一种基于分段调差系数的多个电解铝负荷协调控制方法

本发明涉及电网调频，具体涉及一种基于分段调差系数的多个电解铝负荷协调控制方法。

背景技术：

1、目前负荷参与电网调频主要集中在空调、电动汽车等对象，这类负荷单个容量小、数量多且分散，参与秒级快速响应场景则需对被控负荷逐一改造并加装控制通道，改造成本较高，也不利于调控中心的统一调度。电解铝负荷可调容量大、调节速度快、集中易改造、短暂的功率变化对其生产影响较小，符合负荷参与电网调频的需求。早期国内外对工业负荷参与电网调频主要集中在可中断特性方面，即通过负荷侧管理探索电解铝负荷参与电网互动的可行性。近年来工业负荷的功率连续可调特性也取得了一些进展，但研究主要基于孤立电网稳定控制领域，也有部分涉及大电网互动，调节方式主要是调整自备电厂出力计划或者控制负荷启停，无法应对新能源发电引起的电网频率快速波动。本发明主要针对工业负荷的精准调节技术，应用分段调系数协调电解铝负荷与火电机组一次调频以应对新能源快速波动导致的电网控制难题。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种新型的基于分段调差系数的多个电解铝负荷协调控制方法，以解决现有的调节方式无法应对新能源发电引起的电网频率快速波动的问题。

2、为实现上述目的，本发明所采用了下述的技术方案：

3、一种基于分段调差系数的多个电解铝负荷协调控制方法，用于实现大电网中的源-网-荷协调联动，增强大电网的风电消纳能力，包括以下步骤：

4、步骤s1、监测火电机组一次调频特性：一次调频是指当系统的频率偏离正常值时，通过自动控制系统启动并入电网的发电机组，然后根据系统的频率变化，发电机机组自动的增加或者减少输出的功率，负荷与此同时也自动的减少或者增加吸收的功率，共同平抑所产生的不平衡功率，维持电力系统的稳定；

5、步骤s2、分析电解铝负荷功率可调特性：将电解槽等效为一个等效电阻 r和反电动势 e串联，并通过电解槽的直流电压、流经电解槽的直流电流，计算出电解铝负荷的输入功率，并得出电解铝负荷变化量和饱和电抗器电抗变化量之间的关系；

6、步骤s3、基于电解槽温度的电解铝负荷调差系数优化：根据步骤s2得出的电解铝负荷的输入功率和饱和电抗器的电抗变化量之间的关系，通过调节饱和电抗器的电抗，以调节电解铝负荷的功率，从而平衡系统的不平衡功率，维持系统频率的稳定，并定义电解铝负荷的变化量为系统频率变化量的比值为电解铝负荷的调差系数记为；

7、步骤s4、基于分段调差系数对单个电解铝负荷进行调控：基于电解槽温度的情况下对电解铝负荷的调差系数进行优化，将其分为了三个状态，分别为：正常状态、预警状态、紧急状态；并在不同状态下，根据相应的调差系数和电网的频率变化，得出相应的电解铝负荷变化量，此时进行一次调频的功率，并计算出此时的最大调节功率；

8、步骤s5、基于分段调差系数对多个电解铝负荷进行调控：根据步骤s4对单个电解铝负荷参与电网调频时，在调节时间一定，恒功率调解时，每个调控区间的调节功率上限，以对多个电解铝负荷参与电网调频。

9、进一步的，步骤s1中，在进行一次调频时，仅发电机组的调速器动作，是有差调频，其功率平衡关系如下：

10、负荷的有功频率静态特性中，直线的斜率记为：

11、；

12、其标幺值为：

13、；

14、其中： 、分别为有功负荷变化量、额定有功负荷，单位兆瓦；、分别为频率变化量、额定频率，单位赫兹; 为有功负荷频率调节效应系数，单位赫兹每兆瓦；、、分别为有功负荷变化量的标幺值、频率变化量的标幺值、有功负荷频率调节效应系数的标幺值。

15、进一步的，步骤s1中，发电机的功频静态特性曲线中，斜率即为单位调节功率，记为：

16、；

17、调差系数为单位调节功率的倒数，所以：

18、；

19、则单位调节功率的标么值为：

20、；

21、其中：、、分别为发电机输出功率、发电机输出功率的变化量、发电机的额定功率，单位兆瓦；、、分别为电力系统运行频率、电力系统频率变化量、电力系统额定频率，单位赫兹； 为单位调节功率的标幺值； 为调差系数的标幺值。

22、进一步的，步骤s1中，正常运行时，发电机组的输出功率特性曲线和负荷的吸收功率特性曲线相交于点1，此时对应的频率为，功率为，即为此时发电机组的输出功率等于负荷吸收的功率，系统维持稳定；

23、当负荷频率扰动为时，则负荷的功率特性曲线平移到曲线，由于一次调频只启动发电机组的调速器，此时发电机组的频率特性曲线仍然为曲线，则在点2输出与输入功率达到平衡；此时频率为，功率为；

24、由此产生的频率差为：

25、；

26、发电机增发的功率为：

27、；

28、负荷减少的功率为：

29、；

30、即两者共同作用平衡负荷增加的功率：

31、；

32、其中：为电力系统的单位调节功率；

33、当系统中有n台机组参与调频时，将所有发电机组的单位调节功率等值为，此时电力系统单位调节功率的计算式也如下：

34、；

35、其中：为第i台机组的单位调节功率。

36、进一步的，步骤s2中，为母线的高压侧电压，为母线低压侧电压，有载调压变压器的变比为 k:1,为饱和电抗器的电抗，为电解槽的直流电压，为流经电解槽的直流电流；则电解铝负荷的输入功率为：

37、，；

38、其中，和能够在检测主站中读取，然后通过数据分析采用最小二乘法辨识出电解槽的 e和 r为一常值；

39、而对于任意的电解槽可取 r=2.016 mω，反电动势 e=354.6v，则可得：

40、；

41、所以，通过调节电解槽的直流电压即可调节电解槽的输入功率；通过调节母线的高压侧电压、有载调压器的变比、饱和电抗器的电抗中的任意一个均可改变电解槽的直流电压；

42、直流电压和母线高压侧电压之间的关系：

43、；

44、式中： 为电网角频率，一般其波动较小，可认为为常值；

45、电解铝负荷所接母线高压侧电压为220kv，变比取1000：1，则可得出电解铝负荷的端电压和饱和电抗器电抗之间的关系如下：

46、；

47、得出电解铝负荷变化量和饱和电抗器电抗变化量之间的关系如下：

48、。

49、进一步的，步骤s3中，根据步骤s2得出电解铝负荷的输入功率和饱和电抗器的电抗成线性关系，所以电解铝负荷消耗功率的变化量和系统频率之间也成线性关系，则电解铝负荷的调差系数记为：

50、；

51、其中：为电解铝负荷功率变化量，单位兆瓦；为系统频率变化量，单位赫兹。

52、进一步的，步骤s4中，正常状态下，此时温度为953~960℃，在极限状态下℃，当调节时间一定时，并且恒功率调节时，此时调差系数为 d1，所以此时电网的频率变化为：

53、；

54、则此时进行一次调频的功率：

55、；

56、其中：为电力系统单位调节功率；

57、所以此时的最大调节功率为：

58、；

59、即此时状态下电网的频率偏差为，最大调节功率为。

60、进一步的，步骤s4中，预警状态下，此时温度为950~953℃，在极限状态下，当调节时间一定时，并且恒功率调节时，此时调差系数为 d2，所以此时在预警状态电网的频率变化为：

61、；

62、则此时进行一次调频的功率：

63、；

64、其中：为电力系统单位调节功率。

65、所以此时的最大调节功率为：

66、；

67、即此时状态下电网的频率偏差为+，最大调节功率为。

68、进一步的，步骤s4中，紧急状态下，此时温度为940~950℃，在极限状态下，当调节时间一定时，并且恒功率调节时，此时调差系数为 d3，所以此时在预警状态电网的频率变化为：

69、；

70、则此时进行一次调频的功率：

71、；

72、其中：为电力系统单位调节功率；

73、所以此时的最大调节功率为：

74、；

75、即此时状态下电网的频率偏差为++，最大调节功率为。

76、进一步的，步骤s5中，包括以下步骤：

77、步骤s51：在线监测各个电解槽的温度，确定电解槽所处状态；

78、步骤s52：首先选取处于正常状态的电解铝负荷进行调节，此时调差系数为，然后计算出单个电解铝负荷的调节功率，并将其叠加即为此时的调节功率为；然后在线识别系统的不平衡功率，若大于系统功率扰动，则电解铝负荷只在正常状态参与电网调频，若小于系统功率扰动，则进行步骤三；

79、步骤s53：此时电解铝负荷进入预警状态，然后计算单个电解铝负荷的调节功率，并将其叠加即为出此时的调节功率为；若大于系统功率扰动，则电解铝负荷只在正常状态和预警状态参与电网调频，若小于系统功率扰动，则进行步骤四；

80、步骤s54：此时电解铝负荷进入紧急状态，然后计算单个电解铝负荷的调节功率，并将其叠加即为计算出此时的调节功率为；若大于系统功率扰动，则电解铝负荷在正常状态、预警状态和紧急状态均参与电网调频，若小于系统功率扰动，则进行步骤五；

81、步骤s55：此时温度低于940℃，电解槽温度过低，电解铝负荷不再参与电网调频，直接闭锁。

82、相对于现有技术的有益效果是，采用上述方案，相比于传统的通过电价响应电网频率变化，本发明基于电解铝负荷生产工艺详细分析电解铝负荷参与电网调频的可行性，建立了电解铝负荷有功-电压外特性模型；基于电解槽温度，利用分段调差系数法，确定电解铝负荷协调火电机组一次调频策略；精确的刻画了电解铝负荷的有功-电压外特性模型和分段调差系数模型，对于风电功率引起的电网频率持续波动，电解铝负荷能够实时响应，有利于减少弃风弃光现象，充分利用资源，实现可持续发展。