一種安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)壓負荷控制方式在電解鋁直供電電網(wǎng)中的應用

趙洪山

(酒鋼（集團）公司能源中心，甘肅嘉峪關(guān) 735100)

引言

電解鋁屬于高耗能產(chǎn)業(yè)，考慮電價成本問題，某電解鋁企業(yè)采用了自備電廠供電，形成了直供電電網(wǎng)。該電網(wǎng)主要目的是滿足2條生產(chǎn)線的電解鋁生產(chǎn)需要，每條生產(chǎn)線負荷占比均為50%。由于網(wǎng)內(nèi)只有電解鋁負荷，沒有其他負荷，旋轉(zhuǎn)備用較小，承受擾動的能力較差，尤其是功率過剩擾動或缺額擾動也可能對系統(tǒng)造成較大沖擊。另外，由于網(wǎng)內(nèi)機組數(shù)量少，單機容量占比大，當該電網(wǎng)內(nèi)電源或輸電線路發(fā)生故障時，系統(tǒng)發(fā)生低頻、低壓時，電解鋁控制系統(tǒng)在執(zhí)行安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)調(diào)整負荷指令時，極易出現(xiàn)過壓或欠壓，會對電解鋁生產(chǎn)產(chǎn)生直接影響，導致電解鋁產(chǎn)能下降甚至停產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟和能源損失。因此需要根據(jù)電解鋁負荷實際特性，制定符合實際的調(diào)整電解鋁負荷的控制方式，滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行要求，才能為電解鋁企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。

1 電解鋁13組節(jié)點調(diào)整負荷控制方式

電解鋁負荷本質(zhì)是恒功率負荷，其對負荷電壓變化和頻率變化不甚敏感。在針對系統(tǒng)裝機容量和負荷容量一定的情況下，如何在系統(tǒng)遭受功率擾動后實現(xiàn)系統(tǒng)功率和頻率的精準控制就成為一個不可避免的難題。

例如，以電解鋁負荷Pmax=562.5 MW，機組為3臺350 MW和4臺小容量（P≤50 MW）機組為例，分別考慮電解鋁負荷水平為0.65Pmax，0.85Pmax，0.1Pmax情況下，分析網(wǎng)內(nèi)1臺出力為200 MW機組脫網(wǎng)后，母線電壓和系統(tǒng)頻率特性，仿真分析如圖1、圖2所示。

圖1 不同負荷水平下，相同故障場景下系統(tǒng)母線電壓

圖2 不同負荷水平下，相同故障場景下系統(tǒng)頻率曲線

可見，在系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和機組開機狀態(tài)固定的情況下，發(fā)電機組參與一次調(diào)頻前，系統(tǒng)頻率響應主要與功率擾動量和電網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)機組總慣量有關(guān)；而擾動后母線電壓與負荷水平略有一定關(guān)系；（無功功率）負荷水平越重，事故后母線電壓恢復水平越低。并且長時間的低頻或低壓使得網(wǎng)內(nèi)其他運行元件，尤其是發(fā)電機及輔機和動力負荷難以正常運行，甚至可能造成元件葉片疲勞積累而損壞設備。

因此，針對諸如1臺機組脫網(wǎng)故障這樣的功率缺額擾動，若故障后系統(tǒng)電壓能夠維持穩(wěn)定的前提下，僅造成頻率跌落越限，可根據(jù)當前方式下系統(tǒng)機組容量、負荷容量以及缺額量，制定可靠的控制措施，具體需要限定電解鋁負荷才能使系統(tǒng)恢復穩(wěn)定，而電解鋁控制系統(tǒng)通過改變整流機組導通角實現(xiàn)電解槽快速減負荷，不再采取以往的切槽或開斷整流機組措施。

針對上述情況，制訂了網(wǎng)內(nèi)電源損失確保電網(wǎng)穩(wěn)定的安全穩(wěn)定控制邏輯為“13組控制節(jié)點調(diào)整負荷的控制方式”，在安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)實際出口時按照實際檢測到的損失電源功率量與13組出口節(jié)點相接近的百分比執(zhí)行調(diào)整電解鋁負荷。具體見表1。

表1 電解鋁負荷控制參量

2 電解鋁實際負荷特性

按照制定的“13組控制節(jié)點調(diào)整負荷控制方式”在電網(wǎng)實際運行中進行了電解鋁調(diào)整負荷命令執(zhí)行情況的實測，仍按照電解鋁負荷為562.5 MW為例，網(wǎng)內(nèi)損失一臺出力為186 MW的機組，按照安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)邏輯“電源損失聯(lián)切負荷”計算需控制電解鋁負荷量百分比為（186/562.5）×100%=33.07%，則按照13組出口節(jié)點安全穩(wěn)定控制裝置第8組出口節(jié)點（32%）閉合出口，而電解鋁在實際執(zhí)行過程中實測電解鋁負荷變化曲線如圖3所示。

圖3 實測電解鋁負荷變化曲線

從圖3可以看出，電解鋁在實際執(zhí)行調(diào)整負荷指令時，存在一定的超調(diào)量和執(zhí)行調(diào)整指令時間長達1800 ms，并且進行多次試驗，每次實驗結(jié)果均不一樣，但超調(diào)量和調(diào)整負荷時間過長問題依舊存在。

為了更好地掌握電解鋁實際負荷特性，進行了電解鋁直流電流與交流功率變化量對應關(guān)系的實測，具體實測數(shù)據(jù)如表2。

表2 電解鋁直流電流與交流功率變化量數(shù)值

3 13組控制節(jié)點調(diào)整負荷控制方式存在問題

查閱實際電解鋁控制系統(tǒng)調(diào)整負荷控制邏輯，發(fā)現(xiàn)電解鋁控制系統(tǒng)在實際執(zhí)行調(diào)整負荷指令時，采取將接收到的安全穩(wěn)定裝置發(fā)來的調(diào)整有功功率控制命令（百分比），簡單地執(zhí)行為電解鋁整流系統(tǒng)逆變側(cè)直流電流的控制比例，沒有按照電解鋁負荷特性進行二次計算后再執(zhí)行調(diào)整負荷指令。這樣，按照電解鋁實測的“電解鋁直流電流與交流功率變化量對應關(guān)系”數(shù)據(jù)表明，已經(jīng)出現(xiàn)了調(diào)整負荷指令執(zhí)行的放大，另外，電解鋁負荷不屬于純電阻負載，勢必造成在實際壓負荷過程中存在超調(diào)和調(diào)整負荷時間過長問題。

以損失1臺機組功率280 MW為例，按照安穩(wěn)策略需調(diào)整電解鋁負荷為38%。若電解鋁交流功率與直流電流成正比例關(guān)系，并且電解鋁控制系統(tǒng)在規(guī)定的時間（200 ms）內(nèi)完成調(diào)整負荷指令，不存在超調(diào)時電網(wǎng)的頻率發(fā)生變化，曲線如圖4。

圖4 機組調(diào)整負荷時頻率變化曲線

若電解鋁在實際執(zhí)行調(diào)整負荷指令時0.5 s達到安穩(wěn)裝置給定指令的目標值，1.1 s時達到目標值的1.5倍（超調(diào)50%），2.2 s恢復至安穩(wěn)裝置給定指令的目標值。將增加網(wǎng)內(nèi)電解鋁低頻減載動作風險，并且頻率恢復過程中造成網(wǎng)內(nèi)小機組高頻切機動作。如果網(wǎng)內(nèi)小機組“高頻切機”功能沒有全投，或者切機不成功，頻率繼續(xù)上升可能造成350 MW機組的跳閘，全網(wǎng)崩潰。

綜上所述，受電解鋁實際負荷特性和電解鋁控制系統(tǒng)調(diào)整負荷邏輯限制，該企業(yè)短期內(nèi)在負荷側(cè)沒有可行的解決“調(diào)整負荷超調(diào)量”問題的措施。分析認為，按照“13組控制節(jié)點調(diào)整負荷控制方式”進行調(diào)整電解鋁負荷時，由于安全穩(wěn)定控制邏輯采取“與13組出口節(jié)點相接近的原則”下發(fā)調(diào)整負荷指令，勢必在安穩(wěn)裝置出口前已經(jīng)存在一定的偏差。例如：安穩(wěn)計算需調(diào)整電解鋁負荷百分比為29.5%，則安穩(wěn)裝置在實際出口節(jié)點選擇時選擇32%這一組出口節(jié)點，將產(chǎn)生調(diào)整負荷量的偏差。

4 電解鋁模擬量調(diào)整負荷控制方式

由于受電解鋁實際負荷特性所限，在進行調(diào)整電解鋁負荷時（控制整流機組導通角），電解鋁調(diào)整負荷時間過長和存在一定的超調(diào)量將無法避免，所以必須解決安穩(wěn)裝置出口前存在計算調(diào)整負荷量和指令調(diào)整負荷量之間的偏差問題，而采取4～20 mA模擬量來調(diào)整負荷方式恰恰避免了這一難題。

4.1 模擬量控制策略

（1）穩(wěn)控裝置“調(diào)整負荷邏輯”啟動的同時通過硬接點發(fā)送“同步啟動信息”至電解鋁控制系統(tǒng)，電解鋁控制系統(tǒng)鎖定此時狀態(tài)。

（2）穩(wěn)控裝置判斷需調(diào)整電解鋁負荷時，將需“調(diào)整負荷百分比信息”通過光纖信號發(fā)送至穩(wěn)控接口控制裝置，同時發(fā)送“模擬量控制動作信號”至電解鋁控制系統(tǒng)；穩(wěn)控接口控制裝置將“需壓負荷百分比信息”通過模擬量信號（兩組）發(fā)至電解鋁控制系統(tǒng)；電解鋁控制系統(tǒng)根據(jù)“模擬量控制動作信號”以及“調(diào)整負荷模擬量信號”執(zhí)行調(diào)整負荷指令。

4.2 安穩(wěn)系統(tǒng)與電解鋁控制系統(tǒng)的執(zhí)行邏輯配合關(guān)系

（1）每次安穩(wěn)裝置動作時向電解鋁控制系統(tǒng)發(fā)送“模擬量控制動作信號”（保持1 s），同時輸出兩組4～20 mA模擬量信號。

（2）針對短時間內(nèi)安穩(wěn)裝置多次控制措施（1 s內(nèi)連續(xù)兩次控制措施），安穩(wěn)裝置“模擬量控制動作信號”展寬保持1 s。

（3）電解鋁控制系統(tǒng)實時監(jiān)測“模擬量控制動作信號”，滿足條件①②則執(zhí)行控制措施：

①接收到穩(wěn)控裝置“啟動信號”；

②接收到“模擬量控制動作信號”；

③接收到兩組“模擬量信號”（4 mA～20 mA），且該兩組模擬量保持穩(wěn)定（-1%～+1%），持續(xù)固定時間Ts2（Ts2為定值），取兩者模擬量較大值執(zhí)行。

4.3 實際電解鋁控制系統(tǒng)接收安穩(wěn)裝置模擬量數(shù)據(jù)測試結(jié)果

表3 測試結(jié)果

5 結(jié)論

通過分析電解鋁實際負荷特性，制定可行的調(diào)整控制電解鋁負荷的方式，在直供電電網(wǎng)中當機組、升壓變及輸電線路等故障造成的電源損失時，改進后的安全控制系統(tǒng)可作為第二道防線可靠、精確動作，這樣保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，并且模擬量來調(diào)整電解鋁負荷控制方式可適用于企業(yè)電網(wǎng)和常規(guī)電網(wǎng)。