電解鋁供電系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行下的控制策略

周 鑫，蔣小銘

（沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110001）

近幾年，電解鋁企業(yè)紛紛建設(shè)自備電廠，逐步發(fā)展煤-電-鋁聯(lián)營(yíng)的生產(chǎn)模式。一方面可以提高資源利用效率，另一方面也為企業(yè)帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。由于企業(yè)自備電廠容量較小，運(yùn)行穩(wěn)定性差，不并網(wǎng)時(shí)，發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障退出，孤網(wǎng)運(yùn)行功率將出現(xiàn)嚴(yán)重缺額，企業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)將出現(xiàn)崩潰。本文提出一種全新的供電系統(tǒng)控制策略，通過(guò)可靠快速的網(wǎng)絡(luò)通訊及寬頻的穩(wěn)流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)荷大小，從而達(dá)到穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，保護(hù)整個(gè)電解鋁廠供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1 電解鋁廠負(fù)荷特點(diǎn)和孤網(wǎng)運(yùn)行特性分析

在現(xiàn)代電解鋁廠中，一級(jí)負(fù)荷往往占到全廠總負(fù)荷的95%，電解鋁采用整流器進(jìn)行直流供電，按恒定電流方式控制，電解鋁負(fù)荷在正常運(yùn)行情況下可視為恒電流負(fù)荷。對(duì)交流側(cè)電壓和頻率變化不敏感，在系統(tǒng)一次側(cè)一般可視為恒功率運(yùn)行[2]。電解鋁整流設(shè)備主要包括調(diào)壓整流變壓器、整流裝置及配套輔助設(shè)備。

孤網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)下，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率不平衡時(shí)，系統(tǒng)頻率受發(fā)電機(jī)頻率的影響更大，而發(fā)電機(jī)頻率的變化主要決定于有功功率的不平衡。因此孤網(wǎng)的頻率變化主要決定于有功功率缺額△P。當(dāng)△P＞0時(shí)，系統(tǒng)頻率減??；當(dāng)△P＜0時(shí)，系統(tǒng)頻率增大。另外，無(wú)功功率不平衡問(wèn)題可以通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償?shù)玫骄徑?，因此，系統(tǒng)穩(wěn)定的主要問(wèn)題是有功功率不平衡。

鋁廠孤網(wǎng)運(yùn)行的突出特點(diǎn)是系統(tǒng)控制方式需要從穩(wěn)流控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)楹愎β士刂品绞?，關(guān)鍵問(wèn)題是維持頻率的穩(wěn)定。而整流機(jī)組原設(shè)計(jì)為恒電流控制的運(yùn)行方式，未考慮孤網(wǎng)運(yùn)行的需要，尤其是PLC穩(wěn)流控制系統(tǒng)與孤網(wǎng)運(yùn)行方式的要求相差較多[3]。另外，在啟動(dòng)運(yùn)行方式、調(diào)節(jié)頻率、智能減載等保護(hù)功能方面，孤網(wǎng)運(yùn)行方式也與常規(guī)并網(wǎng)運(yùn)行方式有較大的差別，因此必須對(duì)電解鋁廠供電系統(tǒng)控制方式進(jìn)行完善。

2 電解鋁廠孤網(wǎng)運(yùn)行控制策略

電解鋁整流系統(tǒng)通常采用n+1配置原則，即允許一臺(tái)整流機(jī)組停機(jī)時(shí)，剩余機(jī)組仍能維持電解鋁正常生產(chǎn)[4]。當(dāng)自備電廠發(fā)電機(jī)組異常造成頻率下降需要減負(fù)荷時(shí)，整流設(shè)備及時(shí)檢測(cè)并精確地做出相應(yīng)的判斷，總調(diào)PLC控制裝置立即解除自動(dòng)跟蹤電解系列電流的功能，由穩(wěn)流控制轉(zhuǎn)換為恒功率控制，智能減載控制系統(tǒng)根據(jù)自備電廠的需求，快速精確的調(diào)整鋁廠需要減少的負(fù)荷，確保恒功率，使電網(wǎng)頻率快速穩(wěn)定。

根據(jù)系統(tǒng)功率缺額大小和頻率下降的速度把需要減少的負(fù)荷分為若干個(gè)區(qū)間，當(dāng)實(shí)際頻率降低至第一區(qū)間時(shí)，按照設(shè)定的比例降低各整流機(jī)組電流，執(zhí)行第一輪切除負(fù)荷，負(fù)荷功率與頻率成正比關(guān)系，如果功率缺失比較大，頻率繼續(xù)下降進(jìn)入第二區(qū)間時(shí)，執(zhí)行第二輪切除負(fù)荷；以此類推，直到電網(wǎng)頻率穩(wěn)定為止。整流機(jī)組智能減載控制流程如圖1所示。

圖1 整流機(jī)組智能減載控制流程圖

智能減載穩(wěn)控裝置（包括主站設(shè)備及分站設(shè)備）既能作為區(qū)域減載穩(wěn)控系統(tǒng)的控制主站，也能作為區(qū)域減載穩(wěn)控系統(tǒng)的控制分站，具備頻率檢測(cè)、低頻減載及解列、低壓減載及解列等功能[5]。各分站設(shè)備均應(yīng)能對(duì)其所對(duì)應(yīng)的整流機(jī)組進(jìn)行故障判別，并能上傳至主站進(jìn)行相關(guān)策略判斷。對(duì)于預(yù)想運(yùn)行方式下的預(yù)想故障，通過(guò)聯(lián)切負(fù)荷，整流機(jī)組等穩(wěn)控措施，盡量減少電網(wǎng)頻率和電壓波動(dòng)，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于部分未納入預(yù)想的運(yùn)行方式和孤網(wǎng)形式，通過(guò)頻率電壓緊急控制等措施，盡可能保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 在電解鋁工程中的應(yīng)用實(shí)例

下面以某電解鋁廠220kV整流所為例，說(shuō)明電解鋁廠孤網(wǎng)智能穩(wěn)流減載控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。該控制系統(tǒng)采用雙機(jī)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主要硬件設(shè)備采用冗余配置，以避免單點(diǎn)硬件故障導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。系統(tǒng)配置包括：各整流機(jī)組PLC控制裝置、總調(diào)PLC控制裝置、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、工程師站、報(bào)表工作站、維護(hù)工作站以及應(yīng)用服務(wù)器組成。各整流機(jī)組PLC控制裝置和總調(diào)PLC控制裝置之間采用ControlNet雙網(wǎng)冗余的方式連接，其他設(shè)備與后臺(tái)主控制室采用以太網(wǎng)通訊方式連接。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 穩(wěn)流減載控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

用于電解鋁廠的孤網(wǎng)穩(wěn)流減載系統(tǒng)，當(dāng)自備電廠運(yùn)行發(fā)電機(jī)組供電能力不足（電源系統(tǒng)出現(xiàn)頻率異常）時(shí)，如發(fā)電機(jī)總?cè)萘啃∮谪?fù)荷的總?cè)萘窟_(dá)到一定程度，發(fā)電機(jī)將不能保持額定轉(zhuǎn)速，那么廠內(nèi)電網(wǎng)的頻率將降低，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)電機(jī)趨于停轉(zhuǎn)，即系統(tǒng)周波崩潰。這時(shí)穩(wěn)流減載系統(tǒng)開(kāi)始迅速及時(shí)檢測(cè)并精確地做出相應(yīng)的判斷，當(dāng)檢測(cè)到電廠發(fā)電機(jī)組頻率下降時(shí)，總調(diào)PLC立即解除自動(dòng)跟蹤電解系列電流的功能，由穩(wěn)流控制轉(zhuǎn)換為恒功率控制，穩(wěn)流減載控制系統(tǒng)根據(jù)自備電廠需要的輸出負(fù)荷，來(lái)快速精確的調(diào)整電廠需要減少的負(fù)荷。通過(guò)調(diào)整整流機(jī)組運(yùn)行的數(shù)量，或者通過(guò)調(diào)整晶閘管觸發(fā)時(shí)刻來(lái)降低整流機(jī)組的工作電流，確保恒功率，使電網(wǎng)頻率快速穩(wěn)定。這樣既保證電廠發(fā)電機(jī)組安全，又能滿足電解鋁生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

由于孤網(wǎng)供電運(yùn)行的特殊結(jié)構(gòu)，對(duì)于穩(wěn)流減載這一過(guò)程要求是相當(dāng)嚴(yán)格的。穩(wěn)流減載控制系統(tǒng)從接收到頻率異常，再到做出減載動(dòng)作直至整個(gè)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，整個(gè)時(shí)間要求要控制在100mS以內(nèi)完成。本系統(tǒng)在總調(diào)PLC和各整流機(jī)組PLC之間采用ControlNet雙網(wǎng)冗余的方式，其他各裝置與后臺(tái)主控制室采用以太網(wǎng)通訊方式，這樣即確保了穩(wěn)流減載系統(tǒng)之間的控制網(wǎng)交換數(shù)據(jù)不受后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的干擾，同時(shí)也保證了各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和快速性。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)可靠快速的網(wǎng)絡(luò)通訊及寬頻的穩(wěn)流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)載大小，從而達(dá)到發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定頻率，保護(hù)整個(gè)供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。同時(shí)，由于孤網(wǎng)運(yùn)行中單臺(tái)發(fā)電機(jī)組和單一生產(chǎn)線負(fù)荷占比均較大，控制措施離散性大，本文所提出的一種孤網(wǎng)智能穩(wěn)流減載控制方法，能夠在滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為該類電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制提供了新的研究思路。