大功率整流器直流并聯(lián)輸出控制及其優(yōu)化運行

趙 鋼，李 晉

（1.云南云鋁涌鑫鋁業(yè)有限公司；2.上海ABB工程有限公司，云南 建水 654300）

大功率整流器直流并聯(lián)輸出控制及其優(yōu)化運行

趙 鋼1，李 晉2

（1.云南云鋁涌鑫鋁業(yè)有限公司；2.上海ABB工程有限公司，云南 建水 654300）

在電解、焙燒和充電等領(lǐng)域的特定生產(chǎn)工藝中，需要提供恒定的直流電壓或直流功率。此時需對大功率整流器直流輸出進行PID閉環(huán)控制。怎樣使用ABB公司的DCS800直流模塊來控制兩個6脈波大功率整流器的并聯(lián)輸出，解決其12脈波系統(tǒng)的電壓并聯(lián)特性問題。

晶閘管整流器;整流器并聯(lián)穩(wěn)壓控制;DCS800

0　引言

電解、焙燒和充電等生產(chǎn)領(lǐng)域中，特定的一部分生產(chǎn)工藝需要大功率整流器輸出恒定直流電壓和直流功率，以滿足其生產(chǎn)需求。6脈波供電的技術(shù)已非常成熟，但隨著對用電諧波量、諧波補償容量、直流輸出電壓紋波量和能耗的要求和限制，通常只有將2個6脈波整流系統(tǒng)并聯(lián)起來,組成12脈波整流系統(tǒng)來供電運行，才能滿足其要求。因為12脈波整流系統(tǒng)上述的多項性能指標(biāo)都遠優(yōu)于6脈波整流系統(tǒng)，所以12脈波大功率整流系統(tǒng)已越來越多的應(yīng)用到各行業(yè)，并且經(jīng)過不斷的改進和完善已經(jīng)越來越多的成為相關(guān)行業(yè)的優(yōu)選技術(shù)。

在這個12脈波整流供電系統(tǒng)中，2個6脈波大功率整流器直流輸出并聯(lián)，因電壓的并聯(lián)特性，測量到的電壓反饋只能是2個6脈波大功率整流器系統(tǒng)中輸出電壓較大的1個，所以往往在實際運行中2個并聯(lián)6脈波整流系統(tǒng)會出現(xiàn)出力不平衡的問題。

因此如何解決上述不平衡問題是12脈波整流系統(tǒng)的技術(shù)難點。首先，因直流電壓的并聯(lián)特性，對2個6脈波大功率整流器進行獨立控制是行不通的。其次，也不能將2個6脈波系統(tǒng)作為1個整體來控制，因為2個6脈波大功率整流器的供電主變壓器、整流器自身和整流系統(tǒng)的保護都是獨立的，簡單的整體控制并不安全，而且也會因兩個系統(tǒng)的自身差異引起輸出偏差。

所以我們必須尋找1個有效的方案來解決上述問題。經(jīng)過筆者研究、開發(fā)和測試，改造使用了ABB公司電氣傳動的DCS800直流模塊，很好地解決了這個技術(shù)難點，并且將其應(yīng)用到了實際的產(chǎn)品中，該12脈波大功率整流器系統(tǒng)已成功地在日本長野大町市昭和電工株式會社投入運行。

1　大功率整流器直流并聯(lián)輸出的控制

1.1控制系統(tǒng)模型的建立

1套PLC系統(tǒng)+2套DCS800直流模塊。

PLC選用ABB公司的AC500系統(tǒng)。AC500 PLC系統(tǒng)完成對整個整流器系統(tǒng)的監(jiān)測、操作、測量和保護。AC500系統(tǒng)的人機界面非常完備，運行和維護人員無論是通過其自帶的操作屏還是通過外配的中央控制室計算機，都可以對整個整流系統(tǒng)進行監(jiān)測和操作。

2套DCS800直流模塊分別對應(yīng)和控制2個6脈波整流系統(tǒng)。用DCS800來實現(xiàn)直流電壓和直流功率的PID閉環(huán)控制功能。同時需將1個DCS800做為主調(diào)節(jié)器對2個6脈波系統(tǒng)進行整體控制。這是整個控制系統(tǒng)的難點和核心部分，也是首創(chuàng)的將DCS800主從控制模式應(yīng)用到大功率整流器中。

1.2控制系統(tǒng)的使用

1.2.1AC500 PLC 和DCS800直流模塊的通訊

AC500 PLC 和DCS800直流模塊有很多種通訊方式。筆者選用了Modbus RTU的方式。兩者建立通訊后，通過AC500來控制DCS800的啟停，調(diào)節(jié)狀態(tài)的讀取和寫入，從而完成對整個整流系統(tǒng)的控制。

1.2.2控制原理

通常，2個6脈波整流器系統(tǒng)是獨立控制的，而對并聯(lián)運行的2個6脈波系統(tǒng)如要實現(xiàn)穩(wěn)壓和穩(wěn)功率控制，受其電壓并聯(lián)特性的控制，必須先將2個6脈波系統(tǒng)作為整體，將實際測量的電壓值或功率值作為反饋，進行PID調(diào)節(jié)后，分別再作為給定給兩個6脈波系統(tǒng)，這樣才能解決兩個系統(tǒng)出力不平衡的問題。

如圖1所示，2個6脈波大功率整流器分別定義為系統(tǒng)1和系統(tǒng)2，使用DCS800的速度調(diào)節(jié)環(huán)和電流調(diào)節(jié)環(huán)來實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)功能。速度換為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。2個DCS800，1個作為主調(diào)節(jié)器，使用該DCS800的速度環(huán)作為外環(huán)控制，通過外環(huán)PID調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)和控制12脈波系統(tǒng)的直流電壓或直流功率輸出，使用兩個DCS800的電流環(huán)分別作為兩個系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)控制，分別通過內(nèi)環(huán)PID調(diào)節(jié)器來限定和控制各自6脈波整流器系統(tǒng)的直流電流輸出。如圖1所示，以穩(wěn)壓控制為例，系統(tǒng)的直流電壓反饋接入到主調(diào)節(jié)器的外環(huán)反饋，系統(tǒng)1的電流反饋接入到主調(diào)節(jié)器的內(nèi)環(huán)反饋，系統(tǒng)2的電流反饋接入到從調(diào)節(jié)器的內(nèi)環(huán)反饋。實際應(yīng)用中，除了系統(tǒng)的直流電壓測量值，系統(tǒng)的直流功率測量值也接入到了主調(diào)節(jié)器的外環(huán)反饋上。當(dāng)選擇穩(wěn)壓模式時，主調(diào)節(jié)器內(nèi)部會選擇實際電壓測量值為反饋值；同理，當(dāng)選擇穩(wěn)功率模式時，主調(diào)節(jié)器會選擇實際的功率測量值為實際的反饋值。

1.3大功率整流器直流并聯(lián)輸出的優(yōu)化運行

在日本昭和電工株式會社的項目中，在啟動生產(chǎn)后，我們和昭和電工株式會社的工藝工程師一起反復(fù)摸索和試驗，改變了其傳統(tǒng)的直流輸出控制方式，最終創(chuàng)造性的改變和優(yōu)化了其生產(chǎn)工藝，使生產(chǎn)效益得到了顯著的提高。

圖1　2個6脈波并列控制原理圖

1.3.1傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，如圖（2）所示，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為12脈波整流器的輸出電壓值，即負(fù)載電壓值。1個生產(chǎn)周期分為3個階段：第1個階段是穩(wěn)壓運行，電壓控制在120V，保持72個小時；第2個階段是穩(wěn)功率運行，系統(tǒng)輸出功率控制在600kW，保持72個小時；第3個階段又是穩(wěn)壓運行，電壓控制在60V，保持72個小時。1個生產(chǎn)周期為9天，即這3個生產(chǎn)階段的時間累加值。

圖2　整流器直流輸出曲線傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝

1.3.2優(yōu)化后的生產(chǎn)工藝

在現(xiàn)場設(shè)備投運后，通過反復(fù)的摸索和測試，對直流輸出的控制方式和生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化。新生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)周期仍分為3個階段，但生產(chǎn)周期的時間由9天縮短到了7天。如圖（3）所示，橫坐標(biāo)為負(fù)載的電阻值，縱坐標(biāo)為12脈波整流器的直流輸出功率值，即負(fù)載功率值。第1個階段是限壓運行，電壓限定在120V，保持88小時；第2個階段是穩(wěn)功率運行，系統(tǒng)輸出功率控制在900kW，保持32個小時；第3個階段是限電流運行，系統(tǒng)輸出電流限定在額定值，保持48個小時。

圖3　整流器直流輸出曲線優(yōu)化后的生產(chǎn)工藝

1.3.3傳統(tǒng)和優(yōu)化后的生產(chǎn)工藝的分析和比較

我們來仔細(xì)分析和比較2種生產(chǎn)工藝。

2種生產(chǎn)工藝都分為3個階段。第1個階段為穩(wěn)壓階段，負(fù)載阻值會隨著加熱時間的增加而減小，在保持輸出電壓不變的情況下，負(fù)載功率值相應(yīng)的會隨著時間的增加而增加。原始生產(chǎn)工藝中是120V穩(wěn)電壓運行，并在負(fù)載功率值達到600kW時轉(zhuǎn)入第2個生產(chǎn)階段進行穩(wěn)功率控制運行。新生產(chǎn)工藝中從生產(chǎn)開始到負(fù)載功率值為600kW這一段和原始生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)效益完全一致，但兩者的控制方式不同：原始生產(chǎn)工藝是穩(wěn)壓運行，而新生產(chǎn)工藝實際上是限壓運行，內(nèi)外環(huán)實際上都是開環(huán)運行狀態(tài)，是限制其直流輸出電壓值為120V。當(dāng)負(fù)載功率值大于等于600kW時，原始生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)入到第2個生產(chǎn)階段，而新生產(chǎn)工藝扔保持在第1生產(chǎn)階段，一直保持到負(fù)載功率值從600kW增加到900kW時才轉(zhuǎn)入第2個生產(chǎn)階段。

第2個階段為穩(wěn)功率階段，原始生產(chǎn)工藝一直穩(wěn)定在600kW，負(fù)載電阻在減小，所以負(fù)載電壓在減小。新的生產(chǎn)工藝中一直是穩(wěn)定在900kW，不僅負(fù)載的運行功率比原始工藝大，同時負(fù)載的運行電流也比原始工藝大。

第3個階段，原始生產(chǎn)工藝中，當(dāng)負(fù)載阻值達到限定的節(jié)點時，由600kW的穩(wěn)功率階段轉(zhuǎn)入到60V的穩(wěn)壓階段。而后直流電流隨著負(fù)載阻值減小而增加，一直增加到電流額定值，整個功率也在漸漸增加。而新生產(chǎn)工藝中，從第二階段轉(zhuǎn)入第三階段的工藝點上，負(fù)載電流已經(jīng)是額定電流。轉(zhuǎn)入第三階段后，負(fù)載的直流電壓在逐漸減少，我們只需限定直流電流輸出不超過額定輸出即可。事實上，在新生產(chǎn)工藝的第3個階段，負(fù)載電流始終被限定在了額定值，這樣生產(chǎn)效率顯然比原始生產(chǎn)工藝要高效。

2　結(jié)論

我們首創(chuàng)的將DCS800主從控制模式應(yīng)用到大功率整流器中，巧妙的改造和使用DCS800控制器的速度環(huán)和電流環(huán)進行PID閉環(huán)控制，從而解決了12脈波大功率整流器輸出電壓并聯(lián)特性問題，并且也成功的應(yīng)用到了實際的項目中，得到了理想的驗證。同時我們在實際項目中優(yōu)化了整流系統(tǒng)的控制方式，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了生工藝，提高了生產(chǎn)效益。整流器制造商、使用廠家, 應(yīng)在生產(chǎn)實踐中, 不斷總結(jié)運行經(jīng)驗，在可靠性、先進性、經(jīng)濟性上下工夫, 使之日臻完善, 并不斷創(chuàng)新，從而不斷提高企業(yè)的效益。

TM461

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1004-1168（2015）06-0066-03

2015-09-15

趙 鋼（1970-），男，山東泰山人，電氣工程師，本科，主要從事大型鋁廠供電研究。