一种基于公共直流母线的风光储制铝能量管理方法与流程

本发明涉及新能源电解铝，尤其涉及一种基于公共直流母线的风光储制铝能量管理方法。

背景技术：

1、风能、太阳能为主的新能源装机容量增长迅速,但新能源消纳形势十分严峻，弃风、弃光等现象较为严重，可再生能源建设与负荷中心呈逆向分布导致消纳大规模可再生能源的能力不足。风光可再生能源发电具有随机性和波动性，电网难以适应大规模可再生能源的接入。高耗能工业负荷具有装机容量大、便于集中控制等优点，具有较大调控潜力用于风光可再生能源消纳。

2、电解铝负荷为典型高耗能工业负荷，现代电解铝工业的生产基本采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法，以熔盐冰晶石为溶剂，氧化铝为溶质溶解于其中，以碳素材料为阴阳两极，通入数百千安培的直流电，在两极间发生电化学反应。通入直流电的目的一方面是利用其热能将冰晶石融化呈熔融状态，并保持其恒定的电解温度，另一方面是实现电化学反应。电解铝的生产需要维持电解槽在950℃至970℃之间，通过控制通入电解槽的直流电进行控制。电解槽具有很大热惯性，热时间常数高达数小时，瞬间的供电功率变化不会对电解槽的热平衡产生很大影响，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。正常运行情况下，电解铝负荷通过恒电流控制方式实现定功率运行，短时间内调节电解铝负荷功率，不会影响电解铝产品的质量。因此在一定范围内，电解铝生产过程的电力需求可以调整，以适应可再生能源的供应情况。

3、为了通过电解铝的方式实现风光消纳，可以建立带风光发电、储能设备及制铝电解槽的风光储制铝系统，通过能量管理策略识别并选择系统运行状态，实现对各设备的控制，在风能和太阳能产电高的时候增加制铝电解槽电力消耗，从而减少可再生能源的浪费，达到消纳风光发电、维持制铝电解槽正常工作的目的。有研究验证了电解铝负荷抑制高渗透率下风电波动的可行性，但未提出具体实现方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足，本发明为了将高耗能工业负荷，特别是电解铝生产过程中的电力需求与可再生能源的不稳定性相结合，以实现可再生能源的有效消纳而提一种基于公共直流母线的风光储制铝能量管理方法。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于公共直流母线的风光储制铝能量管理方法，包括风光储制铝系统，所述风光储制铝系统包括风机机组、ac-dc变换器、光伏阵列、第一dc-dc变换器、第二dc-dc变换器、储能设备、双向dc-dc变换器、制铝电解槽、控制器、能量管理系统；

4、ac-dc变换器一侧连接风机机组，另一侧连接直流母线，将风机机组发出的交流电整流为直流电输入直流母线；

5、第一dc-dc变换器与光伏阵列连接，将光伏阵列发出的直流电变压后输入直流母线；

6、双向dc-dc变换器一侧连接储能设备，另一侧连接直流母线，实现储能设备的充放电；

7、第二dc-dc变换器一侧连接制铝电解槽，一侧连接直流母线，实现对电解槽制铝功率的控制；

8、风机机组、光伏阵列、储能设备、制铝电解槽、直流母线的运行信息通过通讯设备传输至能量管理系统，能量管理系统识别运行模式后向控制器下达控制指令，完成对各设备的功率控制。

9、进一步的，所述能量管理系统以储能设备的极限荷电状态和电解槽正常工作温度为约束条件，将风光储制铝系统分为6种运行模式，根据风机机组、光伏阵列、储能设备、制铝电解槽、直流母线的运行信息识别并选择运行模式，下达控制指令。

10、进一步的，通过所述储能设备的极限荷电状态和电解槽正常工作温度为约束条件，进行模式选择的判断；

11、具体约束条件为：

12、所述储能设备的荷电状态soc处于最小荷电状态socmin与最大荷电状态socmax之间；

13、socmin≤soc≤socmax；

14、所述制铝电解槽温度tel在950℃至970℃之间；

15、950℃≤tel≤970℃。

16、进一步的，判断光伏阵列和风机机组构成的总发电功率能否满足当前制铝电解槽功率，将总发电功率与当前制铝电解槽功率的差值定义为功率差值ps即ps=ppv+pw+pel，其中ppv表示光伏阵列功率，pw表示风机机组功率，pel表示制铝电解槽功率。

17、进一步的，包括以下管理方法：

18、a、 当光伏阵列和风机机组的发电功率能满足当前制铝电解槽功率时，即ps＞0；

19、判断储能设备的荷电状态soc是否达到荷电上限socmax，若储能设备的荷电状态未达荷电上限，即soc＜socmax，则系统进入运行模式1，储能设备充电，储能设备功率指令为psc＝ps，不改变风机机组、光伏阵列及制铝电解槽的功率；

20、b、当光伏阵列和风机机组的发电功率不能满足当前制铝电解槽功率时，即ps＜0；

21、判断储能设备的荷电状态soc是否达到荷电下限socmin，若储能设备的荷电状态未达荷电下限，即soc＞socmin，则系统进入运行模式2，储能设备放电，储能设备功率指令为psc＝| ps|，不改变风机机组、光伏阵列及制铝电解槽的功率；

22、c、 当光伏阵列和风机机组的发电功率不能满足当前制铝电解槽功率时，即ps＜0；

23、判断储能设备的荷电状态soc是否达到荷电下限socmin，若储能设备的荷电状态已达荷电下限，即soc≤socmin，则系统进入运行模式3，储能设备充电，储能设备功率指令为psc＝ppv+pw-pelmin，不改变风机机组、光伏阵列的发电功率，制铝电解槽按照最低功率运行，制铝电解槽功率指令为pel= pelmin；

24、d、 当光伏阵列和风机机组的发电功率能满足当前制铝电解槽功率时，即ps＞0；

25、判断储能设备的荷电状态soc是否达到荷电上限socmax，若储能设备的荷电状态已达荷电上限，即soc≥socmax；则判断制铝电解槽温度tel是否达正常工作温度上限telmax，若制铝电解槽温度未达正常工作温度上限，即tel＜telmax，则系统进入运行模式4，储能设备处于停运状态，风机机组、光伏阵列发电功率不变，增加制铝电解槽功率，制铝电解槽功率指令为pel= pw+ppv；

26、e、当光伏阵列和风机机组的发电功率能满足当前制铝电解槽功率时，即ps＞0；

27、判断储能设备的荷电状态soc是否达到荷电上限socmax，若储能设备的荷电状态已达荷电上限，即soc≥socmax；则判断制铝电解槽温度tel是否达正常工作温度上限telmax，若制铝电解槽温度已达正常工作温度上限，即tel≥telmax；则比较光伏阵列发电功率和风机机组发电功率的大小，若光伏阵列发电功率小于风机机组发电功率，则系统进入运行模式5，储能设备处于停运状态，光伏阵列弃光，光伏阵列功率指令为ppv=pel- pw，风机机组发电功率、制铝电解槽功率不变；

28、f、当光伏阵列和风机机组的发电功率能满足当前制铝电解槽功率时，即ps＞0；

29、判断储能设备的荷电状态soc是否达到荷电上限socmax，若储能设备的荷电状态已达荷电上限，即soc≥socmax；则判断制铝电解槽温度tel是否达正常工作温度上限telmax，若制铝电解槽温度已达正常工作温度上限，即tel≥telmax；则比较光伏阵列发电功率和风机机组发电功率的大小，若光伏阵列发电功率大于风机机组发电功率，则系统进入运行模式6，储能设备处于停运状态，风机机组弃风，风机机组功率指令为pw=pel- ppv，光伏阵列发电功率、制铝电解槽功率不变。

30、本发明基于公共直流母线的风光储制铝系统各运行模式灵活可控、各模式下直流母线电压平稳、电解制铝过程安全可靠，提高风光消纳及电解制铝经济性。

31、本发明的有益效果：

32、（1）本发明提出的一种基于公共直流母线的风光储制铝能量管理方法通过动态调节储能设备和制铝电解槽的功率消耗，将风能和太阳能的电力产出与电解铝生产的电力需求相匹配，从而最大程度地利用可再生能源，减少能源浪费；

33、（2）发明提出的一种基于公共直流母线的风光储制铝能量管理方法通过将风能和太阳能与高耗能工业负荷结合，减少对传统能源的依赖，促进能源结构的转型和可持续发展；

34、（3）发明提出的一种基于公共直流母线的风光储制铝能量管理方法通过动态控制制铝电解槽的功率，可以有效维持其在稳定的温度范围内运行，保证电解铝生产的质量和效率；

35、（4）发明提出的一种基于公共直流母线的风光储制铝能量管理方法的能量管理系统根据当前系统状态和约束条件，自动选择合适的运行模式，并下达相应的控制指令，使得整个系统具备了灵活性和可控性，能够适应不同的运行环境和需求；

36、（5）发明提出的一种基于公共直流母线的风光储制铝能量管理方法通过实时监测和控制风能、太阳能、储能设备和制铝电解槽等组件的运行状态，能够及时应对系统运行中可能出现的问题，降低电力系统的运行风险，提高系统的安全性和稳定性。