基于電解鋁控制特性的穩控切負荷方法

何燁，楊揚，陳義宣，李玲芳，支剛

（1.云南電網有限責任公司電網規劃建設研究中心，云南 昆明 650011；2.中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，云南 昆明 650051）

0 前言

如果某地區電解鋁用電負荷達到一定比例，當N-2故障導致電網安全穩定問題，特別是熱穩定問題時，穩控系統切除電解鋁用電負荷是最直接有效的手段[1]。由于電解鋁用電負荷較大且供電可靠性要求高，如果對電解鋁全廠負荷進行切除，不僅有全廠停電造成的電解生產經濟損失和負荷大量過切，根據國務院第599號令[2]和南網事故調查規程[3]還可能造成電力安全事故。目前，國內外尚沒有對電解鋁部分負荷切除的統一有效方法[4-8]，對于已建成的電解鋁廠，運行單位多采用運行方式控制和事故備案的被動防御措施，大大影響了電網正常運行的靈活性。

因此，為避免上述經濟損失和電力安全事故的發生，提高電解鋁相關電網的運行靈活性，有必要對電解鋁部分負荷的切除方法進行研究，為穩控系統設備配置和策略研究提供重要參考。

1 電解鋁整流控制系統

現代鋁工業生產采用冰晶石-氧化鋁融鹽電解法，工作溫度在950 ℃-970 ℃之間。電解生產停電時間一般不能超過30 min；停電時間過長，槽溫降低，不能進行正常生產，甚至電解質凝固，除縮短電解槽使用壽命外，嚴重時電解槽內襯破損，經濟損失嚴重（單臺槽數十萬元）；每個電解系列均設置有保溫電流，當工作電流大于保溫電流時保證電解質不凝固和設備不損壞。電解生產一級負荷為電解直流用電，約占總負荷的95%；其他為二三級負荷，為電解輔助、生活辦公等用電，約占總負荷的5%。

目前，國內外電解生產主要采用兩種整流方案：二極管整流和晶閘管整流[9-12]。除部分大型電解廠采用大功率二極管整流外，其余大多采用晶閘管整流。兩種整流方式的控制元件分別為自飽和電抗器和晶閘管，其中晶閘管整流方式調節速度相對較快。

為保證生產直流用電的可靠性，電解槽負載由至少N+1臺整流機組供電，電流越大的系列整流機組越多，整流機組之間互為備用。正常工況下所有N+1臺整流機組全部投入運行（非滿載），各臺整流機組之間采用大閉環控制，即一旦有一臺或多臺機組保護動作跳閘，剩余功率將轉移至其他正常運行機組；同時，每臺整流機組均采用小閉環控制，即采用單機組穩流和均流閉環控制，同時設置電流上限，保證任何情況下電流不超過設定值。

2 電解鋁切負荷量計算

2.1 可切整流機組臺數

在對電解鋁整流機組可切除臺數計算時，一方面需考慮剩余整流機組應能保證電解槽的保溫電流，以防止設備損壞和經濟損失；另一方面應能躲開大閉環控制中剩余整流機組的電流分擔能力，以實現負荷的真正切除。

n臺整流機組被切除后應能保證電解槽保溫電流，即：

式中：N為整流機組初始運行總臺數；I為單臺整流機組額定電流；k為單臺整流機組電流系數，通常取值0~1之間；I額為電解槽額定電流，即系列額定電流；ρ為電解槽保溫電流系數。

n臺整流機組被切除后應能躲過大閉環控制中剩余整流機組的電流分擔能力，即：

式中：i0為單臺整流機組初始電流，正常情況下

分別對式（1）和式（2）求解，得到可切除整流機組臺數n滿足：

令最大可切臺數nmax為小于等于的最大正整數，最小可切臺數nmin為大于等于的最小正整數，則n是屬于區間[nmin,nmax]的所有正整數集合。特別的，當此區域只包含一個正整數時，nmax=nmin；當保溫電流裕度較小時，n可能為空集。結合式（3）可知，該區間上限為固定值，即保溫電流是由電解槽的固有特性決定的，對應保溫電流的最大可切臺數也是固定的；區間下限由初始運行狀態決定，即剩余整流變的電流分擔能力及最小可切臺數受初始運行狀態變化而變化。

當切除n臺整流機組時，切除負荷量Pcut為：

式中：u0為單臺整流機組初始電壓，即系列初始電壓。電解鋁負載響應速度慢，在長時間控制過程中電解鋁負載可認為是純電阻負荷[13]，具有線性的伏安特性；但在短時穩流控制過程中電壓受電流的變化影響較小，即在切負荷過程中可認為u0維持不變[14]；同時，可定義[Pmin,Pmax]是對應[nmin,nmax]的實際切除負荷量區間，Pcut是該區間內的一些離散值。

2.2 最大可切負荷量

切除負荷量Pcut受到整流機組電流系數k和切除整流機組臺數n的共同作用。電流系數k可根據控制需要進行人工設定，當設定值較高時，相同情況下實際切除負荷量較小，反之實際切除負荷量較大；同時，電流系數k的取值也會影響n的取值范圍，當k的設定值過低時，n的取值變小，反倒使實際切除負荷量Pcut降低。

設函數k=f(n)并將其表示在二維平面圖內，如圖2所示。其中，曲線1對應式（1），曲線2對應式（2）；kmax為nmax對應的最小取值，kmin為nmin對應的最大取值。若不考慮單臺整流機組的過載能力，當k=1時n的取值區間對應的可切臺數最大，隨著k值的變小，可切臺數的取值也變?。粸闈M足保溫電流需要，k的取值是位于四邊形ABCD內的一些線段；當整流機組切除臺數取nmax時，適當降低k值，有利于切除更多負荷，當k=kmax時，實際切除負荷最大。

圖2 函數k=f (n)取值范圍示意圖

由此，當n=nmax時實際切除負荷量可能最大，進一步對kmax和Pmax求解，如式（5）和（6）所示：

上式表明，當切除整流機組臺數按最大可能臺數考慮時，通過k值的參數優化，最大可切除負荷量約為故障前功率扣除保溫負荷后的多余部分。

3 穩控系統切負荷量分配

穩控系統監測到主變或相關斷面線路N-2故障后，根據故障前主變或斷面功率、過載元件實時電流、功率及方向等信息后，計算得到需切負荷總量：

式中：P0為元件過載動作時功率；Plim為元件過載動作功率定值。

切負荷量采用如下策略在電解廠和其它公用執行站之間進行分配：

表1 切負荷量分配策略

4 算例仿真

4.1 算例簡介

為驗證方法的可行性，以云南某市的電解鋁廠為基礎，構造以下仿真算例。

電解鋁廠電氣主接線如圖1所示，該電解廠設計年產原鋁334 kt/a，其中150 kt/a普通鋁錠、184 kt/a合金扁錠；電解系列采用400 kA電解槽306臺（備用6臺），系列電壓1350 VDC，共有整流機組8臺，保溫電流約為系列電流的2/3；全廠負荷共560 MW，年用電量約45億kW.h，采用兩回220 kV線路進行供電。

圖1 云南某400 kA電解鋁系列直流供電方式示意圖

電解鋁廠周邊網架如圖3所示，電網薄弱點位于公用站2和公用站4之間的220 kV斷面，該斷面導線型號為LGJ-400/50，斷面最大輸送功率為565 MW。

圖3 電解鋁廠周邊網架示意圖

4.2 仿真驗證

結合周邊網架結構和安穩主要控制因素，同時為保證供電可靠性，500 kV/220 kV電磁環網合環運行，N-2故障計算結果如下：

表2 N-2故障計算結果表

在傳統的穩控切負荷方法中，扣除城區及重要用戶后公用站最大可組織負荷121 MW，若不切除電解鋁負荷則不能滿足需切負荷總量需要；若對電解鋁全廠負荷進行切除，過切374 MW，在該設區的地級市最大負荷2370 MW的情況下停電比例為23.6%，將造成一般電力事故。

因此，需考慮對電解鋁廠的部分負荷進行切除。由于整流機組電流系數k值的選取對于電解鋁可切負荷量有直接影響，以下結合k值參數的優化分別討論。

1）k值參數不優化

此時k=1，即單臺整流機組最大電流出力可達到額定設計容量且不考慮過載能力，采用上文方法對電解鋁廠可切負荷量計算如下：

表3 k值參數不優化電解鋁可切負荷計算結果表

計算結果表明，k值參數不優化情況下可切整流機組臺數只有一個取值，即可切4臺，切除負荷量81 MW。與需切總量比較后，執行策略1切除電解鋁廠4臺整流機組，公用變電站采用按輪次優先級排序的決策方式[15-16]切除負荷111 MW；合計切除負荷192 MW，略有過切，切除全市8.1 %負荷，不造成電力安全事故，滿足控制要求。

表4 k值參數不優化切負荷量分配執行

2）k值參數優化后

此時k=kmax，即單臺整流機組最大電流出力未達到額定設計容量，只有額定出力的kmax倍，采用上文方法對電解鋁廠可切負荷量計算如下：

表5 k值參數優化后電解鋁可切負荷計算結果表

計算結果表明，k值參數優化后最大可切負荷量增加，當斷面過載進一步增加后更有利于穩控系統切負荷量的組織；同時可切整流機組臺數有兩個取值，分別為4臺和3臺，對應切除負荷量為180 MW和90 MW。與需切總量比較后，執行策略1切除電解鋁廠4臺整流機組，公用變電站采用按輪次優先級排序的決策方式切除負荷15 MW；合計切除負荷195 MW，略有過切，切除全市8.2%負荷，不造成電力安全事故，滿足控制要求。

表6 k值參數優化后切負荷量分配執行

5 結束語

本文通過分析電解鋁整流系統的控制方法和特性，提出了可計及電解鋁部分負荷的穩控切負荷方法，避免了電解鋁全廠停電造成的經濟損失和負荷大量過切，進而降低了電力安全事故風險，為該類電網的安全穩控系統配置和策略研究提供了新的研究思路。

考慮到電解鋁生產工藝的復雜性，本文方法是否能在實際中達到理想的控制目標，特別是k值參數優化在電解鋁整流控制系統的實現，后續還將進一步研究。