電解鋁負(fù)荷模型對云南電網(wǎng)斷面極限的影響

司大軍，王文飛，郭洪芹，萬航羽

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，昆明 650011； 2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，昆明 650051）

0 前言

電力系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)、輸電線路和終端負(fù)荷等元件構(gòu)成[1]，大量研究結(jié)果表明，負(fù)荷特性對電力系統(tǒng)分析計(jì)算結(jié)果具有重要影響[2]。不同的負(fù)荷模型對電力系統(tǒng)的事故后潮流計(jì)算、短路電流計(jì)算、暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定的仿真計(jì)算都具有不同程度的影響，在嚴(yán)重情況下，不同的負(fù)荷模型可能會使計(jì)算結(jié)果發(fā)生質(zhì)的變化[2-4]。

目前電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析中常用的負(fù)荷模型主要有三種[5-6]：

1）靜態(tài)負(fù)荷模型，主要反映穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)荷模型吸收的功率與電壓、頻率的關(guān)系；

2）考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型在靜態(tài)負(fù)荷模型的基礎(chǔ)上計(jì)及了配電網(wǎng)絡(luò)等值阻抗的影響；

3）綜合負(fù)荷模型，是在靜態(tài)負(fù)荷模型基礎(chǔ)上考慮了一定比例的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，用以反映電壓、頻率變化時(shí)負(fù)荷吸收功率的動(dòng)態(tài)變化情況。云南電網(wǎng)作為南方電網(wǎng)的重要部分，作為重要的送端電網(wǎng)，云南目前已形成“十直兩交”的大容量、長距離西電東送結(jié)構(gòu)。在電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算中大多采用實(shí)用的負(fù)荷模型，因此必須深入研究負(fù)荷模型對暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，確定何種負(fù)荷模型在何種情況下會產(chǎn)生保守的仿真結(jié)果，以保留一定的穩(wěn)定裕度。較為準(zhǔn)確的確定斷面輸送極限對確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大，已有的研究以及實(shí)際計(jì)算分析表明[7]，不同的負(fù)荷模型對電網(wǎng)的輸送極限有較大影響。

根據(jù)云南省政府持續(xù)打造世界一流“綠色能源牌”的戰(zhàn)略部署，2020年云南鋁冶煉產(chǎn)業(yè)用電量約占全省總用電量的20 %左右，隨著云鋁約420萬噸產(chǎn)能、魏橋的203萬噸產(chǎn)能、云南神火90萬噸產(chǎn)能、云南其亞70萬噸產(chǎn)能電解鋁一體化項(xiàng)目的相繼投產(chǎn)，電解鋁類負(fù)荷占全省負(fù)荷的比重預(yù)計(jì)將達(dá)到40 %以上，用電負(fù)荷主要集中在文山和大理等地區(qū)。由于文山和大理地區(qū)的電解鋁負(fù)荷占了相當(dāng)大的比例，達(dá)到80 %以上，因此非常有必要研究電解鋁負(fù)荷模型對電網(wǎng)穩(wěn)定及斷面輸電極限等的影響[8-9]。

本文以云南局部電網(wǎng)為研究對象，采用中國電力科學(xué)研究院的BPA程序建立了新的電解鋁負(fù)荷ZIP模型，重點(diǎn)分析現(xiàn)有負(fù)荷模型與新模型對云南電網(wǎng)主要斷面極限的影響，通過實(shí)際計(jì)算結(jié)果分析產(chǎn)生差異的內(nèi)在原因，相關(guān)成果可為電網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行提供指導(dǎo)與參考。

1 云南電解鋁產(chǎn)能布局及電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃

根據(jù)云南省《關(guān)于推動(dòng)水電鋁材一體化發(fā)展的實(shí)施意見》（云政發(fā)〔2017〕65號）、《云南省新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020年）》等文件，云南省將依托能源資源和環(huán)境承載優(yōu)勢，謀劃和推動(dòng)“北鋁南移”，推動(dòng)水電和電解鋁產(chǎn)業(yè)深度融合。根據(jù)云南省政府持續(xù)打造世界一流“綠色能源牌”的戰(zhàn)略部署，“十四五”期間云南將新增水電鋁產(chǎn)能625萬噸，新增用電量700億千瓦時(shí)，新增水電硅用電量230億千瓦時(shí)，這些高載能負(fù)荷大多位于云南主網(wǎng)末端的大理、文山等地區(qū)，現(xiàn)狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，供電能力有限，同時(shí)伴隨著穩(wěn)定、安全風(fēng)險(xiǎn)等諸多問題，現(xiàn)狀網(wǎng)架供電裕度無法滿足用電負(fù)荷激增，亟需對主網(wǎng)架進(jìn)行加強(qiáng)。

其中，為滿足文山地區(qū)新增的馬塘、神火以及魏橋電解鋁的供電，云南電網(wǎng)規(guī)劃新建500千伏天星變、柳井變、富寧變?nèi)诘容斪冸姽こ?，網(wǎng)架規(guī)劃如下圖所示。

圖2 文山地區(qū)500千伏網(wǎng)架規(guī)劃示意圖

為滿足大理地區(qū)新增的鶴慶、其亞電解鋁的供電，云南電網(wǎng)規(guī)劃500千伏鶴慶變、黃坪變?nèi)诘容斪冸姽こ蹋W(wǎng)架規(guī)劃如下圖所示。

圖3 大理地區(qū)500千伏網(wǎng)架規(guī)劃示意圖

2 云南電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算采用的負(fù)荷模型

目前，云南電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真中，負(fù)荷模型采用50 %恒阻抗+50 %電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷模型（本文稱為“傳統(tǒng)負(fù)荷模型”），電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型[10]與參數(shù)如圖4和表1所示。

表1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)

圖4 云南電網(wǎng)現(xiàn)狀暫態(tài)穩(wěn)定負(fù)荷模型

考慮到電解鋁廠中電解槽耗電超過整廠的95 %，而電解槽為整流負(fù)荷與當(dāng)前使用的整個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷模型不符，通過對電解鋁工作特性分析，使用ZIP模型可以近似仿真電解鋁負(fù)荷工作特性，通過對實(shí)際錄波數(shù)據(jù)分析，提出電解鋁負(fù)荷ZIP比例分別為：1.78、-0.73、-0.05（本文稱為“新負(fù)荷模型”）。

圖5 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)靜態(tài)等值電路

其中：R1為定子電阻；X1為等值電抗與定子漏抗之和；XM為勵(lì)磁電抗；R2和X2為轉(zhuǎn)子電阻和漏抗；Tj為轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)；Ka為與轉(zhuǎn)速無關(guān)的阻力矩系數(shù)；P為與轉(zhuǎn)速有關(guān)的阻力矩方次；s和s0分別為滑差和初始滑差。

3 不同負(fù)荷模型斷面極限的影響

3.1 計(jì)算邊界

1）計(jì)算數(shù)據(jù)采用2022年云南電網(wǎng)豐大方式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其中柳井～富寧500 kV線路按未投產(chǎn)考慮。

2）電解鋁負(fù)荷：神火鋁I、II期、馬塘鋁I期、魏橋鋁A-F系列共5520 MW，功率因數(shù)全部按0.98考慮。

3）永富直流暫不回送文山電網(wǎng)。

4）計(jì)算故障為硯富斷面和大理四線送出斷面三相短路故障。

5）仿真對比計(jì)算中分別采用2種負(fù)荷模型，即采用傳統(tǒng)的50 %恒阻抗+50 %電動(dòng)機(jī)模型和新負(fù)荷模型。

3.2 穩(wěn)定計(jì)算原則

1）穩(wěn)定計(jì)算以中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的BPA程序?yàn)橛?jì)算平臺，以《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

2）穩(wěn)定判據(jù)：

暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)：暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后，各同步電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式的能力，通常指保持第一、第二搖擺不失步的功角穩(wěn)定，是電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定的一種形式。

電壓穩(wěn)定判據(jù)：暫態(tài)和動(dòng)態(tài)過程中系統(tǒng)電壓中樞點(diǎn)母線電壓下降持續(xù)（一般為1秒）低于限定值（一般為0.75 p.u.），或動(dòng)態(tài)過程平息后220 kV及以上電壓等級中樞點(diǎn)母線電壓低于0.9 p.u.，就認(rèn)為系統(tǒng)或負(fù)荷電壓不穩(wěn)定。

頻率穩(wěn)定判據(jù)：頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到有功功率擾動(dòng)后，系統(tǒng)頻率能夠保持或恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)（47.5 HZ＜f＜51.5 HZ），不發(fā)生頻率崩潰的能力。

3.3 不同負(fù)荷模型對硯山富寧斷面極限的影響

以2022年文山東部電網(wǎng)為研究對象，在柳井～富寧500 kV線路未投產(chǎn)前，文山東部電網(wǎng)通過500 kV富硯雙線+220 kV硯松雙線斷面與主網(wǎng)相連，聯(lián)系較為薄弱，如圖6所示。由于神火電解鋁（一期、二期最大負(fù)荷為1500 MW，2021年全部達(dá)產(chǎn)，由500 kV富寧變出4回220 kV線路供電）負(fù)荷模型的影響，該斷面的輸送能力將受到一定的影響。其中通過不斷加大斷面的輸送功率，直到系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行或超出熱穩(wěn)極限，此時(shí)線路的輸送功率即為該斷面的輸送功率極限。文山電網(wǎng)220 kV及以上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如下圖。

圖6 硯山-富寧斷面結(jié)構(gòu)示意圖

在2022年500 kV富硯雙線+220 kV硯松雙線斷面輸送功率為1910 MW時(shí)，富硯雙線N-1后系統(tǒng)穩(wěn)定且無線路過載情況，兩種負(fù)荷模型下對剩余一回線路的有功功率及富寧變500 kV母線電壓變化曲線的對比情況如圖7、8所示?？梢钥闯?，斷面N-1故障下兩種負(fù)荷模型的時(shí)域仿真曲線差異不大。

圖7 硯富雙線N-1后硯富單回線有功功率曲線

圖8 硯富雙線N-1后富寧變500 kV母線電壓變化曲線

在2022年500 kV富硯雙線+220 kV硯松雙線斷面輸送功率為1910 MW時(shí)，富硯雙線N-2故障后，兩種負(fù)荷模型下系統(tǒng)均失穩(wěn)且220 kV相關(guān)線路發(fā)生過載。分別采取切負(fù)荷措施后（切除神火鋁1全部750 MW +神火鋁2 637.5 MW共計(jì)1387.5 MW負(fù)荷后），相關(guān)功角、電壓、頻率變化曲線對比如圖9所示。

圖9 硯富雙線N-2并采取相同的切負(fù)荷措施后的 電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定曲線

可以看出，神火電解鋁采用新負(fù)荷模型比傳統(tǒng)負(fù)荷模型時(shí)500 kV富硯雙線+220 kV硯松雙線斷面輸送極限更高，即新負(fù)荷模型切除神火電解鋁負(fù)荷1387.5 MW后系統(tǒng)穩(wěn)定，而傳統(tǒng)負(fù)荷模型需切除更多負(fù)荷后系統(tǒng)方能穩(wěn)定。由2種不同的模型所得到的斷面計(jì)算結(jié)果具有一定的差距，使用新的模型，云南電網(wǎng)的穩(wěn)定水平相對較高，相應(yīng)的斷面功率極限也得到了提高，線路輸送能力得到較大提高。

3.4 不同負(fù)荷模型對大理四線斷面極限的影響

以2022年大理、黃坪四線送出斷面為研究對象，滇西北電網(wǎng)通過500 kV富硯黃仁雙線+大和單線+大鹿單線四線斷面與主網(wǎng)相連，如圖10所示。大理鶴慶鋁最大負(fù)荷共計(jì)68萬千瓦，由500 kV黃坪變出2回220 kV線路進(jìn)行供電。受電解鋁負(fù)荷模型的影響，該斷面的輸送能力將受到一定的影響。其中通過不斷加大該四線送出斷面的輸送功率，直到系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行或超出熱穩(wěn)極限，此時(shí)線路的輸送功率即為該斷面的輸送功率極限。

圖1 云南電解鋁產(chǎn)能分布示意圖

圖10 大理四線送出斷面結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)2022年考慮了鶴慶鋁、其亞鋁均投產(chǎn)后，500 kV富硯黃仁雙線+大和單線+大鹿單線四線斷面輸送功率為1472 MW時(shí)，在兩種電解鋁負(fù)荷模型下該斷面任意一回線路發(fā)生N-1故障后系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加該斷面的輸送功率，在斷面輸送功率達(dá)到4400 MW時(shí)，黃仁雙回線路N-1后其他線路有功功率曲線、相關(guān)功角、電壓、頻率變化曲線對比如圖11、圖12所示。

圖11 黃仁雙線N-1后的有功功率曲線

圖12 黃仁雙線N-1后的電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定曲線

可以看出，大理四線斷面動(dòng)穩(wěn)極限主要受第一振蕩模式的限制，在相同的輸送功率下，電解鋁采用新負(fù)荷模型和傳統(tǒng)負(fù)荷模型時(shí)黃仁雙線N-1后的主要電氣量阻尼比分別為4.8 %、4.3 %，新負(fù)荷模型下大理送出四線斷面輸送極限高于傳統(tǒng)負(fù)荷模型。驗(yàn)證了電解鋁采用本次研究提出的新負(fù)荷模型有助于線路輸送能力的提升。

4 結(jié)束語

1）以上分別采用傳統(tǒng)的50 %恒阻抗+50 %電動(dòng)機(jī)模型和新負(fù)荷模型（ZIP比例為：1.78、-0.73、-0.05）計(jì)算了局部電網(wǎng)的穩(wěn)定性，從計(jì)算結(jié)果可以看出負(fù)荷模型對云南電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析結(jié)果有較大的影響。

2）當(dāng)電解鋁采用與實(shí)際更為接近的新ZIP負(fù)荷模型時(shí)，硯山～富寧、大理送出四線斷面輸送能力得到了明顯提高。

3）在云南電網(wǎng)實(shí)際的仿真計(jì)算中，大規(guī)模電解鋁負(fù)荷使用新的ZIP負(fù)荷模型，可提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平及局部電網(wǎng)斷面輸電能力，并可避免或減少不必要的切機(jī)或切負(fù)荷措施，增加向用戶供電的可靠性。