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

趙洪山

(酒鋼（集團(tuán)）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(jià)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(fù)荷占比均為50%。由于網(wǎng)內(nèi)只有電解鋁負(fù)荷，沒有其他負(fù)荷，旋轉(zhuǎn)備用較小，承受擾動(dòng)的能力較差，尤其是功率過剩擾動(dòng)或缺額擾動(dòng)也可能對(duì)系統(tǒng)造成較大沖擊。另外，由于網(wǎng)內(nèi)機(jī)組數(shù)量少，單機(jī)容量占比大，當(dāng)該電網(wǎng)內(nèi)電源或輸電線路發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生低頻、低壓時(shí)，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(fù)荷指令時(shí)，極易出現(xiàn)過壓或欠壓，會(huì)對(duì)電解鋁生產(chǎn)產(chǎn)生直接影響，導(dǎo)致電解鋁產(chǎn)能下降甚至停產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)和能源損失。因此需要根據(jù)電解鋁負(fù)荷實(shí)際特性，制定符合實(shí)際的調(diào)整電解鋁負(fù)荷的控制方式，滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行要求，才能為電解鋁企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 電解鋁13組節(jié)點(diǎn)調(diào)整負(fù)荷控制方式

電解鋁負(fù)荷本質(zhì)是恒功率負(fù)荷，其對(duì)負(fù)荷電壓變化和頻率變化不甚敏感。在針對(duì)系統(tǒng)裝機(jī)容量和負(fù)荷容量一定的情況下，如何在系統(tǒng)遭受功率擾動(dòng)后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率和頻率的精準(zhǔn)控制就成為一個(gè)不可避免的難題。

例如，以電解鋁負(fù)荷Pmax=562.5 MW，機(jī)組為3臺(tái)350 MW和4臺(tái)小容量（P≤50 MW）機(jī)組為例，分別考慮電解鋁負(fù)荷水平為0.65Pmax，0.85Pmax，0.1Pmax情況下，分析網(wǎng)內(nèi)1臺(tái)出力為200 MW機(jī)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(fù)荷水平下，相同故障場景下系統(tǒng)母線電壓

圖2 不同負(fù)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(jī)組開機(jī)狀態(tài)固定的情況下，發(fā)電機(jī)組參與一次調(diào)頻前，系統(tǒng)頻率響應(yīng)主要與功率擾動(dòng)量和電網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)機(jī)組總慣量有關(guān)；而擾動(dòng)后母線電壓與負(fù)荷水平略有一定關(guān)系；（無功功率）負(fù)荷水平越重，事故后母線電壓恢復(fù)水平越低。并且長時(shí)間的低頻或低壓使得網(wǎng)內(nèi)其他運(yùn)行元件，尤其是發(fā)電機(jī)及輔機(jī)和動(dòng)力負(fù)荷難以正常運(yùn)行，甚至可能造成元件葉片疲勞積累而損壞設(shè)備。

因此，針對(duì)諸如1臺(tái)機(jī)組脫網(wǎng)故障這樣的功率缺額擾動(dòng)，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(dāng)前方式下系統(tǒng)機(jī)組容量、負(fù)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(fù)荷才能使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，而電解鋁控制系統(tǒng)通過改變整流機(jī)組導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)電解槽快速減負(fù)荷，不再采取以往的切槽或開斷整流機(jī)組措施。

針對(duì)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(diǎn)調(diào)整負(fù)荷的控制方式”，在安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)實(shí)際出口時(shí)按照實(shí)際檢測到的損失電源功率量與13組出口節(jié)點(diǎn)相接近的百分比執(zhí)行調(diào)整電解鋁負(fù)荷。具體見表1。

表1 電解鋁負(fù)荷控制參量

2 電解鋁實(shí)際負(fù)荷特性

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

圖3 實(shí)測電解鋁負(fù)荷變化曲線

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

為了更好地掌握電解鋁實(shí)際負(fù)荷特性，進(jìn)行了電解鋁直流電流與交流功率變化量對(duì)應(yīng)關(guān)系的實(shí)測，具體實(shí)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(diǎn)調(diào)整負(fù)荷控制方式存在問題

查閱實(shí)際電解鋁控制系統(tǒng)調(diào)整負(fù)荷控制邏輯，發(fā)現(xiàn)電解鋁控制系統(tǒng)在實(shí)際執(zhí)行調(diào)整負(fù)荷指令時(shí)，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(fù)荷特性進(jìn)行二次計(jì)算后再執(zhí)行調(diào)整負(fù)荷指令。這樣，按照電解鋁實(shí)測的“電解鋁直流電流與交流功率變化量對(duì)應(yīng)關(guān)系”數(shù)據(jù)表明，已經(jīng)出現(xiàn)了調(diào)整負(fù)荷指令執(zhí)行的放大，另外，電解鋁負(fù)荷不屬于純電阻負(fù)載，勢必造成在實(shí)際壓負(fù)荷過程中存在超調(diào)和調(diào)整負(fù)荷時(shí)間過長問題。

以損失1臺(tái)機(jī)組功率280 MW為例，按照安穩(wěn)策略需調(diào)整電解鋁負(fù)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(shí)間（200 ms）內(nèi)完成調(diào)整負(fù)荷指令，不存在超調(diào)時(shí)電網(wǎng)的頻率發(fā)生變化，曲線如圖4。

圖4 機(jī)組調(diào)整負(fù)荷時(shí)頻率變化曲線

若電解鋁在實(shí)際執(zhí)行調(diào)整負(fù)荷指令時(shí)0.5 s達(dá)到安穩(wěn)裝置給定指令的目標(biāo)值，1.1 s時(shí)達(dá)到目標(biāo)值的1.5倍（超調(diào)50%），2.2 s恢復(fù)至安穩(wěn)裝置給定指令的目標(biāo)值。將增加網(wǎng)內(nèi)電解鋁低頻減載動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)，并且頻率恢復(fù)過程中造成網(wǎng)內(nèi)小機(jī)組高頻切機(jī)動(dòng)作。如果網(wǎng)內(nèi)小機(jī)組“高頻切機(jī)”功能沒有全投，或者切機(jī)不成功，頻率繼續(xù)上升可能造成350 MW機(jī)組的跳閘，全網(wǎng)崩潰。

綜上所述，受電解鋁實(shí)際負(fù)荷特性和電解鋁控制系統(tǒng)調(diào)整負(fù)荷邏輯限制，該企業(yè)短期內(nèi)在負(fù)荷側(cè)沒有可行的解決“調(diào)整負(fù)荷超調(diào)量”問題的措施。分析認(rèn)為，按照“13組控制節(jié)點(diǎn)調(diào)整負(fù)荷控制方式”進(jìn)行調(diào)整電解鋁負(fù)荷時(shí)，由于安全穩(wěn)定控制邏輯采取“與13組出口節(jié)點(diǎn)相接近的原則”下發(fā)調(diào)整負(fù)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(jì)算需調(diào)整電解鋁負(fù)荷百分比為29.5%，則安穩(wěn)裝置在實(shí)際出口節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)選擇32%這一組出口節(jié)點(diǎn)，將產(chǎn)生調(diào)整負(fù)荷量的偏差。

4 電解鋁模擬量調(diào)整負(fù)荷控制方式

由于受電解鋁實(shí)際負(fù)荷特性所限，在進(jìn)行調(diào)整電解鋁負(fù)荷時(shí)（控制整流機(jī)組導(dǎo)通角），電解鋁調(diào)整負(fù)荷時(shí)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(jì)算調(diào)整負(fù)荷量和指令調(diào)整負(fù)荷量之間的偏差問題，而采取4～20 mA模擬量來調(diào)整負(fù)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(fù)荷邏輯”啟動(dòng)的同時(shí)通過硬接點(diǎn)發(fā)送“同步啟動(dòng)信息”至電解鋁控制系統(tǒng)，電解鋁控制系統(tǒng)鎖定此時(shí)狀態(tài)。

（2）穩(wěn)控裝置判斷需調(diào)整電解鋁負(fù)荷時(shí)，將需“調(diào)整負(fù)荷百分比信息”通過光纖信號(hào)發(fā)送至穩(wěn)控接口控制裝置，同時(shí)發(fā)送“模擬量控制動(dòng)作信號(hào)”至電解鋁控制系統(tǒng)；穩(wěn)控接口控制裝置將“需壓負(fù)荷百分比信息”通過模擬量信號(hào)（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(dòng)作信號(hào)”以及“調(diào)整負(fù)荷模擬量信號(hào)”執(zhí)行調(diào)整負(fù)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(dòng)作時(shí)向電解鋁控制系統(tǒng)發(fā)送“模擬量控制動(dòng)作信號(hào)”（保持1 s），同時(shí)輸出兩組4～20 mA模擬量信號(hào)。

（2）針對(duì)短時(shí)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(dòng)作信號(hào)”展寬保持1 s。

（3）電解鋁控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測“模擬量控制動(dòng)作信號(hào)”，滿足條件①②則執(zhí)行控制措施：

①接收到穩(wěn)控裝置“啟動(dòng)信號(hào)”；

②接收到“模擬量控制動(dòng)作信號(hào)”；

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

4.3 實(shí)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(shí)際負(fù)荷特性，制定可行的調(diào)整控制電解鋁負(fù)荷的方式，在直供電電網(wǎng)中當(dāng)機(jī)組、升壓變及輸電線路等故障造成的電源損失時(shí)，改進(jìn)后的安全控制系統(tǒng)可作為第二道防線可靠、精確動(dòng)作，這樣保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并且模擬量來調(diào)整電解鋁負(fù)荷控制方式可適用于企業(yè)電網(wǎng)和常規(guī)電網(wǎng)。