电解铝企业孤网运行频率的稳定控制策略研究

祁志远，肖仕武，李　飞

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)



电解铝企业孤网运行频率的稳定控制策略研究

祁志远，肖仕武，李飞

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)

摘要：电解铝属高耗能产业，负荷颗粒度大，正常生产中易发生阳极效应，其孤网运行的稳定控制有其本身的特殊性。以电解铝企业孤网运行为例，推导了一次调频动态过程的数学表达式，进而得到最大频率偏差，最大频率变化率，静态频率偏差的数学表达式。针对企业与外网解列机组甩负荷情况，提出了自动修改负荷定值方法；针对孤网中电解铝的阳极效应问题，提出了增加加速度前馈环节的一次调频优化方法；针对孤网中发电机故障脱网，提出了降低电解铝负荷颗粒度大小的控制方法。最后，通过某企业孤立电网的仿真，验证了所提方法的正确性。

关键词：电解铝；孤网；一次调频；稳定控制；加速度前馈

0引言

电解铝属于高耗能产业，按照国家的政策，电解铝生产企业大多拥有自备电厂。正常生产过程中中，这些自备电厂按自发自用的原则安排生产，由于受到大电网的有利支撑，电解铝的安全稳定问题很少受到关注。在严重故障下，电解铝企业电网面临孤网运行的风险，电解铝作为一种特殊的工业负荷，停电3 h以上将造成重大的经济损失。因此研究电解铝孤网的频率稳定问题具有重大的工程意义。

由于电解铝的负荷占比大、正常生产阳极效应冲击大[1]，频率的稳定问题成为电解铝孤网运行最棘手问题。从国内外电网运行现状来看，很多电网企业、工业企业遇到了孤网运行问题，国内外许多专家学者专门针对孤网运行的频率稳定、频率控制问题进行了深入研究。文献[2-7]从一次调频、二次调频、OPC、高频切机、低频减载等方面分析了孤网运行应采取的改进措施；文献[8-9]从汽轮机DEH系统出发，通过改善DEH的硬件和软件的措施使其适应孤网运行条件。文献[10]通过时域仿真法研究了电解铝孤网运行的紧急控制方法。

总结以上文献可以发现：现有的研究内容多偏于定性的分析与仿真，并没能从理论上定量的去研究孤网的频率稳定问题；一次调频的优化效果不明显，并不能适应电解铝孤网负荷的快速波动情况。

本文以电解铝企业孤网运行为例，推导了一次调频动态过程的数学表达式，在此基础上，得到一次调频过程中最大频率偏差、最大频率变化率、静态频率偏差的数学表达式。针对企业与外网解列机组甩负荷情况，提出了自动修改负荷定值方法；针对孤网中的小扰动如电解铝的阳极效应问题，提出了增加加速度前馈环节的一次调频优化方法；针对孤网中的大扰动如机组脱网，提出了降低电解铝负荷颗粒度大小控制方法。最后，通过对某电解铝孤网的仿真，验证了本文所提优化方法的正确性。

1电力系统孤网运行频率特性推导

在大电网中，由于电网频率基本保持不变，调速系统的主要任务是执行上级调度命令进行负荷控制，调速器多采用功频控制方式。然而在孤网运行时，系统频率易发生较大波动，因此调速器的主要任务由控制负荷变为稳定频率，调速器采用转速控制方式。图1给出了孤网调频数学模型框图。

图1　孤立系统调频数学模型Fig.1　Frequency mathematical model of isolated system

图中各时间常数为归算到发电机额定有功功率PGN下的有名值，s；其余变量均为PGN、fN下的标幺值。ΔPL为功率初始不平衡量；ΔPc为机组负荷给定值的变化量；KG=1/R为发电机的频率调节效应系数，其中R为调速器的静态调差系数；KL为负荷调节系数；TJ为发电机惯性时间常数；Tn为调速器时间常数；TT为汽轮机容积时间常数；Kn=KT=1。

忽略二次调频的变化量ΔPc，从图1可求得传递函数为

(1)

假设突然增加负荷量为ΔP，则

(2)

可得Δf(s)为

(3)

有名值频率变化量Δf(t)为

(4)

对式(4)求导可得取得频率最小值的时刻tm为

(5)

对应的暂态频率偏差最大值为

(6)

系统的静态频率偏差为

(7)

在扰动瞬间频率变化率最大，其值为

(8)

由式(4)知，频率的变化是一条以时间常数1/a衰减的振荡曲线。对于一个确定的调速系统，发电机的惯性时间常数，调速器时间常数和汽轮机容积时间常数是已知的，从式(6)可知，影响暂态频率偏差最大值的主要因素为功率不平衡量和调速器的调差系数。因此，对于电解铝企业孤网稳定控制应尽快减小功率不平衡量，加快频率超调量的衰减过程。

2电解铝负荷特性

电解铝的生产采用电解熔融的冰晶石-氧化铝熔盐，通过通入强大直流电流，在电解槽两极发生电化学反应。电解铝整流机组可分为二极管整流和晶闸管整流两大类。对于二极管整流机组，其稳流系统由调压变压器粗调，饱和电抗器细调构成，调节速度相对较慢；对于晶闸管整流，其稳流系统由较少级数的无载或有载调压变压器粗调，晶闸管细调构成，调节速度快[11]。

正常生产过程中电解槽的平均电压在4.0 V左右，因工艺问题，会随机产生阳极效应，这时会使电解槽的电压迅速提高到20～40 V，对系统频率造成很大的冲击。假设一个电解槽发生阳极效应时，电解槽电压从4.0 V迅速上升到40.0 V，对于420 kA的电解工艺，其负荷将上升15.1 MW，这对于电解铝企业孤网运行造成巨大的冲击。

由于电解铝所需的直流电流大，故一个电解系列采用多台整流机组并列运行。考虑到生产的可靠性，整流机组一般采用N+1原则配置，即一台机组检修时，其余N台可以满足正常生产需求。对于二极管型机组，电解系列电流有整个生产线大闭环控制和单个整流机组的小闭环控制两种模式[12]。投入大闭环控制时，任何单个整流机组故障后，其电流会快速自动的被其他整流机组带起，保持整个生产过程的稳定性；投入小闭环控制时，任何单个整流机组故障后不影响其他机组的电流。需要指出的是在整流机组被切除两台及以上的情况下，电解铝整流电流将不能维持正常的生产，因此需切除整个电解系列。对于晶闸管整流机组，其电流理论上虽可实现连续快速控制，但在实际控制当中，减负荷量超过一定值，调节速度变得非常缓慢。

3孤立电网的频率控制策略研究

3.1与外网解列时控制策略

企业电网与外网解列机组发生甩负荷时，从图1知，其负荷给定值即二次调频指令是不变的，高于实际负荷，此时仅靠一次调频指令关小汽门，不仅速度慢，而且一次调频一般有下限，若机组甩负荷量超过一次调频下限，将导致转速快速飞升，直至机组保护动作，而靠人工进行二次调频，速度慢且不精确。故可设置负荷跟踪策略，当甩负荷达到一定值Pset后，控制系统自动将负荷设定值跟踪实际负荷，加速二次调频过程。其中设定值Pset应为企业中所有运行机组的一次调频下限值之和，并考虑一定的裕度。

3.2电解铝阳极效应控制策略

电解铝阳极效应会使频率发生较大的超调，不利于系统的稳定。目前，在工业控制中，比例、积分、微分(PID)控制调节器被广泛采用，其中微分控制的特点是其控制作用与误差的变化率成正比[13]。在调节过程的初始阶段，由于较大惯性环节的存在，被控量一般偏离设定值不大，但是其变化速度较快，微分控制可以使执行机构产生一个较大的位移。也就是说微分作用超前于比例、积分作用，它加强了控制作用，限制了偏差的进一步增大，所以微分作用可以显著改善系统的动态特性。

从式(8)可知，在功率不平衡的初始阶段频率偏差变化率最大，基于微分环节的特殊作用，可以在调速器系统中增加加速度前馈环节来改善系统的一次调频特性。图2给出了增加微分环节的传递函数框图。

图2　考虑加速度前馈环节的一次调频传递函数框图Fig.2　Primary frequency block diagram of transfer function considering acceleration feedforward

从图2可以求得传递函数为

(9)

式中：KD为微分环节的比例系数。

从式(9)可以看出，增加加速度前馈环节可增大a值，从而减小频率衰减的时间常数1/a，可显著改善频率的动态响应特性，减小最大频率偏差。

3.3发电机脱网控制策略

电解铝负荷占比重，在电解铝负荷发生故障时通常是传统的切机措施，在此就不再赘述。本文主要讨论孤网运行机组发生故障时，系统的稳控策略。

电解铝负荷颗粒度较大，为了降低其颗粒度，可以采取单个整流机组控制方式，即电流小闭环控制方式。对于电解铝整流采用大闭环控制的方式，可在切除单个整流机组的同时解除大闭环控制方式。于是可得二极管型整流机组控制策略：

(1)获取机组故障前的出力，得出有功不平衡量ΔPg。

(2)对于n个电解铝系列，每个系列可切除一台整流机组，共有2n-1种组合，搜索可行组合使切除整流机组后，功率不平衡量在(Pref1，Pref2)之间。其中，Pref1为机组的一次调频下限，Pref2为机组的一次调频上限。

(3)选择有功偏差最小的组合。

(4)以上选择若不满足条件可切除整个电解铝系列。

4算例分析

为了验证所提方法的准确性，以某实际电解铝企业电网为例，建立相应的PSCAD模型。该企业电网结构图如图3所示。

图3　某企业电网接线图Fig.3　Diagram of certain enterprise’s power system

该企业共有4台火电机组，其中155 MW机组3台，350 MW机组1台；拥有电解铝生产线两条，每个系列有4台二极管整流机组，系列供电电流为240 kA。企业电网通过220 kV双回线路与外网相连，正常生产时，2台155 MW机组和1台350 MW机组在运行，其中350 MW出力为306 MW，两台155 MW机组各出力110 MW，向电网输送70 MW负荷，电解铝系列1、2的负荷量均为228 MW。电解铝1、2系列在运行当中采用电流大闭环控制方式。

4.1企业与外网解列

企业与外网的联络线发生严重故障造成双回线路跳开，甩负荷70 MW，若一次调频下限按发电机额定容量的10%计算，考虑一定的裕度，Pset可取60 MW。由于发电机的负荷给定值远高于实际负荷，一次调频能力又不足，因此造成发电机转速飞升。而手动调节比较慢，可认为解列后一段时间负荷给定值保持不变，采用自动跟踪实际负荷策略前后的频率响应曲线如图4所示。

图4　不同策略的频率响应曲线Fig.4　Frequency response curves under different measures

从图4可知，不采用负荷跟踪策略的频率一直上升，导致频率失稳；采用负荷跟踪策略的频率变化很小，基本保持不变。可见发电机负荷跟踪策略可以快速、准确地降低机组负荷，防止高频现象的发生。

4.2电解铝发生阳极效应

电解铝发生阳极效应时，由于饱和电抗器的存在，一个电解铝系列的电解槽电压最大能上升70 V[14]，故发生效应时一个系列最大的负荷波动在16.8 MW。考虑企业两个系列电解槽同时发生阳极效应的严重情况，增加加速度前馈环节和不增加加速度前馈环节的频率的变化曲线如图5所示。

图5　优化前后系统的频率变化曲线Fig.5　Frequency curve before and after optimization

从图5可以看出，增加加速度前馈环节，频率超调量明显减小，频率的最低值由49.41 Hz上升到49.68 Hz。按照国家规定容量小于3 000 MW的电网其正常运行频率偏差范围为±0.5 Hz的要求，增加加速度前馈环节可以保持电解铝在正常生产过程中频率的正常，避免由于频率异常造成设备的损坏和重大的经济损失。

4.3发电机组故障脱网

在企业孤网运行中发生350 MW机组脱网故障，由于该机组容量占比超过负荷的50%，故此时只能切除电解铝一个系类才能保持频率的稳定。但是在155 MW机组故障时，此时可从候选的电解铝可切整流机组组合中，选择两个电解系列各切除一台整流机组，而不是传统的切除一个电解系列。155 MW机组脱网后不同策略的频率响应曲线如图6所示。

图6　不同控制方式下的频率响应曲线Fig.6　Frequency response curves under different control measures

从图6知，传统控制方式下在155 MW机组故障下直接切除一个电解系列，出现过切现象，频率飞升至51.7 Hz，将导致发电机OPC保护动作，进一步恶化系统的频率；而采用降低电解铝负荷颗粒度大小的控制策略，分别切除两个系列的一台整流机组，不仅使频率控制在±0.5 Hz以内，而且通过进一步调节电解电流还可以保持两个系列电解铝的正常生产，避免因切除电解铝负荷造成重大的经济损失。

5结论

电解铝企业孤网运行具有一定的难度和风险，应当采取积极的措施解决电解铝孤网运行难题。本文在推导一次调频动态过程的数学表达式基础上，针对企业在与网解列机组甩负荷情况，提出了自动修改负荷定值方法；针对孤网中的小扰动如电解铝的阳极效应问题，提出了增加加速度前馈环节的一次调频优化方法；针对孤网中的大扰动如发电机故障脱网，提出了降低电解铝负荷颗粒度大小控制方法。本文所提方法不仅可快速恢复电解铝孤网在小扰动和大扰动下频率稳定，而且也可降低电解铝全停的风险，避免发生重大的经济损失。

需要说明的是，尽管降低了电解铝的颗粒度，由于其负荷控制的离散特性，企业在运行方式安排上应当主动创造条件，避免过切和欠切现象的发生。

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Research on Frequency Stability and Control Strategy in Electrolysis Plant Isolated Grid

QI Zhiyuan, XIAO Shiwu, LI Fei

(State Key Laboratory of Alternate Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Abstract:Aluminum electrolysis is a high energy-consuming industry with large load particle size and anode effect in the normal production. So, the stability control of the electrolysis plant isolated grid has particularity of its own. In this paper, based on electrolysis plant independent operation, mathematical expressions of a dynamic process of primary frequency regulation are derived. And then mathematical expressions of the maximum frequency deviation, maximum rate of frequency change and static frequency deviation are obtained. For load shedding when electrolysis plant separates with external grid, the method of modifying the load setting automatically is proposed; For anode effect of aluminum electrolysis, optimization method of primary frequency regulation by adding the acceleration feedforward is put forward; For generator’s off-grid, the control method for reducing load particle size of aluminum electrolysis is presented. Finally, the validity of proposed methods is verified by the simulation of an isolated plant grid.

Key words：aluminum electrolysis; isolated power grid; primary frequency; stability control; acceleration feedforward

作者简介：祁志远(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行分析与控制；肖仕武(1974-)，男，副教授，研究方向为电力系统运行分析与控制，电力系统故障分析与继电保护；李飞(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行分析与控制。

中图分类号：TM721

文献标识码：A

文章编号：1007-2691(2016)01-0027-05

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB215200).

收稿日期：2015-07-07.

doi:10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.01.05