周 鑫，蔣小銘

（沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001）

近幾年，電解鋁企業(yè)紛紛建設自備電廠，逐步發(fā)展煤-電-鋁聯(lián)營的生產模式。一方面可以提高資源利用效率，另一方面也為企業(yè)帶來了較好的經濟效益。由于企業(yè)自備電廠容量較小，運行穩(wěn)定性差，不并網(wǎng)時，發(fā)電機出現(xiàn)故障退出，孤網(wǎng)運行功率將出現(xiàn)嚴重缺額，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，通過可靠快速的網(wǎng)絡通訊及寬頻的穩(wěn)流系統(tǒng)，實現(xiàn)實時調節(jié)負荷大小，從而達到穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，保護整個電解鋁廠供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行[1]。

1 電解鋁廠負荷特點和孤網(wǎng)運行特性分析

在現(xiàn)代電解鋁廠中，一級負荷往往占到全廠總負荷的95%，電解鋁采用整流器進行直流供電，按恒定電流方式控制，電解鋁負荷在正常運行情況下可視為恒電流負荷。對交流側電壓和頻率變化不敏感，在系統(tǒng)一次側一般可視為恒功率運行[2]。電解鋁整流設備主要包括調壓整流變壓器、整流裝置及配套輔助設備。

孤網(wǎng)運行的狀態(tài)下，當系統(tǒng)出現(xiàn)功率不平衡時，系統(tǒng)頻率受發(fā)電機頻率的影響更大，而發(fā)電機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△P＞0時，系統(tǒng)頻率減小；當△P＜0時，系統(tǒng)頻率增大。另外，無功功率不平衡問題可以通過無功補償?shù)玫骄徑猓虼?，系統(tǒng)穩(wěn)定的主要問題是有功功率不平衡。

鋁廠孤網(wǎng)運行的突出特點是系統(tǒng)控制方式需要從穩(wěn)流控制方式轉變?yōu)楹愎β士刂品绞?，關鍵問題是維持頻率的穩(wěn)定。而整流機組原設計為恒電流控制的運行方式，未考慮孤網(wǎng)運行的需要，尤其是PLC穩(wěn)流控制系統(tǒng)與孤網(wǎng)運行方式的要求相差較多[3]。另外，在啟動運行方式、調節(jié)頻率、智能減載等保護功能方面，孤網(wǎng)運行方式也與常規(guī)并網(wǎng)運行方式有較大的差別，因此必須對電解鋁廠供電系統(tǒng)控制方式進行完善。

2 電解鋁廠孤網(wǎng)運行控制策略

電解鋁整流系統(tǒng)通常采用n+1配置原則，即允許一臺整流機組停機時，剩余機組仍能維持電解鋁正常生產[4]。當自備電廠發(fā)電機組異常造成頻率下降需要減負荷時，整流設備及時檢測并精確地做出相應的判斷，總調PLC控制裝置立即解除自動跟蹤電解系列電流的功能，由穩(wěn)流控制轉換為恒功率控制，智能減載控制系統(tǒng)根據(jù)自備電廠的需求，快速精確的調整鋁廠需要減少的負荷，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荷分為若干個區(qū)間，當實際頻率降低至第一區(qū)間時，按照設定的比例降低各整流機組電流，執(zhí)行第一輪切除負荷，負荷功率與頻率成正比關系，如果功率缺失比較大，頻率繼續(xù)下降進入第二區(qū)間時，執(zhí)行第二輪切除負荷；以此類推，直到電網(wǎng)頻率穩(wěn)定為止。整流機組智能減載控制流程如圖1所示。

圖1 整流機組智能減載控制流程圖

智能減載穩(wěn)控裝置（包括主站設備及分站設備）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、低頻減載及解列、低壓減載及解列等功能[5]。各分站設備均應能對其所對應的整流機組進行故障判別，并能上傳至主站進行相關策略判斷。對于預想運行方式下的預想故障，通過聯(lián)切負荷，整流機組等穩(wěn)控措施，盡量減少電網(wǎng)頻率和電壓波動，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，對于部分未納入預想的運行方式和孤網(wǎng)形式，通過頻率電壓緊急控制等措施，盡可能保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

3 在電解鋁工程中的應用實例

下面以某電解鋁廠220kV整流所為例，說明電解鋁廠孤網(wǎng)智能穩(wěn)流減載控制系統(tǒng)的設計思路。該控制系統(tǒng)采用雙機雙網(wǎng)結構，主要硬件設備采用冗余配置，以避免單點硬件故障導致系統(tǒng)癱瘓。系統(tǒng)配置包括：各整流機組PLC控制裝置、總調PLC控制裝置、數(shù)據(jù)庫服務器、工程師站、報表工作站、維護工作站以及應用服務器組成。各整流機組PLC控制裝置和總調PLC控制裝置之間采用ControlNet雙網(wǎng)冗余的方式連接，其他設備與后臺主控制室采用以太網(wǎng)通訊方式連接。其系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 穩(wěn)流減載控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

用于電解鋁廠的孤網(wǎng)穩(wěn)流減載系統(tǒng)，當自備電廠運行發(fā)電機組供電能力不足（電源系統(tǒng)出現(xiàn)頻率異常）時，如發(fā)電機總容量小于負荷的總容量達到一定程度，發(fā)電機將不能保持額定轉速，那么廠內電網(wǎng)的頻率將降低，嚴重時，甚至會導致發(fā)電機趨于停轉，即系統(tǒng)周波崩潰。這時穩(wěn)流減載系統(tǒng)開始迅速及時檢測并精確地做出相應的判斷，當檢測到電廠發(fā)電機組頻率下降時，總調PLC立即解除自動跟蹤電解系列電流的功能，由穩(wěn)流控制轉換為恒功率控制，穩(wěn)流減載控制系統(tǒng)根據(jù)自備電廠需要的輸出負荷，來快速精確的調整電廠需要減少的負荷。通過調整整流機組運行的數(shù)量，或者通過調整晶閘管觸發(fā)時刻來降低整流機組的工作電流，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)電機組安全，又能滿足電解鋁生產的穩(wěn)定運行。

由于孤網(wǎng)供電運行的特殊結構，對于穩(wěn)流減載這一過程要求是相當嚴格的。穩(wěn)流減載控制系統(tǒng)從接收到頻率異常，再到做出減載動作直至整個電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，整個時間要求要控制在100mS以內完成。本系統(tǒng)在總調PLC和各整流機組PLC之間采用ControlNet雙網(wǎng)冗余的方式，其他各裝置與后臺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)不受后臺監(jiān)控數(shù)據(jù)的干擾，同時也保證了各個網(wǎng)絡的可靠性和快速性。

4 結語

本系統(tǒng)通過可靠快速的網(wǎng)絡通訊及寬頻的穩(wěn)流系統(tǒng)，實現(xiàn)實時調節(jié)負載大小，從而達到發(fā)電機組穩(wěn)定頻率，保護整個供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目的。同時，由于孤網(wǎng)運行中單臺發(fā)電機組和單一生產線負荷占比均較大，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)定運行的條件下，實現(xiàn)經濟運行，為該類電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制提供了新的研究思路。