一種冶煉企業(yè)特殊負(fù)荷電力仿真模型研究

陳大宣　翁海峰　梁文軍　陳謙　鞠平

摘要：以冶煉負(fù)荷為代表的特殊電力負(fù)荷容量較大，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響不可忽略?，F(xiàn)有的負(fù)荷模型難以描述特殊負(fù)荷特性，電力系統(tǒng)的仿真缺少相應(yīng)的負(fù)荷模型?，F(xiàn)以硅鐵、電解鋁和軋鋼負(fù)荷為例，分析特殊負(fù)荷的生產(chǎn)特性和電氣特性，提出了綜合考慮負(fù)荷電氣特性和功率沖擊特性的特殊負(fù)荷模型，新的模型既能描述特殊負(fù)荷生產(chǎn)過(guò)程中的負(fù)荷水平突變，又能體現(xiàn)電網(wǎng)電壓的變化對(duì)負(fù)荷水平的影響。最后在系統(tǒng)仿真軟件中給出了特殊負(fù)荷模型的應(yīng)用示例。

關(guān)鍵詞：冶煉企業(yè);特殊負(fù)荷;電力仿真模型

0 引言

特殊負(fù)荷[1-2]是指對(duì)電網(wǎng)具有顯著沖擊性的大容量負(fù)荷，其負(fù)荷功率變化主要取決于負(fù)荷的生產(chǎn)特點(diǎn)，電網(wǎng)的電壓和頻率變化則是其次要影響因素。冶煉企業(yè)中存在較多沖擊性負(fù)荷設(shè)備，這些設(shè)備的負(fù)荷容量一般較大，可達(dá)幾十兆瓦甚至上百兆瓦，譬如硅鐵企業(yè)中的礦熱爐，電解鋁企業(yè)中的電解槽組，鋼鐵企業(yè)中的軋鋼設(shè)備等。

早期冶煉企業(yè)規(guī)模較小，而其他民用負(fù)荷、商用負(fù)荷等容量相對(duì)較大，冶煉負(fù)荷的沖擊特性不明顯，對(duì)電網(wǎng)的影響可忽略。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，冶煉企業(yè)負(fù)荷的特殊性日益顯著[3-5]，一方面特殊負(fù)荷生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備的啟停、工藝因素等時(shí)常造成負(fù)荷水平的突變，給電網(wǎng)的運(yùn)行帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn);另一方面，部分特殊電力負(fù)荷具有較強(qiáng)的非線性性，其生產(chǎn)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量、電力系統(tǒng)可靠性、鄰近發(fā)電機(jī)組運(yùn)行等有顯著影響。

電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算以相應(yīng)的模型為基礎(chǔ)，模型的準(zhǔn)確性對(duì)仿真結(jié)果影響較大。鑒于特殊電力負(fù)荷給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、電力設(shè)備的正常使用、電能質(zhì)量等帶來(lái)了多方面的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的研究針對(duì)其不同的問(wèn)題做了不同程度的探討。針對(duì)以電弧爐為代表的設(shè)備模型的研究較早，取得了較多的研究成果，現(xiàn)有的模型能夠模擬設(shè)備的電壓和電流的非線性關(guān)系，為電力研究人員在諧波估計(jì)、投入無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備規(guī)劃等方面提供了重要的依據(jù)。特殊負(fù)荷的沖擊特性作為研究的另一個(gè)重要方向，已取得了一些成果[1-3]，可用于局部電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析，估計(jì)冶金、鋼鐵等特殊負(fù)荷的接入對(duì)電力系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的影響。但總體來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的研究模型結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單?，F(xiàn)有負(fù)荷沖擊特性模型基本采用電流源或者功率源的形式模擬特殊負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響，忽略了負(fù)荷自身的電氣特性，即負(fù)荷功率和系統(tǒng)電壓、頻率的函數(shù)關(guān)系，不能完整體現(xiàn)特殊負(fù)荷的基本特性。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出一種新的特殊負(fù)荷模型結(jié)構(gòu)。該模型結(jié)構(gòu)可以分別表達(dá)特殊負(fù)荷的電氣特性和功率變化特性，也可以表達(dá)它們的綜合效應(yīng)，且經(jīng)過(guò)不同的簡(jiǎn)化，可用于不同的針對(duì)性問(wèn)題研究。

1 冶煉企業(yè)典型特殊負(fù)荷

冶煉企業(yè)負(fù)荷設(shè)備種類繁多，本文選取硅鐵冶煉（電弧爐）、電解鋁（電解槽）、軋鋼（軋鋼機(jī)）這三種典型負(fù)荷進(jìn)行分析，闡述其生產(chǎn)特點(diǎn)和電氣特性。

1.1? ? 硅鐵冶煉（電弧爐）

硅鐵的冶煉是在礦熱爐中采取連續(xù)作業(yè)冶煉法進(jìn)行的。礦熱爐屬電弧爐系列的一種。連續(xù)作業(yè)煉制是指根據(jù)爐內(nèi)下料的情況，不斷地往爐內(nèi)裝料，同時(shí)電弧燃燒產(chǎn)生熱量，需定期排除爐內(nèi)的液態(tài)合金。

硅鐵冶煉伴隨有功率的波動(dòng)，由于硅鐵冶煉過(guò)程操作復(fù)雜，功率波動(dòng)的成因不是單一的。一方面，硅鐵冶煉過(guò)程需控制好還原劑的投入量，當(dāng)原料中還原劑過(guò)少時(shí)，電弧爐中二氧化硅不能得到充分還原，使得爐料發(fā)黏，料面燒結(jié)，疵火嚴(yán)重，進(jìn)而造成電流波動(dòng)厲害;當(dāng)原料中還原劑過(guò)多時(shí)，爐料導(dǎo)電性增大，電極上抬，容易造成爐料坍塌，繼而導(dǎo)致電極短路，電流瞬時(shí)增加。另一方面，在冶煉硅鐵過(guò)程中，每隔2～3 h會(huì)有一次出鐵過(guò)程，出鐵時(shí)電極下壓使得金屬液體從出鐵口流出，該操作會(huì)造成功率的大幅度變化，從而影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

1.2? ? 電解鋁（電解槽）

電解槽是煉鋁的主要生產(chǎn)設(shè)備，由槽體和電極組成，陰陽(yáng)兩極一般用隔膜隔開。電解槽根據(jù)電解液的不同分為水溶液電解槽、非水溶液電解槽和熔融鹽電解槽。給電解槽通以電流，其陰陽(yáng)兩極分別與溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，以制取所需產(chǎn)品。

電解鋁的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)存在一定程度的沖擊。陽(yáng)極效應(yīng)是電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)的現(xiàn)象。當(dāng)電解液中的氧化鋁成分不足時(shí)，電解槽的陽(yáng)極會(huì)產(chǎn)生弧光放電現(xiàn)象，并伴隨噼啪聲。對(duì)應(yīng)在電解槽的電氣特性方面，電壓大幅上升的同時(shí)，由于電解槽的恒電流控制影響，其有功和無(wú)功也隨之大幅上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電解槽發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)的周期約為0.5～1次/天。陽(yáng)極效應(yīng)伴隨電解鋁的生產(chǎn)規(guī)程，難以避免，成為煉鋁企業(yè)對(duì)電網(wǎng)造成影響的主要原因。此外，電解槽的啟動(dòng)過(guò)程也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成顯著沖擊。當(dāng)鋁廠啟動(dòng)新的電解槽時(shí)，需首先將所有槽體斷電，新槽接入后，啟動(dòng)槽的槽電壓需人為增加至正常工作電壓的5倍左右，并持續(xù)一段時(shí)間，以分離出電解質(zhì)中的炭渣。打撈工作完成以后，電解槽電壓會(huì)逐步下降，但大約需要1～2天才能恢復(fù)正常的工作電壓。因而啟動(dòng)電解槽時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成巨大的沖擊。

1.3? ? 軋鋼（軋鋼機(jī)）

軋鋼是將鋼錠或鋼坯軋制成鋼材的生產(chǎn)工藝。軋鋼生產(chǎn)一方面是可以得到需要的鋼材形狀，如帶鋼、鋼板、線材等，另一方面是為了改善鋼的內(nèi)部質(zhì)量，常見(jiàn)的一些成品鋼材都需要軋鋼工藝進(jìn)行加工生產(chǎn)。

軋鋼生產(chǎn)根據(jù)軋制時(shí)溫度的不同可分為熱軋和冷軋兩大類。熱軋生產(chǎn)主要包括初軋開坯、熱軋帶鋼/中厚板等，材料在軋制之前需經(jīng)過(guò)加溫以改變鋼的塑性，改善其內(nèi)部性能。鋼坯經(jīng)過(guò)加熱后，軋制時(shí)機(jī)械沖擊相對(duì)較小，使得負(fù)荷相對(duì)較小且波動(dòng)不明顯，可不將其作為沖擊負(fù)荷考慮。冷軋生產(chǎn)具有代表性的是中板、薄板連鑄連軋、爐卷、碳鋼冷軋、不銹鋼冷軋這5種生產(chǎn)工藝，冷軋軋機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)具有較強(qiáng)的沖擊。就單臺(tái)軋機(jī)而言，其負(fù)荷水平在未軋鋼時(shí)基本不變，在生產(chǎn)過(guò)程中功率急劇變化。多臺(tái)設(shè)備的共同生產(chǎn)使得負(fù)荷沖擊此起彼伏，具有一定的周期性，設(shè)備的疊加效應(yīng)會(huì)造成負(fù)荷變化率大，功率沖擊明顯。

2 特殊負(fù)荷特性分析

2.1? ? 特殊負(fù)荷電氣特性

特殊負(fù)荷電氣特性和常規(guī)負(fù)荷一致，可以描述負(fù)荷的功率或電流和電網(wǎng)電壓、頻率的函數(shù)關(guān)系。電網(wǎng)的電壓和頻率快速變化時(shí)，負(fù)荷呈動(dòng)態(tài)特性，可用非線性微分方程描述，稱為負(fù)荷動(dòng)態(tài)模型;電壓和頻率緩慢變化時(shí)，負(fù)荷特性變化平穩(wěn)，可用代數(shù)方程描述，稱為負(fù)荷靜態(tài)模型。在選擇負(fù)荷電氣特性模型時(shí)，應(yīng)依據(jù)具體的設(shè)備或設(shè)備群的特性，選擇負(fù)荷的動(dòng)靜特性或綜合進(jìn)行考慮。電弧爐類負(fù)荷在已有研究中被看作阻抗型負(fù)荷，可選用靜態(tài)負(fù)荷模型;軋鋼類負(fù)荷由于軋機(jī)是典型的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)選用負(fù)荷動(dòng)態(tài)模型;對(duì)于系統(tǒng)中部分節(jié)點(diǎn)兼有這兩類負(fù)荷，可采用綜合負(fù)荷模型。

傳統(tǒng)的機(jī)理動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型簡(jiǎn)稱為CLM，是Classic Load Models的縮寫，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。綜合負(fù)荷可看作由等值靜態(tài)負(fù)荷和等值電動(dòng)機(jī)并聯(lián)組成。靜態(tài)負(fù)荷可以采用ZIP模型或者恒阻抗模型。傳統(tǒng)的機(jī)理負(fù)荷模型并沒(méi)有直接考慮配電網(wǎng)的等值阻抗，而是將其加在電動(dòng)機(jī)的等值定子阻抗上，因而是一種間接考慮配電網(wǎng)的模型結(jié)構(gòu)。

2.2? ? 特殊負(fù)荷沖擊特性

負(fù)荷沖擊特性區(qū)別于電氣特性，由于工業(yè)生產(chǎn)需要，負(fù)荷在較短的時(shí)間（秒級(jí)乃至毫秒級(jí)）會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍的功率沖擊。此時(shí)負(fù)荷從電網(wǎng)汲取的功率主要由生產(chǎn)過(guò)程決定，而系統(tǒng)的電壓和頻率則降為次要因素。

負(fù)荷的沖擊在短時(shí)間內(nèi)（秒級(jí)或分鐘級(jí)）較多呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律性，難以預(yù)測(cè)。在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間框架中，負(fù)荷沖擊可能會(huì)表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，硅鐵負(fù)荷每隔2～3 h會(huì)形成一次大幅度的功率沖擊。

描述負(fù)荷沖擊特性時(shí)，不妨進(jìn)行一些簡(jiǎn)化。負(fù)荷的單次沖擊可以描述為具有上升沿或下降沿的斜坡函數(shù)。多次負(fù)荷沖擊可看作多個(gè)單次沖擊的疊加作用。沖擊函數(shù)G（x）的函數(shù)表達(dá)式根據(jù)沖擊特性的不同可有不同的表達(dá)形式。

（4）混合型沖擊：混合型沖擊可由斜坡型沖擊、梯形波或矩形波沖擊疊加成多次或周期性沖擊。如需考慮沖擊過(guò)程中的隨機(jī)波動(dòng)，也可將隨機(jī)型沖擊、斜坡型沖擊和梯形沖擊綜合考慮。

3 特殊負(fù)荷模型

基于特殊電力負(fù)荷的電氣特性和沖擊特性（或功率特性），本文提出了綜合考慮負(fù)荷電氣特性和功率沖擊特性的特殊負(fù)荷模型，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。電氣模型采用經(jīng)典負(fù)荷模型，綜合考慮負(fù)荷靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。函數(shù)G（x）表示負(fù)荷沖擊特性模型。沖擊性參數(shù)描述負(fù)荷突變特性，主要反映沖擊負(fù)荷的沖擊幅度ΔP和ΔQ、沖擊速率k或沖擊時(shí)間T。

特殊負(fù)荷模型參數(shù)分為電氣特性參數(shù)和沖擊特性參數(shù)。

（1）電氣特性參數(shù)的確定和常規(guī)負(fù)荷建模一致，可采用綜合統(tǒng)計(jì)法、總體測(cè)辨法、故障擬合法等，不再詳細(xì)敘述。

（2）沖擊特性參數(shù)在有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，沖擊幅度ΔP和ΔQ、沖擊時(shí)間T較為容易確定，根據(jù)沖擊前穩(wěn)態(tài)和后穩(wěn)態(tài)負(fù)荷水平即可確定前者，負(fù)荷水平波動(dòng)的時(shí)間即為沖擊時(shí)間T。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)負(fù)荷比例Pmp，其在沖擊發(fā)生前后參數(shù)值可能會(huì)有顯著變化，宜獨(dú)立考慮。沖擊過(guò)程中負(fù)荷沖擊功率ΔP和ΔQ會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生直接影響，而電動(dòng)機(jī)的比例Pmp對(duì)電網(wǎng)的影響則可忽略。

4 模型仿真應(yīng)用

實(shí)際電網(wǎng)分析中，往往關(guān)注特殊負(fù)荷對(duì)局部電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的影響，本文以圖3所示的3機(jī)10節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，外部大電網(wǎng)等效為無(wú)窮大機(jī)組，設(shè)其慣性時(shí)間常數(shù)M=1 000 s。小系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)G1、G2、G3容量為50 MW/62.5 MVA，發(fā)電機(jī)發(fā)出功率經(jīng)升壓變壓器輸送至220 kV電網(wǎng)，供系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷使用。小系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷由常規(guī)負(fù)荷和特殊電力負(fù)荷構(gòu)成，其中STNA-230、STNB-230和STNC-230母線節(jié)點(diǎn)接入常規(guī)負(fù)荷，Impact Load母線節(jié)點(diǎn)接入特殊電力負(fù)荷。

如圖4特殊負(fù)荷特性仿真曲線中1～2 s所示，負(fù)荷水平的突增造成系統(tǒng)電壓的波動(dòng);而電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的變化也能影響負(fù)荷功率水平，如圖4中第2.5 s處所示。

5 結(jié)語(yǔ)

特殊負(fù)荷作為電力系統(tǒng)中一種典型負(fù)荷，其容量大，沖擊性強(qiáng)，傳統(tǒng)負(fù)荷模型難以描述其綜合特性?；诖?，本文提出了一種綜合考慮特殊負(fù)荷電氣特性和沖擊特性的特殊負(fù)荷模型，新模型兼顧了負(fù)荷功率沖擊性和電氣特性，既能反映負(fù)荷自身由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)帶來(lái)的功率突變，又能體現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)負(fù)荷的影響。

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收稿日期：2020-12-07

作者簡(jiǎn)介：陳大宣（1989—），男，江蘇鹽城人，工程師，研究方向：發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)。