鋁電解整流裝置在孤網(wǎng)中的柔性控制技術(shù)

【摘?要】針對(duì)鋁電解孤網(wǎng)的控制難點(diǎn)及防御框架進(jìn)行分析及措施應(yīng)對(duì)，把控制難點(diǎn)進(jìn)行化解，建立好系統(tǒng)配置及完善的控制策略，并考慮其可靠性，用測(cè)試數(shù)據(jù)及系統(tǒng)試驗(yàn)去充分驗(yàn)證電網(wǎng)特性、負(fù)載特性、控制精度、控制策略等，發(fā)揮整流裝置的柔性控制技術(shù)，從整流裝置的自動(dòng)穩(wěn)頻控制、系統(tǒng)失穩(wěn)的快速控制、錯(cuò)頻控制、子站間協(xié)調(diào)控制等多樣控制模式，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷端三道防線的協(xié)調(diào)防御。

【Abstract】In?view?of?the?control?difficulties?and?defense?framework?of?aluminum?electrolysis?isolated?network，?this?paper?analyzes?and?measures?to?solve?the?control?difficulties，?establishes?the?system?configuration?and?perfect?control?strategy，?and?considers?its?reliability，?fully?validates?the?power?grid?characteristics，?load?characteristics，?control?accuracy，?control?strategy?and?so?on?with?test?data?and?system?tests，?gives?full?play?to?the?flexible?control?technology?of?rectifier，?and?automatic?frequency?stabilization?control?of?rectifier.?The?rapid?control?of?system?instability，?error?frequency?control，?inter-station?coordination?control?and?other?control?modes?realize?the?coordinated?defense?of?the?three?lines?of?defense?at?the?load?end.

【關(guān)鍵詞】整流裝置;孤網(wǎng);柔性控制;策略;協(xié)調(diào)防御

【Keywords】rectification?device;?isolated?network;?flexible?control;?strategy;?coordinated?defense

【中圖分類號(hào)】TM72l???????????????????????????????????????????【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A????????????????????????????????【文章編號(hào)】1673-1069（2019）11-0184-03

【作者簡(jiǎn)介】饒泉斌（1984-），男，江西九江人，電子助理工程師，從事大型整流器產(chǎn)品設(shè)計(jì)、項(xiàng)目工程調(diào)試研究。

1?引言

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡(jiǎn)稱，一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。電力建設(shè)規(guī)程曾有規(guī)定，電網(wǎng)中單機(jī)容量為電網(wǎng)總?cè)萘康?%，以保證當(dāng)該機(jī)發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。電網(wǎng)中的各機(jī)組，一般都有10%～15%的過(guò)載余量，如果電網(wǎng)中的機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)都正常投入，一旦某機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷，并且該機(jī)組容量為電網(wǎng)總?cè)萘康?%，則電網(wǎng)所失去的功率可以暫時(shí)由網(wǎng)中其他機(jī)組過(guò)載余量負(fù)擔(dān)，電網(wǎng)頻率下降0.2Hz，相當(dāng)于機(jī)組轉(zhuǎn)速下降12r/min，對(duì)供電質(zhì)量的影響仍在運(yùn)行規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)。

最大單機(jī)容量小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的電網(wǎng)，可以稱為大電網(wǎng)。目前，我國(guó)各大地區(qū)電網(wǎng)的機(jī)網(wǎng)容量比已經(jīng)遠(yuǎn)小于8%，可以看作是無(wú)限大電網(wǎng)。相比之下，機(jī)網(wǎng)容量比大于8%的電網(wǎng)，統(tǒng)稱為小網(wǎng);孤立運(yùn)行的小網(wǎng)，稱為孤網(wǎng)。

鋁電解槽為一級(jí)負(fù)荷，如果發(fā)生停電事故超過(guò)8h左右無(wú)法恢復(fù)向鋁廠電解槽供電，將會(huì)造成上億元的直接經(jīng)濟(jì)損失。所以鋁電解孤網(wǎng)運(yùn)行是有風(fēng)險(xiǎn)的，長(zhǎng)期以來(lái)，由于習(xí)慣思維方式和苦于沒(méi)有孤網(wǎng)運(yùn)行的安全保障技術(shù)，也無(wú)法解決大負(fù)荷沖擊和小負(fù)荷（效應(yīng)波動(dòng)、設(shè)備跳閘等）頻繁波動(dòng)引起發(fā)電機(jī)周波波動(dòng)帶來(lái)的影響，機(jī)組經(jīng)常被沖跨，所以很多自備電廠都必須并網(wǎng)才能運(yùn)行，或降低機(jī)網(wǎng)容量比實(shí)現(xiàn)自備電模式供電。無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的孤網(wǎng)運(yùn)行。

電解鋁系統(tǒng)屬于高能耗負(fù)載，其能源成本占據(jù)生產(chǎn)成本約40%，有些電解鋁企業(yè)為了有效降低生產(chǎn)成本，使用自備電廠或區(qū)域電網(wǎng)形孤網(wǎng)運(yùn)行，并且在電網(wǎng)配置中發(fā)電單機(jī)與電網(wǎng)容量之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)8%，甚至達(dá)15%，單機(jī)容量比越高，電網(wǎng)控制難度越大。單純靠安穩(wěn)切機(jī)已難以滿足電網(wǎng)的頻率控制，切機(jī)組負(fù)荷控制量為固定的，很容易造成過(guò)切或欠切引起電網(wǎng)震蕩，同時(shí)整流機(jī)組為多機(jī)組并聯(lián)供電，切機(jī)組數(shù)量也不宜過(guò)多，否則容易造成電解系列全停，對(duì)電網(wǎng)形成二次沖擊。在本文主要針對(duì)電解鋁孤網(wǎng)供電模式下，使整流裝置打破常規(guī)思路，不僅要滿足電解生產(chǎn)工藝的要求控制（恒流控制），同時(shí)也融入對(duì)電源端頻率的控制及電網(wǎng)的控制，充分發(fā)揮負(fù)荷端整流裝置的柔性控制技術(shù)，使鋁電解孤網(wǎng)的各種難點(diǎn)及切整流機(jī)組的弊端將迎刃而解。

2?電解鋁孤網(wǎng)運(yùn)行難點(diǎn)及防御框架

2.1?孤立電網(wǎng)頻率控制難點(diǎn)

電解鋁孤立電網(wǎng)頻率控制難點(diǎn)主要有：沒(méi)有大電網(wǎng)支撐，且系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小;主要負(fù)荷為電解鋁負(fù)荷，單個(gè)容量大且不能分散切除，僅靠安穩(wěn)系統(tǒng)切機(jī)、切負(fù)荷難以維持系統(tǒng)的功率平衡。之所以電解鋁負(fù)荷的特殊性及控制難點(diǎn)束縛了一些電解鋁企業(yè)孤立電網(wǎng)中很難做到“三道防線”的控制，特別是第一、第二道防線形同虛設(shè)，在備用容量不足時(shí)，如相繼事故發(fā)生，策略單一的情況下，其潰網(wǎng)是必然。

2.2?防御框架

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中應(yīng)對(duì)災(zāi)難事故時(shí)，其安全防御框架優(yōu)先級(jí)排列通常為：①先確保電網(wǎng)的穩(wěn)定，防止?jié)⒕W(wǎng)風(fēng)險(xiǎn);②其次保證生產(chǎn)損失降至最低;③最后為設(shè)備安全。在以上的防御權(quán)限中應(yīng)用于電解鋁負(fù)荷的防御時(shí)，在電網(wǎng)被受保護(hù)后，其設(shè)備受損導(dǎo)致恢復(fù)周期較長(zhǎng)時(shí)，即使電網(wǎng)恢復(fù)快，由于設(shè)備對(duì)生產(chǎn)的供電能力不足，也難免會(huì)造成對(duì)電解生產(chǎn)工藝的影響。所以在電解鋁電網(wǎng)面臨災(zāi)難故障時(shí)，即便把電網(wǎng)安全防御再好，而犧牲設(shè)備的安全，其生產(chǎn)必然受其影響。所以電解鋁孤網(wǎng)防御框架新理念為：同時(shí)確保電網(wǎng)及設(shè)備的安全，讓其設(shè)備能夠隨時(shí)恢復(fù)，即電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)設(shè)備可以立即為生產(chǎn)提供高效的保障能力，即把電網(wǎng)、生產(chǎn)、設(shè)備同時(shí)保障起來(lái)，相互相承，協(xié)調(diào)控制全方位進(jìn)行安全保障，使恢復(fù)控制安全高效地執(zhí)行。

要克服電解鋁孤網(wǎng)控制的難點(diǎn)及全方位的防御系統(tǒng)，需要整流裝置提供先進(jìn)控制技術(shù)，不僅能應(yīng)對(duì)常規(guī)電解槽工藝的控制，同時(shí)在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)控制時(shí)建立好負(fù)荷端的三道防線控制，在這三道防線中柔性結(jié)合及安穩(wěn)的協(xié)調(diào)控制，在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)任何故障時(shí)，能夠快速有效地調(diào)控，確保電網(wǎng)頻率控制的穩(wěn)定性。所以在建立一個(gè)電解鋁孤網(wǎng)模式供電中需要從基礎(chǔ)配置、控制策略的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)平臺(tái)、系統(tǒng)試驗(yàn)等全方位綜合考慮。

3?整流系統(tǒng)的配置

電解鋁使用孤網(wǎng)供電模式項(xiàng)目中，其負(fù)載端不僅僅考慮用電負(fù)荷量，也要考慮負(fù)載內(nèi)配置的電解系列數(shù)量，根據(jù)配置的電解系列數(shù)量對(duì)整流裝置進(jìn)行選型配置。目前的整流系統(tǒng)有晶閘管整流裝置和二極管整流裝置兩種模式，兩種整流裝置均能實(shí)現(xiàn)600kA電解槽供電。二極管整流裝置在靠自飽和電抗器調(diào)節(jié)，其負(fù)荷調(diào)節(jié)能力較?。s12%），調(diào)節(jié)速率較慢，所以在孤網(wǎng)中單純使用二極管整流裝置，對(duì)于電網(wǎng)的調(diào)節(jié)局限太小，只能采取切機(jī)組模式進(jìn)行，負(fù)荷精度難以匹配，在切機(jī)后恢復(fù)負(fù)荷相對(duì)比較煩瑣。晶閘管整流裝置具有調(diào)節(jié)速率快、調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)中可以多元化，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)事故時(shí)，可以快速調(diào)節(jié)負(fù)荷對(duì)頻率的恢復(fù)，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷正常后，只須把整流負(fù)荷調(diào)節(jié)至正常，減少整流機(jī)組高壓操作等整套流程，降低生產(chǎn)的影響。

4?控制策略的設(shè)計(jì)

晶閘管整流裝置在孤獨(dú)網(wǎng)中的控制策略非常關(guān)鍵，不僅是策略的可靠性，還須根據(jù)各種電網(wǎng)的配置，負(fù)載端的實(shí)際情況進(jìn)行匹配，目前國(guó)內(nèi)電解鋁使用的孤立電網(wǎng)或區(qū)域電網(wǎng)配置各式各樣，無(wú)一類似，所以在控制策略中須根據(jù)實(shí)際配置情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。在柔性控制中怎么實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率的控制，可以從整流裝置的自動(dòng)穩(wěn)頻控制、系統(tǒng)失穩(wěn)的快速控制、錯(cuò)頻控制、子站間協(xié)調(diào)控制等各種策略實(shí)現(xiàn)。

4.1?自動(dòng)穩(wěn)頻控制

自動(dòng)穩(wěn)頻控制主要利用整流裝置的自身采取電網(wǎng)頻率，根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化采取閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)直流輸出功率來(lái)維持電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定（見圖1）。其目的是：負(fù)荷失衡（疊加效應(yīng)、重大負(fù)載啟停等）導(dǎo)致的頻率變化較快時(shí)，發(fā)電機(jī)由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)子慣性固有的動(dòng)作延遲，無(wú)法快速調(diào)頻，導(dǎo)致在出力、負(fù)荷不平衡區(qū)域運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使轉(zhuǎn)子在不平衡轉(zhuǎn)矩的作用下的加速度較大、作用時(shí)間較長(zhǎng)，即使發(fā)電機(jī)調(diào)頻動(dòng)作使出力、負(fù)荷在某個(gè)頻率下達(dá)到平衡，但加速后轉(zhuǎn)子的慣性的作業(yè)仍出現(xiàn)的較大短暫低頻，所以需要有快速調(diào)頻的手段對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行干預(yù)。

圖1???自動(dòng)穩(wěn)頻控制系統(tǒng)

4.2?系統(tǒng)失穩(wěn)的快速控制

利用晶閘管整流裝置的調(diào)節(jié)速率快、調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)以“低頻調(diào)降，高頻調(diào)升”的原則，在發(fā)電機(jī)跳車或負(fù)載端有特大負(fù)荷損失切發(fā)電機(jī)引起過(guò)切控制，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)調(diào)頻動(dòng)作無(wú)法滿足調(diào)頻需求，系統(tǒng)頻率仍偏差較大或頻率恢復(fù)慢時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)整流裝置輸出直流負(fù)荷維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定能力。在頻率穩(wěn)定后再進(jìn)行的負(fù)荷調(diào)整，以達(dá)到減小電網(wǎng)二次擾動(dòng)、快速恢復(fù)負(fù)荷滿足生產(chǎn)和增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行能力。

4.3?錯(cuò)頻控制與子站間協(xié)調(diào)控制

在一個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的電解系列時(shí)，采用錯(cuò)頻及協(xié)調(diào)控制，對(duì)電網(wǎng)的防御能力起到很大的作用，錯(cuò)頻控制主要應(yīng)用在三道防線之間的補(bǔ)防作用。協(xié)調(diào)控制用于多個(gè)系列協(xié)助控制模式，如某一個(gè)電解系列發(fā)生電解故障時(shí)導(dǎo)致負(fù)荷的損失或大擾動(dòng)，另外一個(gè)電解系列可以協(xié)助控制，以達(dá)到電網(wǎng)頻率快速穩(wěn)定的目標(biāo)，在電網(wǎng)防御系統(tǒng)中更加堅(jiān)固。

5?數(shù)據(jù)平臺(tái)

孤網(wǎng)中的數(shù)據(jù)在電網(wǎng)中非常重要，控制策略多樣化的同時(shí)也要控制速率、精度等各種數(shù)據(jù)的支撐。其數(shù)據(jù)主要有電源側(cè)的備用容量、一次調(diào)頻能力、OPC動(dòng)作值、負(fù)荷各種擾動(dòng)對(duì)頻率的影響系數(shù)等;負(fù)荷側(cè)的負(fù)荷特性、一次調(diào)頻速率、快速切負(fù)荷速率、負(fù)荷控制精度、負(fù)荷控制的超調(diào)系數(shù)、系統(tǒng)頻率安全值、設(shè)備跳機(jī)對(duì)電網(wǎng)的影響系數(shù)等數(shù)據(jù)，各種數(shù)據(jù)的不同對(duì)于電網(wǎng)控制策略匹配也不一樣。在一個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中其保護(hù)均會(huì)設(shè)定多道安全防線，盡量在極端定值內(nèi)進(jìn)行有效控制以免電網(wǎng)瓦解[1]。

在電解鋁供電系統(tǒng)中，整流裝置為主要核心控制設(shè)備，所以在電網(wǎng)中主要圍繞整流裝置的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。在此針對(duì)實(shí)現(xiàn)幾個(gè)柔性控制核心參數(shù)給予分析，主要有裝置執(zhí)行時(shí)間、負(fù)荷調(diào)節(jié)速率、負(fù)荷超調(diào)系數(shù)、控制精度等數(shù)據(jù)供業(yè)內(nèi)參考。

5.1?執(zhí)行時(shí)間

在電網(wǎng)失穩(wěn)后為了有效快速調(diào)節(jié)負(fù)荷，在裝置接收命令后執(zhí)行周期越快越好，即一個(gè)時(shí)間的掃描周期，通常執(zhí)行時(shí)間大部分為固有時(shí)間，但A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間根據(jù)不同因數(shù)存在差異，所以盡可能地縮短A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間可以從250μs～500ms不等，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試其轉(zhuǎn)換時(shí)間最低可縮短至250μs。

5.2?負(fù)載特性控制數(shù)據(jù)

電解鋁生產(chǎn)工藝對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間要求電流穩(wěn)定即可，至于快慢不作要求，通常能在1s左右完成負(fù)荷調(diào)節(jié)即可，所以在常規(guī)供電模式下滿足電解鋁生產(chǎn)工藝要求中不會(huì)對(duì)負(fù)荷控制特性進(jìn)行測(cè)試，在負(fù)荷調(diào)整時(shí)間也是個(gè)大概，未取得詳細(xì)的測(cè)試數(shù)據(jù)。但在孤網(wǎng)中對(duì)負(fù)載的控制時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)精度等需要詳細(xì)的數(shù)據(jù)，并時(shí)間周期越快越有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定，通常對(duì)負(fù)載的調(diào)節(jié)時(shí)間要求在500ms以內(nèi)，超調(diào)量50%以內(nèi)，調(diào)節(jié)精度誤差5%，滿足以上參數(shù)在孤網(wǎng)控制中完全能應(yīng)對(duì)各種電網(wǎng)事故的快速調(diào)整。

圖2

圖2中的波形為降負(fù)荷35%執(zhí)行測(cè)試波形，正常運(yùn)行負(fù)荷175MW，降35%負(fù)荷應(yīng)降至113.7MW，應(yīng)降負(fù)荷量61MW，實(shí)際降負(fù)荷量60MW，負(fù)荷誤差量1.6%，負(fù)荷到達(dá)目標(biāo)值時(shí)間318.7ms，超調(diào)量48%。降負(fù)荷精度滿足孤網(wǎng)的控制要求，降負(fù)荷速率也滿足孤網(wǎng)要求，超調(diào)量控制在50%內(nèi)，故該組控制參數(shù)完全滿足孤網(wǎng)調(diào)節(jié)的總要求，目前業(yè)內(nèi)通常設(shè)置此參數(shù)進(jìn)行控制。

6?系統(tǒng)試驗(yàn)

孤網(wǎng)的系統(tǒng)試驗(yàn)是對(duì)電網(wǎng)源側(cè)、網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)全方位地進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)其可靠性、時(shí)效性及應(yīng)對(duì)電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生各種事故的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行論證，主要有靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，孤網(wǎng)試驗(yàn)通常在負(fù)載端用電負(fù)荷越大其試驗(yàn)效果越真實(shí)，策略試驗(yàn)項(xiàng)目越全面。根據(jù)業(yè)內(nèi)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在孤網(wǎng)中建議負(fù)載端大于80%及以上進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，其效果最全面。

6.1?靜態(tài)試驗(yàn)

靜態(tài)試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證系統(tǒng)控制策略正確性、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性、收發(fā)指令可靠性等。靜態(tài)試驗(yàn)主要為后期動(dòng)態(tài)試驗(yàn)一個(gè)前期工作，在試驗(yàn)前期須對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行詳細(xì)的討論及各種風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。

6.2?動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證控制系統(tǒng)實(shí)際動(dòng)作可高、執(zhí)行指令正常、反饋信息準(zhǔn)確、切負(fù)荷精度校驗(yàn)、切負(fù)荷動(dòng)作時(shí)間測(cè)試。模擬電解鋁孤網(wǎng)運(yùn)行的各種運(yùn)行工況和事故干擾，檢驗(yàn)各種設(shè)置參數(shù)的合理性，確保孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性;驗(yàn)證安穩(wěn)執(zhí)行邏輯、執(zhí)行環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性;負(fù)荷的動(dòng)作時(shí)間及負(fù)荷量的準(zhǔn)確性;電廠高頻切機(jī)等功能的正確性。

6.3?系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)大聯(lián)調(diào)，驗(yàn)證電源側(cè)、安穩(wěn)系統(tǒng)、負(fù)荷側(cè)控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)測(cè)試。根據(jù)各預(yù)設(shè)故障進(jìn)行對(duì)應(yīng)試驗(yàn)（跳發(fā)電機(jī)組、發(fā)電機(jī)組RB試驗(yàn)、整流機(jī)組跳閘試驗(yàn)、電源擾動(dòng)試驗(yàn)、負(fù)荷小擾動(dòng)試驗(yàn)、負(fù)荷大擾動(dòng)試驗(yàn)等），及涉網(wǎng)參數(shù)配合調(diào)整功能的檢驗(yàn)。

7?結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)已有多個(gè)鋁電解孤網(wǎng)項(xiàng)目采用整流裝置的柔性控制技術(shù)，在實(shí)際運(yùn)行中也發(fā)生了各類電網(wǎng)事故，但均有效快速控制，自柔性控制技術(shù)投運(yùn)以來(lái)，實(shí)現(xiàn)零黑網(wǎng)事故。

在電解鋁孤網(wǎng)系統(tǒng)中充分考慮系統(tǒng)的配置，同時(shí)應(yīng)用好整流裝置的功率控制精度（通常整流裝置為電流控制，電網(wǎng)控制系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換成功率控制），建立好各種控制策略及細(xì)致的參數(shù)設(shè)置，充分利用整流裝置的柔性控制技術(shù)，加上完善的系統(tǒng)試驗(yàn)，大大提高了孤立電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

【1】王承林.基于新型整流變壓器的整流系統(tǒng)在化工電解業(yè)中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2009.