fù)序分量,同時認(rèn)為整流器工作在單位功率因數(shù)模式。則根據(jù)功率平衡理論,可以得出:

IdcVdc=P(t)=Pc2cos(2ωt)+Ps2sin(2ωt)

(9)

則直流側(cè)電壓可以表示為:

Vdc=Vdc0+Vdc1sin(2ωt)+Vdc2cos(2ωt)

(10)

式中:Vdc0代表直流電壓的平均值,而Vdc1sin(2ωt)和Vdc2cos(2ωt)是由于不平衡電網(wǎng)電壓而產(chǎn)生的震蕩電壓,現(xiàn)令:

ΔVdc=Vdc1sin(2ωt)+Vdc2cos(2ωt)

(11)

則根據(jù)圖1,忽略電解槽中的反電動勢,可以得出直流側(cè)的電流波動為:

(12)

將式(11)代入式(12)進(jìn)一步可以得出:

(13)

由式(13)可知,直流側(cè)電流波動由兩相組成,第一項(xiàng)為瞬時項(xiàng),隨著時間推移,第一項(xiàng)衰減為0,第二項(xiàng)為穩(wěn)態(tài)項(xiàng)。因此,在穩(wěn)態(tài)時直流側(cè)電流可以表示為:

Idc=Idc0+ΔIdc

=Idc0+Idc1sin(2ωt)+Idc2cos(2ωt)

(14)

式中:Idc0——直流側(cè)平均電流;

Idc1,Idc2——電流二次諧波的幅值。

由式(14)可以看出,在三相電網(wǎng)電壓不平衡的情況下,輸入電解槽的直流電流會含有二次諧波,這必然會增加電能損耗,同時也可能會影響設(shè)備正常運(yùn)行,為了消除直流電流中的二次諧波,現(xiàn)對原有的電流控制策略進(jìn)行改進(jìn)。

圖5 改進(jìn)后的電流控制策略框圖

(15)

式中:n——諧波次數(shù);

k——控制器增益。

4 仿真分析

為驗(yàn)證所提直流側(cè)電流穩(wěn)流控制策略的準(zhǔn)確性,在MATLAB/SINMULINK中搭建鋁冶煉廠的并網(wǎng)模型,其模型參數(shù)和控制器參數(shù)按照表1所示選取。

表1 模型參數(shù)和控制器參數(shù)

運(yùn)行到1 s時,在電網(wǎng)側(cè)模擬單相接地故障,此時的三相電網(wǎng)電壓如圖6所示,可以看出在出現(xiàn)故障時,三相電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。在1.3 s時對直流側(cè)電流進(jìn)行諧波分析如圖7所示,根據(jù)圖7顯示的直流側(cè)電流諧波分量可知,在不平衡的三相電網(wǎng)電壓下,直流側(cè)的主要諧波為二次諧波,為了消除直流側(cè)二次諧波的干擾,引入本文所提出的控制策略。圖8給出在應(yīng)用本文所提出的控制策略后的直流側(cè)電流諧波分量圖,可以看出二次諧波分量顯著減少,驗(yàn)證了所提控制策略的可行性。

圖6 電網(wǎng)三相電壓

圖7 1.3s時直流側(cè)電流諧波分量

圖8 應(yīng)用本文控制策略后的直流側(cè)電流諧波分量

同時為了驗(yàn)證所提控制策略在電壓波動時對系統(tǒng)的影響,0.5 s時,在直流側(cè)電壓施加-5 V的擾動,此時的直流側(cè)電流變化情況如圖9所示,在控制器的作用下,直流側(cè)電流在0.1 s內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定值。說明本文所提出的控制策略可以很好的應(yīng)對電壓波動對直流側(cè)電流的影響。

圖9 電壓擾動時直流側(cè)電流

5 結(jié) 語

目前,大多數(shù)電解鋁廠的直流電穩(wěn)流系統(tǒng)并不完善,沒有考慮到網(wǎng)側(cè)電壓波動和網(wǎng)側(cè)電壓不平衡對系統(tǒng)的影響,因此使用飽和電抗器和有載分接開關(guān)來應(yīng)對電網(wǎng)電壓的波動,在控制系統(tǒng)中串聯(lián)特殊控制器來消除網(wǎng)側(cè)電壓不平衡所引起的直流側(cè)二次諧波,同時使用雙環(huán)控制策略,提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低了電解鋁過程中的能量損耗。