电解铝供电系统孤网运行下的控制策略

周 鑫，蒋小铭

（沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110001）

近几年，电解铝企业纷纷建设自备电厂，逐步发展煤-电-铝联营的生产模式。一方面可以提高资源利用效率，另一方面也为企业带来了较好的经济效益。由于企业自备电厂容量较小，运行稳定性差，不并网时，发电机出现故障退出，孤网运行功率将出现严重缺额，企业电网系统将出现崩溃。本文提出一种全新的供电系统控制策略，通过可靠快速的网络通讯及宽频的稳流系统，实现实时调节负荷大小，从而达到稳定电网频率，保护整个电解铝厂供电系统稳定运行[1]。

1 电解铝厂负荷特点和孤网运行特性分析

在现代电解铝厂中，一级负荷往往占到全厂总负荷的95%，电解铝采用整流器进行直流供电，按恒定电流方式控制，电解铝负荷在正常运行情况下可视为恒电流负荷。对交流侧电压和频率变化不敏感，在系统一次侧一般可视为恒功率运行[2]。电解铝整流设备主要包括调压整流变压器、整流装置及配套辅助设备。

孤网运行的状态下，当系统出现功率不平衡时，系统频率受发电机频率的影响更大，而发电机频率的变化主要决定于有功功率的不平衡。因此孤网的频率变化主要决定于有功功率缺额△P。当△P＞0时，系统频率减小；当△P＜0时，系统频率增大。另外，无功功率不平衡问题可以通过无功补偿得到缓解，因此，系统稳定的主要问题是有功功率不平衡。

铝厂孤网运行的突出特点是系统控制方式需要从稳流控制方式转变为恒功率控制方式，关键问题是维持频率的稳定。而整流机组原设计为恒电流控制的运行方式，未考虑孤网运行的需要，尤其是PLC稳流控制系统与孤网运行方式的要求相差较多[3]。另外，在启动运行方式、调节频率、智能减载等保护功能方面，孤网运行方式也与常规并网运行方式有较大的差别，因此必须对电解铝厂供电系统控制方式进行完善。

2 电解铝厂孤网运行控制策略

电解铝整流系统通常采用n+1配置原则，即允许一台整流机组停机时，剩余机组仍能维持电解铝正常生产[4]。当自备电厂发电机组异常造成频率下降需要减负荷时，整流设备及时检测并精确地做出相应的判断，总调PLC控制装置立即解除自动跟踪电解系列电流的功能，由稳流控制转换为恒功率控制，智能减载控制系统根据自备电厂的需求，快速精确的调整铝厂需要减少的负荷，确保恒功率，使电网频率快速稳定。

根据系统功率缺额大小和频率下降的速度把需要减少的负荷分为若干个区间，当实际频率降低至第一区间时，按照设定的比例降低各整流机组电流，执行第一轮切除负荷，负荷功率与频率成正比关系，如果功率缺失比较大，频率继续下降进入第二区间时，执行第二轮切除负荷；以此类推，直到电网频率稳定为止。整流机组智能减载控制流程如图1所示。

图1 整流机组智能减载控制流程图

智能减载稳控装置（包括主站设备及分站设备）既能作为区域减载稳控系统的控制主站，也能作为区域减载稳控系统的控制分站，具备频率检测、低频减载及解列、低压减载及解列等功能[5]。各分站设备均应能对其所对应的整流机组进行故障判别，并能上传至主站进行相关策略判断。对于预想运行方式下的预想故障，通过联切负荷，整流机组等稳控措施，尽量减少电网频率和电压波动，保持电网的稳定运行，对于部分未纳入预想的运行方式和孤网形式，通过频率电压紧急控制等措施，尽可能保证电网的稳定运行。

3 在电解铝工程中的应用实例

下面以某电解铝厂220kV整流所为例，说明电解铝厂孤网智能稳流减载控制系统的设计思路。该控制系统采用双机双网结构，主要硬件设备采用冗余配置，以避免单点硬件故障导致系统瘫痪。系统配置包括：各整流机组PLC控制装置、总调PLC控制装置、数据库服务器、工程师站、报表工作站、维护工作站以及应用服务器组成。各整流机组PLC控制装置和总调PLC控制装置之间采用ControlNet双网冗余的方式连接，其他设备与后台主控制室采用以太网通讯方式连接。其系统结构如图2所示。

图2 稳流减载控制系统网络结构图

用于电解铝厂的孤网稳流减载系统，当自备电厂运行发电机组供电能力不足（电源系统出现频率异常）时，如发电机总容量小于负荷的总容量达到一定程度，发电机将不能保持额定转速，那么厂内电网的频率将降低，严重时，甚至会导致发电机趋于停转，即系统周波崩溃。这时稳流减载系统开始迅速及时检测并精确地做出相应的判断，当检测到电厂发电机组频率下降时，总调PLC立即解除自动跟踪电解系列电流的功能，由稳流控制转换为恒功率控制，稳流减载控制系统根据自备电厂需要的输出负荷，来快速精确的调整电厂需要减少的负荷。通过调整整流机组运行的数量，或者通过调整晶闸管触发时刻来降低整流机组的工作电流，确保恒功率，使电网频率快速稳定。这样既保证电厂发电机组安全，又能满足电解铝生产的稳定运行。

由于孤网供电运行的特殊结构，对于稳流减载这一过程要求是相当严格的。稳流减载控制系统从接收到频率异常，再到做出减载动作直至整个电网频率稳定，整个时间要求要控制在100mS以内完成。本系统在总调PLC和各整流机组PLC之间采用ControlNet双网冗余的方式，其他各装置与后台主控制室采用以太网通讯方式，这样即确保了稳流减载系统之间的控制网交换数据不受后台监控数据的干扰，同时也保证了各个网络的可靠性和快速性。

4 结语

本系统通过可靠快速的网络通讯及宽频的稳流系统，实现实时调节负载大小，从而达到发电机组稳定频率，保护整个供电系统稳定运行的目的。同时，由于孤网运行中单台发电机组和单一生产线负荷占比均较大，控制措施离散性大，本文所提出的一种孤网智能稳流减载控制方法，能够在满足安全稳定运行的条件下，实现经济运行，为该类电网的安全稳定控制提供了新的研究思路。