CN107482663B - 基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力系统运行与控制技术领域，尤其涉及基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法，对多晶硅的生长过程进行分析，并建立了多晶硅负荷的电气模型，结合工业数据，对电压电流与多晶硅棒半径的关系进行拟合，建立多晶硅负荷功率特性模型；根据多晶硅负荷功率特性模型，得出多晶硅负荷功率控制数学模型；在考虑冷却水进水速率与硅棒温度这两个限制因素情况下，改变拼波电压与拼波时刻可以快速改变多晶硅负荷消耗功率，在考虑多晶硅负荷多样性的情况下，提出多晶硅负荷响应孤立电网功率波动的控制策略，以赤峰孤立电网为背景，在极端风功率波动的情况下，通过负荷响应功率波动维持孤立电网稳定，验证所提控制策略的正确性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统运行与控制技术领域，尤其涉及基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法。
背景技术
多晶硅作为光伏新能源技术、电子科技以及信息产业原材料，其需求量越来越大，直接关系着能源领域与信息领域的发展，世界多国已经将其列为战略性材料，而“高耗能”问题一直制约着产业发展，提高多晶硅产能，降低生产成本是企业生存的必然选择。多晶硅制造业生产过程综合电耗为120-170kWh/kg，而还原电耗占比高达50％-60％，如果生产用电都从大系统购买，会大大增加其生产成本，企业效益微乎其微，甚至有些中小型企业已经停产倒闭。因此建立孤网模式，由风电等清洁能源为高耗能负荷供电，不仅能够减少弃风量，充分利用绿色能源，而且企业可以避免高额的容量费用，降低电力成本，显著提高高耗能企业的经济效益。
对于风电大规模接入的电网，风功率的随机性与波动性始终是系统安全稳定运行的关键性问题，为实现含高耗能负荷的孤立电网安全消纳可再生能源，需求响应技术可从负荷侧利用负荷削减等方式实现功率平衡，即对多晶硅负荷加以调控响应电力系统功率波动，目前对还原炉的研究大多集中于生产的物理过程，而未及多晶硅负荷的电气模型及功率控制。另外，生产过程中多晶硅棒电阻存在时变、非线性、受控因素多的特点，因此很难界定多晶硅棒电阻值。
发明内容
本发明的目的是提供一种孤立电网在风电波动的情况下，通过多晶硅负荷响应孤立电网功率波动，维持孤立电网稳定的控制方法。在考虑冷却水流速与多晶硅棒温度约束情况下建立了多晶硅负荷有功消耗与多晶硅硅棒半径之间的功率特性模型，同时提出了多晶硅负荷响应电力系统功率波动的控制策略。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法，包括以下步骤：
步骤1、获取多晶硅生产的电气量信息，包括单台还原炉的功率、电压、拼波时刻、生产周期、多晶硅棒半径、冷却水进水速度和多晶硅棒温度；
步骤2、根据步骤1获取的多晶硅生产的电气量信息，通过分析多晶硅生长过程，建立稳定生产时间段内，多晶硅棒半径与生产时间的关系；
步骤3、根据还原炉内能量关系，得出还原炉内电压电流与多晶硅棒半径的关系；
步骤4、根据步骤1的电气量信息对步骤3所提出的电压电流与多晶硅棒半径的关系进行拟合，得到多晶硅负荷功率与多晶硅棒半径的关系，完成多晶硅负荷功率特性的建模；
步骤5、建立多晶硅负荷功率控制数学模型；
步骤6、提出多晶硅负荷平抑功率波动的控制策略。
在上述的基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法中，步骤2所述稳定生产时间段内，多晶硅棒半径与生产时间的关系为：
(1)式中：v1表示混合气体流动速率，S1表示进气孔总面积，ρg表示混合气体密度，ρ(Si)表示多晶硅密度，r表示多晶硅棒半径，μ表示多晶硅棒单位面积反应率，Mr表示物质分子量。
在上述的基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法中，步骤3的实现包括：
在还原炉内，交流电对多晶硅棒加热产生热量Qin，气相沉积反应气体加热热量Qout1，反应吸收热量Qout2，炉壁和底盘夹套散失热量Qout3，在实际生产中，Qout2与Qout3的能量关系为：
则：
取△t时间，式(3)可写为：
其中：
(4)、(5)、(6)式中，P表示交流电加热功率，K为多晶硅棒与混合气体的总传热系数，c为混合气体比热容，Tx为多晶硅棒表面温度；Tout为炉筒壁或底盘表面的等效温度，在正常工况下，可由(4)式解出；Tg为混合气体进气温度，Uval为单炉多晶硅棒的电压有效值，I为单炉多晶硅棒的电流有效值，R为单炉多晶硅棒的电阻，ρ为单炉多晶硅棒的平均电阻率；
结合式(4)-(6)，得到：
令
则得出还原炉内电压电流与多晶硅棒半径的关系；
I2＝A·r3+B·r2 (9)
在上述的基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法中，步骤4所述电压电流与多晶硅棒半径的关系进行拟合得到多晶硅负荷功率特性模型的表达式为：
在上述的基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法中，所述步骤5的实现包括：
1)多晶硅负荷供电采用拼波原理，其电压关系式为：
解得：
(12)、(13)式中，0～t1时刻，拼波电压取电压U1，t1到T/2时刻，拼波电压取电压U2；
2)秒级时间尺度内，多晶硅棒半径和多晶硅负荷电阻阻值不变，根据式(4)、(5)可以得到：
(14)式右边的第一项可看做多晶硅棒加热炉壁和底盘夹套冷却水的功率，第二项可看做多晶硅棒加热气相沉积反应气体的功率；
第一项写成如下表达式:
(15)式中，cw为水的比热容，v2为进水速度，s2为进水截面积，△Tw表示水温差；
冷却水的散热功率P’计算式为：
(16)式中α为冷却水进水速率，用百分比表示，设定α≥90％；若多晶硅负荷调节量进一步增大，此时在1000～1100℃之间调节多晶硅棒温度来匹配功率调节量；
当α＝90％且Tx为1000℃时，还原炉所调功率达到最大值，某台半径为rj的还原炉最大调节能力△Pj为：
3)依据式(4)制定多晶硅棒半径大的还原炉优先调节原则PPLR。
在上述的基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法中，步骤6的实现具体包括：
1)实时监测系统频率f，得到功率扰动量Pstep：
其中，H是系统的惯性常数；
2)火电机组一次调频能力按照额定容量PGrate的5％进行计算，J台发电机组的备用容量Pres；
(18)式中：PGj为第j台火电机组有功，PGjmax为第j台火电机组有功的最大值；
3)计算系统存在的不平衡功率：
ΔP＝Pstep-Pres (20)
4)若不平衡功率未超出发电机一次调频能力，则负荷调节系统不动作，若超出一次调频范围，根据各个多晶硅负荷功率PSi-i消耗比例，计算出每个多晶硅负荷的有功改变量△PSi-i：
5)按照多晶硅棒半径大的还原炉优先调节原则PPLR，判断每个多晶硅负荷的还原炉的运行状态；
6)利用(14)与(16)确定参与调节的还原炉的目标电压值Uval，进水速率α，多晶硅棒表面温度Tx；
7)找到满足U1≤Uval≤U2的U1和U2，再由(13)式计算拼波时刻t，完成对电源的控制。
本发明的有益效果是：根据实际生产工艺，对多晶硅的生长过程进行分析，并建立了多晶硅负荷的电气模型，结合工业数据，对多晶硅负荷建模进行数据拟合；根据多晶硅电气模型，得出对多晶硅负荷的控制方式，在考虑冷却水进水速率与多晶硅棒温度这两个限制因素情况下，改变拼波电压与拼波时刻可以快速改变多晶硅负荷消耗功率，在考虑多晶硅负荷多样性的情况下，提出多晶硅负荷响应孤立电网功率波动的控制策略，以赤峰孤立电网为背景，在极端风功率波动的情况下，通过负荷响应功率波动维持孤立电网稳定，验证了所提控制策略的正确性。
通过本专利的控制方法建立孤网模式，在保证孤立电网温度运行的情况下，由风电等清洁能源为高耗能负荷供电，不仅能够减少弃风量，充分利用绿色可再生能源，达到环保的效果，而且对于企业来说，可以从备用容量费、电量费等角度降低生产成本，显著提高经济效益。
附图说明
图1是本发明一个实施例赤峰电网结构图；
图2是本发明一个实施例多晶硅生产供电系统图；
图3是本发明一个实施例以单台24对多晶硅棒的还原炉为例，多晶硅生产过程单相电压电流图；
图4是本发明一个实施例给还原炉供电的调功器工作原理图；
图5是本发明一个实施例调功器的电压拼波示意图；
图6是本发明一个实施例受控交流电压源给半径为65mm的多晶硅负荷供电电路图；
图7是本发明一个实施例多晶硅棒半径为65mm时，冷却水进水速率α为100％，多晶硅棒温度为1080℃时的电压波形图；
图8是本发明一个实施例多晶硅棒半径为65mm时，冷却水进水速率α为90％，多晶硅棒温度为1080℃时的电压波形图；
图9是本发明一个实施例多晶硅棒半径为65mm时，冷却水进水速率α为90％，多晶硅棒温度为1000℃时的电压波形图；
图10是本发明一个实施例，由正常稳定工作状态到冷却水进水速率降低为90％和冷却水进水速率降低为90％且多晶硅棒温度降低为1000℃时的功率变化图；
图11是本发明一个实施例赤峰地区一分钟内风速变化图；
图12是本发明一个实施例对应图9风速变化时，风电功率波动图；
图13是本发明一个实施例在图9风速持续变化，t＝20s时，一台额定功率为50MW的机组跳闸情况下系统频率波动图；
图14是本发明一个实施例图12频率对应的频率变化率图；
图15是本发明一个实施例额定功率102MW多晶硅负荷的有功变化图；
图16是本发明一个实施例额定功率163MW多晶硅负荷的有功变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例采用以下技术方案来实现，基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法，包括以下步骤：
步骤1、获取多晶硅生产的电气量信息，包括单台还原炉的功率、电压、拼波时刻、生产周期、多晶硅棒半径、冷却水进水速度和多晶硅棒温度；
步骤2、根据步骤1获取的多晶硅生产的电气量信息，通过分析多晶硅生长过程，建立稳定生产时间段内，多晶硅棒半径与生产时间的关系；
步骤3、根据还原炉内能量关系，得出还原炉内电压电流与多晶硅棒半径的关系；
步骤4、根据步骤1的电气量信息对步骤3所提出的电压电流与多晶硅棒半径的关系进行拟合，得到多晶硅负荷功率与多晶硅棒半径的关系，完成多晶硅负荷功率特性的建模；
步骤5、建立多晶硅负荷功率控制数学模型；
步骤6、提出多晶硅负荷平抑功率波动的控制策略。
进一步，步骤2所述稳定生产时间段内，多晶硅棒半径与生产时间的关系为：
(1)式中：v1表示混合气体流动速率，S1表示进气孔总面积，ρg表示混合气体密度，ρ(Si)表示多晶硅密度，r表示多晶硅棒半径，μ表示多晶硅棒单位面积反应率，Mr表示物质分子量。
进一步，步骤3的实现包括：
在还原炉内，交流电对多晶硅棒加热产生热量Qin，气相沉积反应气体加热热量Qout1，反应吸收热量Qout2，炉壁和底盘夹套散失热量Qout3，在实际生产中，Qout2与Qout3的能量关系为：
则：
取△t时间，式(3)可写为：
其中：
(4)、(5)、(6)式中，P表示交流电加热功率，K为多晶硅棒与混合气体的总传热系数，c为混合气体比热容，Tx为多晶硅棒表面温度；Tout为炉筒壁或底盘表面的等效温度，在正常工况下，可由(4)式解出；Tg为混合气体进气温度，Uval为单炉多晶硅棒的电压有效值，I为单炉多晶硅棒的电流有效值，R为单炉多晶硅棒的电阻，ρ为单炉多晶硅棒的平均电阻率；
结合式(4)-(6)，得到：
令
则得出还原炉内电压电流与多晶硅棒半径的关系；
I2＝A·r3+B·r2 (9)
进一步，步骤4所述电压电流与多晶硅棒半径的关系进行拟合得到多晶硅负荷功率特性模型的表达式为：
进一步，所述步骤5的实现包括：
1)多晶硅负荷供电采用拼波原理，其电压关系式为：
解得：
(12)、(13)式中，0～t1时刻，拼波电压取电压U1，t1到T/2时刻，拼波电压取电压U2；
2)秒级时间尺度内，多晶硅棒半径和多晶硅负荷电阻阻值不变，根据式(4)、(5)可以得到：
(14)式右边的第一项可看做多晶硅棒加热炉壁和底盘夹套冷却水的功率，第二项可看做多晶硅棒加热气相沉积反应气体的功率；
第一项写成如下表达式:
(15)式中，cw为水的比热容，v2为进水速度，s2为进水截面积，△Tw表示水温差；
冷却水的散热功率P’计算式为：
(16)式中α为冷却水进水速率，用百分比表示，设定α≥90％；若多晶硅负荷调节量进一步增大，此时在1000～1100℃之间调节多晶硅棒温度来匹配功率调节量；
当α＝90％且Tx为1000℃时，还原炉所调功率达到最大值，某台半径为rj的还原炉最大调节能力△Pj为：
3)依据式(4)制定多晶硅棒半径大的还原炉优先调节原则PPLR。
更进一步，步骤6的实现具体包括：
1)实时监测系统频率f，得到功率扰动量Pstep：
其中，H是系统的惯性常数；
2)火电机组一次调频能力按照额定容量PGrate的5％进行计算，J台发电机组的备用容量Pres；
(18)式中：PGj为第j台火电机组有功，PGjmax为第j台火电机组有功的最大值；
3)计算系统存在的不平衡功率：
ΔP＝Pstep-Pres (20)
4)若不平衡功率未超出发电机一次调频能力，则负荷调节系统不动作，若超出一次调频范围，根据各个多晶硅负荷功率PSi-i消耗比例，计算出每个多晶硅负荷的有功改变量△PSi-i：
5)按照多晶硅棒半径大的还原炉优先调节原则PPLR，判断每个多晶硅负荷的还原炉的运行状态；
6)利用(14)与(16)确定参与调节的还原炉的目标电压值Uval，进水速率α，多晶硅棒表面温度Tx；
7)找到满足U1≤Uval≤U2的U1和U2，再由(13)式计算拼波时刻t，完成对电源的控制。
具体实施时，基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法；建立了一个周期内多晶硅硅棒生长的电气模型，在介绍多晶硅生产工艺及供电系统的基础上，根据实际物理过程，建立多晶硅生长过程中有功功率消耗以及供电电源的电气模型。基于此电气模型，结合实际生产要求，得出对多晶硅负荷的控制方法，即改变拼波时刻与拼波电压即可调节负荷功率。但为保证安全生产，必须考虑冷却水进水速率与多晶硅棒温度配合调节，最后在考虑负荷多样性的基础上，制定优先多晶硅棒半径大的调节原则，并以我国赤峰某孤立电网为背景，如图1所示，在风电波动的情况下，验证了多晶硅负荷具有响应孤立电网功率波动，维持系统稳定的能力。
具体步骤如下：
S1，通过调研与文献查找，获取多晶硅生产的电气量信息，主要包括单台还原炉的功率、电压、拼波时刻、生产周期、多晶硅棒半径、冷却水进水速度和多晶硅棒温度。
S2，根据S1获取的相关资料，对生产原理进行分析，建立在稳定生产时间段内，多晶硅棒半径与生产时间的关系，得到结论：多晶硅棒半径随时间线性增加速率主要受反应气体密度与进气速率的影响。
S3，在还原炉内，交流电对多晶硅棒加热产生热量Qin一部分用于加热反应气体Qout1与反应吸收热量Qout2，另一部分用于热辐射而通过炉壁和底盘夹套散失热量Qout3。根据此能量守恒，得出电压电流与多晶硅棒半径的生产关系。
S4，根据S1的多晶硅生产的电气量信息对S3所提出的电压电流与多晶硅棒半径的关系进行拟合，并根据拟合结果计算出多晶硅负荷功率与多晶硅棒半径的关系，至此完成对多晶硅负荷的建模。
S5，在短时间内多晶硅负荷电阻阻值保持不变，改变拼波电压与拼波时刻可以降低多晶硅负荷的功率，为配合功率调节，由S2可以看出，调节功率时，首先要关闭原料气体进气，减少多晶硅棒半径的变化以及对气体的加热。其次要降低冷却水的进水速率，最后考虑降低多晶硅棒温度，调节冷却水的进水速率与改变多晶硅棒温度都需要在保证生产工艺正常的情况下进行。
S6，由S3与S4可以得出，多晶硅棒半径越大其所消耗的功率也越大，结合S5，多晶硅棒半径越大其可调范围也越大，因此制定优先多晶硅棒半径大的调节原则。
S7，以赤峰某孤立电网为背景，当系统产生功率波动时，通过降低负荷量来响应孤立电网的不平衡功率，可以维持孤立电网的稳定，证明了所提出控制策略的有效性。
以下结合实施例详细说明。
一、多晶硅功率特性建模；
多晶硅的主要生产设备为还原炉，其主流生产工艺是采用改良西门子法，即利用三氯氢硅与高纯氢气在还原炉内进行化学气相沉积(CVD，Chmical Vapor Deposition)，反应生成硅附着在硅芯表面，直至长大成多晶硅棒。在还原炉进行多晶硅生产时，为防止多晶硅棒被氧化，先在还原炉内充入氮气置换炉内空气，再充入高纯氢气置换出氮气，然后由预加热或高压启动系统为多晶硅棒提供击穿电压，多晶硅棒产热后电阻迅速降低，待其温度达到生产要求时，通入三氯氢硅气体，由中压调功器控制多晶硅棒温度在1080℃左右进行化学气相沉积反应，还原炉的供电系统如图2所示。反应前，为确保炉外壳和底盘在合适温度范围，需要在炉体夹套和底盘冷却进水管不断通入300～400℃的冷却水进行散热。
随着反应进行，多晶硅棒半径逐渐增大，其散热面积、沉积面积和电阻都会不断变化，为维持反应温度在1000～1100℃之间，流过多晶硅棒的电流不断增加，反应所需功率也会增大，炉内发生的反应式为：
恒温生产过程中，取△t时间，在还原炉内，物料平衡存在如下关系式：
即：
当△t→0时，根据微分原理，可以得到：
其中：v1表示混合气体流动速率，S1表示进气孔总面积，ρg表示混合气体密度，r表示多晶硅棒半径，L表示多晶硅棒等效总长度，μ表示多晶硅棒单位面积反应率，△r表示多晶硅棒半径增量，Mr表示物质分子量。由式(4)’可以看出，在某一段反应时间内，控制进气量相关因素ρg与v1，即可控制多晶硅棒半径随时间线性增加速率。
在还原炉内，交流电对多晶硅棒加热产生热量Qin一部分用于加热气相沉积反应气体Qout1与反应吸收热量Qout2，另一部分用于热辐射而通过炉壁和底盘夹套散失热量Qout3，在实际生产中，Qout2与Qout3的能量关系一般认为有如下关系式：
则：
取△t时间，式(6)’可写为：
其中：
其中，P表示交流电加热功率，K为多晶硅棒与混合气体的总传热系数，c为混合气体比热容，Tx为多晶硅棒表面温度。Tout为炉筒壁或底盘表面的等效温度，可在正常工况下，由(7)’式解出，Tg为混合气体进气温度，Uval为单炉多晶硅棒的电压有效值，I为单炉多晶硅棒的电流有效值，R为单炉多晶硅棒的电阻，ρ为单炉多晶硅棒的平均电阻率。
结合式(7)’-(9)’，能够得到：
令
则I2＝A·r3+B·r2 (12)’
上式中A，B，C，D为恒定系数。
根据图3的电压电流与多晶硅棒半径的曲线进行拟合，可以得到如下表达式：
二、多晶硅负荷供电的拼波原理；
还原炉调功器采用可控硅移相触发调压方式控制多晶硅生产温度，调功器的工作原理如图4所示，任何时候只有一组晶闸管导通给多晶硅棒供电，不同组对应不同电压值，改变导通线路状态即可改变多晶硅棒两端瞬时电压，工业上采用拼波技术，将两个具有同角频率和相位的不同幅值的缺块电压拼接成一个新的接近于正弦波形的电压，以达到所要求的输出电压，图5为拼波技术示意图。
图5中，0～t1时刻，拼波电压取电压U1，t1到T/2时刻，拼波电压取电压U2，以此类推，形成多晶硅棒两端电压。在t1时刻，电压有个阶跃，但相对于缺块电压波形，拼波技术可以大大降低谐波和电压对多晶硅棒冲击。输出电压有效值Uval可由拼波电压U1、U2计算得到：
解得：
由(16)’式可以看出，在选定合适拼波电压情况下，改变拼波时刻t1即可输出晶闸管调压范围内的任一电压，无级调压可使输出电压连续变化，并使还原炉的生产功率因数明显高于传统移相方式。拼波电压一般有5个等级：0V、380V、600V、800V、1500V。
三、多晶硅负荷响应系统功率波动；
在秒级时间尺度内，可以认为多晶硅棒的半径保持不变，其电阻值也就不变。由式(7)’与式(15)’可以看出，改变拼波时刻与拼波电压即可改变输出电压的有效值，进而改变多晶硅负荷所消耗的功率。然而，式(6)’是一直维持恒等的式子，当改变多晶硅负荷所消耗的功率变化时，需要考虑冷却水带走的热量与多晶硅棒温度的变化。结合式(7)’和式(8)’可以得到：
等式右边的第一项可看做多晶硅棒加热炉壳夹层和底盘冷却水的功率，第二项可看做多晶硅棒加热反应混合气体的功率，对于前者还可写成如下表达式:
其中，cw，v2，s2，△Tw分别表示水的比热容，进水速度，进水截面积，水温差。由式(18)’可以看出在水温差保持不变的情况下，当改变多晶硅棒功率时，需要配合冷却水进水速率的改变。考虑到多晶硅负荷参与功率调节结束后，需要对其生产工艺进行恢复，因此降低还原炉功率时，先关闭反应气，减少对反应气加热功率的消耗，这部分功率较小，一般可忽略，若所需负荷调节量较大，再降低冷却水的进水速率，冷却水的散热功率P’计算式为：
其中α为进水速率，为防止炉壁温度过高，设定α≥90％，若多晶硅负荷调节量进一步增大，此时在1000～1100℃之间调节多晶硅棒温度来匹配功率调节量，1000～1100℃是能够进行化学气相沉积的温度，实际对多晶硅棒的保温范围可能更大。当α＝90％且Tx为1000℃时，还原炉所调功率达到最大值，某台半径为rj的还原炉最大调节能力△Pj为：
通过以上分析，在保证生产工艺安全的情况下，依次调节冷却水进水速率、多晶硅棒温度等方法来匹配多晶硅功率的调节量。
单个多晶硅负荷包含多台还原炉，每台还原炉的工作状态可能不一样，即任一时刻的多晶硅棒半径不相等，根据式(7)’可以看出，多晶硅棒半径越大，其表面积也越大，所调功率也越大，调节能力越强。当系统功率波动时，为减少参与调节的还原炉台数与次数，制定多晶硅棒半径大的还原炉优先调节原则(Priority regulation principle ofreducing furnace with large radius silicon rod，PPLR)，然后随多晶硅棒半径减小逐次调节，直至达到所需调节功率或多晶硅负荷的最大调节能力。多晶硅棒温度的升高或降低是一个积累的过程，存在非线性、大滞后、大时变的特征，功率调节不必考虑温度骤变的情况。
例如，假设多晶硅负荷需调节功率为△PSi-i，还原炉的多晶硅棒半径由大到小排列为75,70,65,…,15,10,5，共15组，每组有还原炉m台，并将其进行编号1,2,3,…,13,14,15。若存在一个M<15，且满足
则将前M组还原炉的参数设为α＝90％,Tx＝1000℃，并调节其对应输出电压有效值Uval，剩余的功率由第M+1组进行调节，M+2到15组的炉子则不参与调节，第M+1组的每台炉子所需调节功率为：若M≥15，则所有还原炉参数都设为α＝90％，Tx＝1000℃，同时调节其对应输出电压。式(17)’-(19)’即为多晶硅负荷功率控制的数学模型。
四、多晶硅负荷平抑功率波动；
多晶硅负荷具有功率调节能力，可以响应孤立电网功率波动，实现系统稳定运行，具体的控制策略如下：
1)利用WAMS(Wide Area Measurement System)系统实时高精度监测系统频率f，如果出现机组跳闸、风功率波动或者切除负荷，都将在孤立电网中出现功率扰动量Pstep：
其中，H是系统的惯性常数。
2)火电机组一次调频能力按照额定容量PGrate的5％进行计算，J台发电机组的备用容量Pres；
其中：PGj为第j台火电机组有功，PGjmax为第j台火电机组有功的最大值。
3)计算系统存在的不平衡功率：
ΔP＝Pstep-Pres (24)’
4)若不平衡功率未超出发电机一次调频能力，则负荷调节系统不动作，若超出一次调频范围，根据各个多晶硅负荷功率PSi-i消耗比例，计算出每个多晶硅负荷的有功改变量△PSi-i，如式(22)：
5)按照PPLR的调节原则，由(21)’式判断每个多晶硅负荷的还原炉的运行状态；
6)用(17)’与(19)’确定参与调节的还原炉的目标电压值Uval，进水速率α，多晶硅棒表面温度Tx。
7)找到满足U1≤Uval≤U2的U1和U2，再由(16)’式计算拼波时刻t，完成对电源的控制。
五、算例及仿真；
算例1：多晶硅负荷可调性验证；
如图6所示，受控交流电压源给半径为65mm的多晶硅负荷供电，结合图7-10可以看出，改变拼波电压值与拼波时刻，多晶硅所消耗的功率会降低，但相应的多晶硅进水速率与多晶硅棒温度也会在合理的范围内变化来满足热量平衡，验证了多晶硅负荷可调特性。
算例2：风速在极端情况下波动且一台额定功率为50MW的机组跳闸；
如图11所示的风速波动，图12为相应的风功率波动图，当在风速处于极端情况下，即t＝20s时，一台50MW的机组跳闸，监测系统频率变化如图14所示，此时df/dt＝1.293，由(22)’式计算系统功率波动为78.89MW，火电机组的一次调频容量为52.6MW，多晶硅负荷一共需要调节26.39MW，多晶硅负荷的指令见表1。
表1仿真算例1、2中对多晶硅负荷的控制指令
控制指令变化以后，根据图15与图16，多晶硅负荷1有功变化16.57MW，多晶硅负荷2有功变化10.05MW，系统频率最终维持稳定，如图12所示，验证了多晶硅负荷的控制策略。
综上所述，本实施例在考虑冷却水流速与多晶硅棒温度约束的情况下，建立了多晶硅有功消耗与多晶硅硅棒半径之间的功率特性模型。同时提出了多晶硅负荷响应电力系统功率波动的控制策略。基于多晶硅功率特性，提出了改变拼波电压与拼波时刻快速调整多晶硅负荷功率的方法，并考虑多晶硅负荷生产差异性，制定了多晶硅棒半径大的还原炉优先调节原则，提出了负荷响应电力系统功率波动的控制策略。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (1)
1.基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、获取多晶硅生产的电气量信息，包括单台还原炉的功率、电压、拼波时刻、生产周期、多晶硅棒半径、冷却水进水速度和多晶硅棒温度；
步骤2、根据步骤1获取的多晶硅生产的电气量信息，通过分析多晶硅生长过程，建立稳定生产时间段内，多晶硅棒半径与生产时间的关系；
步骤3、根据还原炉内能量关系，得出还原炉内电压电流与多晶硅棒半径的关系；
步骤4、根据步骤1的电气量信息对步骤3所提出的电压电流与多晶硅棒半径的关系进行拟合，得到多晶硅负荷功率与多晶硅棒半径的关系，完成多晶硅负荷功率特性的建模；
步骤5、建立多晶硅负荷功率控制数学模型；
步骤6、提出多晶硅负荷平抑功率波动的控制策略；
步骤2所述稳定生产时间段内，多晶硅棒半径与生产时间的关系为：
(1)式中：v1表示混合气体流动速率，S1表示进气孔总面积，ρg表示混合气体密度，ρ(Si)表示多晶硅密度，r表示多晶硅棒半径，μ表示多晶硅棒单位面积反应率，Mr表示物质分子量；
步骤3的实现包括：
在还原炉内，交流电对多晶硅棒加热产生热量Qin，气相沉积反应气体加热热量Qout1，反应吸收热量Qout2，炉壁和底盘夹套散失热量Qout3，在实际生产中，Qout2与Qout3的能量关系为：
则：
取Δt时间，式(3)可写为：
其中：
(4)、(5)、(6)式中，P表示交流电加热功率，K为多晶硅棒与混合气体的总传热系数，c为混合气体比热容，Tx为多晶硅棒表面温度；Tout为炉筒壁或底盘表面的等效温度，在正常工况下，可由(4)式解出；Tg为混合气体进气温度，Uval为单炉多晶硅棒的电压有效值，I为单炉多晶硅棒的电流有效值，R为单炉多晶硅棒的电阻，ρ为单炉多晶硅棒的平均电阻率；η为反应吸收热量与加热参加气相沉积反应气体和热辐射总热量的比例，r为多晶硅棒的半径，L为多晶硅棒的等效总长度，v1为混合气体流动速率，ρg为混合气体密度；
结合式(4)-(6)，得到：
令
则得出还原炉内电压电流与多晶硅棒半径的关系；
I2＝A·r3+B·r2 (9)
步骤4所述电压电流与多晶硅棒半径的关系进行拟合得到多晶硅负荷功率特性模型的表达式为：
(11)式中，I负荷电流，r多晶硅半径，Uval负载电压有效值，P多晶硅负荷所消耗的功率；
所述步骤5的实现包括：
1)多晶硅负荷供电采用拼波原理，其电压关系式为：
解得：
(12)、(13)式中，0～t1时刻，拼波电压取电压U1，t1到T/2时刻，拼波电压取电压U2；T拼波电压的周期，R多晶硅负荷电阻，ω角速度；
2)秒级时间尺度内，多晶硅棒半径和多晶硅负荷电阻阻值不变，根据式(4)、(5)可以得到：
(14)式右边的第一项可看做多晶硅棒加热炉壁和底盘夹套冷却水的功率，第二项可看做多晶硅棒加热气相沉积反应气体的功率；K多晶硅棒与混合气体的总传热系数，Tx硅棒表面温度，Tout炉壁或炉底的等效表面温度，s1进气口总面积；
第一项写成如下表达式:
(15)式中，η为反应吸收热量与加热参加气相沉积反应气体和热辐射总热量的比例，K多晶硅棒与混合气体的总传热系数，r为多晶硅棒的半径，L为多晶硅棒的等效总长度，Tx硅棒表面温度，Tout炉壁或炉底的等效表面温度，cw为水的比热容，v2为进水速度，s2为进水截面积，ΔTw表示水温差；
冷却水的散热功率P’计算式为：
(16)式中α为冷却水进水速率，用百分比表示，设定α≥90％；若多晶硅负荷调节量进一步增大，此时在1000～1100℃之间调节多晶硅棒温度来匹配功率调节量；
当α＝90％且Tx为1000℃时，还原炉所调功率达到最大值，某台半径为rj的还原炉最大调节能力ΔPj为：
3)依据式(4)制定多晶硅棒半径大的还原炉优先调节原则PPLR；
步骤6的实现具体包括：
1)实时监测系统频率f，得到功率扰动量Pstep：
其中，H是系统的惯性常数；
2)火电机组一次调频能力按照额定容量PGrate的5％进行计算，J台发电机组的备用容量Pres；
(18)式中：PGj为第j台火电机组有功，PGjmax为第j台火电机组有功的最大值；
3)计算系统存在的不平衡功率：
ΔP＝Pstep-Pres (20)
4)若不平衡功率未超出发电机一次调频能力，则负荷调节系统不动作，若超出一次调频范围，根据各个多晶硅负荷功率PSi-i消耗比例，计算出每个多晶硅负荷的有功改变量ΔPSi-i：
5)按照多晶硅棒半径大的还原炉优先调节原则PPLR，判断每个多晶硅负荷的还原炉的运行状态；
6)利用(14)与(16)确定参与调节的还原炉的目标电压值Uval，进水速率α，多晶硅棒表面温度Tx；
7)找到满足U1≤Uval≤U2的U1和U2，再由(13)式计算拼波时刻t，完成对电源的控制。
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