一种冶炼企业特殊负荷电力仿真模型研究

陈大宣　翁海峰　梁文军　陈谦　鞠平

摘要：以冶炼负荷为代表的特殊电力负荷容量较大，对电网电能质量、系统稳定性的影响不可忽略。现有的负荷模型难以描述特殊负荷特性，电力系统的仿真缺少相应的负荷模型。现以硅铁、电解铝和轧钢负荷为例，分析特殊负荷的生产特性和电气特性，提出了综合考虑负荷电气特性和功率冲击特性的特殊负荷模型，新的模型既能描述特殊负荷生产过程中的负荷水平突变，又能体现电网电压的变化对负荷水平的影响。最后在系统仿真软件中给出了特殊负荷模型的应用示例。

关键词：冶炼企业;特殊负荷;电力仿真模型

0 引言

特殊负荷[1-2]是指对电网具有显著冲击性的大容量负荷，其负荷功率变化主要取决于负荷的生产特点，电网的电压和频率变化则是其次要影响因素。冶炼企业中存在较多冲击性负荷设备，这些设备的负荷容量一般较大，可达几十兆瓦甚至上百兆瓦，譬如硅铁企业中的矿热炉，电解铝企业中的电解槽组，钢铁企业中的轧钢设备等。

早期冶炼企业规模较小，而其他民用负荷、商用负荷等容量相对较大，冶炼负荷的冲击特性不明显，对电网的影响可忽略。随着工业的迅速发展，冶炼企业负荷的特殊性日益显著[3-5]，一方面特殊负荷生产过程中，设备的启停、工艺因素等时常造成负荷水平的突变，给电网的运行带来了诸多挑战;另一方面，部分特殊电力负荷具有较强的非线性性，其生产运行对电网电能质量、电力系统可靠性、邻近发电机组运行等有显著影响。

电力系统的仿真计算以相应的模型为基础，模型的准确性对仿真结果影响较大。鉴于特殊电力负荷给电力系统的安全稳定运行、电力设备的正常使用、电能质量等带来了多方面的挑战，现有的研究针对其不同的问题做了不同程度的探讨。针对以电弧炉为代表的设备模型的研究较早，取得了较多的研究成果，现有的模型能够模拟设备的电压和电流的非线性关系，为电力研究人员在谐波估计、投入无功补偿设备规划等方面提供了重要的依据。特殊负荷的冲击特性作为研究的另一个重要方向，已取得了一些成果[1-3]，可用于局部电网的安全稳定分析，估计冶金、钢铁等特殊负荷的接入对电力系统相关指标的影响。但总体来说，现有的研究模型结构过于简单。现有负荷冲击特性模型基本采用电流源或者功率源的形式模拟特殊负荷对电网的影响，忽略了负荷自身的电气特性，即负荷功率和系统电压、频率的函数关系，不能完整体现特殊负荷的基本特性。

本文在前人研究的基础上，提出一种新的特殊负荷模型结构。该模型结构可以分别表达特殊负荷的电气特性和功率变化特性，也可以表达它们的综合效应，且经过不同的简化，可用于不同的针对性问题研究。

1 冶炼企业典型特殊负荷

冶炼企业负荷设备种类繁多，本文选取硅铁冶炼（电弧炉）、电解铝（电解槽）、轧钢（轧钢机）这三种典型负荷进行分析，阐述其生产特点和电气特性。

1.1    硅铁冶炼（电弧炉）

硅铁的冶炼是在矿热炉中采取连续作业冶炼法进行的。矿热炉属电弧炉系列的一种。连续作业炼制是指根据炉内下料的情况，不断地往炉内装料，同时电弧燃烧产生热量，需定期排除炉内的液态合金。

硅铁冶炼伴随有功率的波动，由于硅铁冶炼过程操作复杂，功率波动的成因不是单一的。一方面，硅铁冶炼过程需控制好还原剂的投入量，当原料中还原剂过少时，电弧炉中二氧化硅不能得到充分还原，使得炉料发黏，料面烧结，疵火严重，进而造成电流波动厉害;当原料中还原剂过多时，炉料导电性增大，电极上抬，容易造成炉料坍塌，继而导致电极短路，电流瞬时增加。另一方面，在冶炼硅铁过程中，每隔2～3 h会有一次出铁过程，出铁时电极下压使得金属液体从出铁口流出，该操作会造成功率的大幅度变化，从而影响电网的正常运行。

1.2    电解铝（电解槽）

电解槽是炼铝的主要生产设备，由槽体和电极组成，阴阳两极一般用隔膜隔开。电解槽根据电解液的不同分为水溶液电解槽、非水溶液电解槽和熔融盐电解槽。给电解槽通以电流，其阴阳两极分别与溶液发生氧化还原反应，以制取所需产品。

电解铝的生产过程对电网存在一定程度的冲击。阳极效应是电解铝生产过程中最常见的现象。当电解液中的氧化铝成分不足时，电解槽的阳极会产生弧光放电现象，并伴随噼啪声。对应在电解槽的电气特性方面，电压大幅上升的同时，由于电解槽的恒电流控制影响，其有功和无功也随之大幅上升。据统计，电解槽发生阳极效应的周期约为0.5～1次/天。阳极效应伴随电解铝的生产规程，难以避免，成为炼铝企业对电网造成影响的主要原因。此外，电解槽的启动过程也会对电网造成显著冲击。当铝厂启动新的电解槽时，需首先将所有槽体断电，新槽接入后，启动槽的槽电压需人为增加至正常工作电压的5倍左右，并持续一段时间，以分离出电解质中的炭渣。打捞工作完成以后，电解槽电压会逐步下降，但大约需要1～2天才能恢复正常的工作电压。因而启动电解槽时会对电网造成巨大的冲击。

1.3    轧钢（轧钢机）

轧钢是将钢锭或钢坯轧制成钢材的生产工艺。轧钢生产一方面是可以得到需要的钢材形状，如带钢、钢板、线材等，另一方面是为了改善钢的内部质量，常见的一些成品钢材都需要轧钢工艺进行加工生产。

轧钢生产根据轧制时温度的不同可分为热轧和冷轧两大类。热轧生产主要包括初轧开坯、热轧带钢/中厚板等，材料在轧制之前需经过加温以改变钢的塑性，改善其内部性能。钢坯经过加热后，轧制时机械冲击相对较小，使得负荷相对较小且波动不明显，可不将其作为冲击负荷考虑。冷轧生产具有代表性的是中板、薄板连铸连轧、炉卷、碳钢冷轧、不锈钢冷轧这5种生产工艺，冷轧軋机生产过程中对电网具有较强的冲击。就单台轧机而言，其负荷水平在未轧钢时基本不变，在生产过程中功率急剧变化。多台设备的共同生产使得负荷冲击此起彼伏，具有一定的周期性，设备的叠加效应会造成负荷变化率大，功率冲击明显。

2 特殊负荷特性分析

2.1    特殊负荷电气特性

特殊负荷电气特性和常规负荷一致，可以描述负荷的功率或电流和电网电压、频率的函数关系。电网的电压和频率快速变化时，负荷呈动态特性，可用非线性微分方程描述，称为负荷动态模型;电压和频率缓慢变化时，负荷特性变化平稳，可用代数方程描述，称为负荷静态模型。在选择负荷电气特性模型时，应依据具体的设备或设备群的特性，选择负荷的动静特性或综合进行考虑。电弧炉类负荷在已有研究中被看作阻抗型负荷，可选用静态负荷模型;轧钢类负荷由于轧机是典型的电动机，应选用负荷动态模型;对于系统中部分节点兼有这两类负荷，可采用综合负荷模型。

传统的机理动态负荷模型简称为CLM，是Classic Load Models的缩写，模型结构如图1所示。综合负荷可看作由等值静态负荷和等值电动机并联组成。静态负荷可以采用ZIP模型或者恒阻抗模型。传统的机理负荷模型并没有直接考虑配电网的等值阻抗，而是将其加在电动机的等值定子阻抗上，因而是一种间接考虑配电网的模型结构。

2.2    特殊负荷冲击特性

负荷冲击特性区别于电气特性，由于工业生产需要，负荷在较短的时间（秒级乃至毫秒级）会产生数倍的功率冲击。此时负荷从电网汲取的功率主要由生产过程决定，而系统的电压和频率则降为次要因素。

负荷的冲击在短时间内（秒级或分钟级）较多呈现无规律性，难以预测。在相对较长的时间框架中，负荷冲击可能会表现出一定的规律性，硅铁负荷每隔2～3 h会形成一次大幅度的功率冲击。

描述负荷冲击特性时，不妨进行一些简化。负荷的单次冲击可以描述为具有上升沿或下降沿的斜坡函数。多次负荷冲击可看作多个单次冲击的叠加作用。冲击函数G（x）的函数表达式根据冲击特性的不同可有不同的表达形式。

（4）混合型冲击：混合型冲击可由斜坡型冲击、梯形波或矩形波冲击叠加成多次或周期性冲击。如需考虑冲击过程中的随机波动，也可将随机型冲击、斜坡型冲击和梯形冲击综合考虑。

3 特殊负荷模型

基于特殊电力负荷的电气特性和冲击特性（或功率特性），本文提出了综合考虑负荷电气特性和功率冲击特性的特殊负荷模型，模型结构如图2所示。电气模型采用经典负荷模型，综合考虑负荷静态特性和动态特性。函数G（x）表示负荷冲击特性模型。冲击性参数描述负荷突变特性，主要反映冲击负荷的冲击幅度ΔP和ΔQ、冲击速率k或冲击时间T。

特殊负荷模型参数分为电气特性参数和冲击特性参数。

（1）电气特性参数的确定和常规负荷建模一致，可采用综合统计法、总体测辨法、故障拟合法等，不再详细叙述。

（2）冲击特性参数在有实测数据的情况下，冲击幅度ΔP和ΔQ、冲击时间T较为容易确定，根据冲击前稳态和后稳态负荷水平即可确定前者，负荷水平波动的时间即为冲击时间T。

对于电动机负荷比例Pmp，其在冲击发生前后参数值可能会有显著变化，宜独立考虑。冲击过程中负荷冲击功率ΔP和ΔQ会对电网产生直接影响，而电动机的比例Pmp对电网的影响则可忽略。

4 模型仿真应用

实际电网分析中，往往关注特殊负荷对局部电网动态特性的影响，本文以图3所示的3机10节点系统为例，外部大电网等效为无穷大机组，设其惯性时间常数M=1 000 s。小系統中发电机G1、G2、G3容量为50 MW/62.5 MVA，发电机发出功率经升压变压器输送至220 kV电网，供系统内负荷使用。小系统内负荷由常规负荷和特殊电力负荷构成，其中STNA-230、STNB-230和STNC-230母线节点接入常规负荷，Impact Load母线节点接入特殊电力负荷。

如图4特殊负荷特性仿真曲线中1～2 s所示，负荷水平的突增造成系统电压的波动;而电网运行状态的变化也能影响负荷功率水平，如图4中第2.5 s处所示。

5 结语

特殊负荷作为电力系统中一种典型负荷，其容量大，冲击性强，传统负荷模型难以描述其综合特性。基于此，本文提出了一种综合考虑特殊负荷电气特性和冲击特性的特殊负荷模型，新模型兼顾了负荷功率冲击性和电气特性，既能反映负荷自身由于生产环节带来的功率突变，又能体现电网运行参数变化对负荷的影响。

[参考文献]

[1] 陈大宣，余一平，鞠平，等.基于时变电流注入方法的特殊电力负荷建模研究[J].电力自动化设备，2014，34（3）：120-124.

[2] 王吉利.电力系统特殊负荷建模的研究[D].北京：华北电力大学，2010.

[3] 高超，程浩忠，李宏仲，等.大容量冲击负荷对地区电网暂态稳定性的影响[J].电网技术，2008，32（1）：31-35.

[4] 刘小河.电弧炉电气系统的模型、谐波分析及电极调节系统自适应控制的研究[D].西安：西安理工大学，2000.

[5] WU C J，YEN S S，CHANG W N，et al.Enhancement of static excitation system performance for generators near electric arc furnace loads[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，1999，14（2）：225-231.

收稿日期：2020-12-07

作者简介：陈大宣（1989—），男，江苏盐城人，工程师，研究方向：发电厂电气设计。