考虑有载调压变压器的电解铝稳流控制及其能效分析

刘皓明，黄海萍，高 元，许其品，许和平

（1.河海大学 能源与电气学院，南京 210098；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京 210061）

电解铝是一种重要的工业负荷，连续不断的供给直流电才能保证炼铝的正常进行。电网侧电压波动和电解铝阳极效应都会引起电解系列电流不同程度的波动，导致电流效率降低、直流电耗增加以及阳极效应频率增多，进而影响铝电解的生产[1]。

电解铝节能降耗有多种途径。对于电解槽控机，实现智能化模糊控制，使得电解槽极距和槽电压能较长时间控制在最佳和最恒定的状态[2]；对于整流系统，合理分配各机组运行状态，控制电流输出平稳，提高整流效率[3]。因此采用自动稳流控制对于改善铝电解生产指标、降低直流电耗具有重要的意义。

目前对稳流控制研究的文献，对二极管整流加自饱和电抗器（SR）供电方式结合有载调压开关（OLTC）协调控制的研究不多。文献[4]简要说明了电解铝厂稳流控制系统的组成和控制基本原理等。文献[5]给出了电解槽负荷变化、电网电压波动和发生阳极效应时的电流变化情况。文献[6]用PI控制器来控制自饱和电抗器的电感，给出了有无控制时单台机组出口处电流对比情况。

本文介绍了二极管整流加饱和电抗器稳流的供电方式，分析了整流机组控制和系列电流控制的原理。将自饱和电抗器等效为一个可控的电感，以系列电压的设定值与测量值之差作为有载调压开关的触发信号，提出了一套稳流协调控制策略。在PSCAD/EMTDC环境下搭建了稳流控制的仿真模型，模拟了阳极效应的发生，仿真结果验证了自饱和电抗器与OLTC配合使用的控制策略的有效性，最后，基于对阳极效应冲击电流的控制效果，对比分析计算了节能效益，结果表明，该稳流控制系统能够带来很大的经济效益。

1 稳流控制系统

电解铝大电流整流系统一般由若干套整流子系统并联构成，图1所示为某电解铝厂四机组直流供电系统。整流子系统采用的是二极管串联自饱和电抗器的整流方式，每套整流子系统由有载调压变压器、移相整流变压器、同相逆并联整流器和相关辅助设备组成。其中同相逆并联整流器一般采用12脉波整流电路，包括A、B 2个6脉波整流柜。

图1 某电解铝厂供电系统图

维持系列电流稳定的稳流控制系统一般采用“N+1”控制，N为整流机组数量，1为总调控制。电解系列由这N个整流机组并联对其进行供电，系列电流等于这N机组输出电流之和。对系列电流进行总调控制，实现系列电流的大闭环稳定，以保证系列电流更加精确和平稳。

1.1 单台机组的稳流控制

单台机组稳流控制的主要调节对象是自饱和电抗器，实现该机组的稳流，并保持A、B整流柜输出电流平衡。

当电解系列发生阳极效应，系列电流I减小，由于系列电流为各个整流机组直流电流之和，因此机组的直流电流Idc均减小。各机组设定电流值与各个机组直流出口处电流之差ΔI增大，ΔI经过PI控制器，控制IGBT占空比，从而改变自饱和电抗器控制绕组电流Ik，最后通过串接在三相整流桥臂上的自饱和电抗器的工作绕组来影响二极管的导通滞后时间，从而调节三相整流电路的输出电流[7]。控制过程如图2所示。

图2 单台机组稳流控制

1.2 系列电流的稳流控制

系列电流稳流控制主要是对各个机组自饱和电抗器和有载调压开关的调节，以系列电流测量值为反馈的信号，将其与系列电流的设定值比较，判断OLTC是否需要动作。若需要，则OLTC动作，否则，只控制自饱和电抗器，如此使得电解铝厂系列电流测量值与系列电流设定值相等，以实现稳流的目的[8]。

2 控制策略

2.1 自饱和电抗器的控制策略

自饱和电抗器由一种具有非线性磁化曲线和非线性饱和特性的铁磁材料制造而成，主要由工作绕组、偏移绕组和控制绕组组成，其中工作绕组串接在整流臂上。通过控制自饱和电抗器控制绕组中的电流大小来控制二极管导通的滞后时间，从而实现对整流器负载侧电流即电解系列电流的控制[9]。

自饱和电抗器的磁密曲线为

在不计漏磁和铁芯损耗时，自饱和电抗器的电感计算式为

将（1）式代入（2）式可以得到

式中：a、b、c为表示自饱和电抗器磁化曲线的常数；A为铁芯截面（cm2）；nac为工作绕组匝数；l为磁路平均长度（cm）。

本文将自饱和电抗器视为一可控的非线性电感，为简化计算，将稳定时自饱和电抗器的电感值视为一个稳定值。将整流机组设定值与机组出口处电流之差作为PI控制器的给定信号，PI控制器的输出值与自饱和电抗器的电感稳定值相加作为自饱和电抗器的电感值。当整流机组出口处电流与机组的设定值不相等时，通过PI控制器来使得自饱和电抗器的电抗值变化，电解系列电流随之发生变化。通常，电感值增大将使得系列电流减小。自饱和电抗器的工作特性决定了饱和角能在一定的范围内变动，此时对应与直流侧电压有一定的范围。因此，由自饱和电抗器实现机组电流的细调，一般设置调压深度为70 V。图3所示为自饱和电抗器的控制回路，PI控制器中Kp为比例增益、T为积分环节时间常数。

图3 自饱和电抗器控制回路

2.2 有载调压变压器的控制策略

本文中将调压范围[0,Umax]分为3段，其中，升档段为[0,U1]，自由段为(U1,U2]，降档段为(U2,Umax]，0＜U1＜U2＜Umax这里升档段和降档段对应着OLTC分接头的触发控制。

其中，自由段的电压范围(U2-U1)设为有载调压变压器正常工作情况下变化一个档位所引起的输出电压变化量的1.5倍左右。同时，为保证调压范围处于自由段且接近U1或U2的情况下，再发生一次电流波动时有足够的调节能力，升档段和降档段的调压范围应能够满足一次最常见电流波动的调压需求。因此，降档段的调压范围应满足一次阳极效应发生时的需求。

电解铝厂稳流控制流程图如图4所示。电解系列发生阳极效应或机组故障、检修时，当电流测量值与给定值的差ΔI超出自饱和电抗器的调节能力，将触发OLTC升降档操作。在OLTC完成一次升档或降档操作后，延时一段时间td，再判断电压偏差所属区间，若仍不处于自由段，继续操作OLTC升降档，直至处于自由段内，调节自饱和电抗器，实现系列电流偏差为0。

图4 电解铝厂稳流控制流程图

3 稳流控制系统的仿真

基于PSCAD/EMTDC搭建12脉波二极管整流机组的仿真模型。整个供电系统由一个50 Hz、220 kV的无穷大电源，90 m的220 kV输电线，250 MVA、220 kV/110 kV有载调压变压器组成。12脉波整流系统由并联整流桥组成，每个桥分别由110 MVA，110 kV/1.2 kV的Y-△和Y-Y型变压器供电。

参考标准电解槽数据，每个槽的反电动势被假定为1.7 V，将含有256台300 kA电解槽的电解系列等效为一个435.2 V的直流电压源串联一个可变的电阻，该电阻值介于0.002 108 3 Ω到0.002 380 99 Ω之间[10]。在直流侧串接0.01 mH的扼流电感，以减小直流电压和直流电流的波动。搭建的稳流控制系统仿真图如图5所示。

当电解系列1个电解槽发生阳极效应时，分别采用无控制策略、仅SR控制策略和SR＋OLTC协调控制策略，系列电流对比如图6所示。由于SR具有一定的调节能力，因此在单一阳极效应时，即使没有OLTC参与，电解系列电流也能维持在300 kA左右。

图5 稳流控制系统仿真图

图6 1个电解槽发生阳极效应时系列电流变化

假设电解系列有3个电解槽同时发生阳极效应，分别采用3种控制策略系列的电流对比如图7所示。可以看出，未进行控制时系列电流变化较为严重。若只存在SR控制，由于此时已经超出了自饱和电抗器的电压调节能力，系列电流变化并不能控制在300 kA左右。当OLTC参与时，根据其触发条件，调节OLTC降2档后，再进行自饱和电抗器的控制，电解系列电流能够维持300 kA。

图7 3个电解槽同时发生阳极效应时系列电流变化

4 节能分析

正常供电没有阳极效应发生时，4个机组的输出电流都保持在75 kA。当阳极效应发生时，电解槽电压升高，各机组通过SR+OLTC的配合动作，调节输出电压，维持了输出电流的恒定不变，从而有效避免了阳极效应发生时冲击电流带来的损耗[11]。

进一步仿真，分别取阳极效应同时发生个数为1个、2个和3个情形下的稳流控制效果，结果如表1所示。

表1 阳极效应发生时不同控制策略下的电解系列电流 kA

考虑到多个阳极效应发生的概率比单个阳极效应发生的概率小得多，这里仅给出单个阳极效应发生引起的损耗的计算，多个阳极效应同时发生时，计算过程类似。阳极效应发生时引起的冲击电流为[11]

式中：IAE为阳极效应冲击电流；n为电解系列同时发生阳极效应的个数；ΔuAE为发生单个阳极效应引起的电压升高值，这里取为35 V；N为系列电解槽总数目，取为256；E为槽电压，取为4.3 V；Eemf为槽反电动势，取为1.7 V；Idc为系列直流电流。

则不采用任何稳流控制情况下发生1个阳极效应时的冲击电流为

计算结果与表1所示PSCAD/EMTDC仿真结果一致。取阳极效应系数为0.3次/（槽·日），效应时间τ为5 min，整流系统的功率因数约为0.9[11]，则不采取稳流控制时每天等效时间为

因此稳流系统每年可节省电能为

采用本文所提的协调控制策略，系列电流偏差能控制在2 kA以内，若忽略此电流偏差增加的能耗，按电价0.29元/kWh计算，每年可节约成本约1 307.1万元。

5 结束语

本文对电解铝厂较为常用的二极管整流系统中的稳流控制策略展开研究，分析了机组控制和系列电流控制的原理及过程，对自饱和电抗器采用PI控制，仿真中将其视为可控的电感。设计了针对OLTC的控制策略，即以系列电压的设定值与测量值之差为有载调压开关的触发信号，通过仿真算例结果验证了协调控制策略的有效性。

通过节能分析可以发现，本文所提的协调稳流控制策略具有快速响应能力和较高的稳流精度，能够很好地平抑阳极效应发生所带来的系列电流波动，显著地降低了能耗，带来了巨大的经济效益。

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