電解鋁負荷對文山電網影響及穩控策略方案

陳義宣，何燁，李玲芳，高杉雪

（云南電網有限責任公司電網規劃建設研究中心，昆明 650011）

0 前言

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

本文分析了線路或主變N-2 等嚴重故障下，在建電解鋁負荷對文山電網穩定影響及穩控策略，提出了電解鋁負荷分級切除的實現方案，構建了文山區域穩控系統，保障了電網安全穩定運行。

1 電解鋁建設及規劃情況

某電網有兩座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線路與云南主網聯網，電網結構簡圖如圖1所示，為提高供電能力及供電可靠性，目前220/500 kV 電磁環網合環運行。2019 年，考慮對越送電及平衡地區中小水電后，文山地區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 文山電網接線簡圖

根據水電鋁工程項目進展，2020 年底文山地區新增水的電鋁負荷包括：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，二期1700 MW 計劃于“十四五”期間投產。

2 N-2主要穩定問題及控制措施

馬塘鋁、神火鋁等負荷投產后加重了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 的下網壓力，正常方式或檢修方式下，主變或線路N-2 故障后，熱穩問題、電壓穩定問題突出，需要切除相關電解鋁負荷等措施。

表1 文山電網N-2主要穩定問題及控制措施

與此同時，電解鋁負荷被切除后，相關線路潮流減輕，系統無功需求減小，若系統側電容器組未及時切除，將出現高電壓問題。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 需根據各自電壓情況，分輪級切除相應電容器組，電解鋁側因無功補償在整流變低壓側，切除整流變的同時，無功補償也一并切除。具體如表1 所示。

3 切負荷措施及實現

3.1 切負荷措施

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

表2 不同穩定情形切負荷方式

除此之外，需設置多輪切負荷方案，主要原因有兩個：

1）考慮到電解鋁切負荷執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，導致第一輪負荷未有效切除。

2）文山地區短路容量小，電壓波動大，受負荷電壓特性影響，第一次切負荷時電壓較低，負荷偏小；電壓恢復后，負荷隨之增大，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 電解鋁切負荷實現

大型電解鋁廠中，電解鋁采用變流器進行直流供電。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，整流系統主要由有載調壓變壓器、整流變、飽和電抗器等構成。二極管整流方式目前主要通過調整飽和電抗器及有載調壓變壓器抽頭來調整電壓，從而達到改變電解鋁負荷的目的，但調節速度相對較慢，整飽和電抗器調整為秒級，有載調壓變壓器調節則為分鐘級。因此，依靠整流裝置本身的功率調節無法抑制故障后電網的迅速崩潰，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組并列運行。目前，電解鋁整流通常按定電流控制，分為大閉環控制和小閉環控制，大閉環控制為正常控制方式，它以保證整個系列電流恒定為目標，控制系列電流穩定，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；小閉環控制以保證單整流變電流穩定為目標，任何單個整流變切除后，不會將電流轉移至其他整流變。因此，切整流變時，為避免負荷轉移，穩控系統發切整流變命令的同時，需向鋁廠整流系統發送控制模式轉換指令，將大閉環控制切換為小閉環控制，電解鋁切負荷實現流程如圖3 所示。

圖3 電解鋁負荷切除實現方式

為校驗電解鋁負荷切除的正確性，在穩控系統現場聯調時，開展了相關傳動試驗，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 臺整流變均運行，每臺整流變負荷約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，電流會短時增加（持續約200 毫秒），為了降低風險，電流控制值比切負荷前略小，穩控錄波數據如圖4 所示，可見，相關試驗達到預期目的。通過傳動試驗顯示，神火鋁I 的整流系統正確切換，整流變正確切除，滿足電網安全穩定控制要求。

圖4 #1整流變切除后，其余電解鋁響應過程

4 穩控系統構建

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 廠等負荷，2020 年需新增穩控系統，其中500 kV 變電站A 作為區域控制主站，220 kV變電站F 作為監測站，電解鋁1 廠、電解鋁2 廠、電解鋁3 廠、500 kV 變電站B 等4 個廠站作為執行站，其配置圖如圖5 所示。

圖5 文山區域穩控系統配置圖（6個廠站）

5 結束語

電解鋁負荷的“不可調性”嚴重影響電網安全防控措施的實施，對電網造成較大的安全隱患，本文結合文山電網實際情況問題，針對不同穩定問題采取不同切負荷措施，同時結合電解鋁負荷特性，實現穩控系統對電解鋁負荷的正確切除。保障了電網的安全穩定運行，提高弱受端電網對電解鋁負荷的接納能力。