考虑电网电压波动和不平衡的电解铝供电系统电流控制策略

2021-05-26 05:52王春生孙浩楠邓鑫阳王义贺

轻金属 2021年4期

潘霄,王春生,孙浩楠,邓鑫阳,王义贺

(1.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院,辽宁沈阳 110015;2.国网辽宁省电力有限公司,辽宁沈阳 110006;3.东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳 110819)

电解铝冶炼厂的电解系列需要直流电源为其供电,通常为多台单机组12脉冲的机组并联组成等效多相系统,为了保证供电可靠性机组数量通常为N+1(N+2)组成。虽然具有较高的可靠性,但在电网电压波动时,会引起输入电解槽的电流波动,破坏电解稳定条件,增大电解铝过程的能耗。与此同时,在电网实际运行中,由于某些接地故障或者系统故障导致三相电网电压不平衡也会使直流侧电流中存在二倍频的波动,这会增加电能的损耗,还有可能造成继电保护、自动装置工作紊乱,虽然目前电解铝厂也具有相应的谐波处理技术,但其大多是针对整流装置所产生的谐波,并没有考虑到三相电网电压不平衡给系统引入的谐波。因此,必须对直流侧电流采取相应的控制策略来应对电网电压波动和电网电压不平衡情况对铝电解过程的影响。

1 铝电解过程分析

现代电解铝工业生产主要是以氧化铝为原料,以冰晶石(3NaF·AlF3)为主要熔剂,以氟化钙、氟化镁等氟化盐为添加剂,用熔盐电解法来生产铝。具体的流程如下:将直流电通入电解槽,在阴极和阳极上起一系列电化学反应,在电流作用下,电解槽中的氧化铝被消耗,在阳极上生成二氧化碳和一氧化碳的混合气体与液态熔盐体系产生的氟化物烟气混合排出至净化系统,通过净化系统净化后排空。阴极析出铝液用真空抬包抽出,经过净化和澄清后,浇铸成商品铝锭,或者对生产的铝锭进行加工,制成各种各样的铝材[1]。为了清晰的展现铝电解生产过程中各个工序之间的关系,给出铝的电解生产工艺如图1所示。

由图1可知,直流电作为铝电解过程中的能源具有很重要的作用,一方面通过电能实现电化学反应,将氧化铝转化为金属铝;另一方面稳定的电能是维持稳定电解槽重要生产参数(熔盐温度)的重要因素。由于电解槽一旦开始运行,需要稳定不间断电能保持电解槽的稳定运行,短时间停电或供电波动会造成电解槽生产指标的大幅度波动,较长时间停电或供电波动会导致全系列停槽,系列波动或停槽会造成巨大经济损失。

图1 铝的电解生产工艺

因此保证直流电能的连续性和稳定运行是电解系列高效稳定运行的基础条件。由于电网电压的波动,或者电网电压的不平衡会破坏电解稳定的技术条件,而且使电解铝能耗大幅度增加,因此保证直流电能供给的恒流性也十分重要[2]。

2 电解铝供电系统

铝冶炼厂作为高耗能负荷接入电网,需要电网为其提供较高的直流电流和电压,在这种情况下,通常采用等效多相直流电源装置作为铝冶炼厂的供电装置,为各个电解槽提供电能[3]。并通过实时监测电解槽内电压和电流的值来控制槽内的热平衡。而给电解铝过程供电的直流电流的稳定性是通过饱和电抗器和有载分接开关(OLTC)实现的[4]。电解铝供电系统的框图如图2所示,每个多脉冲整流单元通常包括具有抽头转换能力的整流变压器、移相变压器和具有饱和电抗器的整流器,而直流负载由串联电解槽的等效电阻、电感和反电动势组成。

图2 电解铝供电系统的框图

由于电解铝整流机组是电力系统主要的谐波源之一,其产生的谐波电流注入电网,会造成母线电压畸变,供电质量下降,针对这种情况,大多数解决方案是在整流变压器中设置补偿装置来吸收所产生的谐波[5]。而本文主要考虑电网电压不平衡情况下所引入的谐波,通过对整流器进行相应控制实现谐波的治理。

3 直流侧电流控制

3.1 电网电压波动时的电流控制策略

直流母线上电流的稳定是通过饱和电抗器和有载分接开关实现的,将饱和电抗器串联在多脉冲整流器的整流臂中,饱和电抗器在整流器的换相过程中起到了推迟换相的作用,从而改变了整流桥的直流输出电压,进而调节了输出电流。当电网电压发生波动,例如电网电压上升时,输入电解槽的直流电流增大,同时流过饱和电抗器的控制电流增大,对应的电抗器的饱和角增大,使整流桥的换相角延迟增大,导致整流装置的输出电压减小,电解直流电流相应减小,达到了自动调节的作用,反之亦然。饱和电抗器的控制特性如图3所示。

图3 饱和电抗器的控制特性

由图3可以看出,只在控制电流的一定区域内采用饱和电抗器控制,而有载分接开关则通常工作在饱和电抗器的控制范围之外,这是为了保证直流侧电压的有效控制。采用饱和电抗器进行精细控制,采用有载分接开关进行粗略控制,以闭环模式连续运行,以实现直流侧电流的自动控制。

电抗器和分接开关的协调控制是控制整流器输出电流的关键。抽头变压器具有多个分接头,以调节直流侧输出电压,每个整流器都有一个单位参考电流,在闭环电流控制中与测量电流进行比较。整流电路的电流控制回路如图4所示,将多脉冲整流器的输出电流测量值与参考电流进行比较,然后由比例积分(P-I)控制器调节相应饱和电抗器的控制电流,从而将输出电流保持在期望值。有载分接开关运行在饱和电抗器的控制电流范围之外。

图4 整流电路电流控制回路框图

误差信号是通过计算直流电流参考值和整流器输出电流测量值的差异而产生的。冶炼厂的直流负载电流参考值Idc可根据下式计算:

(1)

式中:Vdc——直流侧额定电压;

E——反电动势的固定值;

R——直流侧负载所对应的恒定直流电阻。

以上控制策略很好的应对了电网电压波动对电解铝过程的影响,实现了在电网电压增大或者减小的情况下,输入铝电解槽的直流电流的自动控制。但在真实的电网情况下,由于电网可能会发生某些故障,例如单相接地或者断线故障,会使电网三相电压不平衡,从而导致直流电流存在谐波干扰,这必然会影响到电解铝供电系统的稳定运行[6],因此,接下来讨论在不平衡电网情况下的直流电流控制策略。

3.2 电网三相电压不平衡时的电流控制策略

在不平衡电网情况下,三相不平衡电网电压可以表示为:

(2)

其中:

(3)

(4)

式中:UP,Un——分别为电压幅值的正负序分量;

ω——电网电压的基波角频率;

θP,θn——正负序分量的初相角,上标“+”和“-”分别代表正序和负序。

通过Clarke变换,三相电网电压可以转换到两相静止坐标系下,变为eα和eβ;同理,三相电网电流也转换到两相静止坐标系下,变为iα和iβ。其中,用于Clarke变换的变换矩阵为:

(5)

因此,从电网输入多脉冲整流器的瞬时功率可以表示为:

(6)

(7)

式中:P2ω和Q2ω代表有功功率和无功功率的扰动项。上式还可以写为:

(8)

为了简化分析,忽略整流器的内部损失,忽略掉负序分量,同时认为整流器工作在单位功率因数模式。则根据功率平衡理论,可以得出:

IdcVdc=P(t)=Pc2cos(2ωt)+Ps2sin(2ωt)

(9)

则直流侧电压可以表示为:

Vdc=Vdc0+Vdc1sin(2ωt)+Vdc2cos(2ωt)

(10)

式中:Vdc0代表直流电压的平均值,而Vdc1sin(2ωt)和Vdc2cos(2ωt)是由于不平衡电网电压而产生的震荡电压,现令:

ΔVdc=Vdc1sin(2ωt)+Vdc2cos(2ωt)

(11)

则根据图1,忽略电解槽中的反电动势,可以得出直流侧的电流波动为:

(12)

将式(11)代入式(12)进一步可以得出:

(13)

由式(13)可知,直流侧电流波动由两相组成,第一项为瞬时项,随着时间推移,第一项衰减为0,第二项为稳态项。因此,在稳态时直流侧电流可以表示为:

Idc=Idc0+ΔIdc

=Idc0+Idc1sin(2ωt)+Idc2cos(2ωt)

(14)

式中:Idc0——直流侧平均电流;

Idc1,Idc2——电流二次谐波的幅值。

由式(14)可以看出,在三相电网电压不平衡的情况下,输入电解槽的直流电流会含有二次谐波,这必然会增加电能损耗,同时也可能会影响设备正常运行,为了消除直流电流中的二次谐波,现对原有的电流控制策略进行改进。

图5 改进后的电流控制策略框图

(15)

式中:n——谐波次数;

k——控制器增益。

4 仿真分析

为验证所提直流侧电流稳流控制策略的准确性,在MATLAB/SINMULINK中搭建铝冶炼厂的并网模型,其模型参数和控制器参数按照表1所示选取。

表1 模型参数和控制器参数

运行到1 s时,在电网侧模拟单相接地故障,此时的三相电网电压如图6所示,可以看出在出现故障时,三相电网电压出现不平衡现象。在1.3 s时对直流侧电流进行谐波分析如图7所示,根据图7显示的直流侧电流谐波分量可知,在不平衡的三相电网电压下,直流侧的主要谐波为二次谐波,为了消除直流侧二次谐波的干扰,引入本文所提出的控制策略。图8给出在应用本文所提出的控制策略后的直流侧电流谐波分量图,可以看出二次谐波分量显著减少,验证了所提控制策略的可行性。