CN116316552A - 一种基于电解铝的光伏控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

一种基于电解铝的光伏控制方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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CN116316552A CN202211658476.5A CN202211658476A CN116316552A CN 116316552 A CN116316552 A CN 116316552A CN 202211658476 A CN202211658476 A CN 202211658476A CN 116316552 A CN116316552 A CN 116316552A
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Abstract

本申请属于新能源利用以及电解铝技术领域，尤其涉及一种基于电解铝负荷特性的光伏接入协调控制方法及系统，包括：确定电解铝负荷电气拓扑和主要电气元件；基于电解铝负荷电气拓扑和主要电气元件进行电解铝负荷建模获得电解铝负荷模型；基于电解铝负荷模型实施及电解铝负荷响应的一次调频分层控制；基于所述一次调频分层控制接入光伏电源。本发明通过开展分布式光伏直流接入电解铝供电技术研究与示范，建设光伏电解铝直流微电网，将分布式光伏直流接入电解铝直流母排，由光伏发电直接向电解槽供电，实现电解槽与光伏直流互联供电，并研究铝产业柔性直流配电关键技术，对大容量分布式光伏接入下直流微网电能直供电解铝系统的技术可行性进行验证。

Description

一种基于电解铝的光伏控制方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本申请涉及新能源技术领域，尤其涉及一种基于电解铝的光伏控制方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
电解铝作为我国重要的基础产业，在生产过程中耗电等级较高，历来被称为“高耗能产业”，因此也是国家重点调控的产业之一。
目前，我国电解铝企业大多采用大电网向电解槽供电，电能变换环节多且复杂，电能损耗严重；此外，电解铝企业的用电来源仍以火电为主，占比达到80％以上，电解铝企业使用火电生产一吨铝大约排放二氧化碳11.2吨，不利于企业的可持续发展与环境友好性提升。
随着国内新能源飞速发展，以有色金属行业为主的一些高耗能生产企业为降低用电成本、有效提升企业竞争力，计划或者已经开始建设大量新能源发电，选择自建机组或者由联网运行转入孤网运行。对于电解铝、电解制氢等直流供电的高耗能工业负荷，其消耗功率范围较宽，拥有较好的控制特性，适合新能源直流接入同时不影响电力系统的稳定性。
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，在离网运行以及直流供电方面尚无成熟的案例，更没有针对光伏电解铝直流微网动态仿真建模的方法。
此外，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，多能互补发电技术已成为平抑PV功率波动的有效途径，针对互补发电系统协调控制策略的研究也取得了多方面的成果。基于龙羊峡大型水光互补光伏电站应用水光互补系统性能评价考核的补偿度方法，利用水电对PV进行调节，降低PV功率的波动性；通过对风光互补发电系统能量流动和运行特性的分析，归纳总结出系统的4种运行模式和15种工作状态，提出了一种包括最大功率跟踪控制、负载功率跟踪控制、蓄电池充放电控制和系统保护运行等控制策略的协调控制方案。现有研究或工程未能充分发挥光伏在电解铝企业供电中的潜力，且现有大电网整流供电方式中的电能变换过程造成了严重的电能损耗和资源浪费。此外，电解铝系统和分布式光伏直流接入的直流微网工程建设未见报道，目前的研究多集中于电解铝系统参与交流微网调频、稳定性研究等。因此，亟须研究新能源积极参与且电能损耗低的电解铝供电新方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种基于电解铝的光伏控制方法、装置、设备及存储介质，以解决现有技术中大电网整流供电方式中的电能变换过程存在电能过度损耗和资源浪费的问题。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
一种基于电解铝的光伏控制方法，包括：
步骤S1，获取电解铝负荷的电气拓扑和主要电气元件；
步骤S2，基于所述电气拓扑和所述主要电气元件进行电解铝负荷建模，获得电解铝负荷模型；
步骤S3，基于所述电解铝负荷模型对电解铝负荷响应进行调频分层控制；
步骤S4，基于所述调频分层控制接入光伏电源。
在一些实施方式中，所述电气拓扑包括：
交流母线，所述交流母线向整流系统与其他厂用装置提供交流电能；
直流母线，所述直流母线汇集整流系统输出的直流电并向电解槽功能；
第一电解槽，所述第一电解槽用于将熔融态的铝的化合物转化为铝单质；
整流系统，所述整流系统包括若干组并联的脉波整流电路，每个脉波整流电路包括第一有载调压变压器、第一整流变压器、第一自饱和电抗器和整流桥。
在一些实施方式中，所述主要电气元件包括：
第二电解槽，所述第二电解槽用于将熔融态的铝的化合物转化为铝单质；
第二有载调压变压器，用于对电解铝负荷的电压进行调节；
第二整流变压器，用于变压与移相；
第二自饱和电抗器，用于调节电解铝负荷的直流电压。
在一些实施方式中，所述步骤S2包括：
步骤S11，基于所述第一自饱和电抗器和所述第二自饱和电抗器对电解铝负荷进行稳流控制，根据所述稳流控制分别对所述电解铝响应的电解铝负荷内部电路、电解铝负荷整流、以及所述第一电解槽和所述第二电解槽建立动态模型，得到所述电解铝负荷响应的状态空间模型；
步骤S12，建立电解槽模型，所述电解槽模型由反电势
Figure SMS_1
等效电阻
Figure SMS_2
阳极效应电阻增量Rae与等效电感
Figure SMS_3
串联而成；
步骤S13，建立所述电解铝负荷内部电路的内部电路模型；
步骤S14，基于所述第一自饱和电抗器和所述第二自饱和电抗器建立电解铝负荷的整流系统模型；
步骤S15，建立电解铝负荷的特性状态空间模型，将所述电解槽模型、所述内部电路模型、所述整流系统模型进行整合，得到电解铝负荷的完整状态空间模型。
在一些实施方式中，所述调频分层控制包括：
分层控制策略，所述分层控制策略通过电解铝厂站参与电力系统调频，每个电解铝厂站包括若干个独立的电解铝生产单元，每个电解铝生产单元作为一个电解系列分别参与电力系统调频。
在一些实施方式中，所述分层控制策略包括上层控制主体和下层控制主体，所述上层控制主体包括电解铝上位机，所述电解铝上位机用于控制电解铝厂的运行功率以减少损耗；下层控制主体用于分别控制每个电解系列在频率偏差超过预设阈值时进行响应；步骤S3包括：
步骤S21，所述电解铝上位机实时监控每个电解系列的电压、电流以及功率水平，并根据分别与每个电解系列电性连接的所述第一自饱和电抗器和所述第二自饱和电抗器的调压深度与每个电解系列当前功率水平计算出每个电解系列的可用有功容量
Figure SMS_4
如公式(10)和(11)所示：
Figure SMS_5
Figure SMS_6
其中，
Figure SMS_7
为第一自饱和电抗器和第二自饱和电抗器的调压深度决定的系列电压最低值，
Figure SMS_8
为每个电解系列的电压在
Figure SMS_9
时，对应的每个电解系列的电流最低值；
步骤S22，所述电解铝上位机根据公式(12)得到整个电解铝厂站的可用有功容量
Figure SMS_10
Figure SMS_11
步骤S23，在每个调度周期开始时，所述电解铝上位机向电网调度控制中心上传电解铝厂站的可用有功容量
Figure SMS_12
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
Figure SMS_13
下达给所述电解铝上位机；
步骤S24，将电网调度中心所要求的备用容量根据预设算法分解为每个电解系列需要承担的备用容量值Pi prim；
步骤S25，每个电解系列中的关键参数为系列电流
Figure SMS_14
因此所述预设算法的最优解形式即为最优系列电流下限序列
Figure SMS_15
在电解系列i中，所承担的备用容量值Pi prim与系列电流下限
Figure SMS_16
如公式(13)和(14)所示：
Figure SMS_17
Figure SMS_18
其中，
Figure SMS_19
为电解系列i在电流为
Figure SMS_20
时对应的功率值；
步骤S26，计算得到的最优系列电流下限序列
Figure SMS_21
作为最优控制指令被分配给下层电解系列1-n；
步骤S27，下层电解系列1-n根据所述最优控制指令在一个调度周期内的系列电流下限值
Figure SMS_22
响应所述频率偏差。
在一些实施方式中，步骤S3还包括：
步骤S31，当所述频率偏差超过所述预设阈值时，每个电解系列下调所述系列电流
Figure SMS_23
直至所述系列电流达到所述系列电流下限值
Figure SMS_24
以致所述电解系列i的备用容量为Pi prim、电解铝厂站内所有电解系列承担备用容量之和为
Figure SMS_25
本申请提供如下技术方案：
一种基于电解铝负荷特性的光伏接入协调控制装置，包括：
信息获取模块，用于获取电解铝负荷的电气拓扑和主要电气元件；
建模模块，用于基于所述电气拓扑和所述主要电气元件进行电解铝负荷建模，获得电解铝负荷模型；
控制模块，基于所述电解铝负荷模型对电解铝负荷响应进行调频分层控制；
电源接入模块，用于基于所述调频分层控制接入光伏电源。
本申请提供如下技术方案：
一种电子设备，包括处理器、以及与所述处理器耦接的存储器，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令；所述处理器执行所述存储器存储的所述程序指令时实现如上述的基于电解铝的光伏控制方法。
本申请提供如下技术方案：一种存储介质，所述存储介质内存储有程序指令，所述程序指令被处理器执行时实现能够实现如上述的基于电解铝的光伏控制方法。
本申请通过获取电解铝负荷的电气拓扑和主要电气元件，基于电气拓扑和主要电气元件进行电解铝负荷建模，获得电解铝负荷模型，并基于电解铝负荷模型对电解铝负荷响应进行调频分层控制，再将调频分层控制接入光伏电源，以实现将分布公式光伏直流接入与电气拓扑对应的电解铝直流母排，由光伏发电直接向电解槽供电，实现电解槽与光伏直流互联供电，对大容量分布公式光伏接入下直流微网电能直供电解铝系统的技术可行性。一方面可以省去传统大电网供电中电能变换环节，减少电能变换损耗，另一方面可提高光伏发电在生产用电中的占比，对于推进绿色能源与绿色先进制造业深度融合。
附图说明
图1为本申请一个实施例的基于电解铝的光伏控制方法的步骤流程示意图；
图2为本申请一个实施例的基于电解铝的光伏控制方法的步骤流程示意图；
图3为本申请一个实施例的基于电解铝的光伏控制方法的步骤流程示意图；
图4为本申请一个实施例的基于电解铝的光伏控制装置的功能模块示意图；
图5为本申请一个实施例的基于电解铝的光伏控制装置的建模模块的功能模块示意图；
图6为本申请一个实施例的基于电解铝的光伏控制装置的控制模块的功能模块示意图；
图7为本申请一个实施例的电子设备的结构示意图；
图8为本申请一个实施例的存储介质的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
本申请一个实施例提供了一种基于电解铝的光伏控制方法，包括：
步骤S1，获取电解铝负荷的电气拓扑和主要电气元件；
步骤S2，基于电气拓扑和主要电气元件进行电解铝负荷建模，获得电解铝负荷模型；
步骤S3，基于电解铝负荷模型对电解铝负荷响应进行调频分层控制；
步骤S4，基于调频分层控制接入光伏电源。
在一些实施方式中，电气拓扑包括：
交流母线，交流母线向整流系统与其他厂用装置提供交流电能；
直流母线，直流母线汇集整流系统输出的直流电并向电解槽功能；
第一电解槽，第一电解槽用于将熔融态的铝的化合物转化为铝单质，可将电解铝负荷直流电解槽部分的模型表示为反电势与等效槽电阻的串联。
整流系统，整流系统包括若干组并联的十二脉波整流电路，每个脉波整流电路包括第一有载调压变压器，用于对电解铝负荷的电压进行调节。
第一整流变压器，用于变压与移相，变压方面，由于变压跨度过大，仅依靠有载调压变压器一级调压难以满足要求，因此由整流变压器与有载调压变压器共同完成两级调压，将电解铝负荷的电压由输入的110kV或220kV降低至欠付以下；移相方面，每两个整流变压器为一组，分别采用“Y”连接方式和三角连接方式，构成一个十二脉波整流电路，多组十二脉波整流电路并联即可为整流桥提供合适的移相角，提高电解铝负荷的功率因数，并降低谐波污染。
第一自饱和电抗器，用于可以对电解铝负荷的直流电压进行连续快速的控制，其作用主要是在有载调压变压器的调节盲区对实现负荷细调，由调节速度较慢且粒度较大的有载调压变压器为粗调元件，配合以自饱和电抗器进行精准快速连续的控制，实现对电解铝负荷调压范围的全覆盖
以及，整流桥。
在一些实施方式中，主要电气元件包括：
第二电解槽，第二电解槽用于将熔融态的铝的化合物转化为铝单质，可将电解铝负荷直流电解槽部分的模型表示为反电势与等效槽电阻的串联。
第二有载调压变压器，用于对电解铝负荷的电压进行调节。
第二整流变压器，用于变压与移相，变压方面，由于变压跨度过大，仅依靠有载调压变压器一级调压难以满足要求，因此由整流变压器与有载调压变压器共同完成两级调压，将电解铝负荷的电压由输入的110kV或220kV降低至欠付以下；移相方面，每两个整流变压器为一组，分别采用“Y”连接方式和三角连接方式，构成一个十二脉波整流电路，多组十二脉波整流电路并联即可为整流桥提供合适的移相角，提高电解铝负荷的功率因数，并降低谐波污染。
第二自饱和电抗器，可以对电解铝负荷的直流电压进行连续快速的控制，其作用主要是在有载调压变压器的调节盲区对实现负荷细调，由调节速度较慢且粒度较大的有载调压变压器为粗调元件，配合以自饱和电抗器进行精准快速连续的控制，实现对电解铝负荷调压范围的全覆盖。
优选地，本实施例中的第一电解槽和第二电解槽可以为同一个电解槽，也可以为不同的电解槽；第一有载调压变压器和第二有载调压变压器可以为同一个有载调压变压器，也可以为不同的有载调压变压器，第一整流变压器和第二整流变压器可以为同一个整流变压器，也可以为不同的整流变压器；第一自饱和电抗器和第二自饱和电抗器可以为同一个自饱和电抗器，也可以为不同的自饱和电抗器。
在一些实施方式中，参见图2，步骤S2包括：
步骤S11，基于第一自饱和电抗器和第二自饱和电抗器对电解铝负荷进行稳流控制，根据稳流控制分别对电解铝响应的电解铝负荷内部电路、电解铝负荷整流、以及第一电解槽和第二电解槽建立动态模型，得到电解铝负荷响应的状态空间模型。
步骤S12，建立电解槽模型，电解槽模型由反电势
Figure SMS_26
等效电阻
Figure SMS_27
阳极效应电阻增量Rae与等效电感
Figure SMS_28
串联而成。
优选地，与传统静态模型相比，所建立模型有两点改进：
(1)引入等效电感
Figure SMS_29
与时间常数
Figure SMS_30
由于电解铝生产的需求，电解槽内常处于稳态而无剧烈的电流波动，因此通常以静态模型足以刻画电解铝负荷特征，但是本实施例中需要考虑电解槽状态变化以及其相应特性，因此需要以等效电感
Figure SMS_31
与时间常数τd刻画其动态过程。
(2)引入可变电阻Rae，电解槽中时常会发生阳极效应，而阳极效应在外特性上即体现为等效电阻的上升，因此引入一个可变的电阻增量Rae以作为阳极效应的特征量。
进一步地，将电解槽的模型采用如下公式①所示：
Figure SMS_32
其中，参数
Figure SMS_33
与
Figure SMS_34
由电解质浓度、电解槽温度和电解电极极距等众多因素共同决定，而参数Rae由随阳极效应的严重程度决定。由于电解铝负荷在正常生产过程中，可以精确地控制上述物理量为恒定值，因此，可以认为反电势
Figure SMS_35
等效电阻
Figure SMS_36
与等效电感
Figure SMS_37
为恒定值，阳极效应电阻增量Rae为随阳极效应严重程度而变化的变量，
Figure SMS_38
为电解槽消耗的直流功率。
步骤S13，建立电解铝负荷内部电路的内部电路模型。
优选地，电解铝负荷的内部电路包括控制绕组与位移绕组以及与其相连的开关电路。由于位移绕组仅起到提高调压深度的作用，并不接收随控制器指令，因此只需要对控制绕组及其相连的开关电路进行建模。
在电解铝负荷内部电路中，与控制绕组相连的开关电路为直流斩波电路(Buck电路)，其在秒级时间尺度上的动态特性由如下状态空间模型表征：
Figure SMS_39
其中，Lbk、Cbk、Ibk、Ebk、rbk与分别为Buck电路中的电感、电容、电流、电源电压以及MOSFET管的内电阻；
Figure SMS_40
与
Figure SMS_41
分别为控制绕组中的电压与电阻。
进一步地，考虑到与Buck电路相连的控制绕组为一个由直流电压源
Figure SMS_42
与串联电阻
Figure SMS_43
构成的简单电路，控制绕组模型可由如下代数方程③表达：
Figure SMS_44
将③代入②可得到电解铝负荷内部电路的状态空间模型④：
Figure SMS_45
步骤S14，基于第一自饱和电抗器和第二自饱和电抗器建立电解铝负荷的整流系统模型。
优选地，输入量为自饱和电抗器的控制电流，输出量为整流系统输出的直流电压。基于对自饱和电抗器控制特性可知，基于自饱和电抗器的电解铝负荷整流模型即为自饱和电抗器的控制特性模型，表示为如下线性化形式⑤：
Figure SMS_46
其中，
Figure SMS_47
为直流电压最大值，ksr记为自饱和电抗器的调节系数。由于自饱和电抗器调压深度有限，整流系统输出的直流电压存在最低值，而调压深度由自饱和电抗器的各项参数共同决定，一般范围取值为40V至70V。
步骤S15，建立电解铝负荷的特性状态空间模型，将电解槽模型、内部电路模型、整流系统模型进行整合，得到电解铝负荷的完整状态空间模型。
优选地，将⑤代入①得到：
Figure SMS_48
将⑥代入④，取
Figure SMS_49
为状态变量，可得到状态空间方程⑦：
Figure SMS_50
将⑦进行简化，得到⑧：
Figure SMS_51
进一步地，在状态空间方程⑦中，状态变量
Figure SMS_52
分别反映Buck电路、控制绕组以及电解槽中的动态变化特征，控制指令ud为Buck电路的占空比，该控制指令由控制器根据直流电流
Figure SMS_53
的偏差量计算得到。电解铝负荷消耗的功率Pasl则由以下公式⑨计算：
Figure SMS_54
其中，
Figure SMS_55
为电解槽消耗的直流功率；
Figure SMS_56
为其他辅助设备消耗的交流功率。
在一些实施方式中，调频分层控制包括：
分层控制策略，分层控制策略通过电解铝厂站参与电力系统调频，每个电解铝厂站包括若干个独立的电解铝生产单元，每个电解铝生产单元作为一个电解系列分别参与电力系统调频。
进一步地，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响应能力，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。
在一些实施方式中，分层控制策略包括上层控制主体和下层控制主体，上层控制主体包括电解铝上位机，电解铝上位机用于控制电解铝厂的运行功率以减少损耗；下层控制主体用于分别控制每个电解系列在频率偏差超过预设阈值时进行响应；参见图3，步骤S3包括：
步骤S21，电解铝上位机实时监控每个电解系列的电压、电流以及功率水平，并根据分别与每个电解系列电性连接的第一自饱和电抗器和第二自饱和电抗器的调压深度与每个电解系列当前功率水平计算出每个电解系列的可用有功容量
Figure SMS_57
如公式(10)和(11)所示：
Figure SMS_58
Figure SMS_59
其中，
Figure SMS_60
为第一自饱和电抗器和第二自饱和电抗器的调压深度决定的系列电压最低值，
Figure SMS_61
为每个电解系列的电压在
Figure SMS_62
时，对应的每个电解系列的电流最低值。
优选地，作为上层控制主体，电解铝厂站的电解铝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
Figure SMS_63
步骤S22，电解铝上位机根据公式(12)得到整个电解铝厂站的可用有功容量
Figure SMS_64
Figure SMS_65
优选地，在每个调度周期开始时，电解铝上位机向电网调度控制中心上传厂站内的可用容量
Figure SMS_66
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
Figure SMS_67
下达给厂站电解铝上位机。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：
Figure SMS_68
步骤S23，在每个调度周期开始时，电解铝上位机向电网调度控制中心上传电解铝厂站的可用有功容量
Figure SMS_69
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
Figure SMS_70
下达给电解铝上位机。
步骤S24，将电网调度中心所要求的备用容量根据预设算法分解为每个电解系列需要承担的备用容量值Pi prim。
步骤S25，每个电解系列中的关键参数为系列电流
Figure SMS_71
因此预设算法的最优解形式即为最优系列电流下限序列
Figure SMS_72
在电解系列i中，所承担的备用容量值Pi prim与系列电流下限
Figure SMS_73
如公式(14)和(15)所示：
Figure SMS_74
Figure SMS_75
其中，
Figure SMS_76
为电解系列i在电流为
Figure SMS_77
时对应的功率值。
优选地，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，需要满足公式(16)：
Figure SMS_78
步骤S26，计算得到的最优系列电流下限序列
Figure SMS_79
作为最优控制指令被分配给下层电解系列1-n。
步骤S27，下层电解系列1-n根据最优控制指令在一个调度周期内的系列电流下限值
Figure SMS_80
响应频率偏差。
步骤S28，当频率偏差超过预设阈值时，每个电解系列下调系列电流
Figure SMS_81
直至系列电流达到系列电流下限值
Figure SMS_82
以致电解系列i的备用容量为Pi prim、电解铝厂站内所有电解系列承担备用容量之和为
Figure SMS_83
优选地，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。
本实施例通过获取电解铝负荷的电气拓扑和主要电气元件，基于电气拓扑和主要电气元件进行电解铝负荷建模，获得电解铝负荷模型，并基于电解铝负荷模型对电解铝负荷响应进行调频分层控制，再将调频分层控制接入光伏电源，通过一系列算法以实现将分布公式光伏直流接入与电气拓扑对应的电解铝直流母排，由光伏发电直接向电解槽供电，实现电解槽与光伏直流互联供电，对大容量分布公式光伏接入下直流微网电能直供电解铝系统的技术可行性。一方面可以省去传统大电网供电中电能变换环节，减少电能变换损耗，另一方面可提高光伏发电在生产用电中的占比，对于推进绿色能源与绿色先进制造业深度融合。
图4至图6展示了本申请一实施例基于电解铝负荷特性的光伏接入协调控制装置的一个实施例，参见图4，所述光伏接入协调控制装置包括：
信息获取模块1，用于获取电解铝负荷的电气拓扑和主要电气元件。
建模模块2，用于基于电气拓扑和主要电气元件进行电解铝负荷建模，获得电解铝负荷模型。
控制模块3，基于电解铝负荷模型对电解铝负荷响应进行调频分层控制。
电源接入模块4，用于基于调频分层控制接入光伏电源。
进一步地，参见图5，在一些实施方式中，建模模块2包括：
第一建模子模块21，用于基于第一自饱和电抗器和第二自饱和电抗器对电解铝负荷进行稳流控制，根据稳流控制分别对电解铝响应的电解铝负荷内部电路、电解铝负荷整流、以及第一电解槽和第二电解槽建立动态模型，得到电解铝负荷响应的状态空间模型。
第二建模子模块22，用于建立电解槽模型，电解槽模型由反电势
Figure SMS_84
等效电阻
Figure SMS_85
阳极效应电阻增量Rae与等效电感
Figure SMS_86
串联而成。
进一步地，将电解槽的模型采用如下公式①所示：
Figure SMS_87
其中，参数
Figure SMS_88
与
Figure SMS_89
由电解质浓度、电解槽温度和电解电极极距等众多因素共同决定，而参数Rae由随阳极效应的严重程度决定。由于电解铝负荷在正常生产过程中，可以精确地控制上述物理量为恒定值，因此，可以认为反电势
Figure SMS_90
等效电阻
Figure SMS_91
与等效电感
Figure SMS_92
为恒定值，阳极效应电阻增量Rae为随阳极效应严重程度而变化的变量，
Figure SMS_93
为电解槽消耗的直流功率。
第三建模子模块23，建立电解铝负荷内部电路的内部电路模型。
在电解铝负荷内部电路中，与控制绕组相连的开关电路为直流斩波电路(Buck电路)，其在秒级时间尺度上的动态特性由如下状态空间模型表征：
Figure SMS_94
其中，Lbk、Cbk、Ibk、Ebk、rbk与分别为Buck电路中的电感、电容、电流、电源电压以及MOSFET管的内电阻；
Figure SMS_95
与
Figure SMS_96
分别为控制绕组中的电压与电阻。
进一步地，考虑到与Buck电路相连的控制绕组为一个由直流电压源
Figure SMS_97
与串联电阻
Figure SMS_98
构成的简单电路，控制绕组模型可由如下代数方程③表达：
Figure SMS_99
将③代入②可得到电解铝负荷内部电路的状态空间模型④：
Figure SMS_100
第四建模子模块24，用于基于第一自饱和电抗器和第二自饱和电抗器建立电解铝负荷的整流系统模型。
优选地，输入量为自饱和电抗器的控制电流，输出量为整流系统输出的直流电压。基于对自饱和电抗器控制特性可知，基于自饱和电抗器的电解铝负荷整流模型即为自饱和电抗器的控制特性模型，表示为如下线性化形式⑤：
Figure SMS_101
其中，
Figure SMS_102
为直流电压最大值，ksr记为自饱和电抗器的调节系数。由于自饱和电抗器调压深度有限，整流系统输出的直流电压存在最低值，而调压深度由自饱和电抗器的各项参数共同决定，一般范围取值为40V至70V。
第五建模子模块25，用于建立电解铝负荷的特性状态空间模型，将电解槽模型、内部电路模型、整流系统模型进行整合，得到电解铝负荷的完整状态空间模型。
优选地，将⑤代入①得到：
Figure SMS_103
将⑥代入④，取
Figure SMS_104
为状态变量，可得到状态空间方程⑦：
Figure SMS_105
将⑦进行简化，得到⑧：
Figure SMS_106
进一步地，在状态空间方程⑦中，状态变量
Figure SMS_107
分别反映Buck电路、控制绕组以及电解槽中的动态变化特征，控制指令ud为Buck电路的占空比，该控制指令由控制器根据直流电流
Figure SMS_108
的偏差量计算得到。电解铝负荷消耗的功率Pasl则由以下公式⑨计算：
Figure SMS_109
其中，
Figure SMS_110
为电解槽消耗的直流功率；
Figure SMS_111
为其他辅助设备消耗的交流功率。
进一步地，参见图6，在一些实施方式中，控制模块3包括：
第一控制子模块31，用于电解铝上位机实时监控每个电解系列的电压、电流以及功率水平，并根据分别与每个电解系列电性连接的第一自饱和电抗器和第二自饱和电抗器的调压深度与每个电解系列当前功率水平计算出每个电解系列的可用有功容量
Figure SMS_112
如公式(10)和(11)所示：
Figure SMS_113
Figure SMS_114
其中，
Figure SMS_115
为第一自饱和电抗器和第二自饱和电抗器的调压深度决定的系列电压最低值，
Figure SMS_116
为每个电解系列的电压在
Figure SMS_117
时，对应的每个电解系列的电流最低值。
第二控制子模块32，用于电解铝上位机根据公式(12)得到整个电解铝厂站的可用有功容量
Figure SMS_118
Figure SMS_119
第三控制子模块33，用于在每个调度周期开始时，电解铝上位机向电网调度控制中心上传电解铝厂站的可用有功容量
Figure SMS_120
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
Figure SMS_121
下达给电解铝上位机。
第四控制子模块34，用于将电网调度中心所要求的备用容量根据预设算法分解为每个电解系列需要承担的备用容量值Pi prim。
优选地，在每个调度周期开始时，电解铝上位机向电网调度控制中心上传厂站内的可用容量
Figure SMS_122
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
Figure SMS_123
下达给厂站电解铝上位机。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：
Figure SMS_124
第五控制子模块35，用于每个电解系列中的关键参数为系列电流
Figure SMS_125
因此预设算法的最优解形式即为最优系列电流下限序列
Figure SMS_126
在电解系列i中，所承担的备用容量值Pi prim与系列电流下限
Figure SMS_127
如公式(14)和(15)所示：
Figure SMS_128
Figure SMS_129
其中，
Figure SMS_130
为电解系列i在电流为
Figure SMS_131
时对应的功率值。
优选地，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，需要满足公式(16)：
Figure SMS_132
第六控制子模块36，用于计算得到的最优系列电流下限序列
Figure SMS_133
作为最优控制指令被分配给下层电解系列1-n。
第七控制子模块37，下层电解系列1-n根据最优控制指令在一个调度周期内的系列电流下限值
Figure SMS_134
响应频率偏差。
进一步地，在一些实施方式中，控制模块还包括：
第八控制子模块38，用于当频率偏差超过预设阈值时，每个电解系列下调系列电流
Figure SMS_135
直至系列电流达到系列电流下限值
Figure SMS_136
以致电解系列i的备用容量为Pi prim、电解铝厂站内所有电解系列承担备用容量之和为
Figure SMS_137
图7是本申请一实施例的电子设备的结构示意图。如图7所示，该电子设备5包括处理器51及和处理器51耦接的存储器52。
存储器52存储有用于实现上述任一实施例的基于电解铝的光伏控制方法的程序指令。
处理器51用于执行存储器52存储的程序指令以进行基于电解铝的光伏控制。
其中，处理器51还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)。处理器51可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器51还可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
进一步地，参见图8，图8为本申请一实施例的存储介质的结构示意图。本申请实施例的存储介质6存储有能够实现上述所有方法的程序指令61，其中，该程序指令61可以以软件产品的形式存储在上述存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，或者是计算机、服务器、手机、平板等终端设备。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其他的形式。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电解铝的光伏控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1，获取电解铝负荷的电气拓扑和主要电气元件；
步骤S2，基于所述电气拓扑和所述主要电气元件进行电解铝负荷建模，获得电解铝负荷模型；
步骤S3，基于所述电解铝负荷模型对电解铝负荷响应进行调频分层控制；
步骤S4，基于所述调频分层控制接入光伏电源。
2.根据权利要求1所述的光伏接入协调控制方法，其特征在于，所述电气拓扑包括：
交流母线，所述交流母线向整流系统与其他厂用装置提供交流电能；
直流母线，所述直流母线汇集整流系统输出的直流电并向电解槽功能；
第一电解槽，所述第一电解槽用于将熔融态的铝的化合物转化为铝单质；
整流系统，所述整流系统包括若干组并联的脉波整流电路，每个脉波整流电路包括第一有载调压变压器、第一整流变压器、第一自饱和电抗器和整流桥。
3.根据权利要求2所述的光伏接入协调控制方法，其特征在于，所述主要电气元件包括：
第二电解槽，所述第二电解槽用于将熔融态的铝的化合物转化为铝单质；
第二有载调压变压器，用于对电解铝负荷的电压进行调节；
第二整流变压器，用于变压与移相；
第二自饱和电抗器，用于调节电解铝负荷的直流电压。
4.根据权利要求3所述的光伏接入协调控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S11，基于所述第一自饱和电抗器和所述第二自饱和电抗器对电解铝负荷进行稳流控制，根据所述稳流控制分别对所述电解铝响应的电解铝负荷内部电路、电解铝负荷整流、以及所述第一电解槽和所述第二电解槽建立动态模型，得到所述电解铝负荷响应的状态空间模型；
步骤S12，建立电解槽模型，所述电解槽模型由反电势
Figure FDA0004012609720000021
等效电阻
Figure FDA0004012609720000022
阳极效应电阻增量Rae与等效电感
Figure FDA0004012609720000023
串联而成；
步骤S13，建立所述电解铝负荷内部电路的内部电路模型；
步骤S14，基于所述第一自饱和电抗器和所述第二自饱和电抗器建立电解铝负荷的整流系统模型；
步骤S15，建立电解铝负荷的特性状态空间模型，将所述电解槽模型、所述内部电路模型、所述整流系统模型进行整合，得到电解铝负荷的完整状态空间模型。
5.根据权利要求3所述的光伏接入协调控制方法，其特征在于，所述调频分层控制包括：
分层控制策略，所述分层控制策略通过电解铝厂站参与电力系统调频，每个电解铝厂站包括若干个独立的电解铝生产单元，每个电解铝生产单元作为一个电解系列分别参与电力系统调频。
6.根据权利要求5所述的光伏接入协调控制方法，其特征在于，所述分层控制策略包括上层控制主体和下层控制主体，所述上层控制主体包括电解铝上位机，所述电解铝上位机用于控制电解铝厂的运行功率以减少损耗；下层控制主体用于分别控制每个电解系列在频率偏差超过预设阈值时进行响应；步骤S3包括：
步骤S21，所述电解铝上位机实时监控每个电解系列的电压、电流以及功率水平，并根据分别与每个电解系列电性连接的所述第一自饱和电抗器和所述第二自饱和电抗器的调压深度与每个电解系列当前功率水平计算出每个电解系列的可用有功容量
Figure FDA0004012609720000024
如公式(10)和(11)所示：
Figure FDA0004012609720000025
Figure FDA0004012609720000026
其中，
Figure FDA0004012609720000031
为第一自饱和电抗器和第二自饱和电抗器的调压深度决定的系列电压最低值，
Figure FDA0004012609720000032
为每个电解系列的电压在
Figure FDA0004012609720000033
时，对应的每个电解系列的电流最低值；
步骤S22，所述电解铝上位机根据公式(12)得到整个电解铝厂站的可用有功容量
Figure FDA0004012609720000034
Figure FDA0004012609720000035
步骤S23，在每个调度周期开始时，所述电解铝上位机向电网调度控制中心上传电解铝厂站的可用有功容量
Figure FDA0004012609720000036
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
Figure FDA0004012609720000037
下达给所述电解铝上位机；
步骤S24，将电网调度中心所要求的备用容量根据预设算法分解为每个电解系列需要承担的备用容量值Pi prim；
步骤S25，每个电解系列中的关键参数为系列电流
Figure FDA0004012609720000038
因此所述预设算法的最优解形式即为最优系列电流下限序列
Figure FDA0004012609720000039
在电解系列i中，所承担的备用容量值Pi prim与系列电流下限
Figure FDA00040126097200000310
如公式(13)和(14)所示：
Figure FDA00040126097200000311
Figure FDA00040126097200000312
其中，
Figure FDA00040126097200000313
为电解系列i在电流为
Figure FDA00040126097200000314
时对应的功率值；
步骤S26，计算得到的最优系列电流下限序列
Figure FDA00040126097200000315
作为最优控制指令被分配给下层电解系列1-n；
步骤S27，下层电解系列1-n根据所述最优控制指令在一个调度周期内的系列电流下限值
Figure FDA00040126097200000316
响应所述频率偏差。
7.根据权利要求6所述的光伏接入协调控制方法，其特征在于，步骤S3还包括：
步骤S31，当所述频率偏差超过所述预设阈值时，每个电解系列下调所述系列电流
Figure FDA0004012609720000041
直至所述系列电流达到所述系列电流下限值
Figure FDA0004012609720000042
以致所述电解系列i的备用容量为Pi prim、电解铝厂站内所有电解系列承担备用容量之和为
Figure FDA0004012609720000043
8.一种基于电解铝负荷特性的光伏接入协调控制装置，包括：
信息获取模块，用于获取电解铝负荷的电气拓扑和主要电气元件；
建模模块，用于基于所述电气拓扑和所述主要电气元件进行电解铝负荷建模，获得电解铝负荷模型；
控制模块，基于所述电解铝负荷模型对电解铝负荷响应进行调频分层控制；
电源接入模块，用于基于所述调频分层控制接入光伏电源。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、以及与所述处理器耦接的存储器，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令；所述处理器执行所述存储器存储的所述程序指令时实现如权利要求1至7中任一项所述的基于电解铝的光伏控制方法。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质内存储有程序指令，所述程序指令被处理器执行时实现能够实现如权利要求1至7中任一项所述的基于电解铝的光伏控制方法。
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