陈义宣,何烨,李玲芳,高杉雪
(云南电网有限责任公司电网规划建设研究中心,昆明 650011)
近年来,为充分利用云南水电等清洁能源优势,云南省提出了大力发展电解铝等产业。新建设的电解铝负荷主要分布在文山、昭通、大理等地区。其中文山将新增神火铝一期、神火铝二期、马塘铝一期、魏桥铝等负荷。电解铝负荷的主要特点是单体负荷容量大、供电相对集中,至2020 年底,文山将新增电解铝负荷约2300 MW。文山电网是个弱受端电网,电磁环网复杂,又是永富直流受端,电网安全稳定突出。电解铝负荷在短时和长时间尺度上可调节性很差,其大量接入给文山地区电网来了新的安全风险,正常方式或检修方式下主变或线路故障跳闸后热稳定、电压稳定等问题突出。需要电解铝负荷在紧急情况下能实现分级切除[1-3],以保障电网的安全稳定运行。目前电解铝的负荷控制主要在孤立电网的频率稳定控制方面[4-11],在大电网的安全稳定控制方面未见到相关文献报到。
本文分析了线路或主变N-2 等严重故障下,在建电解铝负荷对文山电网稳定影响及稳控策略,提出了电解铝负荷分级切除的实现方案,构建了文山区域稳控系统,保障了电网安全稳定运行。
某电网有两座500 kV 变电站(变电站A、变电站B),并通过3 回500 kV 及2 回220 kV线路与云南主网联网,电网结构简图如图1所示,为提高供电能力及供电可靠性,目前220/500 kV 电磁环网合环运行。2019 年,考虑对越送电及平衡地区中小水电后,文山地区枯期大方式电力缺额约1000 MW,汛期大方式电力缺额约100 MW。
图1 文山电网接线简图
根据水电铝工程项目进展,2020 年底文山地区新增水的电铝负荷包括:新增神火铝两期共1500 MW、马塘铝I 期800 MW,共计新增负荷2300 MW。除此之外,魏桥铝一期三个系列1700 MW 计划于2021 年全部投产,二期1700 MW 计划于“十四五”期间投产。
马塘铝、神火铝等负荷投产后加重了500 kV 线路AD、500 kV 线路AB 等断面潮流,增大了500 kV 变电站A 及500 kV 变电站B 的下网压力,正常方式或检修方式下,主变或线路N-2 故障后,热稳问题、电压稳定问题突出,需要切除相关电解铝负荷等措施。
表1 文山电网N-2主要稳定问题及控制措施
与此同时,电解铝负荷被切除后,相关线路潮流减轻,系统无功需求减小,若系统侧电容器组未及时切除,将出现高电压问题。如500 kV 线路AB 双线N-2 切除电解铝1 和电解铝2 全部负荷后,变电站B 的500 kV 母线电压将超过575 kV,因此500 kV 变电站A 及500 kV 变电站B 需根据各自电压情况,分轮级切除相应电容器组,电解铝侧因无功补偿在整流变低压侧,切除整流变的同时,无功补偿也一并切除。具体如表1 所示。
文山电网是个弱受端电网,电压稳定、热稳定均十分突出,由于热稳定需延时确认,切负荷时间较长,若不及时切除负荷,易造成电压崩溃。结合文山电网实际情况问题,针对不同稳定问题采取不同切负荷措施,具体如表2所示。
表2 不同稳定情形切负荷方式
除此之外,需设置多轮切负荷方案,主要原因有两个:
1)考虑到电解铝切负荷执行站存在装置未正确动作,如整流变未切除、整流控制模式未正确切换等,导致第一轮负荷未有效切除。
2)文山地区短路容量小,电压波动大,受负荷电压特性影响,第一次切负荷时电压较低,负荷偏小;电压恢复后,负荷随之增大,易造成二次过载,如图2 所示。
图2 线路AB双线N-2后变电站B的500 kV母线电压情况
大型电解铝厂中,电解铝采用变流器进行直流供电。电解铝整流装置有晶闸管整流和二极管整流两种。目前神火铝一期、神火铝二期、马塘铝一期、魏桥铝均采用二极管整流方式,整流系统主要由有载调压变压器、整流变、饱和电抗器等构成。二极管整流方式目前主要通过调整饱和电抗器及有载调压变压器抽头来调整电压,从而达到改变电解铝负荷的目的,但调节速度相对较慢,整饱和电抗器调整为秒级,有载调压变压器调节则为分钟级。因此,依靠整流装置本身的功率调节无法抑制故障后电网的迅速崩溃,只能通过紧急切除整流变的方式降低电解铝负荷功率。
由于电解铝所需的直流电流大,故一个电解系列采用多台整流机组并列运行。目前,电解铝整流通常按定电流控制,分为大闭环控制和小闭环控制,大闭环控制为正常控制方式,它以保证整个系列电流恒定为目标,控制系列电流稳定,任何单个整流变切除后,其电流会快速自动的被其他整流变带起;小闭环控制以保证单整流变电流稳定为目标,任何单个整流变切除后,不会将电流转移至其他整流变。因此,切整流变时,为避免负荷转移,稳控系统发切整流变命令的同时,需向铝厂整流系统发送控制模式转换指令,将大闭环控制切换为小闭环控制,电解铝切负荷实现流程如图3 所示。
图3 电解铝负荷切除实现方式
为校验电解铝负荷切除的正确性,在稳控系统现场联调时,开展了相关传动试验,模拟线路AB 双线N-2 故障后切除电解铝1 厂#1 整流变。模拟故障前,电解铝1 厂7 台整流变均运行,每台整流变负荷约27 MW。模拟线路AB 双线N-2 故障后,#1 整流变被正确切除,其他整流变电压基本不变。因电感效应,电流会短时增加(持续约200 毫秒),为了降低风险,电流控制值比切负荷前略小,稳控录波数据如图4 所示,可见,相关试验达到预期目的。通过传动试验显示,神火铝I 的整流系统正确切换,整流变正确切除,满足电网安全稳定控制要求。
图4 #1整流变切除后,其余电解铝响应过程
500 kV 线 路AB、500 kV 线 路AD、500 kV 变电站A、500 kV 变电站B 等元件发生N-2 故障,需切除电解铝1 厂、电解铝2 厂、电解铝3 厂等负荷,2020 年需新增稳控系统,其中500 kV 变电站A 作为区域控制主站,220 kV变电站F 作为监测站,电解铝1 厂、电解铝2 厂、电解铝3 厂、500 kV 变电站B 等4 个厂站作为执行站,其配置图如图5 所示。
图5 文山区域稳控系统配置图(6个厂站)
电解铝负荷的“不可调性”严重影响电网安全防控措施的实施,对电网造成较大的安全隐患,本文结合文山电网实际情况问题,针对不同稳定问题采取不同切负荷措施,同时结合电解铝负荷特性,实现稳控系统对电解铝负荷的正确切除。保障了电网的安全稳定运行,提高弱受端电网对电解铝负荷的接纳能力。