分布式光伏发电在电解铝厂供电整流系统中的应用策略研究

0 引言

电解铝作为典型的高耗能产业，其生产过程中电力成本占总成本比例高达 40%45% ，在"碳达峰、碳中和"战略背景下，传统电网供电模式面临日益严峻的挑战，阶梯电价政策导致用电成本持续攀升，传统电网供电的碳排放强度也难以满足日趋严格的环保要求。光伏发电作为清洁可再生能源，具有诸多优势，理论上可有效缓解上述矛盾，但因占地面积大、受自然条件影响导致供电不稳定等问题，难以直接应用于对供电可靠性要求极高的电解铝厂供电整流系统。因此，研究如何将分布式光伏发电有效应用于电解铝厂供电整流系统，具有重要的现实意义。

1 现状分析

目前，电解铝厂主要依赖当地电网供电，其能源消耗在地区用电中占据很大比重，这种方式使得企业在用电成本和能耗指标上面临巨大压力，面临着高能耗带来的产能淘汰风险。而太阳能光伏发电虽然是理想的可再生能源，但在应用于电解铝厂时存在明显障碍。首先，光伏发电占地面积大，传统光伏系统每 MW 需占地约 15-20 亩，在电解铝厂有限的场地内布局存在困难；其次，其供电受天气、昼夜等自然条件影响，输出功率不稳定，很难满足电解铝厂负荷对供电可靠性的严格要求；另外还有光伏并网引入的谐波会加剧整流机组换相失败风险。些因素都导致光伏发电在电解铝厂供电应用中受到极大制约。

2 分布式光伏发电用于电解铝厂供电整流系统的方法

2.1 系统架构

在厂区外部建设光伏发电系统，不占用厂内有限的场地，将光伏发电系统输出端与光伏供电专用升压配电装置连接，电能依次经过光伏专用升压配电装置、输电线路、光伏供电专用整流机组、光伏供电专用直流支母线，最终输送到电解铝厂供电整流系统的直流汇流总母线上。光伏供电专用升压配电装置设置在光伏发电厂，光伏供电专用整流机组和光伏供电专用直流支母线设置在电解铝厂供电整流所的邻侧。其中光伏供电专用整流机组集成有载调压（OLTC）和可控硅相控双重调压机制，OLTC 负责大范围电压调节（ ±10% ），可控硅相控实现精细调节（步长1°），两者协同工作可确保输出电流波动控制在 ：±0.5% 以内。

2.2 保护策略

设置光伏专用供配电线路光差保护和电解铝厂整流所直流母线的主动式防逆流保护。当光伏发电系统出现故障、发电不达标或停止发电，光伏供电专用供电整流机组故障，光伏供电专用直流支母线短路，以及电解铝厂供电整流系统综合故障时，均启动相应保护，断开光伏发电系统的供电回路，避免“孤岛效应”，确保供电系统安全。在光伏供电专用直流支母线上设置直流隔离开关和直流逆流互感器，当直流逆流互感器测得电流反向达到稳控PLC 设置的保护定值时，发出跳闸指令，实现直流母线的主动式防逆流保护。构建"电气量检测-故障识别-快速隔离"三级保护体系。

2.3 系统运行控制策略

系统的基本运行模式为混合供电模式，既光伏正常发电出力，整流机组采用稳流与稳压并行的跟随模式，混合供电模式的控制策略也主要从稳流和稳压两个方面考虑。

稳流控制方面，监测直流汇流总母线的电流信号，以总直流电流传感器测得的电流信号作为反馈，对电解铝厂供电整流系统进行给定控制。当光伏供电专用整流机组因光伏发电系统波动导致直流电流输出变化时，稳流系统依据总直流电流信号的变化，调整电解铝厂其它非光伏供电整流机组的电流输出，保证总直流电流稳定。

稳压控制则通过监测光伏供电专用直流汇流支母线的电压信号，调整光伏供电专用供电整流机组的有载开关档位及可控硅的控制角，使光伏供电专用供电整流机组的直流输出电压与电解铝厂供电整流系统侧电压始终保持一致。

2.4 电能质量治理策略

针对光伏并网带来的谐波问题，可采取三重治理措施加以解决：首先是采用自耦调压移相式12 脉波整流机组作为光伏供电专用接入装置，可将特征谐波含量有效降低；其次是采用基于 FFT 分析的主动滤波技术，在电解铝厂整流所设置实时滤波补偿装置，进一步虑除系统中的残余谐波；再者是优化光伏逆变器的PWM 调制策略，从源头减少谐波的产生。

3 应用效果

经理论计算，在产能20 万吨的 400kA 电解系列实施本系统改造后，其关键运行指标计算结果对比如下所示：

计算结果表明，本方法有效利用了电解铝厂内分布式光伏发电能力，通过合理的供配电配置及控制、保护策略，显著减少了光伏发电不稳定性对供电系统的影响，保证了供电可靠性，降低了铝厂能耗指标。同时，该方法无需改变电解铝厂供电整流系统的原有配置，既适用于新建电解铝厂，也可用于现有电解铝厂的升级改造，且投资占比较小，具有良好的经济效益和推广价值。

4 结论

本论文提出的分布式光伏发电用于电解铝厂供电整流系统的方法，通过系统级创新，解决了光伏发电在电解铝生产中的应用难题，实现了对电解铝厂能源供应的优化。该方法在提高能源利用效率、降低生产成本、减少环境污染等方面具有积极意义，为电解铝行业的可持续发展提供了新的技术途径，有望在行业内得到广泛应用和推广。未来，可进一步研究如何结合储能技术等，进一步提升该系统的性能和稳定性。

参考文献

[1] 中国有色金属工业协会. 中国铝工业绿色发展白皮书（2023 年版）[R]. 北京： 冶金工业出版社， 2023： 35-42.

[2]胡涛，张春晓，林琳．高效光伏并网直流供电系统方案与实践[J]. 电信工程技术与标准化，2024（11）

[3]顾洪洋，孙振胜，于娜．面向风光消纳的并网型绿电铝评价企业优化运行策略[J]．吉林电力，2024（12）

[4] 国家能源局. 光伏发电系统接入配电网技术规定： NB/T32015-2023[S]. 北京： 中国电力出版社， 2023.

作者简介：杨博（1978- ），男，人，高级工程师，工学硕士学位，研究方向：工业供配电系统。