适应新型电力系统调控的电解铝负荷可控技术分析与应用

李玲芳，陈义宣，廖思阳

（1.云南电网有限责任公司电网规划建设研究中心，云南 昆明 650011；2.武汉大学，湖北 武汉 430072）

0 前言

构建以新能源为主体的新型电力系统，是电力行业推进碳达峰、碳中和战略的重要举措。新能源高占比的新型电力系统改变了“源随荷动”的电网特性，电源侧发电出力的随机性和波动性，降低了系统运行的灵活性，电网调控面临安全挑战，负荷侧响应电网调控要求，参与电网协调控制，共同维护“网-源-荷”协调水平势在必行。

从“十三五”开始，云南电解铝产能逐步扩大，电解铝负荷呈现突飞猛进势头。电解铝用户单体容量大、供电集中、用电负荷稳定等特点，对电网调控及风险防控影响较大。预计“十四五”期间，电解铝负荷将占全省负荷总量的20%以上，局部区域将达到地区负荷的数倍量。高占比的电解铝负荷的可控性，对负荷侧响应电网调控极其重要，包括：正常运行过程中，新能源出力的间歇性和随机性导致电网频率的波动需要可控负荷参与快速响应，抑制频率变化；在电网设备发生异常或检修停运，需要临时或长时间调控区域供电负荷，则负荷高占比的电解铝用户的可控性直接影响电网运行方式安排的安全性；在电网发生N-2故障而存在热稳或电压稳定问题时，需要采取紧急负荷控制措施，电解铝用户的可控性则保障了电网安全防控措施的可靠性；同样，在电网发生严重故障存在解列或瓦解风险时，电解铝负荷的可控性可维持电网第三道防线的安全性，保障电网的运行安全。

总之，负荷比重较大的电解铝用户响应电网可调、可控的能力，将为电网运行调控提供有效的调控资源，特别是新型电力系统背景下，负荷侧响应能力的挖掘，将为电网应对电源侧的波动性，提供必要的灵活性调控手段，保障电网及用户的运行安全。

1 电解铝用户

1.1 电解铝负荷

在生产工艺方面，电解类高耗能负荷的生产方式，均是由大直流电流通过电解质溶液或熔融态电解质，在阴极和阳极上引起氧化还原反应的过程，其中电解质溶液或熔融态电解质部分是由多个电解槽串联而成，并依靠流过电解液的大电流所产生的热量，保证其槽内温度满足生产要求。因此，对于电解铝负荷，其生产设备主要由整流变压器、整流设备、电解槽组成，如图1所示。

图1 电解铝供电结构示意

电解铝负荷是典型大电流的直流负荷，生产中是将所有电解槽串联电解，整流部分为所有整流机组并联整流，电解槽可以等效为一个系列电阻R和一个反电动势E，基于其电气特性，电解铝负荷的等效电路模型如图2所示。

图2 电解铝等效电路

1.2 电解铝负荷的整流与控制

电解铝负荷有功功率P与其直流侧电压Ud直接相关，目前电解铝整流主要分为二极管整流和晶闸管整流，根据电解铝整流模式的不同其控制各有不同：

采用二极管的电解铝整流系统，通常由有载调压变压器和饱和电抗器联合调节的方式控制电解电流的平稳性，其中通过有载调压变压器对电解电流进行粗调，通过饱和电抗器对电解电流进行细调，并在稳流系统的控制作用下，保持负荷有功功率以恒定功率运行。

采用晶闸管整流的电解铝负荷，具有灵活的负荷功率调整方式，但造价昂贵，且没有二极管整流运行可靠，目前应用比例相对较小。运行中通过调节移相触发角，实现对电流的稳流控制。理论上，移相触发角在0°～90°之间变化，可以实现直流侧电压在0～100%之间快速连续调节。但是在实际控制中，当负荷调节量超过一定范围，调节速度将变得非常缓慢。文献[1]中，电解铝负荷功率降低20%以内，调节时间为500 ms，超过20%调节时间将达到1 min甚至超过5 min。

2 电解铝用户负荷控制技术

针对应用相对广泛的二极管整流电解铝负荷，提出以下负荷控制方法。

2.1 调节稳流系统饱和电抗器

对于电解铝负荷控制，在稳流装置运行在大闭环反馈时，稳流装置根据外界电压的波动来改变饱和电抗器的压降，进而消除外界电压波动对直流侧电压和电流的影响，维持直流侧电压和电流的恒定。通过饱和电抗器的调节，在小范围内改变整流侧电压。文献[2-3]提出蒙东孤立电网通过调整饱和电抗器的饱和程度,进而改变整流器的续流过程以及交流压降, 使电解铝负荷参与频率控制。通过对电解铝负荷建模分析表明，在稳流装置饱和电抗器调节范围内，电解铝将表现为恒电流或者恒功率的负荷特性，而超出了其控制范围后则将表现为电压敏感型负荷。

对某铝厂测试表明，在当时运行工况下调节饱和电抗器可以达到改变其负荷6%左右的容量。

2.2 调节有载调压变压器

通过调节有载调压变压器分接头档位，改变铝厂交流低压侧母线电压水平，在不考虑稳流系统饱和电抗器调节或电抗器饱和状态下，可以改变直流电压，从而达到调节电解铝负荷的目的。通过分析，变压器调节一个档位的周期一般为7 s左右，每一个档位电压的调节量为0.03 p.u.。由于有载调压变压器的调节为机械调节，长期频繁调节会造成机械磨损。因此基于有载调压变压器的调节方法优先级最低，仅在紧急情况下使用该调节方法。

2.3 调节交流侧母线电压

改变高压侧母线电压调节电解铝负荷有功功率，主要适用于孤立电网运行调控。铝厂直流母线电压与高压侧交流母线电压具有定量关系，控制过程中考虑饱和电抗器退出稳流控制，在高压侧母线电压改变时，交流低压侧电压、整流系统电压水平均有变化，从而达到控制负荷的目的。文献[4]提出利用频率反馈调节发电机端电压，在控制电解铝负荷交流侧电压的基础上调节电解铝负荷功率的控制策略。文献[4-5]进一步提出了发电机励磁系统和饱和电抗器协同控制策略。文献[6]则提出利用SVC来调节负荷母线电压，进而调节负荷有功功率的控制策略。文献[7]提出了电解铝负荷综合调节变压器分接头、饱和电抗器调节的调节能力和调节速率。

2.4 切除整流机组控制

为了获取较大的负荷功率切除量，一种简单有效的方式是切除并联的整流机组。由于电解铝生产电流高达数百千安，一般情况下铝厂需要多组并联的整流机组向电解槽供电。其直流电流的闭环控制有两种形式：其一“大闭环控制”，即监测和闭环控制直流总电流，使之保持稳定；其二“小闭环控制”，即分别监测和控制各组并联的整流机组电流，每个并联机组的电流都分别受到闭环控制，以维持该支路的电流稳定。通常，电解铝生产系统同时具备这两种控制模式并可相互切换。

由上述负荷闭环控制逻辑可知，当负荷处于“大闭环控制”时，被切除整流机组的电流将很快被其他整流机组弥补，使得负荷功率继续保持稳定，切除机组策略即失效。而如果将负荷切换至小闭环控制模式，电解铝负荷的各组并联整流机组将独立控制各自回路的电流，此时切除其中若干组并联整流机组，其他整流机组的电流仍然会稳定在初始值，从而实现负荷直流总电流的减少，进而大幅减少负荷功率。

因此，必须在“小闭环控制”模式下切除并联整流机组的方式来获得较大的切负荷量。一般地，可认为负荷处于均流运行状态，即各个并联整流机组的支路直流电流相等，对于含一定台数并联整流机组的电解铝负荷，当切除n台整流机组后，直流总电流的变化量是确定的。然而，在切除部分整流机组的短时间内，由于整流机组之间的电磁感应作用，其他整流机组会出现电流突增的现象，有可能触发整流机组的过流保护动作而导致整流机组自行跳闸。图3给出某铝厂未切除机组的功率突变波形。

图3 某铝厂执行切机命令后运行机组功率突变波形记录

通过一系列铝厂测试切除1～2台整流机组实验表明，因电感效应，未切除整流变电流突增，易触发过流保护，导致整个系列停运；在饱和电抗器调整能力范围内，未切除整流机电流不变，实际切除量大于事前运行功率值（1.5倍左右）；超过饱和电抗器调整能力范围，实际切除量小于事前运行功率值；铝厂低负荷状态下存在“过切”，而高负荷状态则容易导致“欠切”。

因此，切除整流机组的方法必须结合铝厂运行工况，包括负荷功率、电压水平以及饱和电抗器运行状态等，综合评估可切除台数以及负荷控制的容量，确保控制措施满足要求。

2.5 多方法协调控制

结合以上铝厂负荷控制方法，提出了多方法并举的协调控制技术，通过在铝厂设置负荷控制终端装置，将调节饱和电抗器、调节主变分接头、调节高压侧母线电压以及切除整流机组的措施进行协调，综合评估铝厂可调容量并进行协调控制，最大限度保障铝厂在响应电网调控过程中的运行安全。

通过对铝厂典型系统仿真分析表面，协调控制措施的效果详见表1。

表1 铝厂典型方式下协调控制负荷效果分析结论

3 电解铝用户负荷控制应用

随着电解铝负荷在系统的不断增长，其负荷的可调、可控性，将为电网提供一定的灵活性资源，根据其调控能力及特点可布局到电网运行调控及风险防控方案中，其中：

1）对于可连续调节且响应速度快的调节方案，如调节饱和电抗器，可应用于电网频率辅助调控，为保障电网频率质量提供调控资源和手段。

2）对于不连续且调控响应慢的调节方案，如调节主变分接头、控制母线电压等，可应用于电网日常运行方式安排，提高电网运行方式安排的安全性。

3）对于切除整流机组的措施，则可应用于电网第二道安全防线的紧急控制，为防控电网安全风险发挥作用。

4）对于协调控制措施，需在设置负荷控制终端，综合铝厂运行及设备工况，评估铝厂负荷可控容量，并与电网相关控制系统，如AGC、负荷综合控制协调、稳控系统等交互信息，实现协调控制，提升网源荷协调控制水平，支撑新型电力系统构建和发展。

5）南方某电网已将电解铝用户纳入电网安全稳定控制系统，保障了电网第二道安全防线的安全性和可靠性，并最大限度降低了电解铝用户在响应电网调控时面临的全停电风险，下一步将继续推进电解铝用户与电网协调控制实施工作，完善网荷协调控制手段并提升网源荷协调控制水平。

4 结束语

本文结合电解铝用户生产工艺，分析了电解铝负荷可控技术，并通过系统分析测试，验证了技术的可行性，充分挖掘了负荷侧参与电网灵活调控的能力，对负荷侧响应电网调控应用具有良好的示范作用。随着以新能源为主体的新型电力系统的构建，“网-源-荷”的协调控制显得极其重要，特别是负荷侧大用户响应电网安全防控需求进一步突显。电解铝等用电负荷，作为电网运行的参与者，有必要根据网荷协调需求，在保障生产运行安全的同时充分挖掘自身调控能力并参与到系统调控中，共同维护电网及自身的运行安全。