電解鋁負(fù)荷參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制方案研究

陳義宣，李玲芳，李文云，高杉雪，王新寶，韓連山

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究中心，昆明 650011；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

“十四五”時(shí)期，云南電解鋁負(fù)荷預(yù)計(jì)將達(dá)到720kWh，用電量將超過600億kWh，接近云南省用電量的25%，該類用電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)頻率調(diào)控的響應(yīng)能力，將成為影響電網(wǎng)頻率穩(wěn)定、局部熱穩(wěn)定的重要因素。由于電解鋁用電負(fù)荷功率較大，受限于電網(wǎng)網(wǎng)架建設(shè)滯后、支撐電源不足等因素，電解鋁功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)影響較大，電網(wǎng)頻率、熱穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等問題越來(lái)越突出［1］。目前，并網(wǎng)電解鋁負(fù)荷基本不具備負(fù)荷調(diào)控能力，未來(lái)云南電解鋁大規(guī)模投產(chǎn)后，此類負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響會(huì)更加突出。由于電解鋁整體功率占比較高，如果能實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部的負(fù)荷調(diào)控響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)頻、功率控制等需求，將會(huì)發(fā)揮負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)的巨大作用。

目前，主流的電解鋁負(fù)荷整流方式主要有飽和電抗器+二極管整流以及晶閘管整流兩種［2］。在晶閘管整流系統(tǒng)中，先由較少級(jí)數(shù)的無(wú)載或有載調(diào)壓變壓器粗調(diào)，再通過控制晶閘管導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，晶閘管是主要的控制元件，調(diào)節(jié)速度快。但目前絕大部分電解鋁企業(yè)采用二極管整流，其整流系統(tǒng)采用移相變壓器、整流變壓器有載調(diào)壓與自飽和電抗器3者相結(jié)合的電解電流調(diào)節(jié)方式，即先由有載調(diào)壓變壓器對(duì)電流進(jìn)行粗調(diào)，然后由自飽和電抗器對(duì)電流進(jìn)行細(xì)調(diào)。自飽和電抗器為穩(wěn)流控制的主要控制元件，調(diào)節(jié)速度相對(duì)較慢，且下調(diào)能力有限，緊急情況下只能通過采取切除整流變的措施來(lái)達(dá)到快速調(diào)負(fù)荷的目的［3］。由于其切負(fù)荷的顆粒度較大，很容易造成過切或欠切，不僅影響用戶的供電可靠性及電解槽等設(shè)備的安全，還容易造成事故擴(kuò)大，導(dǎo)致重大事故，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重大影響。

對(duì)于電解鋁負(fù)荷建模，目前行業(yè)內(nèi)已開展一定的研究工作。文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［5］基于PSCAD建立了電解鋁電磁暫態(tài)仿真模型并仿真其對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)［6］分析了電解鋁負(fù)荷的構(gòu)成情況并針對(duì)電解鋁仿真計(jì)算中的處理方法進(jìn)行探討。文獻(xiàn)［7］在電解鋁負(fù)荷建?；A(chǔ)上提出了穩(wěn)流協(xié)調(diào)控制策略，其主要關(guān)注電解鋁負(fù)荷直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。上述研究工作為電解鋁負(fù)荷建模奠定了基礎(chǔ)，但并未從系統(tǒng)的角度研究電解鋁對(duì)于電網(wǎng)的主動(dòng)支撐作用。

隨著電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大、新能源裝機(jī)占比進(jìn)一步提高，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定面臨新的挑戰(zhàn)。電解鋁負(fù)荷基于自身的靈活調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)級(jí)的穩(wěn)定控制有利于提升大電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)的主動(dòng)支撐。因此，迫切需要改進(jìn)當(dāng)前電解鋁控制方法，并研究其參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的方案。

1 電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)

穩(wěn)定控制系統(tǒng)［8］是保障電網(wǎng)安全的最重要的一道防線，主要解決電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定、熱穩(wěn)定問題［9］，通常情況下，穩(wěn)定控制系統(tǒng)依據(jù)離線制定好的控制策略，在線根據(jù)電網(wǎng)故障狀態(tài)執(zhí)行對(duì)應(yīng)穩(wěn)定控制策略［10］。電網(wǎng)損失大量電源后，容易出現(xiàn)低頻問題，穩(wěn)定控制系統(tǒng)可根據(jù)電源的損失量，切除等量的負(fù)荷，維持剩余發(fā)電與負(fù)荷的功率平衡。如兩臺(tái)負(fù)載率較高且并列運(yùn)行的變壓器出現(xiàn)單臺(tái)跳閘后，剩余變壓器過載，穩(wěn)控系統(tǒng)需根據(jù)事故前功率情況，切除部分負(fù)荷或者電源，以減輕變壓器負(fù)載功率［11—12］。

在架構(gòu)體系上穩(wěn)控系統(tǒng)通常分為主站、子站、執(zhí)行站，采用分層分布式架構(gòu)，易于拓展。具有高度靈活性和可靠性，采集、通信和控制融合在單一裝置內(nèi)，根據(jù)實(shí)際控制需要，可進(jìn)行類似搭建積木般的靈活設(shè)計(jì)，組建不同的架構(gòu)，充分體現(xiàn)分布式的優(yōu)點(diǎn)。穩(wěn)定控制系統(tǒng)典型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 穩(wěn)定控制系統(tǒng)典型架構(gòu)Fig.1 Typical architecture of stability control system

圖1中，各站主要功能如下。

控制主站：安裝在樞紐變電站，便于管理與運(yùn)維，其與各子站進(jìn)行信息交換，收集全網(wǎng)信息，識(shí)別電網(wǎng)運(yùn)行方式，綜合判斷多重事故和控制決策，轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)命令。

控制子站：安裝在重要的變電站及電廠，監(jiān)視本站出線及主變等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，將信息上送主站，接收主站下發(fā)的運(yùn)行方式及控制命令，進(jìn)行本站當(dāng)?shù)乜刂萍跋蛴嘘P(guān)執(zhí)行站發(fā)送控制命令。

執(zhí)行站：安裝在需要切機(jī)的電廠及需要切負(fù)荷的變電站，將本站控制量上送上一級(jí)子站或主站，接收上一級(jí)站下發(fā)的控制命令，并按要求選擇被控對(duì)象，進(jìn)行輸出控制。根據(jù)需要當(dāng)?shù)剡€具有出線過載切負(fù)荷、低頻低壓切負(fù)荷功能。

國(guó)內(nèi)穩(wěn)定控制系統(tǒng)通常采用2 Mbps光纖數(shù)字接口專網(wǎng)通信，可滿足百毫秒級(jí)時(shí)間的穩(wěn)定控制需要。

2 電解鋁負(fù)荷及其特性

當(dāng)前電解鋁整流主要分為兩種形式，分別為以移相變壓器+二極管為主的二極管整流，和以整流變壓器+晶閘管的晶閘管整流。

2.1 二極管整流電解鋁

二極管整流電解鋁主要由有載調(diào)壓變壓器、飽和電抗器、整流變壓器（移相變壓器）、二極管整流器及整流槽組成一個(gè)整流機(jī)組，通常4—7個(gè)整流機(jī)組構(gòu)成一個(gè)系列電解。電解鋁供電電壓等級(jí)通常為220 kV，有載調(diào)壓變壓器降壓調(diào)壓后，經(jīng)過整流變壓器移相、降壓后，再經(jīng)過飽和電抗器到二極管整流器轉(zhuǎn)為大電流低電壓直流用于電解生產(chǎn)，如圖2所示。

圖2 二極管整流電解鋁系統(tǒng)Fig.2 Electrolytic aluminum system with diode rectifier

對(duì)電解鋁生產(chǎn)的控制主要用于生產(chǎn)電流的穩(wěn)定，二極管整流的控制方式是：當(dāng)出現(xiàn)小的電流波動(dòng)時(shí)，主要依靠飽和電抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，其對(duì)電壓的調(diào)節(jié)范圍大約只有額定電壓的5%～10%。飽和電抗器調(diào)節(jié)是利用可控硅改變電抗器的磁導(dǎo)率，從而改變電抗器電抗值大小以改變二極管整流器交流側(cè)電壓。由于電抗器的勵(lì)磁電流采用可控硅控制，其調(diào)節(jié)速度較快，響應(yīng)速度最快可以到達(dá)百毫秒級(jí)別。當(dāng)前工程中，出于生產(chǎn)工藝的需要，為了減小電流變化速度，通常通過設(shè)置控制參數(shù)來(lái)限制飽和電抗器快速調(diào)節(jié)能力。

當(dāng)飽和電抗器到達(dá)調(diào)節(jié)上限或者需要深度調(diào)節(jié)電解鋁電流時(shí)，需要利用有載調(diào)壓變壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)。有載調(diào)壓調(diào)節(jié)速度較慢，通常每調(diào)節(jié)一檔需要5～10 s，最大檔位數(shù)通常接近100。

2.2 晶閘管整流電解鋁

與二極管整流相比，晶閘管整流不需要配置飽和電抗器，其系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 晶閘管整流電解鋁系統(tǒng)Fig.3 Aluminum electrolysis system with thyristor rectifier

正常生產(chǎn)性以及輕微擾動(dòng)后的負(fù)荷波動(dòng)主要靠晶閘管調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)深度較大，理論上在0～100%額定電流的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。但是考慮到當(dāng)前控制成熟度不高，且電解鋁大功率快速調(diào)節(jié)電解鋁反電勢(shì)影響，目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)40%左右額定電流快速調(diào)節(jié)，響應(yīng)時(shí)間一般在0.5～2.0 s。

2.3 電解鋁主要控制方式

電解鋁控制系統(tǒng)［13—14］主要由總可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）以及各整流機(jī)組的分PLC組成?？侾LC負(fù)責(zé)各整流機(jī)組的協(xié)調(diào)，如命令分發(fā)等；分PLC完成本整流機(jī)組的采樣、監(jiān)視、保護(hù)與控制功能等，如實(shí)現(xiàn)電壓、電流采樣，變壓器冷卻系統(tǒng)、開關(guān)刀閘的監(jiān)視與控制，有載調(diào)壓開關(guān)、飽和電抗器或者晶閘管整流控制等。電解鋁整流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電解鋁整流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of electrolytic aluminum rectifier control system

為保證生產(chǎn)可靠性，整流機(jī)組通常按照N+1或者N+2配置，N臺(tái)即可滿足正常生產(chǎn)需要。

在控制方式上，主要使用兩種控制方式，分別為大閉環(huán)電流控制和小閉環(huán)電流控制。大閉環(huán)電流控制以總直流電流不變?yōu)槟繕?biāo)。當(dāng)大閉環(huán)電流控制投入時(shí)，任何整流機(jī)組跳閘后，總整流電流下降，總PLC會(huì)根據(jù)電流大小調(diào)整飽和電抗器（或者晶閘管整流）和有載調(diào)壓開關(guān)，保證總電流維持在目標(biāo)值附近。小閉環(huán)電流控制以本臺(tái)整流機(jī)組直流電流不變?yōu)槟繕?biāo)，當(dāng)小閉環(huán)電流控制投入時(shí)，任何整流機(jī)組跳閘，都不會(huì)影響其他整流機(jī)組穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行電流。然而，若出現(xiàn)多臺(tái)整流機(jī)組跳閘的情況，雖然小閉環(huán)在穩(wěn)態(tài)上可以維持剩余整流機(jī)組電流不變，但是由于在跳閘瞬間，電解槽的反電勢(shì)全部疊加到剩余整流機(jī)組上，可能會(huì)出現(xiàn)短時(shí)過流導(dǎo)致整流機(jī)組跳閘。

3 電解鋁參與系統(tǒng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)

3.1 主要控制方案

對(duì)于二極管整流電解鋁，其電流（或者功率）控制分為兩個(gè)部分：飽和電抗器控制和有載調(diào)壓變壓器檔位控制。通過飽和電抗器調(diào)節(jié)，最大功率改變量?jī)H為10%左右調(diào)節(jié)前功率，典型響應(yīng)時(shí)間0.5 s；通過有載調(diào)壓開關(guān)調(diào)節(jié)，最大調(diào)節(jié)范圍可以實(shí)現(xiàn)100%功率調(diào)節(jié)，在響應(yīng)時(shí)間方面，實(shí)際每檔動(dòng)作時(shí)間通常設(shè)置為5 s，按照需調(diào)80個(gè)檔位計(jì)算，功率調(diào)降到二極管截止需要400 s，即使優(yōu)化有載調(diào)壓開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間也需要近100 s的時(shí)間；對(duì)于晶閘管整流電解鋁，其功率控制分為兩個(gè)部分，晶閘管控制和有載調(diào)壓變壓器檔位控制，通過晶閘管控制調(diào)節(jié)，單次最大調(diào)節(jié)范圍通常為40%運(yùn)行功率，典型響應(yīng)時(shí)間為0.5 s，后續(xù)可通過控制優(yōu)化，在幾秒內(nèi)降低到功率較小的保溫功率，功率調(diào)節(jié)性能較優(yōu)。然而，由于電網(wǎng)中采用晶閘管整流的電解鋁較少，大多為使用更加成熟的二極管整流，本文以二極管為例介紹基于穩(wěn)定控制系統(tǒng)的電解鋁緊急控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)過程，架構(gòu)如圖5所示。

圖5 電解鋁整流參與穩(wěn)定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of electrolytic aluminum rectifier participating in stability control system

在電解鋁主控室設(shè)置穩(wěn)控執(zhí)行站，采集各電解鋁電壓電流量與開關(guān)位置信息，輸出跳閘節(jié)點(diǎn)到電解鋁整流機(jī)組開關(guān)機(jī)構(gòu)，用于直接跳開電解鋁整流機(jī)組。電解鋁穩(wěn)控裝置對(duì)上用于接收大電網(wǎng)穩(wěn)定控制命令，對(duì)下與電解鋁總PLC采用4～20 mA以及硬節(jié)點(diǎn)方式通信，用于獲取電解鋁運(yùn)行功率及狀態(tài)信息，并轉(zhuǎn)發(fā)電網(wǎng)穩(wěn)控裝置發(fā)來(lái)的降功率命令。電解鋁穩(wěn)定控制裝置輸入輸出如圖6所示。

圖6 電解鋁穩(wěn)定控制裝置接口Fig.6 Interface of electrolytic aluminum stability control device

由于二極管整流功率調(diào)降速度較慢，當(dāng)參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制時(shí)，僅可用于解決熱穩(wěn)定性問題。如雙回線路單線跳閘后剩余線路功率超限額，可通過穩(wěn)定控制系統(tǒng)向電解鋁控制系統(tǒng)發(fā)送控制命令降低運(yùn)行負(fù)荷，這樣可避免切除全部電解鋁影響設(shè)備安全。

3.2 主要控制策略

3.2.1 針對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性問題

根據(jù)電網(wǎng)穩(wěn)定控制的需求，當(dāng)需要緊急快速降低功率時(shí)，傳統(tǒng)做法通常是切除全部整流機(jī)組，這種處理方式一是切除量大，容易造成過切；二是電解鋁企業(yè)面臨長(zhǎng)期失電風(fēng)險(xiǎn)，帶來(lái)的損失較大。

電解鋁由若干獨(dú)立的整流機(jī)組構(gòu)成，在電解鋁小閉環(huán)控制方式下，電解鋁整流機(jī)組可獨(dú)立切除。由于整流機(jī)組直流側(cè)并聯(lián)，而直流側(cè)通常由直流電阻以及反電勢(shì)構(gòu)成。整流機(jī)組切除后，實(shí)際損失的功率與切除整流變功率不等，因此切除獨(dú)立整流機(jī)組的關(guān)鍵是在小閉環(huán)方式下對(duì)切除后真實(shí)損失功率進(jìn)行較為準(zhǔn)確的評(píng)估計(jì)算。電解鋁直流側(cè)等效原理圖如圖7所示。

圖7 電解鋁降負(fù)荷過載控制等效原理圖Fig.7 Equivalent schematic diagram of load reduction and overload control for electrolytic aluminum

圖7中：Ud為整流器直流側(cè)電壓；n為整流機(jī)組臺(tái)數(shù)；Id為單臺(tái)整流機(jī)組整流后的直流電流，即電流控制目標(biāo)；R為槽電阻；E是電解槽反電勢(shì)。

電解鋁切除前功率P0與切除k臺(tái)整流機(jī)組之后的功率P1如下

因此當(dāng)槽電阻與槽反電勢(shì)不變時(shí)，電解鋁損失功率為

事實(shí)上，當(dāng)切除整流機(jī)組后，槽反電勢(shì)及電阻會(huì)略微發(fā)生變化，變化的大小與切除的臺(tái)數(shù)有關(guān)，工程上通?？紤]利用系數(shù)修正的方法，修正后的功率損失量為

式中：η為修正系數(shù)，通常取0.95～0.98。

通過改變選擇的臺(tái)數(shù)，可以靈活選擇需要降低的功率。需要指出的是，電解鋁切除的臺(tái)數(shù)并不是任意的，與運(yùn)行工況及整流機(jī)組配置有關(guān)。

3.2.2 針對(duì)熱穩(wěn)定性問題

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障，出于熱穩(wěn)定考慮需要降低電解鋁功率時(shí)，電解鋁穩(wěn)定控制裝置向電解鋁分布式控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)降功率命令。為了保證可靠降低負(fù)荷，在電解鋁穩(wěn)定控制裝置中設(shè)置調(diào)降負(fù)荷判別邏輯，當(dāng)電解鋁調(diào)降負(fù)荷失敗或者調(diào)降負(fù)荷速度過慢時(shí)，采取切除電解鋁整流機(jī)組形式。通過對(duì)電解鋁的調(diào)切結(jié)合控制，在實(shí)現(xiàn)電解鋁緊急降功率的同時(shí)，減少切電解鋁概率，保障降功率操作可靠性。

調(diào)降負(fù)荷判別邏輯是電解鋁負(fù)荷控制功能，主要實(shí)現(xiàn)方式是設(shè)置負(fù)荷時(shí)變動(dòng)作定值，當(dāng)電解鋁實(shí)時(shí)功率大于時(shí)變動(dòng)作定值，且延時(shí)滿足后，電解鋁穩(wěn)定控制裝置根據(jù)電解鋁功率、運(yùn)行臺(tái)數(shù)及定值設(shè)置情況，執(zhí)行切除部分或者全部電解鋁策略，其示意圖如8所示。

圖8 電解鋁降負(fù)荷過載控制示意Fig.8 Schematic of load reduction and overload control for electrolytic aluminum

圖8中，P1為降功率前電解鋁總功率，取值為1；T2為切除部分或者全部電解鋁延時(shí)，取值為2；Pset_t為切除部分或者全部電解鋁時(shí)變定值，取值為3；P2為電解鋁降功率目標(biāo)值，取值為4；Pcur為電解鋁當(dāng)前功率示意，取值為5。

其中，時(shí)變定值可用三段式定值表示如下

式中：t1為第一段時(shí)間定值；t2為第二段時(shí)間值；Pset_t為時(shí)變動(dòng)作定值；k為降功率速率；P1為電解鋁初始功率；P2為電解鋁降功率目標(biāo)值，P2=P1-kt2，ΔP=P1-P2。

該定值在電解鋁穩(wěn)控裝置啟動(dòng)后，隨時(shí)間越來(lái)越小，體現(xiàn)的是電解鋁調(diào)降負(fù)荷速度。一旦調(diào)降失敗或者調(diào)降速度較慢，則執(zhí)行切除部分整流機(jī)組或者全部整流機(jī)組策略。具體判別方法如下：當(dāng)Pcur>Pset_t，且延時(shí)T2條件滿足時(shí)：若(n-nmaxq)2·P1/n2>P2，則切除全部整流變；若(n-nmaxq)2·P1/n2≤P2，則切除nmaxq臺(tái)整流機(jī)組。當(dāng)采取切除部分整流機(jī)組措施時(shí)，需要整流機(jī)組事前運(yùn)行在電流小閉環(huán)控制模式下，或者事前運(yùn)行在電流大閉環(huán)模式下，由電解鋁穩(wěn)定控制裝置給電解鋁分布式控制系統(tǒng)發(fā)送解除大閉環(huán)命令，電解鋁整流動(dòng)態(tài)切換到小閉環(huán)模式。

3.3 仿真驗(yàn)證

在PSCAD下搭建了二極管整流電解鋁模型，共包含6臺(tái)整流機(jī)組，每臺(tái)整流機(jī)組包含有載調(diào)壓變壓器、整流變壓器、飽和電抗器、二極管整流、電解槽模型等。電解鋁額定直流電流為320 kA，其他具體參見參考文獻(xiàn)［7］，電解鋁系統(tǒng)示意如圖9所示。

圖9 電解鋁系統(tǒng)示意Fig.9 Schematic of electrolytic aluminum system

為加快仿真速度，變壓器檔位調(diào)節(jié)間隔時(shí)間改為0.2 s/檔，電解鋁初始功率P1為397 MW，即初始功率定值。有載調(diào)壓變壓器分接頭每次調(diào)整檔位0.01p.u.，nmaxq=2，電解鋁降功率目標(biāo)值為P2=300 MW，降功率速率k=20 MW/s，切除部分或者全部電解鋁延時(shí)T2=0.1 s?？梢钥闯觯瑫r(shí)變定值曲線能夠按照降功率前后目標(biāo)差值及降功率速率變化，即降功率過程中定值根據(jù)降功率時(shí)間、降功率速率k持續(xù)變化直至滿足設(shè)定值P2。切除前的電解鋁調(diào)降仿真曲線如圖10所示，在功率下降過程中，沒有出現(xiàn)Pcur>Pset_t，電解鋁按照目標(biāo)逐漸降低到300 MW附近。

圖10 切除前的電解鋁調(diào)降仿真曲線Fig.10 Simulation curve of electrolytic aluminum reduction before excision

若k=50 MW/s，其他參數(shù)不變，則在電解鋁功率下降過程中，切除部分電解鋁條件滿足，電解鋁穩(wěn)定控制系統(tǒng)切除兩臺(tái)整流機(jī)組，切除后的電解鋁功率如圖11所示。相比k=20 MW/s情況下，電解鋁負(fù)荷降功率速度更快，功率下降過程中出現(xiàn)Pcur>Pset_t，切除兩臺(tái)整流機(jī)組，最終存在一定的過切情況，但相比降負(fù)荷量占比較小，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較小。可以看出，電解鋁負(fù)荷整體功率控制特性與前述控制策略要求一致。

圖11 切除后的電解鋁調(diào)降仿真曲線Fig.11 Simulation curve of electrolytic aluminum reduction after excision

基于上述控制策略，電解鋁負(fù)荷可參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制。為了進(jìn)一步驗(yàn)證電解鋁參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制的作用，以云南電網(wǎng)為算例，基于2021年冬季的大方式，掃描云南電解鋁負(fù)荷近區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。可以發(fā)現(xiàn)，WS地區(qū)存在500 kV YF線N?2，F(xiàn)N站近區(qū)電壓失穩(wěn)問題，其電壓響應(yīng)如圖12所示。

圖12 FN站近區(qū)電壓失穩(wěn)曲線Fig.12 Voltage instability curve near FN station

穩(wěn)控系統(tǒng)檢測(cè)500 kV YF線發(fā)生N?2故障后，向電解鋁負(fù)荷下發(fā)快速調(diào)降負(fù)荷指令，系統(tǒng)電壓能夠保持穩(wěn)定，其響應(yīng)曲線如圖13所示。可以看出，通過電解鋁負(fù)荷降功率可以很好地提升系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平，實(shí)現(xiàn)“以調(diào)代切”。

圖13 快速調(diào)降負(fù)荷后系統(tǒng)電壓曲線Fig.13 System voltage curve after rapid load reduction

頻率穩(wěn)定方面，通過設(shè)置不同頻率調(diào)節(jié)系數(shù)Kf模擬電解鋁負(fù)荷參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)作用。牛從直流四極閉鎖后，系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線如圖14所示。

圖14 不同調(diào)頻能力下系統(tǒng)頻率響應(yīng)Fig.14 System frequency response under different frequency modulation capability

由圖14可以看出，故障后電解鋁負(fù)荷全部參與頻率調(diào)節(jié)，可顯著提升系統(tǒng)整體頻率穩(wěn)定性，且調(diào)節(jié)系數(shù)越大，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性越好。因此，若對(duì)云南地區(qū)電解鋁負(fù)荷做相應(yīng)控制功能改造，有利于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)的安全穩(wěn)定主動(dòng)支撐作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電解鋁對(duì)云南電網(wǎng)影響，介紹了穩(wěn)定控制、系統(tǒng)電解鋁調(diào)切特性及其控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出了電解鋁參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)方案及其控制方法并仿真驗(yàn)證所提出的控制策略，為電解鋁參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制提供參考。此外，借助該系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)電解鋁一次調(diào)頻等功能，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定水平。