電解鋁負(fù)荷對文山電網(wǎng)影響及穩(wěn)控策略方案

陳義宣，何燁，李玲芳，高杉雪

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究中心，昆明 650011）

0 前言

近年來，為充分利用云南水電等清潔能源優(yōu)勢，云南省提出了大力發(fā)展電解鋁等產(chǎn)業(yè)。新建設(shè)的電解鋁負(fù)荷主要分布在文山、昭通、大理等地區(qū)。其中文山將新增神火鋁一期、神火鋁二期、馬塘鋁一期、魏橋鋁等負(fù)荷。電解鋁負(fù)荷的主要特點(diǎn)是單體負(fù)荷容量大、供電相對集中，至2020 年底，文山將新增電解鋁負(fù)荷約2300 MW。文山電網(wǎng)是個弱受端電網(wǎng)，電磁環(huán)網(wǎng)復(fù)雜，又是永富直流受端，電網(wǎng)安全穩(wěn)定突出。電解鋁負(fù)荷在短時和長時間尺度上可調(diào)節(jié)性很差，其大量接入給文山地區(qū)電網(wǎng)來了新的安全風(fēng)險，正常方式或檢修方式下主變或線路故障跳閘后熱穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等問題突出。需要電解鋁負(fù)荷在緊急情況下能實現(xiàn)分級切除[1-3]，以保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前電解鋁的負(fù)荷控制主要在孤立電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定控制方面[4-11]，在大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制方面未見到相關(guān)文獻(xiàn)報到。

本文分析了線路或主變N-2 等嚴(yán)重故障下，在建電解鋁負(fù)荷對文山電網(wǎng)穩(wěn)定影響及穩(wěn)控策略，提出了電解鋁負(fù)荷分級切除的實現(xiàn)方案，構(gòu)建了文山區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)，保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 電解鋁建設(shè)及規(guī)劃情況

某電網(wǎng)有兩座500 kV 變電站（變電站A、變電站B），并通過3 回500 kV 及2 回220 kV線路與云南主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，為提高供電能力及供電可靠性，目前220/500 kV 電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行。2019 年，考慮對越送電及平衡地區(qū)中小水電后，文山地區(qū)枯期大方式電力缺額約1000 MW，汛期大方式電力缺額約100 MW。

圖1 文山電網(wǎng)接線簡圖

根據(jù)水電鋁工程項目進(jìn)展，2020 年底文山地區(qū)新增水的電鋁負(fù)荷包括：新增神火鋁兩期共1500 MW、馬塘鋁I 期800 MW，共計新增負(fù)荷2300 MW。除此之外，魏橋鋁一期三個系列1700 MW 計劃于2021 年全部投產(chǎn)，二期1700 MW 計劃于“十四五”期間投產(chǎn)。

2 N-2主要穩(wěn)定問題及控制措施

馬塘鋁、神火鋁等負(fù)荷投產(chǎn)后加重了500 kV 線路AD、500 kV 線路AB 等斷面潮流，增大了500 kV 變電站A 及500 kV 變電站B 的下網(wǎng)壓力，正常方式或檢修方式下，主變或線路N-2 故障后，熱穩(wěn)問題、電壓穩(wěn)定問題突出，需要切除相關(guān)電解鋁負(fù)荷等措施。

表1 文山電網(wǎng)N-2主要穩(wěn)定問題及控制措施

與此同時，電解鋁負(fù)荷被切除后，相關(guān)線路潮流減輕，系統(tǒng)無功需求減小，若系統(tǒng)側(cè)電容器組未及時切除，將出現(xiàn)高電壓問題。如500 kV 線路AB 雙線N-2 切除電解鋁1 和電解鋁2 全部負(fù)荷后，變電站B 的500 kV 母線電壓將超過575 kV，因此500 kV 變電站A 及500 kV 變電站B 需根據(jù)各自電壓情況，分輪級切除相應(yīng)電容器組，電解鋁側(cè)因無功補(bǔ)償在整流變低壓側(cè)，切除整流變的同時，無功補(bǔ)償也一并切除。具體如表1 所示。

3 切負(fù)荷措施及實現(xiàn)

3.1 切負(fù)荷措施

文山電網(wǎng)是個弱受端電網(wǎng)，電壓穩(wěn)定、熱穩(wěn)定均十分突出，由于熱穩(wěn)定需延時確認(rèn)，切負(fù)荷時間較長，若不及時切除負(fù)荷，易造成電壓崩潰。結(jié)合文山電網(wǎng)實際情況問題，針對不同穩(wěn)定問題采取不同切負(fù)荷措施，具體如表2所示。

表2 不同穩(wěn)定情形切負(fù)荷方式

除此之外，需設(shè)置多輪切負(fù)荷方案，主要原因有兩個：

1）考慮到電解鋁切負(fù)荷執(zhí)行站存在裝置未正確動作，如整流變未切除、整流控制模式未正確切換等，導(dǎo)致第一輪負(fù)荷未有效切除。

2）文山地區(qū)短路容量小，電壓波動大，受負(fù)荷電壓特性影響，第一次切負(fù)荷時電壓較低，負(fù)荷偏小；電壓恢復(fù)后，負(fù)荷隨之增大，易造成二次過載，如圖2 所示。

圖2 線路AB雙線N-2后變電站B的500 kV母線電壓情況

3.2 電解鋁切負(fù)荷實現(xiàn)

大型電解鋁廠中，電解鋁采用變流器進(jìn)行直流供電。電解鋁整流裝置有晶閘管整流和二極管整流兩種。目前神火鋁一期、神火鋁二期、馬塘鋁一期、魏橋鋁均采用二極管整流方式，整流系統(tǒng)主要由有載調(diào)壓變壓器、整流變、飽和電抗器等構(gòu)成。二極管整流方式目前主要通過調(diào)整飽和電抗器及有載調(diào)壓變壓器抽頭來調(diào)整電壓，從而達(dá)到改變電解鋁負(fù)荷的目的，但調(diào)節(jié)速度相對較慢，整飽和電抗器調(diào)整為秒級，有載調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)則為分鐘級。因此，依靠整流裝置本身的功率調(diào)節(jié)無法抑制故障后電網(wǎng)的迅速崩潰，只能通過緊急切除整流變的方式降低電解鋁負(fù)荷功率。

由于電解鋁所需的直流電流大，故一個電解系列采用多臺整流機(jī)組并列運(yùn)行。目前，電解鋁整流通常按定電流控制，分為大閉環(huán)控制和小閉環(huán)控制，大閉環(huán)控制為正?？刂品绞剑员ＷC整個系列電流恒定為目標(biāo)，控制系列電流穩(wěn)定，任何單個整流變切除后，其電流會快速自動的被其他整流變帶起；小閉環(huán)控制以保證單整流變電流穩(wěn)定為目標(biāo)，任何單個整流變切除后，不會將電流轉(zhuǎn)移至其他整流變。因此，切整流變時，為避免負(fù)荷轉(zhuǎn)移，穩(wěn)控系統(tǒng)發(fā)切整流變命令的同時，需向鋁廠整流系統(tǒng)發(fā)送控制模式轉(zhuǎn)換指令，將大閉環(huán)控制切換為小閉環(huán)控制，電解鋁切負(fù)荷實現(xiàn)流程如圖3 所示。

圖3 電解鋁負(fù)荷切除實現(xiàn)方式

為校驗電解鋁負(fù)荷切除的正確性，在穩(wěn)控系統(tǒng)現(xiàn)場聯(lián)調(diào)時，開展了相關(guān)傳動試驗，模擬線路AB 雙線N-2 故障后切除電解鋁1 廠#1 整流變。模擬故障前，電解鋁1 廠7 臺整流變均運(yùn)行，每臺整流變負(fù)荷約27 MW。模擬線路AB 雙線N-2 故障后，#1 整流變被正確切除，其他整流變電壓基本不變。因電感效應(yīng)，電流會短時增加（持續(xù)約200 毫秒），為了降低風(fēng)險，電流控制值比切負(fù)荷前略小，穩(wěn)控錄波數(shù)據(jù)如圖4 所示，可見，相關(guān)試驗達(dá)到預(yù)期目的。通過傳動試驗顯示，神火鋁I 的整流系統(tǒng)正確切換，整流變正確切除，滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制要求。

圖4 #1整流變切除后，其余電解鋁響應(yīng)過程

4 穩(wěn)控系統(tǒng)構(gòu)建

500 kV 線 路AB、500 kV 線 路AD、500 kV 變電站A、500 kV 變電站B 等元件發(fā)生N-2 故障，需切除電解鋁1 廠、電解鋁2 廠、電解鋁3 廠等負(fù)荷，2020 年需新增穩(wěn)控系統(tǒng)，其中500 kV 變電站A 作為區(qū)域控制主站，220 kV變電站F 作為監(jiān)測站，電解鋁1 廠、電解鋁2 廠、電解鋁3 廠、500 kV 變電站B 等4 個廠站作為執(zhí)行站，其配置圖如圖5 所示。

圖5 文山區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)配置圖（6個廠站）

5 結(jié)束語

電解鋁負(fù)荷的“不可調(diào)性”嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全防控措施的實施，對電網(wǎng)造成較大的安全隱患，本文結(jié)合文山電網(wǎng)實際情況問題，針對不同穩(wěn)定問題采取不同切負(fù)荷措施，同時結(jié)合電解鋁負(fù)荷特性，實現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)對電解鋁負(fù)荷的正確切除。保障了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高弱受端電網(wǎng)對電解鋁負(fù)荷的接納能力。