基于电解铝控制特性的稳控切负荷方法

何烨，杨扬，陈义宣，李玲芳，支刚

（1.云南电网有限责任公司电网规划建设研究中心，云南 昆明 650011；2.中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，云南 昆明 650051）

0 前言

如果某地区电解铝用电负荷达到一定比例，当N-2故障导致电网安全稳定问题，特别是热稳定问题时，稳控系统切除电解铝用电负荷是最直接有效的手段[1]。由于电解铝用电负荷较大且供电可靠性要求高，如果对电解铝全厂负荷进行切除，不仅有全厂停电造成的电解生产经济损失和负荷大量过切，根据国务院第599号令[2]和南网事故调查规程[3]还可能造成电力安全事故。目前，国内外尚没有对电解铝部分负荷切除的统一有效方法[4-8]，对于已建成的电解铝厂，运行单位多采用运行方式控制和事故备案的被动防御措施，大大影响了电网正常运行的灵活性。

因此，为避免上述经济损失和电力安全事故的发生，提高电解铝相关电网的运行灵活性，有必要对电解铝部分负荷的切除方法进行研究，为稳控系统设备配置和策略研究提供重要参考。

1 电解铝整流控制系统

现代铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法，工作温度在950 ℃-970 ℃之间。电解生产停电时间一般不能超过30 min；停电时间过长，槽温降低，不能进行正常生产，甚至电解质凝固，除缩短电解槽使用寿命外，严重时电解槽内衬破损，经济损失严重（单台槽数十万元）；每个电解系列均设置有保温电流，当工作电流大于保温电流时保证电解质不凝固和设备不损坏。电解生产一级负荷为电解直流用电，约占总负荷的95%；其他为二三级负荷，为电解辅助、生活办公等用电，约占总负荷的5%。

目前，国内外电解生产主要采用两种整流方案：二极管整流和晶闸管整流[9-12]。除部分大型电解厂采用大功率二极管整流外，其余大多采用晶闸管整流。两种整流方式的控制元件分别为自饱和电抗器和晶闸管，其中晶闸管整流方式调节速度相对较快。

为保证生产直流用电的可靠性，电解槽负载由至少N+1台整流机组供电，电流越大的系列整流机组越多，整流机组之间互为备用。正常工况下所有N+1台整流机组全部投入运行（非满载），各台整流机组之间采用大闭环控制，即一旦有一台或多台机组保护动作跳闸，剩余功率将转移至其他正常运行机组；同时，每台整流机组均采用小闭环控制，即采用单机组稳流和均流闭环控制，同时设置电流上限，保证任何情况下电流不超过设定值。

2 电解铝切负荷量计算

2.1 可切整流机组台数

在对电解铝整流机组可切除台数计算时，一方面需考虑剩余整流机组应能保证电解槽的保温电流，以防止设备损坏和经济损失；另一方面应能躲开大闭环控制中剩余整流机组的电流分担能力，以实现负荷的真正切除。

n台整流机组被切除后应能保证电解槽保温电流，即：

式中：N为整流机组初始运行总台数；I为单台整流机组额定电流；k为单台整流机组电流系数，通常取值0~1之间；I额为电解槽额定电流，即系列额定电流；ρ为电解槽保温电流系数。

n台整流机组被切除后应能躲过大闭环控制中剩余整流机组的电流分担能力，即：

式中：i0为单台整流机组初始电流，正常情况下

分别对式（1）和式（2）求解，得到可切除整流机组台数n满足：

令最大可切台数nmax为小于等于的最大正整数，最小可切台数nmin为大于等于的最小正整数，则n是属于区间[nmin,nmax]的所有正整数集合。特别的，当此区域只包含一个正整数时，nmax=nmin；当保温电流裕度较小时，n可能为空集。结合式（3）可知，该区间上限为固定值，即保温电流是由电解槽的固有特性决定的，对应保温电流的最大可切台数也是固定的；区间下限由初始运行状态决定，即剩余整流变的电流分担能力及最小可切台数受初始运行状态变化而变化。

当切除n台整流机组时，切除负荷量Pcut为：

式中：u0为单台整流机组初始电压，即系列初始电压。电解铝负载响应速度慢，在长时间控制过程中电解铝负载可认为是纯电阻负荷[13]，具有线性的伏安特性；但在短时稳流控制过程中电压受电流的变化影响较小，即在切负荷过程中可认为u0维持不变[14]；同时，可定义[Pmin,Pmax]是对应[nmin,nmax]的实际切除负荷量区间，Pcut是该区间内的一些离散值。

2.2 最大可切负荷量

切除负荷量Pcut受到整流机组电流系数k和切除整流机组台数n的共同作用。电流系数k可根据控制需要进行人工设定，当设定值较高时，相同情况下实际切除负荷量较小，反之实际切除负荷量较大；同时，电流系数k的取值也会影响n的取值范围，当k的设定值过低时，n的取值变小，反倒使实际切除负荷量Pcut降低。

设函数k=f(n)并将其表示在二维平面图内，如图2所示。其中，曲线1对应式（1），曲线2对应式（2）；kmax为nmax对应的最小取值，kmin为nmin对应的最大取值。若不考虑单台整流机组的过载能力，当k=1时n的取值区间对应的可切台数最大，随着k值的变小，可切台数的取值也变小；为满足保温电流需要，k的取值是位于四边形ABCD内的一些线段；当整流机组切除台数取nmax时，适当降低k值，有利于切除更多负荷，当k=kmax时，实际切除负荷最大。

图2 函数k=f (n)取值范围示意图

由此，当n=nmax时实际切除负荷量可能最大，进一步对kmax和Pmax求解，如式（5）和（6）所示：

上式表明，当切除整流机组台数按最大可能台数考虑时，通过k值的参数优化，最大可切除负荷量约为故障前功率扣除保温负荷后的多余部分。

3 稳控系统切负荷量分配

稳控系统监测到主变或相关断面线路N-2故障后，根据故障前主变或断面功率、过载元件实时电流、功率及方向等信息后，计算得到需切负荷总量：

式中：P0为元件过载动作时功率；Plim为元件过载动作功率定值。

切负荷量采用如下策略在电解厂和其它公用执行站之间进行分配：

表1 切负荷量分配策略

4 算例仿真

4.1 算例简介

为验证方法的可行性，以云南某市的电解铝厂为基础，构造以下仿真算例。

电解铝厂电气主接线如图1所示，该电解厂设计年产原铝334 kt/a，其中150 kt/a普通铝锭、184 kt/a合金扁锭；电解系列采用400 kA电解槽306台（备用6台），系列电压1350 VDC，共有整流机组8台，保温电流约为系列电流的2/3；全厂负荷共560 MW，年用电量约45亿kW.h，采用两回220 kV线路进行供电。

图1 云南某400 kA电解铝系列直流供电方式示意图

电解铝厂周边网架如图3所示，电网薄弱点位于公用站2和公用站4之间的220 kV断面，该断面导线型号为LGJ-400/50，断面最大输送功率为565 MW。

图3 电解铝厂周边网架示意图

4.2 仿真验证

结合周边网架结构和安稳主要控制因素，同时为保证供电可靠性，500 kV/220 kV电磁环网合环运行，N-2故障计算结果如下：

表2 N-2故障计算结果表

在传统的稳控切负荷方法中，扣除城区及重要用户后公用站最大可组织负荷121 MW，若不切除电解铝负荷则不能满足需切负荷总量需要；若对电解铝全厂负荷进行切除，过切374 MW，在该设区的地级市最大负荷2370 MW的情况下停电比例为23.6%，将造成一般电力事故。

因此，需考虑对电解铝厂的部分负荷进行切除。由于整流机组电流系数k值的选取对于电解铝可切负荷量有直接影响，以下结合k值参数的优化分别讨论。

1）k值参数不优化

此时k=1，即单台整流机组最大电流出力可达到额定设计容量且不考虑过载能力，采用上文方法对电解铝厂可切负荷量计算如下：

表3 k值参数不优化电解铝可切负荷计算结果表

计算结果表明，k值参数不优化情况下可切整流机组台数只有一个取值，即可切4台，切除负荷量81 MW。与需切总量比较后，执行策略1切除电解铝厂4台整流机组，公用变电站采用按轮次优先级排序的决策方式[15-16]切除负荷111 MW；合计切除负荷192 MW，略有过切，切除全市8.1 %负荷，不造成电力安全事故，满足控制要求。

表4 k值参数不优化切负荷量分配执行

2）k值参数优化后

此时k=kmax，即单台整流机组最大电流出力未达到额定设计容量，只有额定出力的kmax倍，采用上文方法对电解铝厂可切负荷量计算如下：

表5 k值参数优化后电解铝可切负荷计算结果表

计算结果表明，k值参数优化后最大可切负荷量增加，当断面过载进一步增加后更有利于稳控系统切负荷量的组织；同时可切整流机组台数有两个取值，分别为4台和3台，对应切除负荷量为180 MW和90 MW。与需切总量比较后，执行策略1切除电解铝厂4台整流机组，公用变电站采用按轮次优先级排序的决策方式切除负荷15 MW；合计切除负荷195 MW，略有过切，切除全市8.2%负荷，不造成电力安全事故，满足控制要求。

表6 k值参数优化后切负荷量分配执行

5 结束语

本文通过分析电解铝整流系统的控制方法和特性，提出了可计及电解铝部分负荷的稳控切负荷方法，避免了电解铝全厂停电造成的经济损失和负荷大量过切，进而降低了电力安全事故风险，为该类电网的安全稳控系统配置和策略研究提供了新的研究思路。

考虑到电解铝生产工艺的复杂性，本文方法是否能在实际中达到理想的控制目标，特别是k值参数优化在电解铝整流控制系统的实现，后续还将进一步研究。