CN116365552B - 电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的控制方法及装置 - Google Patents

电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高耗能负荷调频控制技术，具体涉及电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法，采用温度计监测N台机组的实时温度并记录，同时记录电解铝的实时产量，N为大于1的正整数；利用MATLAB输入两组数据拟合，求得N台机组电解铝产量随温度变化曲线和效率系数；监测调频开始时的初始温度和初始电功率，利用初始温度、初始电功率和效率系数建立收益最大化的目标函数；求解得到各时刻各机组的电功率，按所求电功率运行参与调频控制。该方法实现在保证自身经济效益最大化的同时，对电网频率变化起到一定的平抑作用。

Description

电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的控制方法及装置
技术领域
本发明属于高耗能负荷调频控制技术领域，特别涉及电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的控制方法及装置。
背景技术
随着新能源发电的不断发展，新能源装机容量占比正在不断提升。新能源发电的不确定性、随机性对电力系统运行的稳定性造成的影响成为亟待解决的问题。一方面，新能源发电输出电流变化不规则，会造成电网电压波动，造成无功调节装置频繁动作；另一方面，新能源发电输出功率的不确定性会影响电力系统的有功平衡，从而造成频率变化，使电力系统的频率偏移所允许的范围，影响电力系统的正常运行。
高耗能负荷，尤其是电解铝负荷具有以下特点：耗电量大，具备大容量的调节潜力；具有大的热惯量，参与电网调峰调频对正常生产不会造成大的影响，十分适合电力系统快速动态调节；参与电网调节的积极性高，可以降低高载能负荷企业的用电成本，提高经济性，实现多方共赢。
因此，研究电解铝负荷参与电网调频的控制策略可以使电网方减少维护电力系统运行稳定的费用；使企业方降低用电成本，获得一定的调频补偿；使新能源方提高了新能源的接入率，实现新能源消纳，提高收益。这是一种多方参与、互惠互利的良好模式，提高了负荷-电网-电源的总体收益。
目前，主要是由电源侧发电机组的一次调频和二次调频担负电力系统的调频任务，但是，由于占比大多数的火电机组的本身特性，其调频速度很慢，存在调频延迟，无法进行实时调频。而高载能负荷，即电解铝负荷则可以实现实时调频，快速完成调频任务。然而，提高电解铝负荷参与调频的积极性的办法以及针对不同温度状态求得不同调控策略的具体分析模型的缺少，使得实现电解铝参与电网调频的难度居高不下。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种实现电解铝负荷经济效益最大化的参与电网调频的控制方法和装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法，包括：
采用温度测量装置监测N台机组的实时温度并记录，同时记录电解铝的实时产量，N为大于1的正整数；
利用MATLAB输入两组数据拟合，求得N台机组电解铝产量随温度变化曲线和效率系数；
监测调频开始时的初始温度和初始电功率，利用初始温度、初始电功率和所求得的效率系数建立收益最大化的目标函数；
求解得到各时刻各机组的电功率，按所求电功率运行参与调频控制。
在上述电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法中，利用MATLAB输入两组数据拟合，求得N台机组电解铝产量随温度变化曲线和效率系数包括：
由伯奇-格洛泰姆方程知，在规定温度内，温度与电解铝效率成反比，设，其中，/>为电解铝效率，T为机组温度，/>为电解铝效率与机组温度的比例系数，称效率系数，且/>；
利用实时监测数据拟合曲线得到相应参数，对每台机组求平均斜率，平均斜率的绝对值即为相应机组的效率系数值；
设有调频需求时刻到调节电功率开始调频时刻为第0个小时，从调节电功率开始调频时刻之后则依次为第1个小时、第2个小时……经过温度测量装置测出第i台机组、第0个小时的温度，经过电功率测量装置测出第i台机组、第0个小时的电功率/>，各机组各时刻的效率为：
式中，为第/>台机组、第/>个小时的效率，/>为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第/>台机组的效率系数；
温度变化与热量变化的关系得：
式中，为装置热容，/>为装置质量，/>为变化前温度，/>为变化后温度，/>为/>到这一时间段内的吸热功率，/>为/>到/>这一时间段内的放热功率，/>为温度变化初始时间，/>为温度变化结束时间；
在时刻，温度保持不变，放出热量与吸收热量相同，放热功率与吸热功率相同，设电解铝反应在该段时间内吸热功率不变；
当
式中，为/>到/>这一时间段内的吸热功率，/>为初始时刻/>的放热功率；
则有：
温度变化与放热功率变化有关，电解铝为放热反应，放热功率即为电功率；
通过放热总量求得到/>这一时间段的温度变化量；
时间内，温度变化/>则：/>
式中，为在/>内的温度变化量，/>为在/>内的电功率变化量；
设调频个小时，电功率/>每一小时变化一次；在每个小时初始时刻对应有电功率/>，温度/>和效率/>，而在非整小时时刻，电功率/>和效率/>均不发生变化；每个小时内的热量与温度变化在每小时初始时刻完成；其中，/>，/>；若每个小时内电功率/>无变化，则/>变为/>，则有：
式中，为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>为第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>为第/>台机组的质量；
第台机组、第/>个小时的效率/>为：
式中，为第/>台机组、第/>个小时的效率，/>为第/>台机组效率系数。
在上述电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法中，利用初始温度、初始电功率和所求得的效率系数建立收益最大化的目标函数包括：
1）利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂产品收入模型；
电解铝反应所得铝产量为，则产品产量如下：
式中，是第1个小时的电解铝产品收入，/>是第2小时的电解铝产品收入，/>是第3小时的电解铝产品收入，/>是第/>小时的电解铝产品收入，/>是第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>是第/>台机组、第/>个小时的效率，/>是/>个小时的产品总量；
一小时内电功率无变化，转换为/>；
产品收入如下：
式中，是调频M小时内的产品总收益，/>是电解铝产品单价；
2）利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂调频收入模型；
调频量如下：
式中，/>是第1个小时的调频量，/>是第2个小时的调频量，/>是第3个小时的调频量，/>是第M个小时的调频量，/>是第i台机组、第j个小时的电功率；
在初始状态下，电源侧发电功率与负荷有功平衡，即
式中，是电源侧发电总功率，/>是负荷侧功率；
调频单价函数定义为分段函数：
当频率偏低，有向上调频需求时：
当频率偏高，有向下调频需求时：
式中，是调频单位容量所获调频补偿，/>是第/>小时内的调频单价；
调频收入如下：
式中，是调频M小时的总调频收益；
3）利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂用电成本模型；
采用统一用电单价；
式中，是调频M小时的总用电量，/>是用电单价，/>是调频M小时的总用电成本；
4）求得限制条件及最终目标函数；
温度的约束条件如下：
；
电功率的约束条件如下：
；
电解铝厂收益最大化的目标函数模型如下：
在上式中：
当频率偏低，有向上调频需求时：
当频率偏高，有向下调频需求时：
式中为调频M小时，电解铝厂的总经济收益；且满足：
。
在上述电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法中，求解各时刻各机组的电功率包括：
基于得到的目标函数，利用计算机相应算法求得在实现时的/>，；/>，整理得到各个机组在各时刻的电功率控制计划：
每个小时每台机组均对应一个电功率情况下：
式中，为电解铝反应电功率，/>为直流电压，/>为串联反电动势，取354.6/>，为流经电解槽的直流电流，/>为电解槽等效电阻，取2.016/>；
当电解铝厂收到调频命令时，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改变电解槽的直流电压，实现对所需要的电功率/>的控制。
用于电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法的装置，包括温度测量装置、电功率测量装置和数据处理系统；温度测量装置用于测量机组的实时温度；电功率测量装置用于测量机组的电功率；数据处理系统用于实时监测数据拟合曲线得到相应参数，求每台机组的平均斜率。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存介质用于存储程序代码，程序代码用于执行电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法。
一种包括指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得所述计算机执行电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法。
本发明提供了一种具体分析电解铝负荷参与电网调频的数学模型，解决了电解铝负荷参与电网调频时输入电功率的调节问题。本发明建立的目标函数可以达到使电解铝负荷收益最大的效果，从而提高电解铝负荷参与电网调频的积极性，实现多方互助互益。该控制方法简单明了，应用现有调节电功率（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）的技术，解决上游技术问题。4.该技术方案仅需用到计算机求最优解，不涉及复杂技术设备。
附图说明
图1为本发明实施例控制流程图；
图2为本发明实施例电解铝产量随温度变化曲线；
图3为本发明实施例输入电功率随时间变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法，基于温度状态对电解铝的效率影响这一事实，通过对电解铝负荷成本及收入的数学建模，提出一种实现经济效益最大化的控制方法，综合考虑温度状态对电解铝负荷效率的影响、功率变化对用电成本的影响、温度约束以及出力等约束，确定调频电量以及各机组单元出力情况，实现在保证自身经济效益最大化的同时，对电网频率变化起到一定的平抑作用。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法，包括以下步骤：
步骤1：监测电解铝厂各机组的输入输出关系，以得到温度对效率的影响模型，监测电解铝厂中各个机组单元的在有调频需求时的初始温度，求得初始温度及电解铝效率和调频开始后各时刻的温度及电解铝效率；
步骤2：利用求得的温度与效率的关系以及电解铝机组各时刻的输入电功率构建目标函数。利用该目标函数可以实现电解铝厂经济效益最大化，从而提高电解铝负荷参与调频的积极性。求解该目标函数极值便可求得所需的输入电功率。
步骤1的具体实现包括：
步骤1.1求不同机组温度对效率的影响系数；
电解铝在生产过程中，除了直流电在经过回路的过程中会对电能造成一定的影响之外，还存在一部分补充电解在成产过程中因散热而造成一定的损失。剩余部分可以使熔体中的离子产生一定的还原反应，即/>。
然而在实际电解铝成产过程中，在相同电解铝环境中，除以上氧化还原反应外，还有一下反应：
正是因为发生的这些反应，导致电流效率一直得不到有效的提升，并且在温度比较高的环境下，这些反应会变得更加的剧烈，这就说明高温不利于电流效率的有效提升。另外，当温度比较高时，已经电解完成的原铝可能又会重新进入到电解质状态然后在形成第二次氧化反应，当电解出来的原铝开始在相反的方向发生反应时，就会导致电力效率开始降低。由上可见，温度升高，会导致电解铝效率降低。
由伯奇-格洛泰姆方程可知，在规定温度内，温度与电解铝效率大致成简单的反比关系（在此忽略电解质中过剩的量、槽龄、铝水平的影响），假设/>，/>为电解铝效率，T为机组温度，其中/>电解铝效率与机组温度的比例系数，称效率系数，其中/>。
为求得各机组的值，可利用实时监测数据拟合曲线得到相应参数。为了便于测量，这里保证输入电功率不变，记录电解铝产量以反映效率变化。
以三台机组为例，保证它们输入电功率不变，每隔一个小时记录该时刻温度及铝产量，做出每个小时的温度与电解铝产量曲线具体如图2所示。其中，曲线1表示机组1的电解铝产量随温度变化曲线，曲线2表示机组2的电解铝产量随温度变化曲线，曲线3表示机组3的电解铝产量随温度变化曲线。由该组曲线可以看出，三台机组的产量与温度曲线都大致为下降直线，即效率与温度成反比例函数。三台机组的斜率不同，则是因为每台机组电解铝槽龄，剩余的量等因素不同导致效率与温度的比例系数不同。
每台机组可求得多次平均斜率，该斜率的绝对值即为相应机组的效率系数值。
步骤1.2 求不同温度下不同时刻的电解铝效率；
经过温度测量装置测出有调频需求时台机组的初始温度/>及各时刻温度/>，由此可得出/>台机组的初始效率：
规定从有调频需求时刻到调节电功率开始调频时刻为第0个小时，从调节电功率开始调频时刻之后则依次为第1个小时、第2个小时……经过温度测量装置测出第i台机组、第0个小时的温度，经过电功率测量装置测出第i台机组、第0个小时的电功率/>，各机组各时刻的效率：
式中，为第/>台机组、第/>个小时的效率，/>为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第/>台机组的效率系数；
由温度变化与热量变化的关系得：
式中，为装置热容，/>为装置质量，/>为变化前温度，/>为变化后温度，/>为/>到这一时间段内的吸热功率，/>为/>到/>这一时间段内的放热功率，/>为温度变化初始时间，/>为温度变化结束时间；
在时刻，温度保持不变，则放出热量与吸收热量相同，即为放热功率与吸热功率相同，假设电解铝反应在该段时间内吸热功率不变；即
式中，为/>到/>这一时间段内的吸热功率（近似不变），/>为初始时刻/>的放热功率；
则有：
由此可知，温度变化仅与放热功率变化有关，电解铝本身为放热反应，这里的放热功率即为电功率；
图3为输入电功率随时间变化曲线，其中，阴影部分下边界曲线1为初始输入电功率在/>到/>这一时间段内的变化规律，阴影部分上边界曲线2为输入电功率/>在/>到/>这一时间段内的变化规律，则阴影部分面积即为/>到/>这一时间段的放热总量，由放热总量可求得这一时间段的温度变化量。
通过放热总量求得到/>这一时间段的温度变化量；
在时间内，温度变化/>则：/>
式中，为在/>内的温度变化量，/>为在/>内的电功率变化量；
假设调频个小时，为了防止/>的频繁变化使得机器寿命减少，使电功率/>每一小时变化一次。由于高耗能负荷，尤其是电解铝负荷的热惯量较大，在较短时间内，温度变化较小。因此，在此模型中忽略每个小时的温度变化以及温度对生产效率的影响不会对模型的精确度以及最终求得的实现最大经济效益的控制策略产生较大误差。
即在每个小时初始时刻对应有电功率，温度/>和效率/>，而在非整小时时刻，电功率/>和效率/>均不发生变化。每个小时内的热量与温度变化在每小时初始时刻完成；其中，/>，/>；若每个小时内电功率/>无变化，则上述公式中的则变为/>，则有：
式中，为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>为第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>为第/>台机组的质量；
综合上述公式可得，第台机组、第/>个小时的效率/>为：
式中，为第/>台机组、第/>个小时的效率，/>为第/>台机组效率系数。
步骤2的具体实现包括：
步骤2.1 利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂产品收入模型；
产品输出与电解铝效率存在联系，在此模型中忽略产品质量不同而带来的产品单价的差异，认为不同机组所得铝只有产量不同而无质量差异，即各机组产品单价相同，产品收入只是有关产量的函数。对于电解铝反应来说，电功率即为系统输入，可等效代替所消耗的以铝的氧化物为主要成分的产品原料，故电解铝反应所得铝产量可看作。
则产品产量如下：
式中，是第1个小时的电解铝产品收入，/>是第2小时的电解铝产品收入，/>是第3小时的电解铝产品收入，/>是第/>小时的电解铝产品收入，/>是第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>是第/>台机组、第/>个小时的效率，/>是/>个小时的产品总量；
特别说明，由于一小时内电功率无变化，转换为/>。
产品收入如下：
式中，是调频M小时内的产品总收益，/>是电解铝产品单价。
2.2利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂调频收入模型；
若电力系统的频率低于额定值，则负荷侧（这里指电解铝厂）的电功率降低，会使得频率有所回升；若电力系统频率高于额定值，则负荷侧的电功率升高，会使得频率有所下降。由于负荷的调频效应，在电解铝厂的输入电功率在变化的同时，不仅会影响产品产量，进而影响产品收入，还会起到一定调频作用，维护电力系统的稳定运行，获得一定的调频收入。
调频量如下：
/>
式中，是第1个小时的调频量，/>是第2个小时的调频量，/>是第3个小时的调频量，/>是第M个小时的调频量，/>是第i台机组、第j个小时的电功率；
在初始状态下，电源侧发电功率与负荷有功平衡，即
式中，是电源侧发电总功率，/>是负荷侧功率；
当系统频率低于额定频率时，若负荷侧功率下降，则可使得电力系统频率升高，起到调频作用，获得调频收益；若负荷侧频率升高，则会进一步使电力系统频率下降，不起调频作用，无法获得调频收益。
当系统频率高于额定频率时，若负荷侧功率升高，则可使得电力系统频率下降，起到调频作用，获得调频收益；若负荷侧频率降低，则会进一步使电力系统频率升高，不起调频作用，无法获得调频收益。
综上，调频单价函数定义为分段函数：
当频率偏低，有向上调频需求时：
当频率偏高，有向下调频需求时：
式中，是调频单位容量所获调频补偿，/>是第/>小时内的调频单价；
调频收入如下：
式中，是调频/>小时的总调频收益。
步骤2.3 利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂用电成本模型；
输入电功率变化将引起用电成本变化。近年来，我国为减轻高峰时期电力系统负荷，提高用电负荷均衡性，实施了分时电价政策以提高电力系统运行的稳定性。在此模型中，因调频时刻一般处于正常人工工作时段，即白天时段，为高峰时段或平均时段，一般不处于低峰时段，所带来的分时电价差异并不是特别大。因此，为了减小模型复杂度，忽略分时电价问题，采用统一用电单价。
式中，是调频/>小时的总用电量，/>是用电单价，/>是调频/>小时的总用电成本。
2.4求得限制条件及最终目标函数；
现代电解铝工业的生产普遍采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法，主要的设备是铝电解槽。在冰晶石-氧化铝熔盐电解法中，以熔盐冰晶石为溶剂，氧化铝为溶质溶解于其中，以碳素材料作为作为阴阳两极。为保证冰晶石为熔融状态，使得反应正常进行，反应温度有上限和下限。在实际运行中，电解槽的温度要维持在950~970℃高温。
一旦开始生产，需要保持连续的操作防止长期的断电造成冰晶石在电解槽中固化。短期的电解槽中断在几分钟到三小时范围内，不会造成冰晶石固化，但此过程会影响电解铝负荷的产量，但是电解铝厂的主要收益来源即为产品收入，若产量减少，则势必造成产品收入大幅度下降，故应避免中断事故的发生。
综上，温度的约束条件如下：
；
电解槽的高温由通入的直流电放热维持，同时考虑电解槽直流母线、整流桥等设备的承流能力以及电流放热对寿命、绝缘等的影响，输入电功率也存在最佳范围，即有电功率的约束条件如下：
；
电解铝厂总收益即为收入与成本之差，即可建立使得电解铝厂收益最大化的目标函数模型如下：
在上式中：
当频率偏低，有向上调频需求时：
当频率偏高，有向下调频需求时：
式中为调频/>小时，电解铝厂的总经济收益；且满足：
。
具体实施时，电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法，包括：
采用温度计监测N台机组的实时温度并记录，同时记录电解铝的实时产量，N为大于1的正整数；
利用MATLAB输入两组数据拟合，求得N台机组电解铝产量随温度变化曲线和效率系数；
监测调频开始时的初始温度和初始电功率，利用初始温度、初始电功率和所求得的效率系数建立收益最大化的目标函数；
求解得到各时刻各机组的电功率，按所求电功率运行参与调频控制。
由伯奇-格洛泰姆方程知，在规定温度内，温度与电解铝效率成反比，设，其中，/>为电解铝效率，T为机组温度，/>为电解铝效率与机组温度的比例系数，称效率系数，且/>；
利用实时监测数据拟合曲线得到相应参数，对每台机组求平均斜率，平均斜率的绝对值即为相应机组的效率系数值；如图2所示。
规定从有调频需求时刻到调节电功率开始调频时刻为第0个小时，从调节电功率开始调频时刻之后则依次为第1个小时、第2个小时……经过温度测量装置测出第i台机组、第0个小时的温度，经过电功率测量装置测出第i台机组、第0个小时的电功率/>，各机组各时刻的效率
式中，为第/>台机组、第/>个小时的效率，/>为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第/>台机组的效率系数；
温度变化与热量变化的关系得：
式中，为装置热容，/>为装置质量，/>为变化前温度，/>为变化后温度，/>为/>到这一时间段内的吸热功率，/>为/>到/>这一时间段内的放热功率，/>为温度变化初始时间，/>为温度变化结束时间；
在时刻，温度保持不变，放出热量与吸收热量相同，放热功率与吸热功率相同，设电解铝反应在该段时间内吸热功率不变；/>
当
式中，为/>到/>这一时间段内的吸热功率，/>为初始时刻/>的放热功率；
则有：
温度变化与放热功率变化有关，电解铝为放热反应，放热功率即为电功率；
图3为输入电功率随时间变化曲线，其中，阴影部分下边界曲线1为初始输入电功率在/>到/>这一时间段内的变化规律，阴影部分上边界曲线2为输入电功率/>在/>到/>这一时间段内的变化规律，则阴影部分面积即为/>到/>这一时间段的放热总量，由放热总量可求得这一时间段的温度变化量。
通过放热总量求得到/>这一时间段的温度变化量；
时间内，温度变化/>则：/>
式中，为在/>内的温度变化量，/>为在/>内的电功率变化量；
设调频个小时，电功率/>每一小时变化一次；在每个小时初始时刻对应有电功率/>，温度/>和效率/>，而在非整小时时刻，电功率/>和效率/>均不发生变化；每个小时内的热量与温度变化在每小时初始时刻完成；其中，/>，/>；若每个小时内电功率/>无变化，则/>变为/>，则有：
式中，为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>为第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>为第/>台机组的质量；
第台机组、第/>个小时的效率/>为：
式中，为第/>台机组、第/>个小时的效率，/>为第/>台机组效率系数。
利用初始温度、初始电功率和所求得的效率系数建立收益最大化的目标函数包括：
1）利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂产品收入模型；
电解铝反应所得铝产量为，则产品产量如下：/>
式中，是第1个小时的电解铝产品收入，/>是第2小时的电解铝产品收入，/>是第3小时的电解铝产品收入，/>是第/>小时的电解铝产品收入，/>是第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>是第/>台机组、第/>个小时的效率，/>是/>个小时的产品总量；
一小时内电功率无变化，转换为/>；
产品收入如下：
式中，是调频M小时内的产品总收益，/>是电解铝产品单价；
2）利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂调频收入模型；
调频量如下：
式中，/>是第1个小时的调频量，/>是第2个小时的调频量，/>是第3个小时的调频量，/>是第M个小时的调频量，/>是第i台机组、第j个小时的电功率；
在初始状态下，电源侧发电功率与负荷有功平衡，即
/>
式中，是电源侧发电总功率，/>是负荷侧功率；
调频单价函数定义为分段函数：
当频率偏低，有向上调频需求时：
当频率偏高，有向下调频需求时：
式中，是调频单位容量所获调频补偿，/>是第/>小时内的调频单价；
调频收入如下：
式中，是调频M小时的总调频收益；
3）利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂用电成本模型；
采用统一用电单价；
式中，是调频M小时的总用电量，/>是用电单价，/>是调频M小时的总用电成本；
4）求得限制条件及最终目标函数；
温度的约束条件如下：
；
电功率的约束条件如下：
；
电解铝厂收益最大化的目标函数模型如下：
在上式中：
/>
当频率偏低，有向上调频需求时：
当频率偏高，有向下调频需求时：
式中为调频M小时，电解铝厂的总经济收益；且满足：
。
求解所得目标函数，调节相应参数得到正确的电功率。
基于上述得到的目标函数，利用计算机相应算法可求得在实现时的/>（；/>），整理得到各个机组在各时刻的电功率控制计划：
表1最终需要调节的电功率
在每个小时每台机组都对应着一个电功率。在调频开始时，N台机组按表格第一列调整输入电功率为（/>），运行一小时后，N台机组按表格第二列调整输入电功率为为/>（/>），运行一小时后，N台机组按表格第二列调整输入电功率为/>（），以此类推。
式中，为电解铝反应电功率，/>为直流电压，/>为串联反电动势，取354.6/>，为流经电解槽的直流电流，/>为电解槽等效电阻，取2.016/>。
当电解铝厂收到调频命令时，可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改变电解槽的直流电压，按上述关系实现对所需要的电功率/>的控制。
一种电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法的装置，包括温度测量装置、电功率测量装置和数据处理系统；温度测量装置用于测量机组的实时温度；电功率测量装置用于测量机组的电功率；数据处理系统用于实时监测数据拟合曲线得到相应参数，求每台机组的平均斜率。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存介质用于存储程序代码，程序代码用于执行电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法。
一种包括指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得所述计算机执行电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法，其特征在于，包括：
采用温度测量装置监测N台机组的实时温度并记录，同时记录电解铝的实时产量，N为大于1的正整数；
利用MATLAB输入两组数据拟合，求得N台机组电解铝产量随温度变化曲线和效率系数；
监测调频开始时的初始温度和初始电功率，利用初始温度、初始电功率和所求得的效率系数建立收益最大化的目标函数；
求解得到各时刻各机组的电功率，按所求电功率运行参与调频控制。
2.根据权利要求1所述电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法，其特征在于，利用MATLAB输入两组数据拟合，求得N台机组电解铝产量随温度变化曲线和效率系数包括：
由伯奇-格洛泰姆方程知，在规定温度内，温度与电解铝效率成反比，设，其中，为电解铝效率，T为机组温度，/>为电解铝效率与机组温度的比例系数，称效率系数，且；
利用实时监测数据拟合曲线得到相应参数，对每台机组求平均斜率，平均斜率的绝对值即为相应机组的效率系数值；
设有调频需求时刻到调节电功率开始调频时刻为第0个小时，从调节电功率开始调频时刻之后则依次为第1个小时、第2个小时……经过温度测量装置测出第i台机组、第0个小时的温度，经过电功率测量装置测出第i台机组、第0个小时的电功率/>，各机组各时刻的效率为：
式中，为第/>台机组、第/>个小时的效率，/>为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第台机组的效率系数；
温度变化与热量变化的关系得：
式中，为装置热容，/>为装置质量，/>为变化前温度，/>为变化后温度，/>为/>到/>这一时间段内的吸热功率，/>为/>到/>这一时间段内的放热功率，/>为温度变化初始时间，/>为温度变化结束时间；
在时刻，温度保持不变，放出热量与吸收热量相同，放热功率与吸热功率相同，设电解铝反应在该段时间内吸热功率不变；
当
式中，为/>到/>这一时间段内的吸热功率，/>为初始时刻/>的放热功率；
则有：
温度变化与放热功率变化有关，电解铝为放热反应，放热功率即为电功率；
通过放热总量求得到/>这一时间段的温度变化量；
时间内，温度变化/>则：/>
式中，为在/>内的温度变化量，/>为在/>内的电功率变化量；
设调频个小时，电功率/>每一小时变化一次；在每个小时初始时刻对应有电功率/>，温度/>和效率/>，而在非整小时时刻，电功率/>和效率/>均不发生变化；每个小时内的热量与温度变化在每小时初始时刻完成；其中，/>，/>；若每个小时内电功率/>无变化，则/>变为/>，则有：
式中，为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第/>台机组、第/>个小时的温度，/>为第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>为第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>为第/>台机组的质量；
第台机组、第/>个小时的效率/>为：
式中，为第/>台机组、第/>个小时的效率，/>为第/>台机组效率系数。
3.根据权利要求2所述电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法，其特征在于，利用初始温度、初始电功率和所求得的效率系数建立收益最大化的目标函数包括：
1）利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂产品收入模型；
电解铝反应所得铝产量为，则产品产量如下：
式中，是第1个小时的电解铝产品收入，/>是第2小时的电解铝产品收入，/>是第3小时的电解铝产品收入，/>是第/>小时的电解铝产品收入，/>是第/>台机组、第/>个小时的电功率，/>是第/>台机组、第/>个小时的效率，/>是/>个小时的产品总量；
一小时内电功率无变化，转换为/>；
产品收入如下：
式中，是调频M小时内的产品总收益，/>是电解铝产品单价；
2）利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂调频收入模型；
调频量如下：
式中，是第1个小时的调频量，/>是第2个小时的调频量，/>是第3个小时的调频量，/>是第M个小时的调频量，/>是第i台机组、第j个小时的电功率；
在初始状态下，电源侧发电功率与负荷有功平衡，即
式中，是电源侧发电总功率，/>是负荷侧功率；
调频单价函数定义为分段函数：
当频率偏低，有向上调频需求时：
当频率偏高，有向下调频需求时：
式中，是调频单位容量所获调频补偿，/>是第/>小时内的调频单价；
调频收入如下：
式中，是调频M小时的总调频收益；
3）利用各机组各时刻电功率建立电解铝厂用电成本模型；
采用统一用电单价；
式中，是调频M小时的总用电量，/>是用电单价，/>是调频M小时的总用电成本；
4）求得限制条件及最终目标函数；
温度的约束条件如下：
；
电功率的约束条件如下：
；
电解铝厂收益最大化的目标函数模型如下：
在上式中：
当频率偏低，有向上调频需求时：
当频率偏高，有向下调频需求时：
式中为调频M小时，电解铝厂的总经济收益；且满足：
。
4.根据权利要求3所述电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法，其特征在于，求解各时刻各机组的电功率包括：
基于得到的目标函数，利用计算机相应算法求得在实现时的/>，/>；，各个机组在各时刻的电功率控制方法如下：
第1台机组第1个小时的电功率为，第1台机组第2个小时的电功率为/>，第1台机组第3个小时的电功率为/>，第1台机组第M个小时的电功率为/>，其中，M为小时总数，M取正整数；
第2台机组第1个小时的电功率为，第2台机组第2个小时的电功率为/>，第2台机组第3个小时的电功率为/>，第2台机组第M个小时的电功率为/>，其中，M为小时总数；
第3台机组第1个小时的电功率为，第3台机组第2个小时的电功率为/>，第3台机组第3个小时的电功率为/>，第3台机组第M个小时的电功率为/>，其中，M为小时总数；
第N台机组第1个小时的电功率为，第N台机组第2个小时的电功率为/>，第N台机组第3个小时的电功率为/>，第N台机组第M个小时的电功率为/>，其中，N为机组总数，N取正整数；
每个小时每台机组均对应一个电功率情况下：
在调频开始第1小时，N台机组输入电功率为，/>；
第2小时，N台机组输入电功率为（/>）；
第3小时，N台机组输入电功率为（/>）；
第M小时，N台机组输入电功率为（/>）；
式中，为电解铝反应电功率，/>为直流电压，/>为串联反电动势，取354.6/>，/>为流经电解槽的直流电流，/>为电解槽等效电阻，取2.016/>；
当电解铝厂收到调频命令时，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改变电解槽的直流电压，实现对所需要的电功率/>的控制。
5.用于权利要求1-4任意一项所述电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法的装置，其特征在于，包括温度测量装置、电功率测量装置和数据处理系统；温度测量装置用于测量机组的实时温度；电功率测量装置用于测量机组的电功率；数据处理系统用于实时监测数据拟合曲线得到相应参数，求每台机组的平均斜率。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存介质用于存储程序代码，程序代码用于执行权利要求1-4任一项所述的电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法。
7.一种包括指令的计算机程序产品，其特征在于，当其在计算机上运行时，使得所述计算机执行权利要求1-4任一项所述的电解铝负荷基于温度状态参与电网调频的电功率控制方法。
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