孤網直供機組調頻控制優化策略研究

馬國林

(國家電投集團寧夏能源鋁業有限公司，寧夏 銀川 750002)

0 前言

頻率是評價電力系統性能的重要指標，電網的負荷側和發電側的隨機波動和變化導致的供需不平衡使得電網的頻率不能維持在50 Hz，而電網運行時要求電力系統的頻率控制在50±0.1 Hz的范圍內[1]。當前我國電網安穩系統主要是以電網功角穩定和電壓穩定為目標進行控制，未充分考慮孤網的異常動態頻率行為[2]。當大電網解列成孤網時，原以保護電器為主的保護方式和以直接控制發電機功率的控制方式已不再適用，需要切換為發電機組同步運行和系統中能量平衡的速度控制方式[3]。孤網與大型電網的運行特點有較大不同，存在的頻率控制問題更為突出[4]。作為高耗能產業，電解鋁生產企業通常擁有自備電廠[5]，正常情況下，這些電廠按自發自用的原則安排生產，這些點對點的直供機組與電解鋁負荷及兩者間的供電線路，構成了一個孤網熱力系統。而網頻穩定的電力供給對電解鋁生產企業的安全經濟運行極其重要，電解鋁生產過程中，停電3 h以上將造成巨大的經濟損失。因此，改進和完善孤網運行系統中點對點直供機組的調頻性能，對維持電力系統的頻率穩定，保障電解鋁生產企業的生產安全和經濟效益具有重大意義。

針對孤網系統的頻率穩定性問題，相關研究人員開展了大量的工作，提出多種解決方案和優化控制策略，趙中原等提出基于晶閘管的快速、靈活控制的電子負荷技術[6]，葉永春在文獻[7]中從機組的選型、設計方面提出了相應的解決方案。但這些技術和方案往往對具體的孤網系統缺乏針對性。

本文針對某電解鋁生產企業及其自備電廠和供電線路組成的孤網系統，建立了相應的系統模型，并在該模型的基礎上對原有控制策略下直供機組的調頻性能進行了仿真分析，根據分析的結果制定相應的優化控制策略，并通過機組實際運行效果驗證了優化策略的有效性和可行性。

1 孤網熱力系統模型建立

針對孤網直供機組調頻控制優化研究，采用模塊化的建模方法，主要建立機組主汽輪機系統模型、鍋爐系統模型、整流機組模型以及鋁廠負荷系統模型，并將上述模型整合，進行各工況下的機組調頻性能分析。

1.1 主汽輪機系統模型

借鑒于達仁等[8]建立的汽輪機模型作為本文的汽輪機基礎模型，主要包括汽輪機高調門模型、蒸汽容積模型、回熱系統模型、再熱容積模型、轉子模型、空冷島模型、考慮實際情況的電液伺服系統模型、閥門管理模型、考慮數字控制采樣保持、旁路保護控制、OPC模型油動機模型等。

1.2 鍋爐系統模型

本案例中的鍋爐為東方鍋爐廠生產的超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，是一種單爐膛、一次中間再熱、采用前后墻對沖燃燒方式、平衡通風、緊身封閉、固態排渣、全鋼懸吊結構的Π型鍋爐。

鍋爐燃燒系統可以近似看成一個帶延遲的一階慣性環節[9]

(1)

式中μB——燃燒率指令；

Qr——燃料燃燒的放熱量；

τ——燃燒通道的純時延時間；

T1——燃燒通道的時間常數；

K、τ、T1——根據系統設計的不同會有變化。

對螺旋管圈內工質這一控制體運用質量守恒微分方程，有

(2)

式中mL——螺旋管圈中工質的質量；

Gin——給水流量；

Gjian——中間點蒸汽量。

根據能量守恒定律，有

(3)

式中mLhL——螺旋管圈內工質的能量；

Ginhin——給水能量；

Gjianhjian——鍋爐中間點蒸汽帶走的能量；

Qi——鍋爐吸熱量。

同理，在過熱器中有

(4)

(5)

式中mg——過熱器內工質的質量；

Gj——減溫水流量；

Gz——主蒸汽流量；

mghg——過熱器中的工質的能量；

Gjhj——減溫水所含能量；

Gzhz——主蒸汽帶走的能量；

Q2——過熱器吸熱量。

根據以上關系，建立鍋爐系統模型。

1.3 鋁廠負荷系統模型

某電解鋁生產企業的電解負荷系統由288個電解槽串聯而成，每個電解槽可等效為一個原電池，具有反電勢Ec和槽電阻R，其中槽電阻R是可變的。由等效電路圖可知，電路滿足歐姆定律，槽電阻R為

R=(Uc-Ec)/Ic

式中R——槽電阻;

Uc——槽電壓;

Ec——反電動勢;

Ic——系列電流。

一般情況下，槽溫變化較小，因此本模型忽略槽溫等外界變化對槽電阻的影響，主要研究Al2O3濃度、極距變化對槽電阻的影響，并結合某鋁廠電解槽運行數據，利用最小二乘曲線擬合方法建立槽電阻數學模型，為槽控系統提供精確的負載模型。

1.4 整流機組模型

電解鋁供電系統是由高壓電網提供的交流電經有載調壓變壓器(OLTC) 降壓調壓后，再通過整流變壓器降壓，經 SR 調節和二極管整流器整流，將交流電轉換為用于電解生產的直流電。據此在MATLAB中建立基本的電解鋁系列整流機組模型。

2 系統調頻性能分析

2.1 典型工況下系統調頻性能分析

利用第一節中建立的孤網熱力系統模型，對各種典型工況進行了仿真分析，分析現有控制系統在孤網運行下暴露出的不足之處。具體包括：

(1)電解槽發生陽極效應

模擬電解槽發生陽極效應過程，總負荷因此上升了3.5%，從而引起了汽機轉速下降，此時，雖然一次調頻投入，及時開大了主調閥，但是一次調頻調節幅度的存在，限制了主調閥的進一步開大，導致汽輪機轉速的進一步下降，而在后期，鍋爐跟隨緩慢，鍋爐負荷沒有快速增加，導致汽輪機轉速的進一步下降。發電功率控制效果如圖1所示。

圖1 發生陽極效應時發電功率控制效果

(2)發電機組突甩負荷工況

發電機突甩負荷情況下，隨著電解系列負荷下降，汽機轉速上升，一次調頻隨即動作，關小閥門，抑制住汽機轉速的進一步上升，然而隨著電解系列負荷持續下降，一次調頻的動作值受到調頻幅度的限制，無法繼續下降，引起汽輪機轉速進一步上升，很快達到了103%額定轉速，引發OPC動作，此時電解系列負載仍然較大，因此汽機轉速迅速下降，3 s后OPC復位，但此時主調門開度仍然維持在高位，同時鍋爐負荷也沒有來得及下降，因此汽機轉速又迅速上升，直至超速引起OPC動作，如此反復。在該過程中，OPC反復動作，且汽機轉速大部分時間偏低。在此情況下，電機端電壓和電流變化劇烈。為保證功率平衡，勵磁系統失穩，電機已經失步。在實際運行中電機和負載解列，負荷迅速下降至0。

發電機組突甩負荷25%和100%(自帶廠用電)情況下的發電頻率隨時間變化曲線如圖2和圖3所示。

圖2 突甩負荷25%工況下發電頻率控制效果

圖3 突甩負荷100%工況下發電頻率控制效果

(3)整流機組穩流失控工況

當整流機組穩流失控工況發生時，各機組瞬間降負荷總計約150 MW，機組電流無法短時升起來，電解系列降負荷運行約20 min，穩流系統經逐臺處理后逐漸升全負荷。此時的發電頻率控制效果如圖4所示。

圖4 穩流失控工況下發電頻率控制效果

2.2 頻率控制效果影響因素分析及總結

通過以上仿真分析，結合機組實際控制策略，該孤網熱力系統的直供機組在調頻過程中主要存在以下問題：

(1)一次調頻限幅使得汽機功率無法在大范圍內自動跟蹤匹配鋁側負荷，頻率變化超出允許范圍。

(2)一次調頻調節限幅嚴重限制了一次調頻的能力，造成一次調頻控制效果波動，特別是在電解系列降負荷速率較大時，會發生超速，引起OPC頻繁動作。

(3)由于汽機側電負荷保持在相當高水平,在OPC動作后延遲的3 s內，轉速已經降到3 000 rpm以下,嚴重超過允許范圍。

(4)一次調頻存在穩態偏差。

(5)缺少機組負荷自動生成回路，無法自動跟蹤鋁側負荷，導致AGC系統無法投入自動。

3 直供機組調頻優化方案設計及控制效果分析

根據以上問題分析，對直供機組原有的調頻控制方案進行改進，具體優化方案如下。

3.1 取消一次調頻死區

與公網相比，孤網熱力系統中，鋁側負載的用電負荷變化直接反應為對直供機組的功率輸出需求，為提高機組負荷變化響應速度，將原有控制邏輯中一次調頻的調頻死區去掉。

3.2 放開一次調頻上下限

放開一次調頻上下限，將油動機全行程作為一次調頻的動作范圍。優化前后控制效果對比如圖5所示。

3.3 添加無差調頻回路

針對一次調頻存在穩態偏差的問題，考慮對一次調頻添加無差調頻回路。如圖6所示，原有的有差一次調頻指令由頻率偏差及不等率偏差組成，而虛線框內下方的PID控制器輸出為無差修正回路，對無差調頻回路的參數進行整定，對比分析PID控制器中，Ti和Td的變化對系統響應變化情況的影響，整定出最佳PID參數。并仿真對比有微分控制、無微分控制以及微分加限幅同時控制的控制效果， 據此得出最佳的PID控制參數取值，無差調節回路Kp=1，Ki=1，Kd=20,且微分項要加限幅(±0.2)，以防止微分對甩負荷的不利影響。

圖5 發生陽極效應時發電功率控制效果對比

圖6 添加無差調頻回路后的一次調頻改進控制策略

對比分析添加無差調頻回路前后，電解槽停槽、通電負荷變化過程，系統頻率響應如圖7所示。從圖中可知，添加無差調頻回路后，轉速波動明顯變小。

圖7 突甩負荷100%工況下發電頻率控制效果對比

圖8 突甩負荷25%工況下發電頻率控制效果對比

3.4 OPC控制優化

根據前述對原有的OPC控制邏輯對網頻調節影響的分析，針對汽輪機超速控制環節進行如下優化：當汽機轉速超過103%額定轉速且轉速加速度為正時，OPC動作；當轉速低于103%額定轉速且加速度為負時，OPC復位。

3.5 添加負荷指令生成回路

針對孤網運行方式下，機組負荷指令無法自動生成，二次調頻控制無法投入自動的問題，考慮設計一個合理的機組負荷指令。實際上，發電機功率測量值反映了鋁側負載的功率需求，因此，考慮將發電機功率測量值前饋作為機組負荷指令。

4 綜合優化仿真及實際應用效果分析

4.1 典型工況綜合仿真分析

按照前述優化策略對直供機組調頻控制系統進行綜合優化，在與2.1節相對應的幾種典型運行工況下對控制策略優化前后的網頻控制效果進行仿真分析，結果如圖6至圖9所示。

圖9 穩流失控工況下發電頻率控制效果對比

分析上述仿真結果可知，與原有控制策略相比，所提出的優化控制策略，在各種典型工況下能夠有效的將直供系統的網頻控制在相對穩定的范圍內。

4.2 實際應用效果分析

將上述控制策略在電廠實際生產過程中進行投運，在鋁側倒換整流機組典型工況時，主汽壓力由15.35 MPa漲至15.63 MPa，又降至15.24 MPa后恢復正常值15.35 MPa。有功功率由151 MW降至120 MW后恢復到正常值151 MW。實際現場控制效果如圖10所示。

圖10 鋁側倒換整流機組典型工況實際現場控制效果圖

5 結論

本文針對某電解鋁生產企業與其自備電廠所組成的孤網熱力系統中存在的頻率穩定性問題，開展優化策略研究，分析了孤網運行相對于大電網公網運行的差異，并通過仿真分析發現現有的調頻控制策略存在的問題，有針對性的設計出相應的優化控制策略如下：

(1)取消一次調頻死區；

(2)放開一次調頻上下限；

(3)添加無差調頻回路；

(4)設計機組負荷指令，實現二次調頻自動控制，并對OPC動作條件進行優化。

根據仿真結果，可以得出如下結論：采取所提出的優化控制策略后，在絕大多數情況下(包括電廠RB)均能將網頻穩定控制在49.5～50.5Hz的范圍內，取得了良好的控制效果。