CN112417792A - 一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，包括构建电解铝负荷在大闭环反馈运行状态时的等效电路模型，获取所述电路模型的参数信息，计算饱和电抗器压降、变压器高压侧电压波动上限以及下限，得到变压器的调压范围。通过将变压器的调压范围与变压器高压侧电压对比，以判断电解铝负荷特性，推算出电解铝负荷有功功率‑电压外特性模型。本申请充分考虑了电解铝负荷稳流装置运行在大闭环反馈方式下的饱和电抗器可控约束边界，更加精准的刻画了电解铝负荷的有功‑电压外特性模型，且对于大量电解铝负荷接入电网后，该负荷特性模型更加精准的反映了电解铝负荷对电网所产生的影响。

Description

一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法

技术领域

本申请涉及电力系统负荷模型建立技术领域，尤其涉及一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法。

背景技术

在我国电力系统中，大工业负荷企业占据主导地位。其中，又以电解铝等高耗能企业最为典型。因此，深入分析研究电解铝等高耗能企业用户的负荷构成和负荷模型参数，对于提高电力系统仿真计算的准确性有很大的意义。

目前的电解铝负荷模型都简单地将电解铝负荷当成恒功率负荷或者恒电流负荷来进行研究，而忽略电解铝负荷稳流装置的具体运行方式。电解铝稳流装置有大闭环反馈、小闭环反馈和退出运行三种运行方式。由于电解铝负荷稳流装置不同的运行方式，将会导致电解铝负荷特性发生变化。因此电解铝负荷特性模型并不是单一的恒功率或恒电流模型，如果电网接入大量的电解铝负荷，此时仍按照恒功率或者恒电流负荷模型来研究电解铝负荷对电网的影响是不够严谨的，甚至会得出错误的结果。

发明内容

本申请提供了一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，以解决按照恒功率负荷模型或者恒电流负荷模型研究电解铝负荷对电网影响的不准确性问题。

本申请提供一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，包括以下步骤：

步骤1：构建电解铝负荷在大闭环反馈运行状态时的等效电路模型，获取所述电路模型的参数信息，所述电路模型的参数信息包括负荷母线的高压侧电压V_AH、变压器变比k、饱和电抗器压降的调压范围[V_SRmin，V_SRmax]、变压器高压侧电压上限V_max以及变压器高压侧电压下限V_min；

步骤2：通过对饱和电抗器压降V_SR、变压器高压侧电压波动上限V_AHmax以及变压器高压侧电压波动下限V_AHmin的计算获取变压器的调压范围[V_AHmin，V_AHmax]；

步骤3：将所述变压器高压侧电压V_AH的数值与所述变压器的调压范围[V_AHmin，V_AHmax]对比，判断所述电解铝负荷特性，并通过所述负荷母线的高压侧电压V_AH和所述饱和电抗器压降V_SR，得到直流侧电解铝负荷电压V_d、直流侧电解铝负荷电流I_d以及直流侧电解铝负荷功率P_d的表达式；

步骤4：根据步骤1-3，获取电解铝负荷有功功率-电压外特性模型，并绘制电解铝负荷特性曲线。

可选的，所述饱和电抗器压降为：

所述变压器高压侧电压波动的上限V_AHmax和下限V_AHmin为：

V_AHmax＝V_AH+k(V_SRmax-V_SR)；

V_AHmin＝V_AH-k(V_SR-V_SRmin)。

可选的，当V_AHmin≤V_AH≤V_AHmax时，电解铝负荷表现为恒功率负荷，所述直流侧电解铝负荷功率为：

可选的，当V_AHmax＜V_AH＜V_max时，将饱和电抗器理想化处理，饱和电抗器压降恒为V_SRmax，所述直流侧电解铝负荷电压为：

所述直流侧电解铝负荷电流为：

所述直流侧电解铝负荷功率

可选的，当V_min＜V_AH＜V_AHmin时，将饱和电抗器理想化处理，饱和电抗器压降恒为V_SRmin，所述直流侧电解铝负荷电压为：

所述直流侧电解铝负荷电流为：

所述直流侧电解铝负荷功率

可选的，所述电解铝负荷有功功率-电压外特性模型为：

可选的，所述电解铝负荷特性曲线是P_d-V_AH外特性曲线。

由以上技术方案可知，本申请提供一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，包括构建电解铝负荷在大闭环反馈运行状态时的等效电路模型，获取所述电路模型的参数信息，计算饱和电抗器压降、变压器高压侧电压波动上限以及下限，得到变压器的调压范围。通过将变压器的调压范围与变压器高压侧电压对比，以判断电解铝负荷特性，推算出电解铝负荷有功功率-电压外特性模型。本申请充分考虑了电解铝负荷稳流装置运行在大闭环反馈方式下的饱和电抗器可控约束边界，更加精准的刻画了电解铝负荷的有功-电压外特性模型，且对于大量电解铝负荷接入电网后，该负荷特性模型更加精准的反映电解铝负荷对电网所产生的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请电解铝负荷在大闭环反馈运行状态时的等效电路模型示意图；

图2为本申请一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法的流程示意图；

图3为电解铝负荷直流侧功率与变压器高压侧电压之间的特性曲线示意图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

关于电解铝负荷特性模型，大多数都将其考虑为恒功率或者恒电流模型，并没有考虑电解铝稳流装置饱和电抗器调控边界的影响，在饱和电抗器调节范围内，电解铝负荷可以等效为恒功率或者恒电流的负荷特性，但当大量电解铝负荷参与电网调控时，此时电解铝的负荷特性不可能是恒功率模式。由于电解铝是一个热蓄能负荷，短时的功率下降并不会影响其生产效益，反而可以缓解电网调控的压力，此时恒功率的负荷特性将不再适用。本申请提供了一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，考虑饱和电抗器调节特性对电解铝负荷特性的影响，从而建立更加精准的电解铝负荷外特性模型。

参见图1，为本申请电解铝负荷在大闭环反馈运行状态时的等效电路模型示意图，其中，V_AH为负荷母线的高压侧电压，V_AL为负荷母线的低压侧电压，k为变压器的变比，L_SR为饱和电抗器的电感值，R为电解铝负荷电解槽的串联等效电阻，E为电解槽的等效反电动势。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V_SR进而消除外界电压波动对直流侧电解铝负荷电压和电流的影响，维持直流侧电解铝负荷电压和电流的恒定。

参见图2为本申请一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法的流程示意图，由图2可知，本申请提供一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，包括以下步骤：

步骤1：构建电解铝负荷在大闭环反馈运行状态时的等效电路模型，获取所述电路模型的参数信息，所述电路模型的参数信息包括负荷母线的高压侧电压V_AH、变压器变比k、饱和电抗器压降的调压范围[V_SRmin，V_SRmax]、变压器高压侧电压上限V_max以及变压器高压侧电压下限V_min。

其中，所述负荷母线的高压侧电压V_AH可通过仪器直接测得，所述变压器变比k、饱和电抗器压降的调压范围[V_SRmin，V_SRmax]可由变压器的额定参数获得，所述变压器高压侧电压上限V_max以及变压器高压侧电压下限V_min根据电网运行规则确定。

步骤2：通过对饱和电抗器压降V_SR、变压器高压侧电压波动上限V_AHmax以及变压器高压侧电压波动下限V_AHmin的计算获取变压器的调压范围[V_AHmin，V_AHmax]；

电解铝负荷运行时，其稳流装置可以工作在大闭环反馈稳流、小闭环反馈稳流和稳流退出运行三种方式中。稳流装置一般通过调节饱和电抗器压降的变化来消除外界扰动对电解铝负荷功率的影响，在稳流装置饱和电抗器调节范围内，电解铝将表现出一种恒电流或者恒功率的负荷特性。因此，在步骤2中，所述饱和电抗器压降：

所述变压器高压侧电压波动的上限V_AHmax和下限V_AHmin为：

V_AHmax＝V_AH+k(V_SRmax-V_SR)；

V_AHmin＝V_AH-k(V_SR-V_SRmin)。

步骤3：将所述变压器高压侧电压V_AH的数值与所述变压器的调压范围[V_AHmin，V_AHmax]对比，判断所述电解铝负荷特性，并通过所述负荷母线的高压侧电压V_AH和所述饱和电抗器压降V_SR，得到直流侧电解铝负荷电压V_d、直流侧电解铝负荷电流I_d以及直流侧电解铝负荷功率P_d的表达式。

其中，所述电解铝负荷特性主要指电解铝负荷的有功功率P_d和变压器高压侧电压V_d的关系。在饱和电抗器可调节范围以内，无论高压侧电压如何波动，在电解铝负荷大闭环反馈的作用下，直流侧电解铝负荷电压和电流都能保持恒定，此时电解铝负荷相当于恒功率负荷。而当变压器高压侧电压波动超过饱和电抗器的调节范围，此时饱和电抗器位于极限调节状态，即使有大闭环反馈，但直流侧电解铝负荷电压和电流将发生变化。

在具体实施例中，当V_AHmin≤V_AH≤V_AHmax时，电解铝负荷表现为恒功率负荷，所述直流侧电解铝负荷功率为：

当V_AHmax＜V_AH＜V_max时，电压波动超出饱和电抗器的调节范围，大闭环反馈的运行方式已经不能使直流侧电解铝负荷电压和电流保持恒定，电解铝负荷功率将随着变压器高压侧电压变化而变化。将饱和电抗器理想化处理，使得饱和电抗器压降恒为V_SRmax，此时直流侧电解铝负荷电压为：

所述直流侧电解铝负荷电流为：

所述直流侧电解铝负荷功率：

当V_min＜V_AH＜V_AHmin时，电压波动超出饱和电抗器的调节范围，大闭环反馈的运行方式已经不能使直流侧电解铝负荷电压和电流保持恒定，电解铝负荷功率将随着变压器高压侧电压变化而变化。将饱和电抗器理想化处理，使得饱和电抗器压降恒为V_SRmin，此时直流侧电解铝负荷电压为：

所述直流侧电解铝负荷电流为：

所述直流侧电解铝负荷功率

步骤4：根据步骤1-3，获取电解铝负荷有功功率-电压外特性模型，并绘制电解铝负荷特性曲线。

其中，所述电解铝负荷有功功率-电压外特性模型为：

进一步的，所述电解铝负荷特性曲线为P_d-V_AH外特性曲线，由该电解铝负荷有功功率-电压外特性模型可知，

(1)当V_AHmax＜V_AH＜V_max时，P_d-V_AH为一条开口向上的抛物线，其对称轴为：

并且可以得到其对称轴在V_AHmax的左侧，即满足V_AHmax-V_T1＞0恒成立。

(2)当V_AHmin≤V_AH≤V_AHmax时，P_d-V_AH为一条水平直线。

(3)当V_min＜V_AH＜V_AHmin时，P_d-V_AH为一条开口向上的抛物线，其对称轴为：

并且可以得到其对称轴在V_AHmin的左侧，即满足V_AHmin-V_T2＞0恒成立。

进一步的，由(1-3)可以得到P_d-V_AH外特性曲线，参见图3，为电解铝负荷直流侧功率与变压器高压侧电压之间的特性曲线示意图。

由以上技术方案可知，本申请提供一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，包括构建电解铝负荷在大闭环反馈运行状态时的等效电路模型，获取所述电路模型的参数信息，计算饱和电抗器压降、变压器高压侧电压波动上限以及下限，得到变压器的调压范围。通过将变压器的调压范围与变压器高压侧电压对比，以判断电解铝负荷特性，推算出电解铝负荷有功功率-电压外特性模型。

相比于常规的电解铝负荷模型，本申请基于电解铝稳流装置运行在大闭环反馈的状态下，详细地考虑了饱和电抗器可控边界约束对电解铝负荷有功-电压外特性模型的影响，既研究了饱和电抗器可控边界约束范围内的电解铝负荷特性模型，也研究了饱和电抗器可控边界约束范围以外的电解铝负荷特性模型。且对于大量电解铝负荷接入电网后，该负荷特性模型更加精准的反映了电解铝负荷对电网所产生的影响，解决了按照恒功率负荷模型或者恒电流负荷模型研究电解铝负荷对电网影响的不准确性问题。

Claims (7)

1.一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建电解铝负荷在大闭环反馈运行状态时的等效电路模型，获取所述电路模型的参数信息，所述电路模型的参数信息包括负荷母线的高压侧电压V_AH、变压器变比k、饱和电抗器压降的调压范围[V_SRmin，V_SRmax]、变压器高压侧电压上限V_max以及变压器高压侧电压下限V_min；

步骤2：通过对饱和电抗器压降V_SR、变压器高压侧电压波动上限V_AHmax以及变压器高压侧电压波动下限V_AHmin的计算获取变压器的调压范围[V_AHmin，V_AHmax]；

步骤3：将所述变压器高压侧电压V_AH的数值与所述变压器的调压范围[V_AHmin，V_AHmax]对比，判断所述电解铝负荷特性，并通过所述负荷母线的高压侧电压V_AH和所述饱和电抗器压降V_SR，得到直流侧电解铝负荷电压V_d、直流侧电解铝负荷电流I_d以及直流侧电解铝负荷功率P_d的表达式；

步骤4：根据步骤1-3，获取电解铝负荷有功功率-电压外特性模型，并绘制电解铝负荷特性曲线。

2.根据权利要求1所述的一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，其特征在于，所述饱和电抗器压降：

所述变压器高压侧电压波动的上限V_AHmax和下限V_AHmin为：

V_AHmax＝V_AH+k(V_SRmax-V_SR)；

V_AHmin＝V_AH-k(V_SR-V_SRmin)。

3.根据权利要求1所述的一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，其特征在于，当V_AHmin≤V_AH≤V_AHmax时，电解铝负荷表现为恒功率负荷，所述直流侧电解铝负荷功率为：

4.根据权利要求1所述的一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，其特征在于，当V_AHmax＜V_AH＜V_max时，将饱和电抗器理想化处理，饱和电抗器压降恒为V_SRmax，所述直流侧电解铝负荷电压为：

所述直流侧电解铝负荷电流为：

所述直流侧电解铝负荷功率为：

5.根据权利要求1所述的一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，其特征在于，当V_min＜V_AH＜V_AHmin时，将饱和电抗器理想化处理，饱和电抗器压降恒为V_SRmin，所述直流侧电解铝负荷电压为：

所述直流侧电解铝负荷电流为：

所述直流侧电解铝负荷功率

6.根据权利要求3-5任一项所述的一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，其特征在于，所述电解铝负荷有功功率-电压外特性模型为：

7.根据权利要求1所述的一种基于饱和电抗器可控边界的电解铝外特性建模方法，其特征在于，所述电解铝负荷特性曲线是P_d-V_AH外特性曲线。

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