技术领域
[0001] 本
发明属于电
力系统运行与控制技术领域，尤其涉及一种电解类负荷参与孤立电网频率控制的方法。
背景技术
[0002] 利用高耗能负荷、火电、
可再生能源构成孤立电网就地消纳
可再生能源的模式引起了广泛关注，然而由于可再生能源的随机性和
波动性以及孤立电网自身惯量小、备用容量低等
缺陷，随着孤立电网中可再生能源比例逐步提高，含高渗透率
风电的孤立电网频率稳定将面临重大挑战。
[0003] 对于含高渗透率可再生能源的孤立电网安全稳定运行问题，一种方法是为局域电网配备储能装置，然而对于包含集中式可再生能源的局域电网，其容量往往高达百万千瓦级别，常规储能装置的容量难以匹配。
[0004] 另一种方法是开发本地负荷控制能力，使负荷参与系统频率调节，国内外对基于HVAC、
电动泵等商业负荷的直接负荷控制已有相应的研究。然而，商业负荷、居民负荷单个容量较小，且比较分散，难以大规模聚集以平抑集中式可再生能源的功率波动。
[0005] 电解
铝负荷参与系统频率控制的研究引起了较大关注，然而已有的控制方法仅针对孤立电网瞬间的功率扰动，难以解决孤立电网连续的功率扰动问题。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种基于电解铝参与频率控制的控制结构，设计了不同功率扰动场景下
控制器的控制逻辑以及控制参数的计算方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电解类负荷参与孤立电网频率控制的方法，通过电解铝负荷控制系统来实现系统频率调节，电解铝负荷控制系统包括网络控制单元NCU、死区单元，比例放大单元、WASHOUT单元和
限幅单元；比例放大单元和WASHOUT单元并联，且一端依次连接死区单元和网络控制单元NCU，另一端连接限幅单元；网络控制单元NCU连接孤立电网系统，限幅单元与WAMS控制主站连接；具体包括以下步骤：
[0008] 步骤1、建立孤立电网系统模型；
[0009] 步骤2、设计不同功率扰动模式下电解铝负荷控制器的控制逻辑；
[0010] 步骤3、设计不同功率扰动模式下电解铝负荷控制器的参数。
[0011] 在上述的电解类负荷参与孤立电网频率控制的方法中，步骤1的实现包括：
[0012] 步骤1.1通过建立电解铝负荷拓扑结构，得到电解铝负荷功率-
电压数学模型；具体步骤如下：
[0013] 1)电解铝负荷拓扑结构等效为反电动势E和等效
电阻R
串联，通过
整流桥、饱和电抗器和有载调压
变压器与交流
母线线路连接；
[0014] 2)电解铝负荷有功功率PASL与直流侧电压VB关系如下：
[0015]
[0016] 3)电解铝负荷直流侧母线电压VB与负荷交流侧母线电压VAH的关系如式(2)；
[0017]
[0018] (2)式中VSR为饱和电抗器压降，k为有载调压变压器变比；
[0019] 4)通过改变发
电机端电压来改变负荷交流母线高压侧电压；根据电压灵敏度方法，得到发电机端电压改变量ΔVG与负荷交流母线高压侧电压ΔVAH的关系，如式(3)；
[0020] ΔVAH＝Ksens·ΔVG (3)
[0021] (3)式中，Ksens为母线i对母线j的电压灵敏度系数；
[0022] 5)通过式(2)、(3)可得发电机端电压变化量ΔVG与负荷有功功率变化量ΔPASL的对应关系是：
[0023] ΔPASL＝KASLΔVG (4)
[0024] (4)式中，KASL为负荷综合比例系数；
[0025] 步骤1.2获取孤立电网系统的电气参数，建立孤立电网系统的数学模型，包括火电机组励磁系统，火电机组调速器，火电机组，传输线路，变压器，双馈
风力发电机，电解铝负荷；
[0026] 利用最小二乘法曲线拟合得到惯性环节的各参数，如式(5)；
[0027] ΔPASL(t)＝-0.054+0.054·e-2.782t (5)
[0028] 写成传递函数的形式，如式(6)；
[0029]
[0030] (6)式中，KASL为电解铝负荷放大系数；TASL为电解铝负荷有功功率时间常数。
[0031] 在上述的电解类负荷参与孤立电网频率控制的方法中，步骤2的实现包括：
[0032] 步骤2.1建立电解铝负荷闭环控制系统；
[0033] 电解铝负荷闭环控制系统包括常规WAMS系统、附加WAMS控制主站，下行通道以及网络控制单元NCU；常规WAMS系统包括PMU子站，上行通道以及WAMS主站；WAMS主站与PMU子站通过TCP/IP协议通讯，实现对系统
数据采集和状态监测；WAMS控制主站与PMU子站采用UDP协议进行通讯，直接获取PMU子站状态量；WAMS控制主站实时计算控制参数，并下发至网络控制单元NCU；
[0034] 网络控制单元NCU安装于发电机励磁柜侧，实现对电解铝负荷有功功率的控制；在发电机励磁系统参考电压
叠加点处接入网络控制单元NCU输出端口，以采集的频率
信号作为反馈信号输入；当系统出现功率扰动时，
频率偏差通过网络控制单元NCU作用至火电机组励磁系统参考电压叠加点，使得励磁电压发生改变，从而改变电解铝负荷交流侧电压，电解铝负荷有功功率得到调节以平抑系统出现的
不平衡功率；
[0035] 步骤2.2设计电解铝负荷控制器控制逻辑；
[0036] I)根据PMU子站信息监测系统功率扰动，判断系统状态；
[0037] II)系统状态为瞬间功率扰动或连续功率波动时，WAMS控制主站下发控制参数；
[0038] III)采集本地频率信号，判断WAMS控制主站通讯状态；
[0039] IV)若WAMS控制主站通讯状态正常，则接受WAMS主站参数，更新网络控制单元NCU参数控制发电机励磁电压；
[0040] V)若主站通讯状态异常，则采用网络控制单元NCU本地保存控制参数控制发电机励磁电压。
[0041] 在上述的电解类负荷参与孤立电网频率控制的方法中，步骤3的实现包括：
[0042] 步骤3.1电解铝负荷控制器比例放大单元参数设计；
[0043] 比例放大单元为系统提供稳态功率
支撑，系统产生的功率扰动量ΔP包括电解铝负荷调节量ΔPASLreg和火电机组一次调节量ΔPGreg；火电机组一次调节量与系统频率变化量满足下式：
[0044]
[0045] (7)式中：fN为额定频率，freg为一次调频后系统频率稳态值，PGN为
发电机组额定功率，RG为火电机组调差系数；
[0046] 电解铝负荷调节量与系统频率变化量的关系满足下式(8):
[0047]
[0048] (8)式中：ΔfASLLb为负荷控制器死区范围，PASLN为电解铝负荷额定功率，RASL为电解铝负荷等效调差系数；
[0049] 电解铝负荷承担的功率调节量如式(9)：
[0050] ΔPASLreg＝ΔP-ΔPGreg (9)
[0051] (9)式中系统功率扰动量ΔP分为两种情况计算；
[0052] a.瞬间功率扰动下，系统功率扰动量为ΔPS，则有式(10):
[0053] ΔP＝ΔPS (10)
[0054] b.连续功率波动下，统计一段时间风电功率最大波动量Δpwindmax；将该波动量作为系统功率扰动量ΔP，计算放大系数KP,则有式(11):
[0055] ΔP＝ΔPwindmax (11)
[0056] 由式(9)、式(10)和式(11)求电解铝负荷等效调差系数：
[0057]
[0058] 对于作用于发电机励磁系统的电解铝负荷控制器，满足式(13):
[0059]
[0060] 当电解铝负荷有功功率变化量为ΔPASLreg时，火电机组端电压的变化量：
[0061]
[0062] 由式(13)和式(14)得到比例放大系数KP:
[0063]
[0064] 步骤3.2电解铝负荷控制器WASHOUT单元参数的设计；
[0065] WASHOUT单元参数通过SFR模型进行计算；
[0066] WASHOUT单元参数TD为高通滤波作用，一般选取6-7s；
[0067] Δf(s)与ΔPL(s)的关系为：
[0068]
[0069] (16)式中：
[0070]
[0071]
[0072] (17)式、(18)式中，M为系统等效惯量系数，D为负荷阻尼系数，TD、TR、FH、KM为发电机时间常数，R为发电机调速器下垂系数；
[0073] 忽略远离虚轴的零极点，可将式(16)转化为：
[0074]
[0075] (19)式中，参数z2,ζ,ωn,ωd均可通过SFR模型的参数计算得到；
[0076] 由式(19)求得在单位阶跃函数作用下SFR模型
输出信号的拉氏变换：
[0077]
[0078] 式(20)中：
[0079]
[0080] 对式(20)进行反拉氏变换，得
[0081]
[0082] (21)式中：
[0083]
[0084] 假定tz时刻，系统
频率偏移量最大，此时刻频率变化量的斜率为零，可得式(22):
[0085]
[0086] 通过式(22)可求得系统频率最大偏移出现时间tz，通过调整WASHOUT单元KD参数，使系统最大频率偏移量Δfdevmax维持在Δfmax以内，因此可得式(23):
[0087]
[0088] 由式(22)-(23)可以求得WASHOUT单元系数KD。
[0089] 本发明的有益效果是：
[0090] 1.负荷控制器充分考虑实际现场的复杂工况，能够实现负荷控制器的工业应用。
[0091] 2.可以有效识别孤立电网系统瞬间功率扰动以及连续功率扰动，对不同的扰动自动使用不同的控
制模式，实现电解铝负荷有效的功率调节，维持系统频率稳定。
[0092] 3.已在工业现场进行了现场试验，试验结果证明了本发明控制方法的有效性。
附图说明
[0093] 图1是本发明一个
实施例结合电解铝工艺生产原理，所建立电解铝负荷数学模型；
[0094] 图2是本发明一个实施例通过实测数据建立的电解铝负荷动态功率拟合曲线；
[0095] 图3是本发明一个实施例电解铝负荷控制器拓扑结构图；
[0096] 图4是本发明一个实施例电解铝负荷控制器控制逻辑图；
[0097] 图5(a)是本发明一个实施例在考虑风电功率快速下降的闭环控制试验下风电功率曲线图；
[0098] 图5(b)是本发明一个实施例在考虑风电功率快速下降的闭环控制试验下系统频率变化曲线图；
[0099] 图6(a)是本发明一个实施例在考虑风电功率快速下降的闭环控制试验下发电机端电压变化曲线图；
[0100] 图6(b)是本发明一个实施例在考虑风电功率快速下降的闭环控制试验下负荷母线电压变化曲线图；
[0101] 图7(a)是本发明一个实施例在考虑风电功率快速下降的闭环控制试验下电解铝有功功率变化曲线图；
[0102] 图7(b)是本发明一个实施例在考虑风电功率快速下降的闭环控制试验下发电机有功功率变化曲线图；
[0103] 图8是本发明一个实施例在考虑
切除风
电场的闭环控制试验下风电功率变化曲线图；
[0104] 图9(a)是本发明一个实施例在考虑切除风电场的闭环控制试验下有负荷控制器系统频率变化曲线图；
[0105] 图9(b)是本发明一个实施例在考虑切除风电场的闭环控制试验下没有负荷控制器系统频率变化曲线图；
[0106] 图10(a)是本发明一个实施例在考虑切除风电场的闭环控制试验下有负荷控制器电解铝负荷有功功率变化曲线图；
[0107] 图10(b)是本发明一个实施例在考虑切除风电场的闭环控制试验下没有负荷控制器电解铝负荷有功功率变化曲线图。
具体实施方式
[0108] 下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
[0109] 本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种电解类负荷参与孤立电网频率控制的方法，通过电解铝负荷控制系统来实现系统频率调节，电解铝负荷控制系统包括网络控制单元NCU、死区单元，比例放大单元、WASHOUT单元和限幅单元；比例放大单元和WASHOUT单元并联，且一端依次连接死区单元和网络控制单元NCU，另一端连接限幅单元；网络控制单元NCU连接孤立电网系统，限幅单元与WAMS控制主站连接；具体包括以下步骤：
[0110] 步骤1、建立孤立电网系统模型；
[0111] 步骤2、设计不同功率扰动模式下电解铝负荷控制器的控制逻辑；
[0112] 步骤3、设计不同功率扰动模式下电解铝负荷控制器的参数。
[0113] 进一步，步骤1的实现包括：
[0114] 步骤1.1通过建立电解铝负荷拓扑结构，得到电解铝负荷功率-电压数学模型；具体步骤如下：
[0115] 1)电解铝负荷拓扑结构等效为反电动势E和等效电阻R串联，通过整流桥、饱和电抗器和有载调压变压器与交流母线线路连接；
[0116] 2)电解铝负荷有功功率PASL与直流侧电压VB关系如下：
[0117]
[0118] 3)电解铝负荷直流侧母线电压VB与负荷交流侧母线电压VAH的关系如式(2)；
[0119]
[0120] (2)式中VSR为饱和电抗器压降，k为有载调压变压器变比；
[0121] 4)通过改变发电机端电压来改变负荷交流母线高压侧电压；根据电压灵敏度方法，得到发电机端电压改变量ΔVG与负荷交流母线高压侧电压ΔVAH的关系，如式(3)；
[0122] ΔVAH＝Ksens·ΔVG (3)
[0123] (3)式中，Ksens为母线i对母线j的电压灵敏度系数；
[0124] 5)通过式(2)、(3)可得发电机端电压变化量ΔVG与负荷有功功率变化量ΔPASL的对应关系是：
[0125] ΔPASL＝KASLΔVG (4)
[0126] (4)式中，KASL为负荷综合比例系数；
[0127] 步骤1.2获取孤立电网系统的电气参数，建立孤立电网系统的数学模型，包括火电机组励磁系统，火电机组调速器，火电机组，传输线路，变压器，双馈风力发电机，电解铝负荷；
[0128] 利用最小二乘法曲线拟合得到惯性环节的各参数，如式(5)；
[0129] ΔPASL(t)＝-0.054+0.054·e-2.782t (5)
[0130] 写成传递函数的形式，如式(6)；
[0131]
[0132] (6)式中，KASL为电解铝负荷放大系数；TASL为电解铝负荷有功功率时间常数。
[0133] 进一步，步骤2的实现包括：
[0134] 步骤2.1建立电解铝负荷闭环控制系统；
[0135] 电解铝负荷闭环控制系统包括常规WAMS系统、附加WAMS控制主站，下行通道以及网络控制单元NCU；常规WAMS系统包括PMU子站，上行通道以及WAMS主站；WAMS主站与PMU子站通过TCP/IP协议通讯，实现对系统数据采集和状态监测；WAMS控制主站与PMU子站采用UDP协议进行通讯，直接获取PMU子站状态量；WAMS控制主站实时计算控制参数，并下发至网络控制单元NCU；
[0136] 网络控制单元NCU安装于发电机励磁柜侧，实现对电解铝负荷有功功率的控制；在发电机励磁系统参考电压叠加点处接入网络控制单元NCU输出端口，以采集的频率信号作为反馈信号输入；当系统出现功率扰动时，频率偏差通过网络控制单元NCU作用至火电机组励磁系统参考电压叠加点，使得励磁电压发生改变，从而改变电解铝负荷交流侧电压，电解铝负荷有功功率得到调节以平抑系统出现的不平衡功率；
[0137] 步骤2.2设计电解铝负荷控制器控制逻辑；
[0138] I)根据PMU子站信息监测系统功率扰动，判断系统状态；
[0139] II)系统状态为瞬间功率扰动或连续功率波动时，WAMS控制主站下发控制参数；
[0140] III)采集本地频率信号，判断WAMS控制主站通讯状态；
[0141] IV)若WAMS控制主站通讯状态正常，则接受WAMS主站参数，更新网络控制单元NCU参数控制发电机励磁电压；
[0142] V)若主站通讯状态异常，则采用网络控制单元NCU本地保存控制参数控制发电机励磁电压。
[0143] 更进一步，步骤3的实现包括：
[0144] 步骤3.1电解铝负荷控制器比例放大单元参数设计；
[0145] 比例放大单元为系统提供稳态功率支撑，系统产生的功率扰动量ΔP包括电解铝负荷调节量ΔPASLreg和火电机组一次调节量ΔPGreg；火电机组一次调节量与系统频率变化量满足下式：
[0146]
[0147] (7)式中：fN为额定频率，freg为一次调频后系统频率稳态值，PGN为发电机组额定功率，RG为火电机组调差系数；
[0148] 电解铝负荷调节量与系统频率变化量的关系满足下式(8):
[0149]
[0150] (8)式中：ΔfASLLb为负荷控制器死区范围，PASLN为电解铝负荷额定功率，RASL为电解铝负荷等效调差系数；
[0151] 电解铝负荷承担的功率调节量如式(9)：
[0152] ΔPASLreg＝ΔP-ΔPGreg (9)
[0153] (9)式中系统功率扰动量ΔP分为两种情况计算；
[0154] a.瞬间功率扰动下，系统功率扰动量为ΔPS，则有式(10):
[0155] ΔP＝ΔPS (10)
[0156] b.连续功率波动下，统计一段时间风电功率最大波动量Δpwindmax；将该波动量作为系统功率扰动量ΔP，计算放大系数KP,则有式(11):
[0157] ΔP＝ΔPwindmax (11)
[0158] 由式(9)、式(10)和式(11)求电解铝负荷等效调差系数：
[0159]
[0160] 对于作用于发电机励磁系统的电解铝负荷控制器，满足式(13):
[0161]
[0162] 当电解铝负荷有功功率变化量为ΔPASLreg时，火电机组端电压的变化量：
[0163]
[0164] 由式(13)和式(14)得到比例放大系数KP:
[0165]
[0166] 步骤3.2电解铝负荷控制器WASHOUT单元参数的设计；
[0167] WASHOUT单元参数通过SFR模型进行计算；
[0168] WASHOUT单元参数TD为高通滤波作用，一般选取6-7s；
[0169] Δf(s)与ΔPL(s)的关系为：
[0170]
[0171] (16)式中：
[0172]
[0173]
[0174] (17)式、(18)式中，M为系统等效惯量系数，D为负荷阻尼系数，TD、TR、FH、KM为发电机时间常数，R为发电机调速器下垂系数；
[0175] 忽略远离虚轴的零极点，可将式(16)转化为：
[0176]
[0177] (19)式中，参数z2,ζ,ωn,ωd均可通过SFR模型的参数计算得到；
[0178] 由式(19)求得在单位阶跃函数作用下SFR模型输出信号的拉氏变换：
[0179]
[0180] 式(20)中：
[0181]
[0182] 对式(20)进行反拉氏变换，得
[0183]
[0184] (21)式中：
[0185]
[0186] 假定tz时刻，系统频率偏移量最大，此时刻频率变化量的斜率为零，可得式(22):
[0187]
[0188] 通过式(22)可求得系统频率最大偏移出现时间tz，通过调整WASHOUT单元KD参数，使系统最大频率偏移量Δfdevmax维持在Δfmax以内，因此可得式(23):
[0189]
[0190] 由式(22)-(23)可以求得WASHOUT单元系数KD。
[0191] 具体实施时，一种电解类负荷参与孤立电网频率控制的方法，包括以下步骤：
[0192] S1.孤立电网系统建模步骤：获取电解铝负荷拓扑结构，建立电解铝负荷功率-电压数学模型；获取孤立电网电气参数，建立孤立电网系统的数学模型，包括火电机组励磁系统，火电机组调速器，火电机组，传输线路，变压器，双馈风力发电机，电解铝负荷，在实时数字仿真系统(RTDS)中搭建该孤立电网系统的仿真模型。
[0193] S2.设计电解铝负荷控制器的拓扑结构。结合该孤立电网的风电功率波动特性，按照暂态过程功率支撑以及稳态过程功率支撑设计控制器的拓扑结构。控制器的拓扑结构分为比例放大部分，主要在稳态过程中提供功率支撑；WASHOUT部分，主要在暂态过程中提供功率支撑。
[0194] S3.设计不同扰动情况下电解铝负荷控制器的动作逻辑。电解铝负荷控制器能够自动识别系统出现的功率扰动，分为瞬间功率扰动及连续功率扰动。不同功率扰动模式下，电解铝负荷控制器控制参数不相同。同时，电解铝负荷控制器具备本地控制及在线控制功能。当通讯正常时，电解铝负荷控制器采用在线控制功能；当通讯异常时，电解铝负荷控制器采用本地控制模式。
[0195] S4.设计不同功率扰动模式下电解铝负荷控制器的参数。当系统出现瞬间功率扰动时，电解铝负荷控制器比例放大部分以及WASHOUT部分共同作用，根据广域测量系统测量系统产生的不平衡功率，计算火电机组以及电解铝负荷控制器承担的调节功率。进而计算比例放大部分的参数KP。根据系统频率最大偏移量大于某一限值计算WASHOUT部分的参数。当系统出现连续功率波动时，根据历史风电功率数据计算比例放大部分参数，WASHOUT部分在该模式下不动作。
[0196] S5.将所设计的电解铝负荷控制器分别在RTDS仿真平台以及工业现场进行对比试验，检验负荷控制器在风电功率瞬间扰动以及风电功率连续波动下的控制效果。
[0197] 以下结合附图进一步说明。
[0198] 一、电解铝负荷建模
[0199] 电解铝负荷为蓄热型负荷，功率调节速度快，可以为孤立电网系统提供动态功率支撑。电解铝负荷可以等效为反电动势E和等效电阻R串联，通过整流桥、饱和电抗器和有载调压变压器与交流母线线路连接，等效
电路图如图1所示。
[0200] 电解铝负荷有功功率PASL与直流侧电压VB关系如下：
[0201]
[0202] 电解铝负荷直流侧母线电压VB与负荷交流侧母线电压VAH的关系如公式(2):
[0203]
[0204] 式中VSR为饱和电抗器压降，k为有载调压变压器变比。
[0205] 由于孤立电网各母线电气距离小，可以通过改变发电机端电压的方法来改变负荷交流母线高压侧电压。根据电压灵敏度方法，可以得到发电机端电压改变量ΔVG与负荷交流母线高压侧电压ΔVAH关系，如式(3)。
[0206] ΔVAH＝Ksens·ΔVG (3)
[0207] 其中，Ksens为母线i对母线j的电压灵敏度系数。
[0208] 通过式(2)和式(3)，可以得到发电机端电压变化量ΔVG与负荷有功功率变化量ΔPASL的对应关系。
[0209] ΔPASL＝KASLΔVG (4)
[0210] 其中，KASL为负荷综合比例系数。
[0211] 图2中粗线为现场实测的发电机端电压发生-0.15p.u.的阶跃时，电解铝负荷有功功率的变化曲线。由图可知，电解铝负荷动态响应存在一个明显的惯性环节。采用一阶惯性环节来描述电解铝负荷的动态响应，利用最小二乘法曲线拟合得到惯性环节的各参数，如式(5)，图2中细线为拟合曲线。
[0212] ΔPASL(t)＝-0.054+0.054·e-2.782t (5)
[0213] 写成传递函数的形式，如式(6)所示。
[0214]
[0215] 式中，KASL为电解铝负荷放大系数；TASL为电解铝负荷有功功率时间常数。
[0216] 二、电解铝负荷控制器拓扑结构设计
[0217] 电解铝负荷长期频繁参与系统频率调节将对电解铝生产效率产生一定的影响，需要对电解铝负荷的控制范围进行限制。此外，由图2可知，电解铝负荷动态响应快于火电机组一次调频，在频率调节的暂态过程中应提供更多的功率支撑。根据电解铝负荷的动态特性，设计了电解铝负荷控制器，其逻辑
框图如图3所示。负荷控制器包括比例放大单元、WASHOUT单元以及死区单元和限幅单元。
[0218] 死区单元实现对电解铝负荷控制器的闭
锁，当系统处于正常运行情况下时，系统频率偏差较小，死区单元闭锁负荷控制器仅由火电机组一次调频进行调节。
[0219] WASHOUT单元呈现高通滤波特性，仅当系统出现紧急情况，导致频率剧烈变化时，提供暂态功率支撑。当频率恢复平稳时，WASHOUT单元作用减弱。通过WASHOUT单元控制参数KD，可以降低系统频率最大变化量，防止系统频率下降过低。
[0220] 比例放大单元的功能类似于火电机组一次调频系数R，与火电机组一次调频共同为系统提供稳态功率支撑。通过控制比例放大单元，可以提高系统一次调频备用容量。
[0221] 三、电解铝负荷控制器控制逻辑
[0222] 以下是应用于现场的电解铝负荷闭环控制系统。该闭环控制系统在常规WAMS系统(包括PMU子站，上行通道以及WAMS主站)的
基础上，附加WAMS控制主站，下行通道以及网络控制单元NCU。
[0223] 常规WAMS主站与PMU通过TCP/IP协议通讯，实现对系统数据采集和状态监测功能。WAMS控制主站与PMU采用UDP协议进行通讯，直接获取PMU子站状态量。WAMS控制主站包含高级应用程序，根据系统状态实时计算控制参数，并下发至网络控制单元NCU。
[0224] 网络控制单元NCU安装于发电机励磁柜侧，实现对电解铝负荷有功功率的控制。网络控制单元NCU具备频率信号采集和与WAMS控制主站实时通讯的功能，并具备独立逻辑运算能力，能够将
数字量转换为物理量输出。在发电机励磁系统参考电压叠加点处接入网络控制单元NCU输出端口，以采集的频率信号作为反馈信号输入。当系统出现功率扰动时，频率偏差通过网络控制单元NCU作用至火电机组励磁系统参考电压叠加点，使得励磁电压发生改变，从而改变电解铝负荷交流侧电压，电解铝负荷有功功率得到调节以平抑系统出现的不平衡功率。
[0225] 为提高闭环控制系统可靠性，采用以本地控制为主、在线控制为辅的控制模式，本地装置网络控制单元NCU包含主要控制逻辑，与WAMS控制主站通讯中断情况下仍能够自主完成本地闭环控制。WAMS控制主站根据系统运行状态在线
修改网络控制单元NCU控制参数，优化闭环控制系统效果。基于电解铝负荷实时闭环控制系统的控制逻辑如图4所示。
[0226] 四、电解铝负荷控制器参数设计
[0227] 4.1.电解铝负荷控制器比例放大单元参数设计
[0228] 比例放大单元为系统提供稳态功率支撑。系统产生的功率扰动量ΔP由电解铝负荷调节ΔPASLreg和火电机组一次调节ΔPGreg共同承担。火电机组一次调节量与系统频率变化量满足下式：
[0229]
[0230] 其中：fN为额定频率，freg为一次调频后系统频率稳态值，PGN为发电机组额定功率，RG为火电机组调差系数。
[0231] 电解铝负荷调节量与系统频率变化量的关系满足下式(8):
[0232]
[0233] 其中：ΔfASLLb为负荷控制器死区范围，PASLN为电解铝负荷额定功率，RASL为电解铝负荷等效调差系数。
[0234] 电解铝负荷承担的功率调节量如式(9)所示：
[0235] ΔPASLreg＝ΔP-ΔPGreg (9)
[0236] 系统功率扰动量ΔP分为两种情况计算。
[0237] i)瞬间功率扰动下，利用实时监测系统可以监测系统产生的功率扰动，直接得到系统功率扰动量ΔP，该情况下系统功率扰动量记为ΔPS，则有式(10):
[0238] ΔP＝ΔPS (10)
[0239] ii)风电功率连续波动下，风电功率波动量难以实时测算，以风电功率历史变化数据为依据，统计一段时间风电功率最大波动量ΔPwindmax。将该波动量作为系统功率扰动量ΔP，计算放大系数KP,则有式(11):
[0240] ΔP＝ΔPwindmax (11)
[0241] 由式(9)、式(10)和式(11)求电解铝负荷等效调差系数：
[0242]
[0243] 对于作用于发电机励磁系统的电解铝负荷控制器，满足式(13):
[0244]
[0245] 当电解铝负荷有功功率变化量为ΔPASLreg时，火电机组端电压的变化量：
[0246]
[0247] 由式(13)和式(14)得到比例放大系数KP:
[0248]
[0249] 4.2.电解铝负荷控制系统WASHOUT单元的设计
[0250] WASHOUT单元仅当系统频率变化迅速时提供暂态功率支撑，减小最大频率偏移量。WASHOUT单元参数可以通过SFR模型进行计算。
[0251] 假定所有发电机对系统负荷变化的同调响应，并将它们等值为一台机。此外，对于此类孤立电力系统，自动发电控制没有投入，因此在SFR模型中将不考虑二次调频的作用。所研究孤立电网中的所有发电机的
原动机均为再热式
汽轮机。由于火电机组调速器响应时间较快，SFR模型将忽略火电机组调速器动态响应过程。WASHOUT单元参数TD为高通滤波作用，根据工程经验，一般选取6-7s；
[0252] Δf(s)与ΔPL(s)的关系如下式所示：
[0253]
[0254] 其中：
[0255]
[0256]
[0257] 式中，M为系统等效惯量系数，D为负荷阻尼系数，TD、TR、FH、KM为发电机时间常数，R为发电机调速器下垂系数。
[0258] 由于该系统存在远离虚轴的零极点，忽略远离虚轴的零极点，可将式(16)化为如下所示：
[0259]
[0260] 式中，参数z2,ζ,ωn,ωd均可通过SFR模型的参数计算得到。
[0261] 由式(19)求得在单位阶跃函数作用下SFR模型输出信号的拉氏变换：
[0262]
[0263] 其中：
[0264]
[0265] 对式(20)进行反拉氏变换，得
[0266]
[0267] 其中：
[0268]
[0269] 假定tz时刻，系统频率偏移量最大，此时刻频率变化量的斜率为零，可得式(22):
[0270]
[0271] 通过式(22)可求得系统频率最大偏移出现时间tz,通过调整WASHOUT单元KD参数，使系统最大频率偏移量Δfdevmax维持在Δfmax以内，因此可得式(23):
[0272]
[0273] 由式(22)-(23)可以求得WASHOUT单元系数KD。
[0274] 五 算例及仿真
[0275] 以下基于国内某一实际的孤立电网展开研究。
[0276] 算例1：考虑风电功率快速下降的闭环控制试验；
[0277] 初始时刻的风电场出力为61MW。对风电场功率进行人为干预，风电场的有功出力在30秒内降低了30MW，风电场的有功出力曲线如图5(a)所示。当闭环控制系统投入后，系统频率变化曲线如图5(b)所示。发电机端电压变化曲线如图6(a)中实线所示，电解铝负荷母线电压变化曲线如图6(b)中实线所示。电解铝负荷有功功率如图7(a)中的实线所示。火电机组的有功功率如图7(b)中的实线所示。由于火电机组和电解铝负荷共同平抑了风功率的扰动，系统频率最终稳定在49.81Hz，系统保持稳定运行。
[0278] 作为对比试验，当闭环控制系统不投入时，系统频率、发电机端电压、负荷母线电压、负荷有功功率以及火电机组有功出力的响应曲线如图5(b)、6(a)(b)、7(a)(b)中的虚线所示。对比图5(b)中的实线和虚线所表示的频率响应曲线，可以看出所提出的控制方法能够有效控制电解铝负荷参与孤立电网的频率控制，分担火电机组的一次调频压力，显著改善孤立电网的频率响应特性。
[0279] 算例2：考虑切除风电场的闭环控制试验；
[0280] 为了验证控制系统大扰动发生时参与系统频率控制的效果，进行了切除风电场的现场试验。考虑现场试验的危险性，电解铝负荷不参与频率控制的对比试验采用基于RTDS的
硬件在环仿真模拟。切除前风电场有功出力30MW，在t＝5s时切除风电场，如图8所示。风电功率突变导致系统频率迅速下降，在闭环控制系统的作用下，电解铝负荷有功迅速调整自动响应系统频率的跌落，从而为系统提供有功支撑，其有功功率在3s内下降30MW，能够在暂态过程中提供足够的有功支撑，如图10(a)的实线曲线所示。随后，火电机组一次调频也逐渐发挥作用，承担了部分功率调整量，最终在火电机组与电解铝负荷的共同响应下，系统频率稳定在49.9Hz左右。同时在基于RTDS的硬件在环仿真平台中进行了相同工况的仿真试验。控制方法投入和退出时硬件在环平台仿真的系统频率响应曲线，分别如图9(a)、(b)中的虚线所示。从图9(a)中可以看出，在边界条件和故障设置均相同的情况下，仿真得到的系统频率响应曲线能够较为准确的模拟现场实测的频率响应曲线。如果不投入闭环控制系统，电解铝负荷功率不会响应系统的频率变化，如图9(b)中的虚线曲线所示。虽然系统的频率最终在火电机组一次调频的作用下没有崩溃，但与控制方法投入的情景相比，系统频率出现较大偏移，频率最低下降到了49.5Hz，如图9(b)所示。对于较大的功率扰动，频率下降过低可能引发低频减载装置动作。
[0281] 综上所述，本实施例的控制方法可以为与上述孤立电网相类似系统的
稳定性研究和控制策略制定与校验提供借鉴。
[0282] 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。
[0283] 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。
