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大规模可再生能源接入给电力系统的运行与控制造成了巨大的压力,发掘大规模快速调节资源以提高电力系统灵活性是电力系统转型过程中亟需解决的问题。高耗能电解铝负荷具备较大热蓄能潜力,深入挖掘高耗能电解铝负荷调控潜力对于提升电力系统灵活性具有重大意义。本文研究了高耗能电解铝负荷调控特性及其在电力系统频率调节应用的理论和方法。基于高耗能电解铝负荷生产工艺特性提出了高耗能电解铝负荷功率调控方法并通过现场试验证明了高耗能电解铝负荷具备快速动态调节特性。针对离网型高耗能工业电网频率稳定问题,提出了基于负荷控制的离网型高耗能工业电网一次调频控制方法;针对并网型高耗能工业电网联络线功率波动问题,提出了基于负荷控制的并网型高耗能工业电网二次调频控制方法;在此基础上提出了高耗能电解铝负荷参与电力市场调频辅助服务的控制策略。通过本文构建的高耗能电解铝负荷参与电力系统调频控制的新模式,提升了电力系统灵活性以及电力系统对可再生能源的消纳能力。本文的主要工作和创新成果如下:(1)建立了考虑生产工艺特性的高耗能电解铝负荷有功-电压外特性模型,提出了高耗能电解铝负荷调控方法并通过现场测试验证了高耗能电解铝负荷具备快速动态调节特性。(2)提出了一种基于负荷控制的离网型高耗能工业电网一次调频控制策略。针对风电功率波动给离网型高耗能工业电网造成的频率稳定问题,提出了基于系统频率反馈的高耗能电解铝负荷控制器,实现了高耗能电解铝负荷对系统频率的自动反馈控制。在此基础上,考虑实际高耗能工业电网复杂运行环境,研制了基于广域信息的闭环控制系统,实现了高耗能电解铝负荷与火电机组一次调频协调运行,共同维持该离网型高耗能工业电网安全稳定运行。所研制的闭环控制系统在实际含高渗透率风电的离网型高耗能工业电网进行了实证性现场试验,不同风电功率扰动情景下该闭环控制系统均能够有效动作维持系统频率稳定,解决了风电功率连续快速波动以及瞬间扰动给离网型工业电网造成的频率控制难题。(3)提出了一种基于负荷控制的并网型高耗能工业电网二次调频控制策略。针对风电功率给并网型高耗能工业电网造成的联络线功率波动问题,设计了基于显式模型预测控制的并网型高耗能工业电网联络线功率控制策略,通过高耗能电解铝负荷与火电机组二次调频联合控制,实现了对并网型高耗能工业电网联络线功率的控制,平抑了并网型高耗能工业电网内可再生能源功率波动。所提出的显式模型预测控制器基于多参数规划方法,在不影响模型预测控制器调节效果的前提下提高了模型预测控制的计算速率,解决了传统模型预测控制计算速率慢难以处理快动态过程的难题,有利于实现该控制策略的工业应用。(4)设计了高耗能电解铝负荷参与电力市场调频辅助服务的两阶段协调控制策略,包括日前调频备用容量优化策略以及实时调频优化控制策略。在日前调频备用容量优化层面,针对调频信号的随机不确定性难题,提出了基于调频里程的极端场景替换法,将调频信号的不确定性转化为确定性的极端场景,使得日前调频备用容量优化问题便于求解。在实时调频控制层面度,考虑负荷调节经济性代价,提出了基于经济型模型预测控制的实时控制策略,以调频过程经济性最优的目标函数取代传统方法以调频性能最优的目标函数,保证了高耗能电解铝负荷参与调频过程中的整体经济性。通过两阶段协调优化策略,实现了高耗能工业以及电网侧的共赢。