適應新型電力系統調控的電解鋁負荷可控技術分析與應用

李玲芳，陳義宣，廖思陽

（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.武漢大學，湖北 武漢 430072）

0 前言

構建以新能源為主體的新型電力系統，是電力行業推進碳達峰、碳中和戰略的重要舉措。新能源高占比的新型電力系統改變了“源隨荷動”的電網特性，電源側發電出力的隨機性和波動性，降低了系統運行的靈活性，電網調控面臨安全挑戰，負荷側響應電網調控要求，參與電網協調控制，共同維護“網-源-荷”協調水平勢在必行。

從“十三五”開始，云南電解鋁產能逐步擴大，電解鋁負荷呈現突飛猛進勢頭。電解鋁用戶單體容量大、供電集中、用電負荷穩定等特點，對電網調控及風險防控影響較大。預計“十四五”期間，電解鋁負荷將占全省負荷總量的20%以上，局部區域將達到地區負荷的數倍量。高占比的電解鋁負荷的可控性，對負荷側響應電網調控極其重要，包括：正常運行過程中，新能源出力的間歇性和隨機性導致電網頻率的波動需要可控負荷參與快速響應，抑制頻率變化；在電網設備發生異常或檢修停運，需要臨時或長時間調控區域供電負荷，則負荷高占比的電解鋁用戶的可控性直接影響電網運行方式安排的安全性；在電網發生N-2故障而存在熱穩或電壓穩定問題時，需要采取緊急負荷控制措施，電解鋁用戶的可控性則保障了電網安全防控措施的可靠性；同樣，在電網發生嚴重故障存在解列或瓦解風險時，電解鋁負荷的可控性可維持電網第三道防線的安全性，保障電網的運行安全。

總之，負荷比重較大的電解鋁用戶響應電網可調、可控的能力，將為電網運行調控提供有效的調控資源，特別是新型電力系統背景下，負荷側響應能力的挖掘，將為電網應對電源側的波動性，提供必要的靈活性調控手段，保障電網及用戶的運行安全。

1 電解鋁用戶

1.1 電解鋁負荷

在生產工藝方面，電解類高耗能負荷的生產方式，均是由大直流電流通過電解質溶液或熔融態電解質，在陰極和陽極上引起氧化還原反應的過程，其中電解質溶液或熔融態電解質部分是由多個電解槽串聯而成，并依靠流過電解液的大電流所產生的熱量，保證其槽內溫度滿足生產要求。因此，對于電解鋁負荷，其生產設備主要由整流變壓器、整流設備、電解槽組成，如圖1所示。

圖1 電解鋁供電結構示意

電解鋁負荷是典型大電流的直流負荷，生產中是將所有電解槽串聯電解，整流部分為所有整流機組并聯整流，電解槽可以等效為一個系列電阻R和一個反電動勢E，基于其電氣特性，電解鋁負荷的等效電路模型如圖2所示。

圖2 電解鋁等效電路

1.2 電解鋁負荷的整流與控制

電解鋁負荷有功功率P與其直流側電壓Ud直接相關，目前電解鋁整流主要分為二極管整流和晶閘管整流，根據電解鋁整流模式的不同其控制各有不同：

采用二極管的電解鋁整流系統，通常由有載調壓變壓器和飽和電抗器聯合調節的方式控制電解電流的平穩性，其中通過有載調壓變壓器對電解電流進行粗調，通過飽和電抗器對電解電流進行細調，并在穩流系統的控制作用下，保持負荷有功功率以恒定功率運行。

采用晶閘管整流的電解鋁負荷，具有靈活的負荷功率調整方式，但造價昂貴，且沒有二極管整流運行可靠，目前應用比例相對較小。運行中通過調節移相觸發角，實現對電流的穩流控制。理論上，移相觸發角在0°～90°之間變化，可以實現直流側電壓在0～100%之間快速連續調節。但是在實際控制中，當負荷調節量超過一定范圍，調節速度將變得非常緩慢。文獻[1]中，電解鋁負荷功率降低20%以內，調節時間為500 ms，超過20%調節時間將達到1 min甚至超過5 min。

2 電解鋁用戶負荷控制技術

針對應用相對廣泛的二極管整流電解鋁負荷，提出以下負荷控制方法。

2.1 調節穩流系統飽和電抗器

對于電解鋁負荷控制，在穩流裝置運行在大閉環反饋時，穩流裝置根據外界電壓的波動來改變飽和電抗器的壓降，進而消除外界電壓波動對直流側電壓和電流的影響，維持直流側電壓和電流的恒定。通過飽和電抗器的調節，在小范圍內改變整流側電壓。文獻[2-3]提出蒙東孤立電網通過調整飽和電抗器的飽和程度,進而改變整流器的續流過程以及交流壓降, 使電解鋁負荷參與頻率控制。通過對電解鋁負荷建模分析表明，在穩流裝置飽和電抗器調節范圍內，電解鋁將表現為恒電流或者恒功率的負荷特性，而超出了其控制范圍后則將表現為電壓敏感型負荷。

對某鋁廠測試表明，在當時運行工況下調節飽和電抗器可以達到改變其負荷6%左右的容量。

2.2 調節有載調壓變壓器

通過調節有載調壓變壓器分接頭檔位，改變鋁廠交流低壓側母線電壓水平，在不考慮穩流系統飽和電抗器調節或電抗器飽和狀態下，可以改變直流電壓，從而達到調節電解鋁負荷的目的。通過分析，變壓器調節一個檔位的周期一般為7 s左右，每一個檔位電壓的調節量為0.03 p.u.。由于有載調壓變壓器的調節為機械調節，長期頻繁調節會造成機械磨損。因此基于有載調壓變壓器的調節方法優先級最低，僅在緊急情況下使用該調節方法。

2.3 調節交流側母線電壓

改變高壓側母線電壓調節電解鋁負荷有功功率，主要適用于孤立電網運行調控。鋁廠直流母線電壓與高壓側交流母線電壓具有定量關系，控制過程中考慮飽和電抗器退出穩流控制，在高壓側母線電壓改變時，交流低壓側電壓、整流系統電壓水平均有變化，從而達到控制負荷的目的。文獻[4]提出利用頻率反饋調節發電機端電壓，在控制電解鋁負荷交流側電壓的基礎上調節電解鋁負荷功率的控制策略。文獻[4-5]進一步提出了發電機勵磁系統和飽和電抗器協同控制策略。文獻[6]則提出利用SVC來調節負荷母線電壓，進而調節負荷有功功率的控制策略。文獻[7]提出了電解鋁負荷綜合調節變壓器分接頭、飽和電抗器調節的調節能力和調節速率。

2.4 切除整流機組控制

為了獲取較大的負荷功率切除量，一種簡單有效的方式是切除并聯的整流機組。由于電解鋁生產電流高達數百千安，一般情況下鋁廠需要多組并聯的整流機組向電解槽供電。其直流電流的閉環控制有兩種形式：其一“大閉環控制”，即監測和閉環控制直流總電流，使之保持穩定；其二“小閉環控制”，即分別監測和控制各組并聯的整流機組電流，每個并聯機組的電流都分別受到閉環控制，以維持該支路的電流穩定。通常，電解鋁生產系統同時具備這兩種控制模式并可相互切換。

由上述負荷閉環控制邏輯可知，當負荷處于“大閉環控制”時，被切除整流機組的電流將很快被其他整流機組彌補，使得負荷功率繼續保持穩定，切除機組策略即失效。而如果將負荷切換至小閉環控制模式，電解鋁負荷的各組并聯整流機組將獨立控制各自回路的電流，此時切除其中若干組并聯整流機組，其他整流機組的電流仍然會穩定在初始值，從而實現負荷直流總電流的減少，進而大幅減少負荷功率。

因此，必須在“小閉環控制”模式下切除并聯整流機組的方式來獲得較大的切負荷量。一般地，可認為負荷處于均流運行狀態，即各個并聯整流機組的支路直流電流相等，對于含一定臺數并聯整流機組的電解鋁負荷，當切除n臺整流機組后，直流總電流的變化量是確定的。然而，在切除部分整流機組的短時間內，由于整流機組之間的電磁感應作用，其他整流機組會出現電流突增的現象，有可能觸發整流機組的過流保護動作而導致整流機組自行跳閘。圖3給出某鋁廠未切除機組的功率突變波形。

圖3 某鋁廠執行切機命令后運行機組功率突變波形記錄

通過一系列鋁廠測試切除1～2臺整流機組實驗表明，因電感效應，未切除整流變電流突增，易觸發過流保護，導致整個系列停運；在飽和電抗器調整能力范圍內，未切除整流機電流不變，實際切除量大于事前運行功率值（1.5倍左右）；超過飽和電抗器調整能力范圍，實際切除量小于事前運行功率值；鋁廠低負荷狀態下存在“過切”，而高負荷狀態則容易導致“欠切”。

因此，切除整流機組的方法必須結合鋁廠運行工況，包括負荷功率、電壓水平以及飽和電抗器運行狀態等，綜合評估可切除臺數以及負荷控制的容量，確保控制措施滿足要求。

2.5 多方法協調控制

結合以上鋁廠負荷控制方法，提出了多方法并舉的協調控制技術，通過在鋁廠設置負荷控制終端裝置，將調節飽和電抗器、調節主變分接頭、調節高壓側母線電壓以及切除整流機組的措施進行協調，綜合評估鋁廠可調容量并進行協調控制，最大限度保障鋁廠在響應電網調控過程中的運行安全。

通過對鋁廠典型系統仿真分析表面，協調控制措施的效果詳見表1。

表1 鋁廠典型方式下協調控制負荷效果分析結論

3 電解鋁用戶負荷控制應用

隨著電解鋁負荷在系統的不斷增長，其負荷的可調、可控性，將為電網提供一定的靈活性資源，根據其調控能力及特點可布局到電網運行調控及風險防控方案中，其中：

1）對于可連續調節且響應速度快的調節方案，如調節飽和電抗器，可應用于電網頻率輔助調控，為保障電網頻率質量提供調控資源和手段。

2）對于不連續且調控響應慢的調節方案，如調節主變分接頭、控制母線電壓等，可應用于電網日常運行方式安排，提高電網運行方式安排的安全性。

3）對于切除整流機組的措施，則可應用于電網第二道安全防線的緊急控制，為防控電網安全風險發揮作用。

4）對于協調控制措施，需在設置負荷控制終端，綜合鋁廠運行及設備工況，評估鋁廠負荷可控容量，并與電網相關控制系統，如AGC、負荷綜合控制協調、穩控系統等交互信息，實現協調控制，提升網源荷協調控制水平，支撐新型電力系統構建和發展。

5）南方某電網已將電解鋁用戶納入電網安全穩定控制系統，保障了電網第二道安全防線的安全性和可靠性，并最大限度降低了電解鋁用戶在響應電網調控時面臨的全停電風險，下一步將繼續推進電解鋁用戶與電網協調控制實施工作，完善網荷協調控制手段并提升網源荷協調控制水平。

4 結束語

本文結合電解鋁用戶生產工藝，分析了電解鋁負荷可控技術，并通過系統分析測試，驗證了技術的可行性，充分挖掘了負荷側參與電網靈活調控的能力，對負荷側響應電網調控應用具有良好的示范作用。隨著以新能源為主體的新型電力系統的構建，“網-源-荷”的協調控制顯得極其重要，特別是負荷側大用戶響應電網安全防控需求進一步突顯。電解鋁等用電負荷，作為電網運行的參與者，有必要根據網荷協調需求，在保障生產運行安全的同時充分挖掘自身調控能力并參與到系統調控中，共同維護電網及自身的運行安全。