考慮電網電壓波動和不平衡的電解鋁供電系統電流控制策略

2021-05-26 05:52:08王春生孫浩楠鄧鑫陽王義賀

輕金屬 2021年4期

潘霄,王春生,孫浩楠,鄧鑫陽,王義賀

(1.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院,遼寧沈陽 110015;2.國網遼寧省電力有限公司,遼寧沈陽 110006;3.東北大學信息科學與工程學院,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,通常為多臺單機組12脈沖的機組并聯組成等效多相系統,為了保證供電可靠性機組數量通常為N+1(N+2)組成。雖然具有較高的可靠性,但在電網電壓波動時,會引起輸入電解槽的電流波動,破壞電解穩定條件,增大電解鋁過程的能耗。與此同時,在電網實際運行中,由于某些接地故障或者系統故障導致三相電網電壓不平衡也會使直流側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、自動裝置工作紊亂,雖然目前電解鋁廠也具有相應的諧波處理技術,但其大多是針對整流裝置所產生的諧波,并沒有考慮到三相電網電壓不平衡給系統引入的諧波。因此,必須對直流側電流采取相應的控制策略來應對電網電壓波動和電網電壓不平衡情況對鋁電解過程的影響。

1 鋁電解過程分析

現代電解鋁工業生產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反應,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熔鹽體系產生的氟化物煙氣混合排出至凈化系統,通過凈化系統凈化后排空。陰極析出鋁液用真空抬包抽出,經過凈化和澄清后,澆鑄成商品鋁錠,或者對生產的鋁錠進行加工,制成各種各樣的鋁材[1]。為了清晰的展現鋁電解生產過程中各個工序之間的關系,給出鋁的電解生產工藝如圖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,一方面通過電能實現電化學反應,將氧化鋁轉化為金屬鋁;另一方面穩定的電能是維持穩定電解槽重要生產參數(熔鹽溫度)的重要因素。由于電解槽一旦開始運行,需要穩定不間斷電能保持電解槽的穩定運行,短時間停電或供電波動會造成電解槽生產指標的大幅度波動,較長時間停電或供電波動會導致全系列停槽,系列波動或停槽會造成巨大經濟損失。

圖1 鋁的電解生產工藝

因此保證直流電能的連續性和穩定運行是電解系列高效穩定運行的基礎條件。由于電網電壓的波動,或者電網電壓的不平衡會破壞電解穩定的技術條件,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

鋁冶煉廠作為高耗能負荷接入電網,需要電網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]。并通過實時監測電解槽內電壓和電流的值來控制槽內的熱平衡。而給電解鋁過程供電的直流電流的穩定性是通過飽和電抗器和有載分接開關(OLTC)實現的[4]。電解鋁供電系統的框圖如圖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,而直流負載由串聯電解槽的等效電阻、電感和反電動勢組成。

圖2 電解鋁供電系統的框圖

由于電解鋁整流機組是電力系統主要的諧波源之一,其產生的諧波電流注入電網,會造成母線電壓畸變,供電質量下降,針對這種情況,大多數解決方案是在整流變壓器中設置補償裝置來吸收所產生的諧波[5]。而本文主要考慮電網電壓不平衡情況下所引入的諧波,通過對整流器進行相應控制實現諧波的治理。

3 直流側電流控制

3.1 電網電壓波動時的電流控制策略

直流母線上電流的穩定是通過飽和電抗器和有載分接開關實現的,將飽和電抗器串聯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,進而調節了輸出電流。當電網電壓發生波動,例如電網電壓上升時,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,對應的電抗器的飽和角增大,使整流橋的換相角延遲增大,導致整流裝置的輸出電壓減小,電解直流電流相應減小,達到了自動調節的作用,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域內采用飽和電抗器控制,而有載分接開關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電壓的有效控制。采用飽和電抗器進行精細控制,采用有載分接開關進行粗略控制,以閉環模式連續運行,以實現直流側電流的自動控制。

電抗器和分接開關的協調控制是控制整流器輸出電流的關鍵。抽頭變壓器具有多個分接頭,以調節直流側輸出電壓,每個整流器都有一個單位參考電流,在閉環電流控制中與測量電流進行比較。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行比較,然后由比例積分(P-I)控制器調節相應飽和電抗器的控制電流,從而將輸出電流保持在期望值。有載分接開關運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生的。冶煉廠的直流負載電流參考值Idc可根據下式計算:

(1)

式中:Vdc——直流側額定電壓;

E——反電動勢的固定值;

R——直流側負載所對應的恒定直流電阻。

以上控制策略很好的應對了電網電壓波動對電解鋁過程的影響,實現了在電網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。但在真實的電網情況下,由于電網可能會發生某些故障,例如單相接地或者斷線故障,會使電網三相電壓不平衡,從而導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的穩定運行[6],因此,接下來討論在不平衡電網情況下的直流電流控制策略。

3.2 電網三相電壓不平衡時的電流控制策略

在不平衡電網情況下,三相不平衡電網電壓可以表示為:

(2)

其中:

(3)

(4)

式中:UP,Un——分別為電壓幅值的正負序分量;

ω——電網電壓的基波角頻率;

θP,θn——正負序分量的初相角,上標“+”和“-”分別代表正序和負序。

通過Clarke變換,三相電網電壓可以轉換到兩相靜止坐標系下,變為eα和eβ;同理,三相電網電流也轉換到兩相靜止坐標系下,變為iα和iβ。其中,用于Clarke變換的變換矩陣為:

(5)

因此,從電網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。上式還可以寫為:

(8)

為了簡化分析,忽略整流器的內部損失,忽略掉負序分量,同時認為整流器工作在單位功率因數模式。則根據功率平衡理論,可以得出:

IdcVdc=P(t)=Pc2cos(2ωt)+Ps2sin(2ωt)

(9)

則直流側電壓可以表示為:

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)是由于不平衡電網電壓而產生的震蕩電壓,現令:

ΔVdc=Vdc1sin(2ωt)+Vdc2cos(2ωt)

(11)

則根據圖1,忽略電解槽中的反電動勢,可以得出直流側的電流波動為:

(12)

將式(11)代入式(12)進一步可以得出:

(13)

由式(13)可知,直流側電流波動由兩相組成,第一項為瞬時項,隨著時間推移,第一項衰減為0,第二項為穩態項。因此,在穩態時直流側電流可以表示為:

Idc=Idc0+ΔIdc

=Idc0+Idc1sin(2ωt)+Idc2cos(2ωt)

(14)

式中:Idc0——直流側平均電流;

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備正常運行,為了消除直流電流中的二次諧波,現對原有的電流控制策略進行改進。

圖5 改進后的電流控制策略框圖

(15)

式中:n——諧波次數;

k——控制器增益。

4 仿真分析

為驗證所提直流側電流穩流控制策略的準確性,在MATLAB/SINMULINK中搭建鋁冶煉廠的并網模型,其模型參數和控制器參數按照表1所示選取。

表1 模型參數和控制器參數

運行到1 s時,在電網側模擬單相接地故障,此時的三相電網電壓如圖6所示,可以看出在出現故障時,三相電網電壓出現不平衡現象。在1.3 s時對直流側電流進行諧波分析如圖7所示,根據圖7顯示的直流側電流諧波分量可知,在不平衡的三相電網電壓下,直流側的主要諧波為二次諧波,為了消除直流側二次諧波的干擾,引入本文所提出的控制策略。圖8給出在應用本文所提出的控制策略后的直流側電流諧波分量圖,可以看出二次諧波分量顯著減少,驗證了所提控制策略的可行性。