電解鋁負荷模型對云南電網斷面極限的影響

司大軍，王文飛，郭洪芹，萬航羽

（1. 云南電網有限責任公司電網規劃研究中心，昆明 650011； 2. 中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，昆明 650051）

0 前言

電力系統主要由發電機、輸電線路和終端負荷等元件構成[1]，大量研究結果表明，負荷特性對電力系統分析計算結果具有重要影響[2]。不同的負荷模型對電力系統的事故后潮流計算、短路電流計算、暫態穩定、動態穩定、電壓穩定和頻率穩定的仿真計算都具有不同程度的影響，在嚴重情況下，不同的負荷模型可能會使計算結果發生質的變化[2-4]。

目前電力系統暫態穩定分析中常用的負荷模型主要有三種[5-6]：

1）靜態負荷模型，主要反映穩態時負荷模型吸收的功率與電壓、頻率的關系；

2）考慮配電網絡的綜合負荷模型在靜態負荷模型的基礎上計及了配電網絡等值阻抗的影響；

3）綜合負荷模型，是在靜態負荷模型基礎上考慮了一定比例的感應電動機，用以反映電壓、頻率變化時負荷吸收功率的動態變化情況。云南電網作為南方電網的重要部分，作為重要的送端電網，云南目前已形成“十直兩交”的大容量、長距離西電東送結構。在電網穩定計算中大多采用實用的負荷模型，因此必須深入研究負荷模型對暫態穩定性的影響，確定何種負荷模型在何種情況下會產生保守的仿真結果，以保留一定的穩定裕度。較為準確的確定斷面輸送極限對確保電網安全穩定運行意義重大，已有的研究以及實際計算分析表明[7]，不同的負荷模型對電網的輸送極限有較大影響。

根據云南省政府持續打造世界一流“綠色能源牌”的戰略部署，2020年云南鋁冶煉產業用電量約占全省總用電量的20 %左右，隨著云鋁約420萬噸產能、魏橋的203萬噸產能、云南神火90萬噸產能、云南其亞70萬噸產能電解鋁一體化項目的相繼投產，電解鋁類負荷占全省負荷的比重預計將達到40 %以上，用電負荷主要集中在文山和大理等地區。由于文山和大理地區的電解鋁負荷占了相當大的比例，達到80 %以上，因此非常有必要研究電解鋁負荷模型對電網穩定及斷面輸電極限等的影響[8-9]。

本文以云南局部電網為研究對象，采用中國電力科學研究院的BPA程序建立了新的電解鋁負荷ZIP模型，重點分析現有負荷模型與新模型對云南電網主要斷面極限的影響，通過實際計算結果分析產生差異的內在原因，相關成果可為電網的規劃、運行提供指導與參考。

1 云南電解鋁產能布局及電網發展規劃

根據云南省《關于推動水電鋁材一體化發展的實施意見》（云政發〔2017〕65號）、《云南省新材料產業發展三年行動計劃（2018-2020年）》等文件，云南省將依托能源資源和環境承載優勢，謀劃和推動“北鋁南移”，推動水電和電解鋁產業深度融合。根據云南省政府持續打造世界一流“綠色能源牌”的戰略部署，“十四五”期間云南將新增水電鋁產能625萬噸，新增用電量700億千瓦時，新增水電硅用電量230億千瓦時，這些高載能負荷大多位于云南主網末端的大理、文山等地區，現狀網架結構薄弱，供電能力有限，同時伴隨著穩定、安全風險等諸多問題，現狀網架供電裕度無法滿足用電負荷激增，亟需對主網架進行加強。

其中，為滿足文山地區新增的馬塘、神火以及魏橋電解鋁的供電，云南電網規劃新建500千伏天星變、柳井變、富寧變三期等輸變電工程，網架規劃如下圖所示。

圖2 文山地區500千伏網架規劃示意圖

為滿足大理地區新增的鶴慶、其亞電解鋁的供電，云南電網規劃500千伏鶴慶變、黃坪變三期等輸變電工程，網架規劃如下圖所示。

圖3 大理地區500千伏網架規劃示意圖

2 云南電網穩定計算采用的負荷模型

目前，云南電網暫態穩定仿真中，負荷模型采用50 %恒阻抗+50 %電動機的負荷模型（本文稱為“傳統負荷模型”），電動機負荷模型[10]與參數如圖4和表1所示。

表1 感應電動機模型參數

圖4 云南電網現狀暫態穩定負荷模型

考慮到電解鋁廠中電解槽耗電超過整廠的95 %，而電解槽為整流負荷與當前使用的整個電網負荷模型不符，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荷工作特性，通過對實際錄波數據分析，提出電解鋁負荷ZIP比例分別為：1.78、-0.73、-0.05（本文稱為“新負荷模型”）。

圖5 感應電動機靜態等值電路

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

3 不同負荷模型斷面極限的影響

3.1 計算邊界

1）計算數據采用2022年云南電網豐大方式網絡結構為基礎，其中柳井～富寧500 kV線路按未投產考慮。

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

3）永富直流暫不回送文山電網。

4）計算故障為硯富斷面和大理四線送出斷面三相短路故障。

5）仿真對比計算中分別采用2種負荷模型，即采用傳統的50 %恒阻抗+50 %電動機模型和新負荷模型。

3.2 穩定計算原則

1）穩定計算以中國電力科學研究院開發的BPA程序為計算平臺，以《電力系統安全穩定導則》為計算標準。

2）穩定判據：

暫態穩定判據：暫態穩定是指電力系統受到大擾動后，各同步電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩態運行方式的能力，通常指保持第一、第二搖擺不失步的功角穩定，是電力系統功角穩定的一種形式。

電壓穩定判據：暫態和動態過程中系統電壓中樞點母線電壓下降持續（一般為1秒）低于限定值（一般為0.75 p.u.），或動態過程平息后220 kV及以上電壓等級中樞點母線電壓低于0.9 p.u.，就認為系統或負荷電壓不穩定。

頻率穩定判據：頻率穩定是指電力系統受到有功功率擾動后，系統頻率能夠保持或恢復到允許的范圍內（47.5 HZ＜f＜51.5 HZ），不發生頻率崩潰的能力。

3.3 不同負荷模型對硯山富寧斷面極限的影響

以2022年文山東部電網為研究對象，在柳井～富寧500 kV線路未投產前，文山東部電網通過500 kV富硯雙線+220 kV硯松雙線斷面與主網相連，聯系較為薄弱，如圖6所示。由于神火電解鋁（一期、二期最大負荷為1500 MW，2021年全部達產，由500 kV富寧變出4回220 kV線路供電）負荷模型的影響，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，直到系統不能穩定運行或超出熱穩極限，此時線路的輸送功率即為該斷面的輸送功率極限。文山電網220 kV及以上網架結構如下圖。

圖6 硯山-富寧斷面結構示意圖

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，富硯雙線N-1后系統穩定且無線路過載情況，兩種負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。可以看出，斷面N-1故障下兩種負荷模型的時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，富硯雙線N-2故障后，兩種負荷模型下系統均失穩且220 kV相關線路發生過載。分別采取切負荷措施后（切除神火鋁1全部750 MW +神火鋁2 637.5 MW共計1387.5 MW負荷后），相關功角、電壓、頻率變化曲線對比如圖9所示。

圖9 硯富雙線N-2并采取相同的切負荷措施后的 電網暫態穩定曲線

可以看出，神火電解鋁采用新負荷模型比傳統負荷模型時500 kV富硯雙線+220 kV硯松雙線斷面輸送極限更高，即新負荷模型切除神火電解鋁負荷1387.5 MW后系統穩定，而傳統負荷模型需切除更多負荷后系統方能穩定。由2種不同的模型所得到的斷面計算結果具有一定的差距，使用新的模型，云南電網的穩定水平相對較高，相應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相連，如圖10所示。大理鶴慶鋁最大負荷共計68萬千瓦，由500 kV黃坪變出2回220 kV線路進行供電。受電解鋁負荷模型的影響，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，直到系統不能穩定運行或超出熱穩極限，此時線路的輸送功率即為該斷面的輸送功率極限。

圖1 云南電解鋁產能分布示意圖

圖10 大理四線送出斷面結構示意圖

當2022年考慮了鶴慶鋁、其亞鋁均投產后，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，在兩種電解鋁負荷模型下該斷面任意一回線路發生N-1故障后系統均能保持穩定。在此基礎上進一步增加該斷面的輸送功率，在斷面輸送功率達到4400 MW時，黃仁雙回線路N-1后其他線路有功功率曲線、相關功角、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后的電網暫態穩定曲線

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

4 結束語

1）以上分別采用傳統的50 %恒阻抗+50 %電動機模型和新負荷模型（ZIP比例為：1.78、-0.73、-0.05）計算了局部電網的穩定性，從計算結果可以看出負荷模型對云南電網的暫態穩定分析結果有較大的影響。

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

3）在云南電網實際的仿真計算中，大規模電解鋁負荷使用新的ZIP負荷模型，可提高電網的暫態穩定水平及局部電網斷面輸電能力，并可避免或減少不必要的切機或切負荷措施，增加向用戶供電的可靠性。