一种光伏直流接入电解铝的联合供电系统及其控制方法与流程

本技术涉及电力系统供电及电解铝工业节能，尤其涉及一种光伏直流接入电解铝的联合供电系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着国家绿色低碳的深入推进，提升电解铝行业的可再生能源利用比例已成为行业发展的核心方向。目前，电解铝企业主要采用两种光伏供电方案：一是将光伏直流电经逆变升压后并入厂区交流电网，但该方案需经多级变换，中间转换环节多、损耗大，且需依托交流电网实现功率平衡，系统结构复杂；二是将低压光伏直流电直接接入电解铝直流母线的就地消纳方案，该方案已在部分企业完成示范验证，但受限于低压直流传输的线损问题，仅适用于光伏场站与电解铝厂区就近配套的场景，无法实现光伏资源的跨区域调配，且现有方案的光伏能量转换效率和供电稳定性仍有待提高。

2、为突破上述限制，部分研究提出采用多模块dc/dc变换器实现光伏直流升压后传输的思路，但已有方案多采用输入串联输出并联（isop）架构，主要适用于高输入电压应力场景，难以适配光伏侧低压输入、负载侧中压输出的应用需求；同时，现有投运项目的电压等级多为20kv及以下、功率容量为11.68mw及以下，难以满足±30kv中压、50mw级及以上大功率远距离传输场景的需求。此外，现有方案在光伏出力波动时的母线电压稳定控制、交直流联合供电的故障隔离与暂态恢复等方面仍缺乏系统性设计，因此，亟需提出一种能够实现光伏直流中压远距离高效传输、适配大功率扩容需求、并具备交直流联合供电故障防护能力的综合解决方案。

技术实现思路

1、本技术提供一种光伏直流接入电解铝的联合供电系统及其控制方法，以至少解决现有光伏直流接入电解铝技术在面对中远距离应用时，因采用低压传输或交流并网模式而导致的传输距离受限、线损高、选址严苛，以及现有变换器架构（如单模块llc或isop结构）在适配±30kv中压、50mw级大功率输出时扩容能力不足，同时缺乏有效的母线电压稳定控制与交直流联合供电故障隔离机制，导致系统效率与供电可靠性差的技术问题。

2、本技术第一方面实施例提出一种光伏直流接入电解铝的联合供电系统，所述系统包括：

3、光伏供电模块，由光伏电池阵列和boost升压电路构成，所述boost升压电路配置基于电压控制的mppt算法和双闭环分阶段控制策略，用于实现光伏电池阵列的最大功率点跟踪；

4、多模块llc谐振变换器，由n个llc子模块组成，所述n个llc子模块的输入端并联连接至所述光伏供电模块的输出母线，输出端依次串联构成输入并联输出串联的架构，用于将所述光伏供电模块输出的直流电升压至中压直流电；

5、直流输电线路，其输入端连接所述多模块llc谐振变换器的输出端，用于将中压直流电从光伏场站远距离传输至电解铝厂区；

6、降压变流装置，其输入端连接所述直流输电线路的输出端，用于将中压直流电降压变换为符合电解铝生产工艺要求的电压；

7、电解槽负载模块，其输入端连接所述降压变流装置的输出端，用于接收直流电进行电解铝生产；

8、330kv变电站交流整流系统，其输出端与所述降压变流装置的输出端并联后接入所述电解槽负载模块，构成交直流联合供电架构。

9、优选的，所述llc子模块包括：

10、高频变压器，用于实现电压变换和电气隔离；

11、高压侧功率单元，由2个半桥碳化硅模块构成h桥拓扑，连接于所述高频变压器的原边；

12、低压侧功率单元，由2个半桥碳化硅模块构成h桥拓扑，连接于所述高频变压器的副边；

13、高压侧谐振电容和低压侧谐振电容，分别配置于所述高频变压器的高压侧和低压侧，用于与所述高频变压器的漏感共同构成谐振回路；

14、所述高频变压器的漏感作为谐振电感，所述llc子模块的谐振回路由所述漏感与所述谐振电容构成，无需额外配置独立谐振电感。

15、进一步的，所述电解槽负载模块采用冰晶石-氧化铝融盐电解法，工作温度控制在950℃至970℃，电解槽的槽电压满足公式，其中upol为极化电压，rcell为槽电阻，icell为电解电流，极化电压upol取电解槽端电压的30%，通过控制电解质浓度、电解槽温度和电极极距，使槽电阻rcell与极化电压upol均保持为恒定值，确保电解电流稳定。

16、本技术第二方面实施例提出一种光伏直流接入电解铝联合供电系统的控制方法，所述方法包括：

17、启动光伏供电模块的升压电路，基于最大功率点跟踪算法控制所述升压电路，使光伏电池阵列运行于最大功率点；

18、采用电流内环与电压外环相结合的双闭环分阶段控制策略控制所述升压电路：系统启动后的第一时段内，以升压电路的输出电压作为电压外环的反馈量，控制升压电路的输出电压趋近于母线电压设定值；在所述第一时段后，切换为以光伏电池阵列的输出电压作为电压外环的反馈量，控制光伏电池阵列运行于最大功率点；

19、将升压电路输出的直流电输入多模块llc谐振变换器，控制各子模块以输入并联、输出串联方式运行，将直流电升压至预设中压等级后输出；

20、将升压后的中压直流电传输至电解铝厂区，经降压变流后为电解槽负载供电，并控制交流整流系统与直流供电并联运行，形成交直流联合供电模式。

21、优选的，所述最大功率点跟踪算法为基于电压控制的mppt算法，通过实时采样光伏电池阵列的输出电压，与最大功率点电压vmpp进行比较，依据比较结果动态调节升压电路功率开关器件的导通占空比，使光伏电池阵列的运行电压趋近并稳定于vmpp。

22、优选的，所述第一时段为系统启动后前3秒；

23、所述多模块llc谐振变换器由llc子模块以输入并联、输出串联方式组合，所述预设中压等级为±30kv。

24、优选的，所述双闭环分阶段控制策略中，所述电压外环采用pi调节器对反馈量进行调节，所述电流内环用于快速响应电流指令以抑制负载扰动。

25、优选的，所述交直流联合供电模式包括：

26、当光伏直流母线发生短路故障时，控制所述交流整流系统独立为电解槽负载供电；

27、当电解铝母线发生短路故障时，控制各子系统经暂态调整后恢复至稳态运行。

28、优选的，所述双闭环分阶段控制策略在从所述第一时段切换至第一时段后的过程中，采用软切换方式，使电压外环的参考值从母线电压设定值平滑过渡至最大功率点电压对应的参考值。

29、优选的，所述多模块llc谐振变换器的各子模块采用均压均流控制策略，通过主从控制方式使各子模块的输出电压保持均衡，输入端并联连接使各子模块的输入电流自然均流；

30、其中，当所述多模块llc谐振变换器的任一llc子模块发生故障时，控制该故障子模块的旁路开关闭合，将该故障子模块的输出端旁路使其退出运行，未故障llc子模块继续保持工作。

31、本技术的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

32、本技术提出了一种光伏直流接入电解铝的联合供电系统及其控制方法，所述系统包括：光伏供电模块，由光伏电池阵列和boost升压电路构成，所述boost升压电路配置基于电压控制的mppt算法和双闭环分阶段控制策略，用于实现光伏电池阵列的最大功率点跟踪；多模块llc谐振变换器，由n个llc子模块组成，所述n个llc子模块的输入端并联连接至所述光伏供电模块的输出母线，输出端依次串联构成输入并联输出串联的架构，用于将所述光伏供电模块输出的直流电升压至中压直流电；直流输电线路，其输入端连接所述多模块llc谐振变换器的输出端，用于将中压直流电从光伏场站远距离传输至电解铝厂区；降压变流装置，其输入端连接所述直流输电线路的输出端，用于将中压直流电降压变换为符合电解铝生产工艺要求的电压；电解槽负载模块，其输入端连接所述降压变流装置的输出端，用于接收直流电进行电解铝生产；330kv变电站交流整流系统，其输出端与所述降压变流装置的输出端并联后接入所述电解槽负载模块，构成交直流联合供电架构。本技术提出的技术方案，能够实现光伏能源的远距离高效传输，提升能量转换效率，并增强系统故障适应性与运行稳定性。

33、本技术附加的方面以及优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。