大规模电解铝负荷接入对滇东南电网稳定影响及解决措施

高杉雪，束洪春，陈义宣，李玲芳，高孟平

(1.昆明理工大学电力工程学院，昆明650093；2.云南电网有限责任公司规划建设研究中心(改革发展研究中心)，昆明650200；3.云南电网有限责任公司，昆明650200)

0 引言

随着云南省与各大铝业集团战略合作协议的签署，魏桥铝、神火铝、中铝等大型铝业公司旗下铝产能生产基地将逐步转移到云南省境内，电解铝负荷大规模且较为集中的接入云南电网部分地区。

电解铝未大规模接入电网前，云南主网稳定问题主要为异步联网下直流闭锁故障后功率严重不平衡导致的频率稳定问题[1]，还有输电距离远、部分断面电压极限运行方式下关键设备故障后的功角稳定问题[2]。滇东南电网由于网内电源较少，断面潮流较轻，电网稳定问题不突出。

电解铝接入滇东南电网后，电网呈弱受端网架结构，同时由于电解铝负荷有功/无功功率对电压、频率波动的响应不一致(即有功功率和无功功率变化正比于电压/频率的指数倍，但非同一指数)，且频率对其有功功率起反调作用，在其接入异步联网的云南电网滇东南地区后，电网发生近区短路故障时，较常规负荷而言可能恶化电网稳定情况。现状下国内外对受端电网稳定问题均开展了多项研究，并主要从提高受端电压支撑方面给出多项控制措施保电网稳定运行[3]。

本文通过分析电解铝负荷特性，建立能反映电解铝负荷外特性的电解铝负荷模型。并基于仿真计算软件BPA，计算分析电解铝负荷大规模且集中接入后滇东南电网稳定问题，最后结合电网实际情况，研究解决问题的管理手段及技术措施。

1 电解铝整流/稳流系统

电解铝生产原理为：在950 ℃～970 ℃高温下，将氧化铝融解于冰晶石(3NaF·AlF3)，使其发生电解反应后得到铝。通常情况下，电解铝需要的电解电流达数百千安，生产过程中需时刻保持电解电流恒定。

电解铝负荷由整流型负荷和动力负荷两部分构成，其中整流型负荷占比较高达约96%，其负荷特性很大程度上体现了电解铝的负荷特性，因此深入研究电解铝整流系统，了解整流型负荷外特性十分必要。

1.1 电解铝整流系统

常见的电解铝整流系统分为二极管整流+饱和电抗器调节以及晶闸管可控整流两种形式[4]。晶闸管可控整流对电流波动变化的调控范围更大，能更好地满足电解铝恒流生产工艺的需要，但受晶闸管控制策略不完善影响，现阶段晶闸管可控整流在电解铝生产中应用较少。二级管整流+饱和电抗器整流系统虽然在稳流系统性能上不如晶闸管可控整流，但由于其设备稳定性、实践性较好，在电解铝整流系统中有较好应用。由于落点云南的电解铝多采用二级管整流+饱和电抗器形式，本文将主要对这种结构的电解铝负荷开展研究及分析，其供电系统结构图如图1所示。

图1 电解铝供电系统结构图

如图1所示供电系统多采用几组并联的移相变压器与高压侧母线连接，每组移相变压器二次侧并联接入两组绕组接线为Y/Y、Y/△的变压器，通过移相变压器+并联变压器，对高压母线电流、电压相位进行移相，以降低谐波次数。每台变压器二次回路侧再顺次串联接入饱和电抗器和6脉动整流桥，并将每个6脉动整流的输出端并联接入同一直流回路，形成电解铝整流系统[5]。

1.2 电解铝稳流系统

采用二极管+饱和电抗器整流系统的电解铝负荷，生产过程中多采用有载调压变粗调+饱和电抗器细调组成电解铝稳流系统，在稳流系统调节范围内可实现恒流控制[6]。电解铝直流侧负荷可等效看作电池效应，用带反电动势和负载的回路来等效替代直流侧电路，如图2所示。电解槽直流侧电压Ud(不考虑负载，下同)表达式推导见式(1)—(6)，由式(6)可知，电解铝直流侧电压受交流侧母线电压和饱和电抗器压降影响，即当系统侧交流母线电压波动时，可通过调节有载调压变压器变比和饱和电抗器压降来稳定直流侧电压，进而稳定直流侧电流，实现稳流要求。

图2 电解铝负荷的等效电路图

由图2所示等效电路图可知，整流桥交流侧电压Us与电解铝高压侧母线电压(即电网侧母线电压)间关系式见式(1)。

(1)

以图3所示六脉冲整流电路图中阀V5、V6导通状态下，V5→V1换相过程为例分析。由整流电路原理可知，在二极管整流电路中，若不考虑负载，无相控的理想空载直流电压平均值Ud为第一次换相前电压平均值，数值上等于对第一次换相前交流侧线电压在导通范围内的积分求均值[7-8]。由于交流侧电源三相电动势在数学上可表示为3个幅值相差120 °的正弦曲线(表达式如式(2)—(4)所示)，在阀V5、V6导通状态下，忽略电源内阻后，推导可得直流侧电压Ud表达式如式(5)所示。

图3 六脉冲整流电路图

(2)

(3)

(4)

(5)

将式(1)代入式(5)可得电解铝直流侧电压Ud与交流侧母线电压UAH和饱和电抗器压降VSR间关系，如式(6)所示。

(6)

2 仿真采用负荷模型

2.1 电解铝负荷外特性及负荷模型

以往对常规电力负荷的建模多采用静态负荷模型(恒阻抗、恒电流、恒功率)及电动机负荷模型进行单独或组合建模，模型中电压波动对有功功率、无功功率的影响以指数形式给定且无法设置。而由于电解铝有功功率、无功功率对电压波动的不同反馈，若仍采用与常规负荷一样的模型建模，可能得到比实际情况更为保守(铝负荷模型采用电动机模型建模)或更为乐观(铝负荷模型采用恒功率模型建模)的仿真结果，影响仿真结果的准确性。为此，需对电解铝负荷单独建模，以得到更为准确的计算结果。

在计算电网稳定问题时，主要关注电解铝负荷特性对电网稳定性的影响，即电解铝负荷的外特性。电解铝负荷主要分为整流型负荷及动力负荷两部分，占比分别为96%及4%，下面将分别介绍两部分负荷的建模。

整流型负荷可采用IEEE Task Force负荷建模工作组提出的静态负荷模型[9]进行建模，此负荷模型同时考虑了负荷模型随频率变化的特性影响，满足本次计算要求，其具体模型如式(7)—(8)所示。

(7)

(8)

式中：Kpv为有功功率电压因子，取1.8；Kqv为无功功率电压因子，取2.2；Kpf为有功功率频率因子，取-0.03；Kqf为无功功率频率因子，取0.6。

动力负荷部分采用经典负荷模型(classic load model，简称CLM)[10]建模，即一定比例的电动机加一定比例的零膨胀泊松模型(zero-inflated Poisson model, ZIP)模型，如图4所示。

图4 经典负荷模型示意图

由于电解铝动力负荷中静态部分全部为电加热设备，负荷特性呈恒阻抗，占比约为25%，故动力负荷建模采用的CLM模型构成为：75%电动机+25%恒阻抗。

2.2 仿真采用电解铝负荷模型

2.2.1 铝负荷模型建模介绍

基于上述分析，结合仿真软件BPA中负荷模型，本次仿真采用新静态负荷模型LB/L+，以及单点感应马达模型ML表示电解铝负荷模型。其中LB/L+卡用于对整流型负荷及恒阻抗负荷建模，ML卡用于对电动机负荷建模。程序读取模型卡优先级别从高→低为：L+卡/LB卡、ML卡，建模时先用LB卡表示1%恒阻抗负荷、用L+卡表示96%整流型负荷，再用ML卡表示3%电动机负荷，以此来建立整个电解铝负荷模型。

LB/L+卡模型表达式如式(9)—(10)所示，模型中各类型负荷比例之和为1，即P1+P2+P3+P5=1、Q1+Q2+Q3+Q5=1，结合程序中模型卡优先级别考虑，先在LB/L+卡中建立98.97%的电压指数相关的有功/无功负荷以及1.03%的恒定阻抗有功/无功负荷，然后再用ML卡建立3%的电动机负荷，以此实现96%整流型负荷+3%电动机负荷+1%恒阻抗负荷的电解铝负荷模型。

LB/L+卡和ML卡模型及仿真采用参数如下：

LB/L+卡模型：

(1+Δf·LDP)

(9)

(1+Δf·LDQ)

(10)

式(9)—(10)中，

P1/Q1为恒定阻抗有功/无功负荷比例，其值取0.010 3；

P2/Q2为恒定电压有功/无功负荷比例，其值取0；

P3/Q3为恒定功率有功/无功负荷比例，其值均取0；

P5/Q5为电压指数相关的有功/无功负荷比例，取0.9897；

Np为有功电压指数，取1.8；

LDP为频率变化1%引起的有功变化百分数，取-0.03;

Nq为无功电压指数，取2.2；

LDQ为频率变化1%引起的无功变化百分数，取0.6。

仿真软件中采用电动机模型ML卡建立了如图5所示的电动机等值电路。因电解铝负荷中电动机负荷占比仅3%，对稳定计算结果影响极小，本次采用程序缺省值对电动机负荷建模，具体参数见图6。

图5 电动机等值电路

图6 ML卡参数图

2.2.2 铝负荷模型验证

图7—8为故障录波装置采集的电网侧220 kV母线相电压分别为132.075 kV(0.994 6 p.u.)、132.222 kV(0.995 7 p.u.)、时(Δf=0)对应的电解铝负荷有功功率及无功功率图。考虑频率变化为0，忽略电动机负荷影响后，将相关数值代入式(9)—(10)后，可得：

图7 电解铝P、Q负荷录波图(U=0.994 6 p.u.)

≈20.8 MW

(11)

≈23 Mvar

(12)

可见，计算值与图8所示电压变化后电解铝有功/无功负荷P(20.794 MW)、Q(22.981 Mvar)值误差较小。再考虑3%电动机负荷随电压波动呈现的波动，误差将进一步减小，仿真采用电解铝负荷模型能较准确反映铝负荷随电压波动呈现的外特性。

图8 电解铝P、Q负荷录波图(U=0.995 7 p.u.)

图9—10为故障录波装置采集的电网侧频率分别为50.03 Hz、50.018 Hz时(ΔU=0)对应的电解铝负荷有功功率及无功功率图。考虑电压变化为0，忽略电动机负荷影响后，将相关数值代入式(9)—(10)后，可得：

图9 录波装置电解铝负荷P、Q图(f=50.03 Hz)

P=P0(1-0.03Δf)≈20.5 MW

(13)

Q=Q0(1+0.6Δf)≈25.6 Mvar

(4)

可见，计算值与图10所示电压变化后电解铝有功/无功负荷P(20.51 MW)、Q(25.77 Mvar)值误差较小。再考虑3%电动机负荷随频率波动呈现的波动，误差将进一步减小，仿真采用电解铝负荷模型能较准确反映铝负荷随频率波动呈现的外特性。

图10 录波装置电解铝负荷P、Q图(f=50.018 Hz)

2.3 其他负荷模型

为提高计算结果对工程实际应用的参考价值，网内其他负荷模型采用50%电动机+50%恒阻抗负荷模型。此负荷模型根据云南电网实际负荷构成进行近似建模，已在工程中实际应用，具有较好的参考价值。

其中，电动机和恒阻抗模型及其模型参数可参照2.2节类比得到，此处不再赘述。

3 仿真采用电网结构

现状为提高供电可靠性，滇东南电网500 kV—220 kV电磁环网合环运行，110 kV及以下电压等级层面断环运行。网内电站约150座，其中220 kV及110 kV电压等级并网电站10座，其余均由35 kV及以下电压等级并网。新增电解铝负荷集中接入网架末端的两座500 kV变电站，负荷约占整个滇东南负荷的70%～90%。由于网内电源结构以小水电为主，电力电量供需平衡受来水影响较大。电解铝投产后，滇东南电网内部电源丰、枯期出力约为整个滇东南负荷的4%、22%，正常运行中需主网注入大量潮流，造成相关断面输送压力大，电网稳定问题凸显。

本次仿真在现有网架基础上，对新增电解铝用户站、电源及相关输变电新增、改建工程进行数据搭建，其中电源出力及负荷分布与实际情况相符，滇东南电网结构简图见图11。

图11 滇东南地区电解铝接入电网简图

4 电解铝负荷大规模接入对滇东南电网稳定问题影响

4.1 滇东南电网稳定问题现状

滇东南电网大体呈负荷型网架结构，在电解铝负荷大规模接入前，负荷型的滇东南电网片区负荷较轻，且大多由地区小电就地平衡，断面潮流较轻，功角稳定、频率稳定、电压稳定、热稳定等稳定问题均不突出。

4.2 电解铝负荷大规模接入后滇东南电网稳定问题

电解铝负荷大规模接入滇东南电网后，滇东南区域负荷大幅增加，正常运行中需主网输送大量有功功率，可能造成滇东南相关断面压极限运行。

相关设备N-1故障后电网无稳定问题。以500 kV B-A线路N-1故障为例，对比故障后电解铝采用原负荷模型与本文提出的新负荷模型的电压响应曲线，并将其与实际PMU曲线对比如图12—14所示。

由图12—14对比可知，B-A线路N-1故障后，电解铝采用原负荷模型和新负荷模型的最大电压跌落分别为0.010 06 p.u.和0.010 21 p.u.(初始电压为1.012 5 p.u.)，PMU实际录波曲线显示的最大电压跌落为0.021 p.u.(初始电压为1.01 p.u.)，即本文提出的负荷模型更接近实际情况。

图12 B-A线路N-1后B变高压母线电压响应曲线图(原负荷模型)

采用本文提出的铝负荷模型开展仿真分析，发现在同一变电站双主变、同塔线路或同一输电走廊线路等关键设备发生近区短路故障后，除与故障设备同断面的其他设备存在热稳定问题外，滇东南电网还存在电压稳定问题，严重威胁电网的安全稳定运行[11-13]，电压稳定问题详见表1(表中涉及站名见图11)。

图13 B-A线路N-1后B变高压母线电压响应曲线图(新负荷模型)

图14 B-A线路N-1后B变高压母线电压曲线图(PMU)

表1 近区短路故障后滇东南电网稳定问题

电解铝负荷大规模接入滇东南电网后，电网稳定问题突出。完整网架下500 kV B-A双回线路、B变电站双主变、A变电站双主变、E变电站双主变等关键设备发生短路故障后均出现热稳问题，且由于电解铝①、②供电电源500 kV A变电站的接入网架结构较为薄弱，在500 kV B-A双回线路短路故障后与主网联系进一步减弱，出现电压稳定问题。此外，若在相关断面任一设备检修方式下发生短路故障，上述热稳定及电压稳定问题将进一步恶化，严重影响电网的稳定运行及正常检修。

以完整网架下500 kV B-A双回线故障断开为例，故障后500 kV A变、电解铝①、②高压侧母线电压曲线如图15所示。

图15 B-A双回故障后相关母线电压曲线图

如图15可知，完整网架下500 kV B-A双回线故障断开后，若不采取控制措施，500 kV A变、电解铝①、②出现电压失稳(电压稳定计算标准采用《南方电网安全稳定计算分析导则(Q/CSG 11004—2009)》相关标准，下同)。

5 措施

根根据上述稳定计算结果，结合电网运行实际情况，研究并采取相关稳控措施解决可能存在的稳定问题，具体如下。

针对电网小概率故障后的稳定问题，制定保电网稳定运行的切机、切负荷等电网第二道防线控制措施[14]。本文针对表1所示电网稳定问题，应用BPA软件计算分析后，得出相关故障下保障电网稳定运行的稳控措施，详见表2。

以完整网架下500 kV B-A双回线故障断开为例，故障后采取表2中相关措施后，500 kV A变、电解铝①、②高压侧母线电压曲线如图16所示。由图16可见，采取相关措施后电网恢复稳定。

表2 稳控措施表

图16 B-A双回故障采取措施后相关母线电压曲线图

6 结语

电解铝负荷大规模接入滇东南电网后，导致相关断面潮流加重，设备发生短路故障后电网失稳概率增加。若出现关键设备检修方式下的近区短路故障，电网稳定问题将进一步恶化，给电网安全稳定运行带来极大的不利影响。基于此，本文对滇东南电网负荷占比最大且对电压、频率波动响应不同于以往常规负荷的电解铝负荷单独建模，使其能更加准确反应电解铝负荷在电压波动下的有功、无功功率变化，并创新性使用含电解铝负荷独立建模的仿真数据开展电网稳定计算，以得到更为接近实际情况的电压稳定及热稳定问题。并针对可能存在的稳定问题，结合电网实际，研究制定相关稳控措施，降低故障后电网失稳风险，保障用户的持续可靠用电。