CN116111626B - 一种光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源利用以及电解铝技术领域，尤其涉及一种光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成方法与系统，包括：基于光伏电解铝直流微网柔性直流接入的指标确定装备选型与第一装备集成方案；基于光伏电解铝直流微网动态运行特性确定第二装备集成方案；基于第一装备集成方案与第二装备集成方案分别实施计及电解铝负荷响应一次调频分层控制的上层控制和下层控制；基于所述一次调频分层控制接入电源并集成装备。本发明成功解决了光伏发电效率不稳定，保证了直流电恒流输出接入电解铝生产线直流母排，实现了大规模分布式光伏直流接入电解铝系统。
Description
技术领域
本发明属于新能源利用以及电解铝技术领域，尤其涉及一种光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成方法与系统。
背景技术
由于光伏发电具有随机性、间歇性和波动性，大规模接入会影响直流微电网的安全稳定性。目前国内外电解铝及电解制氢行业对于新能源的接入主要采用并网的模式。
现有研究中未见电解铝系统和分布式光伏直流接入的直流微网工程建设的报道，分布式光伏如何直流接入电解铝即电源接入以及整体的装备如何选型和集成的相关研究也未见公开。
发明内容
本发明的目的是提供一种光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成方法与系统，包括：
S1，基于光伏电解铝直流微网柔性直流接入的指标确定装备选型与第一装备集成方案；
S2，基于光伏电解铝直流微网动态运行特性确定第二装备集成方案；
S3，基于第一装备集成方案与第二装备集成方案分别实施计及电解铝负荷响应的一次调频分层控制的上层控制和下层控制；
S4，基于所述一次调频分层控制接入电源并集成装备。
优选的，所述S1包括：
S11，确定柔性直流装备的选型：包括一次侧设备和二次侧设备，总体的设备选型涉及光伏、电解铝、柔性直流/监控测量、检测保护装备；
S12，确定第一装备集成方案，包括：直流微网布线技术；测量、监控和保护装置集成；以及软件安装调试、界面指定开发和应用支持。
优选的，所述S2包括：
S21,基于DC-DC变换器控制，形成改进型虚拟直流发电机控制算法，并基于所述改进型虚拟直流发电机控制算法获得分布式光伏动态外特性和电解铝强热惯性和响应特性；
S22，形成协调互补控制框架，包括：直流母排电流波动以及输入输出接口设计，其中所述协调互补控制框架内包括阳极效应、电解铝投切、光伏出力波动、光伏发电单元以及大电网整流单元；
S23，形成配合模式与经济调度策略，包括：交直流能量的灵活转换策略、分布式光伏和电解铝即插即用策略以及电解铝和光伏的经济效益最优策略。
优选的，所述S3，基于第一装备集成方案与第二装备集成方案分别实施计及电解铝负荷响应的一次调频分层控制的上层控制和下层控制包括：
通常每个电解铝厂站包含多个独立的电解铝生产单元，称作电解系列，采用电解铝厂站参与电力系统一次调频的分层控制策略，能够保障控制的经济性、快速性与安全性。其中，为确保控制的经济性，上层控制中电解铝厂站以电解铝负荷总控制成本最小为目标进行周期性的优化控制，并将优化结果作为下层控制中的约束；为确保控制的快速性，下层隶属于电解铝厂站的电解系列采用分散式控制，在约束范围内自主响应频率偏差进行降负荷操作，并采用一种模型预测控制算法提高电解铝负荷的暂态相应能力，实现快速降负荷；为了保证电解铝负荷响应的安全性，设计了随阳极效应严重程度而动态变化的频率响应阈值。
优选的，所述S3的电解铝负荷参与一次调频的分层控制架构，控制策略分为上下两层：上层控制主体为电解铝厂站内的上位机，以减少电解铝厂控制成本为目标进行优化控制，下层控制主体为独立工作的电解系列，采用分散式控制保障电解系列自动响应频率偏差。
作为上层控制主体，电解铝厂站上位机起到上传下达的作用，一方面负责与电网调度控制中心进行通讯，另一方面则根据电网调度控制中心所要求的备用容量计算能使总控制成本最小化的最优控制指令，并作为约束下达给下层的电解系列。电解铝上位机实时监控下辖电解系列的电压、电流以及功率水平，并依据电解系列所装配的自饱和电抗器调压深度与该电解系列当前功率水平计算出电解系列的可用有功容量如式(1)和(2)所示
其中，为系列电压，/>为系列电流，/>为系列电阻，/>为系列电动势，为自饱和电抗器调压深度决定的系列电压最低值，/>为系列电压/>时对应的系列电流最低值。
而后，上位机由式(3)得到整个电解铝厂站的可用有功容量
在每个调度周期开始时，上位机向电网调度控制中心上传厂站内的可用容量调度控制中心经过分析与计算后将所需的一次调频备用容量数值/>下达给厂站上位机。为保证电解铝厂站的执行能力与电解铝负荷安全性，在此过程中需要满足：
将电网调度中心所要求的备用容量设定为电解铝厂站的目标容量，并将备用容量的分配表达为一个以控制成本最小为目标的数学优化问题，通过求解该优化问题得到每个电解系列需要承担的备用容量值Pi prim。电解系列中的关键参数为系列电流因此最优解的形式即为最优系列电流下限序列/>在电解系列i中，所承担的备用容量Pi prim与系列电流下限/>可由下式表达：
其中，为系列电流/>时对应的电解系列i功率值。
为保证各电解系列承担的备用容量之和等于电解铝厂站的目标容量，需要满足：
最后计算得到的最优系列电流下限序列作为控制指令被分配给下层的电解系列1-n。下层电解系列i以最新的控制指令为本调度周期内的系列电流下限值/>并采用分散式控制方式自动响应监测到的频率偏差以保障响应的快速性。
在此情况下，当电力系统频率偏差未达到所预设阈值时，各电解系列正常工作，不参与频率响应；而当电力系统频率偏差超过所预设阈值时，各电解系列自动下调其中系列电流直至其系列电流下限值/>此时，电解系列i所承担备用容量即为Pi prim，而厂站内所有电解系列承担备用容量之和为/>
优选的，所述上层优化控制策略包括：
首先对电解铝负荷参与一次调频的控制成本进行建模；
然后将电解铝负荷的备用容量分配问题转化为一个以总控制成本最小为目标的混合整数二次规划问题；
在此基础上，对原混合整数二次规划问题分段线性化得到便于求解的混合整数线性规划问题，在每个调度周期内对该问题求最优解，以此作为最优控制指令下达给下层电解系列1-n。
优选的，所述上层优化控制策略包括：
(1)电解铝负荷的控制成本建模：系列电流是电解过程中的关键参数，正常生产情况下，系列电流/>维持在其额定值/>附近，电解铝负荷正常生产；而当电解铝负荷处于降负荷状态时，根据系列电流/>的大小，电解铝负荷的生产状态可分为三种：减产、保温和冷却。对于不同型号的电解槽，维持这三种状态所需的系列电流临界值不同，不同生产状态下的电流效率也不相同，因此，采用三种典型经验场景来划分不同生产状态：
A.减产状态：系列电流为额定值/>的90％-100％，此状态下电解铝负荷仍能维持生产，但产量会有所减少；
B.保温状态：系列电流为额定值/>的80％-90％，电解槽通电保温以维持电解槽中的熔融态电解质不冷却，此状态下电解铝生产无法维持，但不会造成设备损坏；
C.冷却状态：系列电流为额定值/>的70％，此状态下电解槽难以维持保温状态，熔融态电解质将逐渐冷却，长时间保持此状态会造成设备损坏。
根据电解铝负荷的不同生产状态，将电解铝负荷的控制成本CR来源分为三部分：
A.产量成本CPD：由于电解铝负荷参与调控导致的停产或减产所示，这部分损失可由正常生产情况下原铝产量与参与调控后的原铝产量之差乘以单位产量原铝的利润得到；
B.电能成本CPW：电解铝负荷停产保温状态下需要消耗大量电能但无原铝产出，这部分损失可由停产状态下消耗的电能与单位电费成本相乘得到；
C.设备损伤成本CDM：由于长时间保持电解槽内的系列电流较低可能导致熔融态电解质冷却，这将造成电解槽损坏，这部分损失由电解槽修理及更换费用的数学期望得到。
一次调频的时间尺度下可认为CDM＝0，则电解系列i的控制成本CR,i采用下式表述：
CR,i＝CPD,i+CPW,i(8)；
式中，M0,i为正常生产情况下的原铝产量(吨)，MR,i为降负荷后的原铝产量(吨)，cprif为单位产量原铝的利润(美元/吨),cfee为单位用电成本(美元/kWh)；
其中，将负荷状态下原铝产量MR,i采用下式计算：
其中，0.3356为铝的电化学当量，ηi为电解系列i中的电流效率。
根据电解铝生产经验，在电解槽的槽型设计中，阴极电流密度Di正比于电流效率ηi。在正常情况下，炉膛处于稳定状态，此时可认为阴极截面积不变，电流强度正比于阴极电流密度Di，即电流强度/>变化1％，阴极电流密度Di变化1％，相应电流效率ηi也变化1％，此关系式可以表示为：
其中，η0,i为电解系列i中的额定电流效率。
将式(12)代入式(11)可得到:
为便于分析式(9)与式(10)中的分段函数，引入标志位ri：
将式(9)与式(10)改写为如下形式：
将式(9)和(10)代入式(8)，则在电解系列i中，控制成本CR,i可以表示为系列电流的分段二次函数：
式中，α,β,γ为分段二次函数的系数。
在整个电解铝厂站内的总控制成本即为n个电解系列的控制成本之和；
(2)建立备用容量分配问题的数学模型为：
线性化后的备用容量分配问题表示为：
约束函数表示为：
-M·ri≤vi≤M·r(19f)；
目标函数(19a)为线性化后的电解铝负荷总控制成本；等约束条件(19b)为线性化后的容量平衡方程；不等约束(19c)为自饱和电抗器的调压深度约束；不等约束(19d，e)为使标志位ri满足(14)要求的不等约束；不等约束(19f，g)保证非线性项可被增设的vi等效替代。式(19)为一个混合整数线性规划问题，采用商用求解器求解。
在每个调度周期(15min)中，运行上述优化算法得到最优的系列电流下限序列并分配至下层电解系列1-n，下层电解系列按照最新设定的电流下限值作为约束自动响应频率偏差。
优选的，所述下层分散式频率响应策略包括：
采用分散式控制架构，包括内外两个控制环：外环控制采用下垂控制，当电解系列i中的控制器检测到系统频率fi低于预设的动作阈值ftrig.i时，触发电解系列i的降负荷操作，电解系列按照预先设定的斜率Kf.i自动下调系列电流参考值其中，系列电流参考值/>需不低于上层优化控制下达的系列电流下限/>内环控制为基于MPC的系列电流控制方案，用于控制系列电流/>快速跟踪其参考值/>
优选的，在实施下层分散式频率响应策略时还包括：考虑阳极效应的动态频率阈值ftrig.i，提出一种动态时变频率动作阈值ftrig.i的确定方法，此方法中，频率动作阈值随电解铝负荷内阳极效应严重程度变化而变化，兼顾电力系统的频率调控需求与电解铝负荷的安全性要求；
其中电解系列i中，频率动作阈值ftrig.i满足两点要求：
(1)当电解系列i中的阳极效应严重时，应当优先保证电解系列i的安全性，电解系列i不应响应检测到的频率偏差，而应维持系列电流恒定不变；
(2)当电解系列i中的阳极效应轻微或无阳极效应时，应优先满足电力系统的频率调控要求，保证电解系列i自动响应检测到的频率偏差，降低系列电流以实现降负荷操作。
本发明的第三方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如第一方面所述的方法。
本发明的第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如第一方面所述的方法。
本发明提供的方法、装置、电子设备以及计算机可读存储介质，具有如下有益的技术效果：
本发明基于光伏电解铝直流微网柔性直流接入的指标以及动态运行特性分别确定装备集成方案，并对应采用上层控制和下层控制，接入电源并集成装备。成功解决了光伏发电效率不稳定，保证了直流电恒流输出接入电解铝生产线直流母排，实现了大规模分布式光伏直流接入电解铝系统。
附图说明
图1为研究光伏发电直供电解铝系统的柔性直流装配研究路线；
图2为研究光伏发电直供电解铝系统的装备选型技术路线；
图3为面向平抑直流母排电流的分布式光伏发电单元与大电网协调互补控制框架设计的原理图；
图4为为面向平抑直流母排电流的分布式光伏发电单元与大电网协调互补控制框架设计的技术路线图；
图5为本发明提供的电子设备一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
本实施例的一种光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成方法与系统，包括：
S1，基于光伏电解铝直流微网柔性直流接入的指标确定装备选型与第一装备集成方案；
S2，基于光伏电解铝直流微网动态运行特性确定第二装备集成方案；
S3，基于第一装备集成方案与第二装备集成方案分别实施计及电解铝负荷响应的一次调频分层控制的上层控制和下层控制；
S4，基于所述一次调频分层控制接入电源并集成装备。
参见图1-2分别为研究光伏发电直供电解铝系统的柔性直流装配研究路线以及装备选型技术路线。优选的，所述S1包括：
S11，确定柔性直流装备的选型：包括一次侧设备和二次侧设备，总体的设备选型涉及光伏、电解铝、柔性直流/监控测量、检测保护装备；
S12，确定第一装备集成方案，包括：直流微网布线技术；测量、监控和保护装置集成；以及软件安装调试、界面指定开发和应用支持。
参见图3-4，分别为面向平抑直流母排电流的分布式光伏发电单元与大电网协调互补控制框架设计的原理图以及技术路线图，优选的，所述S2包括：
S21,基于DC-DC变换器控制，形成改进型虚拟直流发电机控制算法，并基于所述改进型虚拟直流发电机控制算法获得分布式光伏动态外特性和电解铝强热惯性和响应特性；
S22，形成协调互补控制框架，包括：直流母排电流波动以及输入输出接口设计，其中所述协调互补控制框架内包括阳极效应、电解铝投切、光伏出力波动、光伏发电单元以及大电网整流单元；
S23，形成配合模式与经济调度策略，包括：交直流能量的灵活转换策略、分布式光伏和电解铝即插即用策略以及电解铝和光伏的经济效益最优策略。
作为优选的实施方式，所述S3，基于第一装备集成方案与第二装备集成方案分别实施计及电解铝负荷响应的一次调频分层控制的上层控制和下层控制包括：
通常每个电解铝厂站包含多个独立的电解铝生产单元，称作电解系列，采用电解铝厂站参与电力系统一次调频的分层控制策略，能够保障控制的经济性、快速性与安全性。其中，为确保控制的经济性，上层控制中电解铝厂站以电解铝负荷总控制成本最小为目标进行周期性的优化控制，并将优化结果作为下层控制中的约束；为确保控制的快速性，下层隶属于电解铝厂站的电解系列采用分散式控制，在约束范围内自主响应频率偏差进行降负荷操作，并采用一种模型预测控制算法提高电解铝负荷的暂态相应能力，实现快速降负荷；为了保证电解铝负荷响应的安全性，设计了随阳极效应严重程度而动态变化的频率响应阈值。
作为优选的实施方式，所述S3的电解铝负荷参与一次调频的分层控制架构，控制策略分为上下两层：上层控制主体为电解铝厂站内的上位机，以减少电解铝厂控制成本为目标进行优化控制，下层控制主体为独立工作的电解系列，采用分散式控制保障电解系列自动响应频率偏差。
作为上层控制主体，电解铝厂站上位机起到上传下达的作用，一方面负责与电网调度控制中心进行通讯，另一方面则根据电网调度控制中心所要求的备用容量计算能使总控制成本最小化的最优控制指令，并作为约束下达给下层的电解系列。电解铝上位机实时监控下辖电解系列的电压、电流以及功率水平，并依据电解系列所装配的自饱和电抗器调压深度与该电解系列当前功率水平计算出电解系列的可用有功容量如式(1)和(2)所示
其中，为系列电压，/>为系列电流，/>为系列电阻，/>为系列电动势，为自饱和电抗器调压深度决定的系列电压最低值，/>为系列电压/>时对应的系列电流最低值。
而后，上位机由式(3)得到整个电解铝厂站的可用有功容量
在每个调度周期开始时，上位机向电网调度控制中心上传厂站内的可用容量调度控制中心经过分析与计算后将所需的一次调频备用容量数值/>下达给厂站上位机。为保证电解铝厂站的执行能力与电解铝负荷安全性，在此过程中需要满足：
接下来，将电网调度中心所要求的备用容量设定为电解铝厂站的目标容量，并将备用容量的分配表达为一个以控制成本最小为目标的数学优化问题，通过求解该优化问题得到每个电解系列需要承担的备用容量值Pi prim。电解系列中的关键参数为系列电流因此最优解的形式即为最优系列电流下限序列/>在电解系列i中，所承担的备用容量Pi prim与系列电流下限/>可由下式表达：
其中，为系列电流/>时对应的电解系列i功率值。
为保证各电解系列承担的备用容量之和等于电解铝厂站的目标容量，需要满足：
最后计算得到的最优系列电流下限序列作为控制指令被分配给下层的电解系列1-n。下层电解系列i以最新的控制指令为本调度周期内的系列电流下限值/>并采用分散式控制方式自动响应监测到的频率偏差以保障响应的快速性。
在此情况下，当电力系统频率偏差未达到所预设阈值时，各电解系列正常工作，不参与频率响应；而当电力系统频率偏差超过所预设阈值时，各电解系列自动下调其中系列电流直至其系列电流下限值/>此时，电解系列i所承担备用容量即为Pi prim，而厂站内所有电解系列承担备用容量之和为/>
作为优选的实施方式，所述上层优化控制策略包括：
首先对电解铝负荷参与一次调频的控制成本进行建模；
然后将电解铝负荷的备用容量分配问题转化为一个以总控制成本最小为目标的混合整数二次规划问题；
在此基础上，对原混合整数二次规划问题分段线性化得到便于求解的混合整数线性规划问题，在每个调度周期内对该问题求最优解，以此作为最优控制指令下达给下层电解系列1-n。
作为优选的实施方式，所述上层优化控制策略包括：
(1)电解铝负荷的控制成本建模：系列电流是电解过程中的关键参数，正常生产情况下，系列电流/>维持在其额定值/>附近，电解铝负荷正常生产；而当电解铝负荷处于降负荷状态时，根据系列电流/>的大小，电解铝负荷的生产状态可分为三种：减产、保温和冷却。对于不同型号的电解槽，维持这三种状态所需的系列电流临界值不同，不同生产状态下的电流效率也不相同，因此，采用三种典型经验场景来划分不同生产状态：
A.减产状态：系列电流为额定值/>的90％-100％，此状态下电解铝负荷仍能维持生产，但产量会有所减少；
B.保温状态：系列电流为额定值/>的80％-90％，电解槽通电保温以维持电解槽中的熔融态电解质不冷却，此状态下电解铝生产无法维持，但不会造成设备损坏；
C.冷却状态：系列电流为额定值/>的70％，此状态下电解槽难以维持保温状态，熔融态电解质将逐渐冷却，长时间保持此状态会造成设备损坏。
根据电解铝负荷的不同生产状态，将电解铝负荷的控制成本CR来源分为三部分：
A.产量成本CPD：由于电解铝负荷参与调控导致的停产或减产所示，这部分损失可由正常生产情况下原铝产量与参与调控后的原铝产量之差乘以单位产量原铝的利润得到；
B.电能成本CPW：电解铝负荷停产保温状态下需要消耗大量电能但无原铝产出，这部分损失可由停产状态下消耗的电能与单位电费成本相乘得到；
C.设备损伤成本CDM：由于长时间保持电解槽内的系列电流较低可能导致熔融态电解质冷却，这将造成电解槽损坏，这部分损失由电解槽修理及更换费用的数学期望得到。
一次调频的时间尺度下可认为CDM＝0，则电解系列i的控制成本CR,i采用下式表述：
CR,i＝CPD,i+CPW,i(8)；
式中，M0,i为正常生产情况下的原铝产量(吨)，MR,i为降负荷后的原铝产量(吨)，cprif为单位产量原铝的利润(美元/吨),cfee为单位用电成本(美元/kWh)；
其中，将负荷状态下原铝产量MR,i采用下式计算：
其中，0.3356为铝的电化学当量，ηi为电解系列i中的电流效率。
根据电解铝生产经验，在电解槽的槽型设计中，阴极电流密度Di正比于电流效率ηi。在正常情况下，炉膛处于稳定状态，此时可认为阴极截面积不变，电流强度正比于阴极电流密度Di，即电流强度/>变化1％，阴极电流密度Di变化1％，相应电流效率ηi也变化1％，此关系式可以表示为：
其中，η0,i为电解系列i中的额定电流效率。
将式(12)代入式(11)可得到:
为便于分析式(9)与式(10)中的分段函数，引入标志位ri：
将式(9)与式(10)改写为如下形式：
将式(9)和(10)代入式(8)，则在电解系列i中，控制成本CR,i可以表示为系列电流的分段二次函数：
式中，α,β,γ为分段二次函数的系数。
在整个电解铝厂站内的总控制成本即为n个电解系列的控制成本之和；
(2)建立备用容量分配问题的数学模型为：
线性化后的备用容量分配问题表示为：
约束函数表示为：
-M·ri≤vi≤M·r(19f)；
目标函数(19a)为线性化后的电解铝负荷总控制成本；等约束条件(19b)为线性化后的容量平衡方程；不等约束(19c)为自饱和电抗器的调压深度约束；不等约束(19d，e)为使标志位ri满足(14)要求的不等约束；不等约束(19f，g)保证非线性项可被增设的vi等效替代。
式(19)为一个混合整数线性规划问题，采用商用求解器求解(本实施例中由Gurobi求解器求解)，备用容量优化分配的算法包括：
在每个调度周期(15min)中，运行上述优化算法得到最优的系列电流下限序列并分配至下层电解系列1-n，下层电解系列按照最新设定的电流下限值作为约束自动响应频率偏差。/>
作为优选的实施方式，所述下层分散式频率响应策略包括：
采用分散式控制架构，包括内外两个控制环：外环控制采用下垂控制，当电解系列i中的控制器检测到系统频率fi低于预设的动作阈值ftrig.i时，触发电解系列i的降负荷操作，电解系列按照预先设定的斜率Kf.i自动下调系列电流参考值其中，系列电流参考值/>需不低于上层优化控制下达的系列电流下限/>内环控制为基于MPC的系列电流控制方案，用于控制系列电流/>快速跟踪其参考值/>
作为优选的实施方式，在实施下层分散式频率响应策略时还包括：考虑阳极效应的动态频率阈值ftrig.i，提出一种动态时变频率动作阈值ftrig.i的确定方法，此方法中，频率动作阈值随电解铝负荷内阳极效应严重程度变化而变化，兼顾电力系统的频率调控需求与电解铝负荷的安全性要求；
其中电解系列i中，频率动作阈值ftrig.i满足两点要求：
(1)当电解系列i中的阳极效应严重时，应当优先保证电解系列i的安全性，电解系列i不应响应检测到的频率偏差，而应维持系列电流恒定不变；
(2)当电解系列i中的阳极效应轻微或无阳极效应时，应优先满足电力系统的频率调控要求，保证电解系列i自动响应检测到的频率偏差，降低系列电流以实现降负荷操作。
实施例二
一种光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成系统，包括：
第一装备集成方案确定模块201，用于基于光伏电解铝直流微网柔性直流接入的指标确定装备选型与第一装备集成方案；
第二装备集成方案确定模块201，用于基于光伏电解铝直流微网动态运行特性确定第二装备集成方案；
分层控制模块203，用于基于第一装备集成方案与第二装备集成方案分别实施计及电解铝负荷响应的一次调频分层控制的上层控制和下层控制；
电源接入及装备集成模块204，用于基于所述一次调频分层控制接入电源并集成装备。
如图5所示，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器301和与所述处理器301连接的存储器302，所述存储器302存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如实施例一所述的方法。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成方法，其特征在于，包括：
S1，基于光伏电解铝直流微网柔性直流接入的指标确定装备选型与第一装备集成方案；
S2，基于光伏电解铝直流微网动态运行特性确定第二装备集成方案；
S3，基于第一装备集成方案与第二装备集成方案分别实施计及电解铝负荷响应的一次调频分层控制的上层控制和下层控制；
S4，基于所述一次调频分层控制接入电源并集成装备；
所述S3中上层控制主体为电解铝厂站内的上位机，上层控制中电解铝厂站以电解铝负荷总控制成本最小为目标进行周期性的优化控制，并将优化结果作为下层控制中的约束；下层控制主体为独立工作的电解系列，采用分散式控制，在约束范围内自主响应频率偏差进行降负荷操作；
所述S3中上层控制和下称控制具体包括：
电解铝上位机实时监控下辖电解系列的电压、电流以及功率水平，并依据电解系列所装配的自饱和电抗器调压深度与该电解系列当前功率水平计算出电解系列的可用有功容量
其中，为系列电压，/>为系列电流，/>为系列电阻，/>为系列电动势，/>为自饱和电抗器调压深度决定的系列电压最低值，/>为系列电压/>时对应的系列电流最低值；
整个电解铝厂站的可用有功容量
在每个调度周期开始时，上位机向电网调度控制中心上传厂站内的可用容量调度控制中心经过分析与计算后将所需的一次调频备用容量数值/>下达给厂站上位机；
为保证电解铝厂站的执行能力与电解铝负荷安全性，在此过程中需要满足：
将电网调度中心所要求的备用容量设定为电解铝厂站的目标容量，并将备用容量的分配表达为一个以控制成本最小为目标的数学优化问题，通过求解该优化问题得到每个电解系列需要承担的备用容量值Pi prim；
电解系列中的关键参数为系列电流系列电流下限序列/>
在电解系列i中，所承担的备用容量Pi prim与系列电流下限由下式表达：
其中，为系列电流/>时对应的电解系列i功率值；
为保证各电解系列承担的备用容量之和等于电解铝厂站的目标容量，需要满足：
最后计算得到的最优系列电流下限序列作为控制指令被分配给下层的电解系列1-n；下层电解系列i以最新的控制指令为本调度周期内的系列电流下限值并采用分散式控制方式自动响应监测到的频率偏差以保障响应的快速性；
在此情况下，当电力系统频率偏差未达到所预设阈值时，各电解系列正常工作，不参与频率响应；而当电力系统频率偏差超过所预设阈值时，各电解系列自动下调其中系列电流直至其系列电流下限值/>此时，电解系列i所承担备用容量即为Pi prim，而厂站内所有电解系列承担备用容量之和为/>
2.根据权利要求1所述的光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成方法，其特征在于，所述S1包括：
S11，确定柔性直流装备的选型：包括一次侧设备和二次侧设备，总体的设备选型涉及光伏、电解铝、柔性直流监控测量、检测保护装备；
S12，确定第一装备集成方案，包括：直流微网布线；测量、监控和保护装置集成；以及软件安装调试、界面指定开发和应用支持。
3.根据权利要求1所述的光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成方法，其特征在于，所述S2包括：
S21,获得分布式光伏动态外特性和电解铝强热惯性和响应特性；
S22，形成协调互补控制框架，包括：直流母排电流波动以及输入输出接口设计，其中所述协调互补控制框架内包括阳极效应、电解铝投切、光伏出力波动、光伏发电单元以及大电网整流单元；
S23，形成配合模式与经济调度策略，包括：交直流能量的灵活转换策略、分布式光伏和电解铝即插即用策略以及电解铝和光伏的经济效益最优策略。
4.根据权利要求3所述的光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成方法，其特征在于，所述S3中上层控制包括：
首先对电解铝负荷参与一次调频的控制成本进行建模；
然后将电解铝负荷的备用容量分配问题转化为一个以总控制成本最小为目标的混合整数二次规划问题；
在此基础上，对原混合整数二次规划问题分段线性化得到便于求解的混合整数线性规划问题，在每个调度周期内对该问题求最优解，以此作为最优控制指令下达给下层电解系列1-n。
5.根据权利要求4所述的光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成方法，其特征在于，所述S3中下层控制：采用分散式控制架构，包括内外两个控制环：外环控制采用下垂控制，当电解系列i中的控制器检测到系统频率fi低于预设的动作阈值ftrig.i时，触发电解系列i的降负荷操作，电解系列按照预先设定的斜率Kf.i自动下调系列电流参考值其中，系列电流参考值/>需不低于上层优化控制下达的系列电流下限/>内环控制为基于MPC的系列电流控制方案，用于控制系列电流/>快速跟踪其参考值/>
6.一种光伏电解铝直流微网电源接入和装备集成系统，用于执行如权利要求1-5任一所述的方法，包括：
第一装备集成方案确定模块，用于基于光伏电解铝直流微网柔性直流接入的指标确定装备选型与第一装备集成方案；
第二装备集成方案确定模块，用于基于光伏电解铝直流微网动态运行特性确定第二装备集成方案；
分层控制模块，用于基于第一装备集成方案与第二装备集成方案分别实施计及电解铝负荷响应的一次调频分层控制的上层控制和下层控制；
电源接入及装备集成模块，用于基于所述一次调频分层控制接入电源并集成装备。
7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如权利要求1-5任一所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如权利要求1-5任一所述的方法。
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| CN111864768A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-10-30 | 山东大学 | 一种电解铝负荷参与一次调频的控制方法及系统 |
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