铝电解整流装置在孤网中的柔性控制技术

【摘 要】针对铝电解孤网的控制难点及防御框架进行分析及措施应对，把控制难点进行化解，建立好系统配置及完善的控制策略，并考虑其可靠性，用测试数据及系统试验去充分验证电网特性、负载特性、控制精度、控制策略等，发挥整流装置的柔性控制技术，从整流装置的自动稳频控制、系统失稳的快速控制、错频控制、子站间协调控制等多样控制模式，实现负荷端三道防线的协调防御。

【Abstract】In view of the control difficulties and defense framework of aluminum electrolysis isolated network， this paper analyzes and measures to solve the control difficulties， establishes the system configuration and perfect control strategy， and considers its reliability， fully validates the power grid characteristics， load characteristics， control accuracy， control strategy and so on with test data and system tests， gives full play to the flexible control technology of rectifier， and automatic frequency stabilization control of rectifier. The rapid control of system instability， error frequency control， inter-station coordination control and other control modes realize the coordinated defense of the three lines of defense at the load end.

【關键词】整流装置;孤网;柔性控制;策略;协调防御

【Keywords】rectification device; isolated network; flexible control; strategy; coordinated defense

【中图分类号】TM72l                                           【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069（2019）11-0184-03

【作者简介】饶泉斌（1984-），男，江西九江人，电子助理工程师，从事大型整流器产品设计、项目工程调试研究。

1 引言

孤网是孤立电网的简称，一般泛指脱离大电网的小容量电网。电力建设规程曾有规定，电网中单机容量为电网总容量的8%，以保证当该机发生甩负荷时，不影响电网的正常运行。电网中的各机组，一般都有10%～15%的过载余量，如果电网中的机组调速系统都正常投入，一旦某机组发生甩负荷，并且该机组容量为电网总容量的8%，则电网所失去的功率可以暂时由网中其他机组过载余量负担，电网频率下降0.2Hz，相当于机组转速下降12r/min，对供电质量的影响仍在运行规程规定的范围内。

最大单机容量小于电网总容量的8%的电网，可以称为大电网。目前，我国各大地区电网的机网容量比已经远小于8%，可以看作是无限大电网。相比之下，机网容量比大于8%的电网，统称为小网;孤立运行的小网，称为孤网。

铝电解槽为一级负荷，如果发生停电事故超过8h左右无法恢复向铝厂电解槽供电，将会造成上亿元的直接经济损失。所以铝电解孤网运行是有风险的，长期以来，由于习惯思维方式和苦于没有孤网运行的安全保障技术，也无法解决大负荷冲击和小负荷（效应波动、设备跳闸等）频繁波动引起发电机周波波动带来的影响，机组经常被冲跨，所以很多自备电厂都必须并网才能运行，或降低机网容量比实现自备电模式供电。无法实现真正意义上的孤网运行。

电解铝系统属于高能耗负载，其能源成本占据生产成本约40%，有些电解铝企业为了有效降低生产成本，使用自备电厂或区域电网形孤网运行，并且在电网配置中发电单机与电网容量之比远远超过8%，甚至达15%，单机容量比越高，电网控制难度越大。单纯靠安稳切机已难以满足电网的频率控制，切机组负荷控制量为固定的，很容易造成过切或欠切引起电网震荡，同时整流机组为多机组并联供电，切机组数量也不宜过多，否则容易造成电解系列全停，对电网形成二次冲击。在本文主要针对电解铝孤网供电模式下，使整流装置打破常规思路，不仅要满足电解生产工艺的要求控制（恒流控制），同时也融入对电源端频率的控制及电网的控制，充分发挥负荷端整流装置的柔性控制技术，使铝电解孤网的各种难点及切整流机组的弊端将迎刃而解。

2 电解铝孤网运行难点及防御框架

2.1 孤立电网频率控制难点

电解铝孤立电网频率控制难点主要有：没有大电网支撑，且系统的转动惯量很小;主要负荷为电解铝负荷，单个容量大且不能分散切除，仅靠安稳系统切机、切负荷难以维持系统的功率平衡。之所以电解铝负荷的特殊性及控制难点束缚了一些电解铝企业孤立电网中很难做到“三道防线”的控制，特别是第一、第二道防线形同虚设，在备用容量不足时，如相继事故发生，策略单一的情况下，其溃网是必然。

2.2 防御框架

在传统电网中应对灾难事故时，其安全防御框架优先级排列通常为：①先确保电网的稳定，防止溃网风险;②其次保证生产损失降至最低;③最后为设备安全。在以上的防御权限中应用于电解铝负荷的防御时，在电网被受保护后，其设备受损导致恢复周期较长时，即使电网恢复快，由于设备对生产的供电能力不足，也难免会造成对电解生产工艺的影响。所以在电解铝电网面临灾难故障时，即便把电网安全防御再好，而牺牲设备的安全，其生产必然受其影响。所以电解铝孤网防御框架新理念为：同时确保电网及设备的安全，让其设备能够随时恢复，即电网负荷恢复设备可以立即为生产提供高效的保障能力，即把电网、生产、设备同时保障起来，相互相承，协调控制全方位进行安全保障，使恢复控制安全高效地执行。

要克服电解铝孤网控制的难点及全方位的防御系统，需要整流装置提供先进控制技术，不仅能应对常规电解槽工艺的控制，同时在应对电网控制时建立好负荷端的三道防线控制，在这三道防线中柔性结合及安稳的协调控制，在应对电网任何故障时，能够快速有效地调控，确保电网频率控制的稳定性。所以在建立一个电解铝孤网模式供电中需要从基础配置、控制策略的设计、数据平台、系统试验等全方位综合考虑。

3 整流系统的配置

电解铝使用孤网供电模式项目中，其负载端不仅仅考虑用电负荷量，也要考虑负载内配置的电解系列数量，根据配置的电解系列数量对整流装置进行选型配置。目前的整流系统有晶闸管整流装置和二极管整流装置两种模式，两种整流装置均能实现600kA电解槽供电。二极管整流装置在靠自饱和电抗器调节，其负荷调节能力较小（约12%），调节速率较慢，所以在孤网中单纯使用二极管整流装置，对于电网的调节局限太小，只能采取切机组模式进行，负荷精度难以匹配，在切机后恢复负荷相对比较烦琐。晶闸管整流装置具有调节速率快、调节精度高、调节范围宽的优点，在电网频率调节中可以多元化，当发生电网事故时，可以快速调节负荷对频率的恢复，当电网负荷正常后，只须把整流负荷调节至正常，减少整流机组高压操作等整套流程，降低生产的影响。

4 控制策略的设计

晶闸管整流装置在孤独网中的控制策略非常关键，不仅是策略的可靠性，还须根据各种电网的配置，负载端的实际情况进行匹配，目前国内电解铝使用的孤立电网或区域电网配置各式各样，无一类似，所以在控制策略中須根据实际配置情况进行设计。在柔性控制中怎么实现电网频率的控制，可以从整流装置的自动稳频控制、系统失稳的快速控制、错频控制、子站间协调控制等各种策略实现。

4.1 自动稳频控制

自动稳频控制主要利用整流装置的自身采取电网频率，根据电网频率的变化采取闭环控制，调节直流输出功率来维持电网的频率稳定（见图1）。其目的是：负荷失衡（叠加效应、重大负载启停等）导致的频率变化较快时，发电机由于其机械结构以及转子惯性固有的动作延迟，无法快速调频，导致在出力、负荷不平衡区域运行时间过长，使转子在不平衡转矩的作用下的加速度较大、作用时间较长，即使发电机调频动作使出力、负荷在某个频率下达到平衡，但加速后转子的惯性的作业仍出现的较大短暂低频，所以需要有快速调频的手段对电网频率进行干预。

图1   自动稳频控制系统

4.2 系统失稳的快速控制

利用晶闸管整流装置的调节速率快、调节范围宽的优点以“低频调降，高频调升”的原则，在发电机跳车或负载端有特大负荷损失切发电机引起过切控制，导致发电机调频动作无法满足调频需求，系统频率仍偏差较大或频率恢复慢时，通过调节整流装置输出直流负荷维持电网频率稳定能力。在频率稳定后再进行的负荷调整，以达到减小电网二次扰动、快速恢复负荷满足生产和增强电网稳定运行能力。

4.3 错频控制与子站间协调控制

在一个电网系统中存在两个或两个以上的电解系列时，采用错频及协调控制，对电网的防御能力起到很大的作用，错频控制主要应用在三道防线之间的补防作用。协调控制用于多个系列协助控制模式，如某一个电解系列发生电解故障时导致负荷的损失或大扰动，另外一个电解系列可以协助控制，以达到电网频率快速稳定的目标，在电网防御系统中更加坚固。

5 数据平台

孤网中的数据在电网中非常重要，控制策略多样化的同时也要控制速率、精度等各种数据的支撑。其数据主要有电源侧的备用容量、一次调频能力、OPC动作值、负荷各种扰动对频率的影响系数等;负荷侧的负荷特性、一次调频速率、快速切负荷速率、负荷控制精度、负荷控制的超调系数、系统频率安全值、设备跳机对电网的影响系数等数据，各种数据的不同对于电网控制策略匹配也不一样。在一个电网系统中其保护均会设定多道安全防线，尽量在极端定值内进行有效控制以免电网瓦解[1]。

在电解铝供电系统中，整流装置为主要核心控制设备，所以在电网中主要围绕整流装置的控制数据进行测试。在此针对实现几个柔性控制核心参数给予分析，主要有装置执行时间、负荷调节速率、负荷超调系数、控制精度等数据供业内参考。

5.1 执行时间

在电网失稳后为了有效快速调节负荷，在装置接收命令后执行周期越快越好，即一个时间的扫描周期，通常执行时间大部分为固有时间，但A/D转换时间根据不同因数存在差异，所以尽可能地缩短A/D转换时间。A/D转换时间可以从250μs～500ms不等，经试验测试其转换时间最低可缩短至250μs。

5.2 负载特性控制数据

电解铝生产工艺对负荷调节响应时间要求电流稳定即可，至于快慢不作要求，通常能在1s左右完成负荷调节即可，所以在常规供电模式下满足电解铝生产工艺要求中不会对负荷控制特性进行测试，在负荷调整时间也是个大概，未取得详细的测试数据。但在孤网中对负载的控制时间、超调量、调节精度等需要详细的数据，并时间周期越快越有利于电网的稳定，通常对负载的调节时间要求在500ms以内，超调量50%以内，调节精度误差5%，满足以上参数在孤网控制中完全能应对各种电网事故的快速调整。

图2

图2中的波形为降负荷35%执行测试波形，正常运行负荷175MW，降35%负荷应降至113.7MW，应降负荷量61MW，实际降负荷量60MW，负荷误差量1.6%，负荷到达目标值时间318.7ms，超调量48%。降负荷精度满足孤网的控制要求，降负荷速率也满足孤网要求，超调量控制在50%内，故该组控制参数完全满足孤网调节的总要求，目前业内通常设置此参数进行控制。

6 系统试验

孤网的系统试验是对电网源侧、网侧、负荷侧全方位地进行验证，对其可靠性、时效性及应对电网内发生各种事故的执行结果进行论证，主要有静态试验、动态试验、系统联调试验，孤网试验通常在负载端用电负荷越大其试验效果越真实，策略试验项目越全面。根据业内试验经验总结，在孤网中建议负载端大于80%及以上进行试验测试，其效果最全面。

6.1 静态试验

静态试验目的是验证系统控制策略正确性、数据采集准确性、收发指令可靠性等。静态试验主要为后期动态试验一个前期工作，在试验前期须对试验方案进行详细的讨论及各种风险的评估。

6.2 动态试验

动态试验的目的是验证控制系統实际动作可高、执行指令正常、反馈信息准确、切负荷精度校验、切负荷动作时间测试。模拟电解铝孤网运行的各种运行工况和事故干扰，检验各种设置参数的合理性，确保孤网运行的稳定性;验证安稳执行逻辑、执行环节的准确性;负荷的动作时间及负荷量的准确性;电厂高频切机等功能的正确性。

6.3 系统联调试验

整个电网系统大联调，验证电源侧、安稳系统、负荷侧控制系统联动测试。根据各预设故障进行对应试验（跳发电机组、发电机组RB试验、整流机组跳闸试验、电源扰动试验、负荷小扰动试验、负荷大扰动试验等），及涉网参数配合调整功能的检验。

7 结语

国内已有多个铝电解孤网项目采用整流装置的柔性控制技术，在实际运行中也发生了各类电网事故，但均有效快速控制，自柔性控制技术投运以来，实现零黑网事故。

在电解铝孤网系统中充分考虑系统的配置，同时应用好整流装置的功率控制精度（通常整流装置为电流控制，电网控制系统需要转换成功率控制），建立好各种控制策略及细致的参数设置，充分利用整流装置的柔性控制技术，加上完善的系统试验，大大提高了孤立电网安全稳定运行。

【参考文献】

【1】王承林.基于新型整流变压器的整流系统在化工电解业中的应用研究[D].长沙：湖南大学，2009.