电解铝负荷模型对云南电网断面极限的影响

2021-09-02司大军王文飞郭洪芹万航羽

云南电力技术 2021年4期

司大军，王文飞，郭洪芹，万航羽

（1. 云南电网有限责任公司电网规划研究中心，昆明 650011； 2. 中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，昆明 650051）

0 前言

电力系统主要由发电机、输电线路和终端负荷等元件构成[1]，大量研究结果表明，负荷特性对电力系统分析计算结果具有重要影响[2]。不同的负荷模型对电力系统的事故后潮流计算、短路电流计算、暂态稳定、动态稳定、电压稳定和频率稳定的仿真计算都具有不同程度的影响，在严重情况下，不同的负荷模型可能会使计算结果发生质的变化[2-4]。

目前电力系统暂态稳定分析中常用的负荷模型主要有三种[5-6]：

1）静态负荷模型，主要反映稳态时负荷模型吸收的功率与电压、频率的关系；

2）考虑配电网络的综合负荷模型在静态负荷模型的基础上计及了配电网络等值阻抗的影响；

3）综合负荷模型，是在静态负荷模型基础上考虑了一定比例的感应电动机，用以反映电压、频率变化时负荷吸收功率的动态变化情况。云南电网作为南方电网的重要部分，作为重要的送端电网，云南目前已形成“十直两交”的大容量、长距离西电东送结构。在电网稳定计算中大多采用实用的负荷模型，因此必须深入研究负荷模型对暂态稳定性的影响，确定何种负荷模型在何种情况下会产生保守的仿真结果，以保留一定的稳定裕度。较为准确的确定断面输送极限对确保电网安全稳定运行意义重大，已有的研究以及实际计算分析表明[7]，不同的负荷模型对电网的输送极限有较大影响。

根据云南省政府持续打造世界一流“绿色能源牌”的战略部署，2020年云南铝冶炼产业用电量约占全省总用电量的20 %左右，随着云铝约420万吨产能、魏桥的203万吨产能、云南神火90万吨产能、云南其亚70万吨产能电解铝一体化项目的相继投产，电解铝类负荷占全省负荷的比重预计将达到40 %以上，用电负荷主要集中在文山和大理等地区。由于文山和大理地区的电解铝负荷占了相当大的比例，达到80 %以上，因此非常有必要研究电解铝负荷模型对电网稳定及断面输电极限等的影响[8-9]。

本文以云南局部电网为研究对象，采用中国电力科学研究院的BPA程序建立了新的电解铝负荷ZIP模型，重点分析现有负荷模型与新模型对云南电网主要断面极限的影响，通过实际计算结果分析产生差异的内在原因，相关成果可为电网的规划、运行提供指导与参考。

1 云南电解铝产能布局及电网发展规划

根据云南省《关于推动水电铝材一体化发展的实施意见》（云政发〔2017〕65号）、《云南省新材料产业发展三年行动计划（2018-2020年）》等文件，云南省将依托能源资源和环境承载优势，谋划和推动“北铝南移”，推动水电和电解铝产业深度融合。根据云南省政府持续打造世界一流“绿色能源牌”的战略部署，“十四五”期间云南将新增水电铝产能625万吨，新增用电量700亿千瓦时，新增水电硅用电量230亿千瓦时，这些高载能负荷大多位于云南主网末端的大理、文山等地区，现状网架结构薄弱，供电能力有限，同时伴随着稳定、安全风险等诸多问题，现状网架供电裕度无法满足用电负荷激增，亟需对主网架进行加强。

其中，为满足文山地区新增的马塘、神火以及魏桥电解铝的供电，云南电网规划新建500千伏天星变、柳井变、富宁变三期等输变电工程，网架规划如下图所示。

图2 文山地区500千伏网架规划示意图

为满足大理地区新增的鹤庆、其亚电解铝的供电，云南电网规划500千伏鹤庆变、黄坪变三期等输变电工程，网架规划如下图所示。

图3 大理地区500千伏网架规划示意图

2 云南电网稳定计算采用的负荷模型

目前，云南电网暂态稳定仿真中，负荷模型采用50 %恒阻抗+50 %电动机的负荷模型（本文称为“传统负荷模型”），电动机负荷模型[10]与参数如图4和表1所示。

表1 感应电动机模型参数

图4 云南电网现状暂态稳定负荷模型

考虑到电解铝厂中电解槽耗电超过整厂的95 %，而电解槽为整流负荷与当前使用的整个电网负荷模型不符，通过对电解铝工作特性分析，使用ZIP模型可以近似仿真电解铝负荷工作特性，通过对实际录波数据分析，提出电解铝负荷ZIP比例分别为：1.78、-0.73、-0.05（本文称为“新负荷模型”）。

图5 感应电动机静态等值电路

其中：R1为定子电阻；X1为等值电抗与定子漏抗之和；XM为励磁电抗；R2和X2为转子电阻和漏抗；Tj为转子惯性时间常数；Ka为与转速无关的阻力矩系数；P为与转速有关的阻力矩方次；s和s0分别为滑差和初始滑差。

3 不同负荷模型断面极限的影响

3.1 计算边界

1）计算数据采用2022年云南电网丰大方式网络结构为基础，其中柳井～富宁500 kV线路按未投产考虑。

2）电解铝负荷：神火铝I、II期、马塘铝I期、魏桥铝A-F系列共5520 MW，功率因数全部按0.98考虑。

3）永富直流暂不回送文山电网。

4）计算故障为砚富断面和大理四线送出断面三相短路故障。

5）仿真对比计算中分别采用2种负荷模型，即采用传统的50 %恒阻抗+50 %电动机模型和新负荷模型。

3.2 稳定计算原则

1）稳定计算以中国电力科学研究院开发的BPA程序为计算平台，以《电力系统安全稳定导则》为计算标准。

2）稳定判据：

暂态稳定判据：暂态稳定是指电力系统受到大扰动后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力，通常指保持第一、第二摇摆不失步的功角稳定，是电力系统功角稳定的一种形式。

电压稳定判据：暂态和动态过程中系统电压中枢点母线电压下降持续（一般为1秒）低于限定值（一般为0.75 p.u.），或动态过程平息后220 kV及以上电压等级中枢点母线电压低于0.9 p.u.，就认为系统或负荷电压不稳定。

频率稳定判据：频率稳定是指电力系统受到有功功率扰动后，系统频率能够保持或恢复到允许的范围内（47.5 HZ＜f＜51.5 HZ），不发生频率崩溃的能力。

3.3 不同负荷模型对砚山富宁断面极限的影响

以2022年文山东部电网为研究对象，在柳井～富宁500 kV线路未投产前，文山东部电网通过500 kV富砚双线+220 kV砚松双线断面与主网相连，联系较为薄弱，如图6所示。由于神火电解铝（一期、二期最大负荷为1500 MW，2021年全部达产，由500 kV富宁变出4回220 kV线路供电）负荷模型的影响，该断面的输送能力将受到一定的影响。其中通过不断加大断面的输送功率，直到系统不能稳定运行或超出热稳极限，此时线路的输送功率即为该断面的输送功率极限。文山电网220 kV及以上网架结构如下图。

图6 砚山-富宁断面结构示意图

在2022年500 kV富砚双线+220 kV砚松双线断面输送功率为1910 MW时，富砚双线N-1后系统稳定且无线路过载情况，两种负荷模型下对剩余一回线路的有功功率及富宁变500 kV母线电压变化曲线的对比情况如图7、8所示。可以看出，断面N-1故障下两种负荷模型的时域仿真曲线差异不大。

图7 砚富双线N-1后砚富单回线有功功率曲线

图8 砚富双线N-1后富宁变500 kV母线电压变化曲线

在2022年500 kV富砚双线+220 kV砚松双线断面输送功率为1910 MW时，富砚双线N-2故障后，两种负荷模型下系统均失稳且220 kV相关线路发生过载。分别采取切负荷措施后（切除神火铝1全部750 MW +神火铝2 637.5 MW共计1387.5 MW负荷后），相关功角、电压、频率变化曲线对比如图9所示。

图9 砚富双线N-2并采取相同的切负荷措施后的电网暂态稳定曲线

可以看出，神火电解铝采用新负荷模型比传统负荷模型时500 kV富砚双线+220 kV砚松双线断面输送极限更高，即新负荷模型切除神火电解铝负荷1387.5 MW后系统稳定，而传统负荷模型需切除更多负荷后系统方能稳定。由2种不同的模型所得到的断面计算结果具有一定的差距，使用新的模型，云南电网的稳定水平相对较高，相应的断面功率极限也得到了提高，线路输送能力得到较大提高。

3.4 不同负荷模型对大理四线断面极限的影响

以2022年大理、黄坪四线送出断面为研究对象，滇西北电网通过500 kV富砚黄仁双线+大和单线+大鹿单线四线断面与主网相连，如图10所示。大理鹤庆铝最大负荷共计68万千瓦，由500 kV黄坪变出2回220 kV线路进行供电。受电解铝负荷模型的影响，该断面的输送能力将受到一定的影响。其中通过不断加大该四线送出断面的输送功率，直到系统不能稳定运行或超出热稳极限，此时线路的输送功率即为该断面的输送功率极限。

图1 云南电解铝产能分布示意图

图10 大理四线送出断面结构示意图

当2022年考虑了鹤庆铝、其亚铝均投产后，500 kV富砚黄仁双线+大和单线+大鹿单线四线断面输送功率为1472 MW时，在两种电解铝负荷模型下该断面任意一回线路发生N-1故障后系统均能保持稳定。在此基础上进一步增加该断面的输送功率，在断面输送功率达到4400 MW时，黄仁双回线路N-1后其他线路有功功率曲线、相关功角、电压、频率变化曲线对比如图11、图12所示。