一種冶煉企業特殊負荷電力仿真模型研究

陳大宣　翁海峰　梁文軍　陳謙　鞠平

摘要：以冶煉負荷為代表的特殊電力負荷容量較大，對電網電能質量、系統穩定性的影響不可忽略。現有的負荷模型難以描述特殊負荷特性，電力系統的仿真缺少相應的負荷模型。現以硅鐵、電解鋁和軋鋼負荷為例，分析特殊負荷的生產特性和電氣特性，提出了綜合考慮負荷電氣特性和功率沖擊特性的特殊負荷模型，新的模型既能描述特殊負荷生產過程中的負荷水平突變，又能體現電網電壓的變化對負荷水平的影響。最后在系統仿真軟件中給出了特殊負荷模型的應用示例。

關鍵詞：冶煉企業;特殊負荷;電力仿真模型

0 引言

特殊負荷[1-2]是指對電網具有顯著沖擊性的大容量負荷，其負荷功率變化主要取決于負荷的生產特點，電網的電壓和頻率變化則是其次要影響因素。冶煉企業中存在較多沖擊性負荷設備，這些設備的負荷容量一般較大，可達幾十兆瓦甚至上百兆瓦，譬如硅鐵企業中的礦熱爐，電解鋁企業中的電解槽組，鋼鐵企業中的軋鋼設備等。

早期冶煉企業規模較小，而其他民用負荷、商用負荷等容量相對較大，冶煉負荷的沖擊特性不明顯，對電網的影響可忽略。隨著工業的迅速發展，冶煉企業負荷的特殊性日益顯著[3-5]，一方面特殊負荷生產過程中，設備的啟停、工藝因素等時常造成負荷水平的突變，給電網的運行帶來了諸多挑戰;另一方面，部分特殊電力負荷具有較強的非線性性，其生產運行對電網電能質量、電力系統可靠性、鄰近發電機組運行等有顯著影響。

電力系統的仿真計算以相應的模型為基礎，模型的準確性對仿真結果影響較大。鑒于特殊電力負荷給電力系統的安全穩定運行、電力設備的正常使用、電能質量等帶來了多方面的挑戰，現有的研究針對其不同的問題做了不同程度的探討。針對以電弧爐為代表的設備模型的研究較早，取得了較多的研究成果，現有的模型能夠模擬設備的電壓和電流的非線性關系，為電力研究人員在諧波估計、投入無功補償設備規劃等方面提供了重要的依據。特殊負荷的沖擊特性作為研究的另一個重要方向，已取得了一些成果[1-3]，可用于局部電網的安全穩定分析，估計冶金、鋼鐵等特殊負荷的接入對電力系統相關指標的影響。但總體來說，現有的研究模型結構過于簡單。現有負荷沖擊特性模型基本采用電流源或者功率源的形式模擬特殊負荷對電網的影響，忽略了負荷自身的電氣特性，即負荷功率和系統電壓、頻率的函數關系，不能完整體現特殊負荷的基本特性。

本文在前人研究的基礎上，提出一種新的特殊負荷模型結構。該模型結構可以分別表達特殊負荷的電氣特性和功率變化特性，也可以表達它們的綜合效應，且經過不同的簡化，可用于不同的針對性問題研究。

1 冶煉企業典型特殊負荷

冶煉企業負荷設備種類繁多，本文選取硅鐵冶煉（電弧爐）、電解鋁（電解槽）、軋鋼（軋鋼機）這三種典型負荷進行分析，闡述其生產特點和電氣特性。

1.1? ? 硅鐵冶煉（電弧爐）

硅鐵的冶煉是在礦熱爐中采取連續作業冶煉法進行的。礦熱爐屬電弧爐系列的一種。連續作業煉制是指根據爐內下料的情況，不斷地往爐內裝料，同時電弧燃燒產生熱量，需定期排除爐內的液態合金。

硅鐵冶煉伴隨有功率的波動，由于硅鐵冶煉過程操作復雜，功率波動的成因不是單一的。一方面，硅鐵冶煉過程需控制好還原劑的投入量，當原料中還原劑過少時，電弧爐中二氧化硅不能得到充分還原，使得爐料發黏，料面燒結，疵火嚴重，進而造成電流波動厲害;當原料中還原劑過多時，爐料導電性增大，電極上抬，容易造成爐料坍塌，繼而導致電極短路，電流瞬時增加。另一方面，在冶煉硅鐵過程中，每隔2～3 h會有一次出鐵過程，出鐵時電極下壓使得金屬液體從出鐵口流出，該操作會造成功率的大幅度變化，從而影響電網的正常運行。

1.2? ? 電解鋁（電解槽）

電解槽是煉鋁的主要生產設備，由槽體和電極組成，陰陽兩極一般用隔膜隔開。電解槽根據電解液的不同分為水溶液電解槽、非水溶液電解槽和熔融鹽電解槽。給電解槽通以電流，其陰陽兩極分別與溶液發生氧化還原反應，以制取所需產品。

電解鋁的生產過程對電網存在一定程度的沖擊。陽極效應是電解鋁生產過程中最常見的現象。當電解液中的氧化鋁成分不足時，電解槽的陽極會產生弧光放電現象，并伴隨噼啪聲。對應在電解槽的電氣特性方面，電壓大幅上升的同時，由于電解槽的恒電流控制影響，其有功和無功也隨之大幅上升。據統計，電解槽發生陽極效應的周期約為0.5～1次/天。陽極效應伴隨電解鋁的生產規程，難以避免，成為煉鋁企業對電網造成影響的主要原因。此外，電解槽的啟動過程也會對電網造成顯著沖擊。當鋁廠啟動新的電解槽時，需首先將所有槽體斷電，新槽接入后，啟動槽的槽電壓需人為增加至正常工作電壓的5倍左右，并持續一段時間，以分離出電解質中的炭渣。打撈工作完成以后，電解槽電壓會逐步下降，但大約需要1～2天才能恢復正常的工作電壓。因而啟動電解槽時會對電網造成巨大的沖擊。

1.3? ? 軋鋼（軋鋼機）

軋鋼是將鋼錠或鋼坯軋制成鋼材的生產工藝。軋鋼生產一方面是可以得到需要的鋼材形狀，如帶鋼、鋼板、線材等，另一方面是為了改善鋼的內部質量，常見的一些成品鋼材都需要軋鋼工藝進行加工生產。

軋鋼生產根據軋制時溫度的不同可分為熱軋和冷軋兩大類。熱軋生產主要包括初軋開坯、熱軋帶鋼/中厚板等，材料在軋制之前需經過加溫以改變鋼的塑性，改善其內部性能。鋼坯經過加熱后，軋制時機械沖擊相對較小，使得負荷相對較小且波動不明顯，可不將其作為沖擊負荷考慮。冷軋生產具有代表性的是中板、薄板連鑄連軋、爐卷、碳鋼冷軋、不銹鋼冷軋這5種生產工藝，冷軋軋機生產過程中對電網具有較強的沖擊。就單臺軋機而言，其負荷水平在未軋鋼時基本不變，在生產過程中功率急劇變化。多臺設備的共同生產使得負荷沖擊此起彼伏，具有一定的周期性，設備的疊加效應會造成負荷變化率大，功率沖擊明顯。

2 特殊負荷特性分析

2.1? ? 特殊負荷電氣特性

特殊負荷電氣特性和常規負荷一致，可以描述負荷的功率或電流和電網電壓、頻率的函數關系。電網的電壓和頻率快速變化時，負荷呈動態特性，可用非線性微分方程描述，稱為負荷動態模型;電壓和頻率緩慢變化時，負荷特性變化平穩，可用代數方程描述，稱為負荷靜態模型。在選擇負荷電氣特性模型時，應依據具體的設備或設備群的特性，選擇負荷的動靜特性或綜合進行考慮。電弧爐類負荷在已有研究中被看作阻抗型負荷，可選用靜態負荷模型;軋鋼類負荷由于軋機是典型的電動機，應選用負荷動態模型;對于系統中部分節點兼有這兩類負荷，可采用綜合負荷模型。

傳統的機理動態負荷模型簡稱為CLM，是Classic Load Models的縮寫，模型結構如圖1所示。綜合負荷可看作由等值靜態負荷和等值電動機并聯組成。靜態負荷可以采用ZIP模型或者恒阻抗模型。傳統的機理負荷模型并沒有直接考慮配電網的等值阻抗，而是將其加在電動機的等值定子阻抗上，因而是一種間接考慮配電網的模型結構。

2.2? ? 特殊負荷沖擊特性

負荷沖擊特性區別于電氣特性，由于工業生產需要，負荷在較短的時間（秒級乃至毫秒級）會產生數倍的功率沖擊。此時負荷從電網汲取的功率主要由生產過程決定，而系統的電壓和頻率則降為次要因素。

負荷的沖擊在短時間內（秒級或分鐘級）較多呈現無規律性，難以預測。在相對較長的時間框架中，負荷沖擊可能會表現出一定的規律性，硅鐵負荷每隔2～3 h會形成一次大幅度的功率沖擊。

描述負荷沖擊特性時，不妨進行一些簡化。負荷的單次沖擊可以描述為具有上升沿或下降沿的斜坡函數。多次負荷沖擊可看作多個單次沖擊的疊加作用。沖擊函數G（x）的函數表達式根據沖擊特性的不同可有不同的表達形式。

（4）混合型沖擊：混合型沖擊可由斜坡型沖擊、梯形波或矩形波沖擊疊加成多次或周期性沖擊。如需考慮沖擊過程中的隨機波動，也可將隨機型沖擊、斜坡型沖擊和梯形沖擊綜合考慮。

3 特殊負荷模型

基于特殊電力負荷的電氣特性和沖擊特性（或功率特性），本文提出了綜合考慮負荷電氣特性和功率沖擊特性的特殊負荷模型，模型結構如圖2所示。電氣模型采用經典負荷模型，綜合考慮負荷靜態特性和動態特性。函數G（x）表示負荷沖擊特性模型。沖擊性參數描述負荷突變特性，主要反映沖擊負荷的沖擊幅度ΔP和ΔQ、沖擊速率k或沖擊時間T。

特殊負荷模型參數分為電氣特性參數和沖擊特性參數。

（1）電氣特性參數的確定和常規負荷建模一致，可采用綜合統計法、總體測辨法、故障擬合法等，不再詳細敘述。

（2）沖擊特性參數在有實測數據的情況下，沖擊幅度ΔP和ΔQ、沖擊時間T較為容易確定，根據沖擊前穩態和后穩態負荷水平即可確定前者，負荷水平波動的時間即為沖擊時間T。

對于電動機負荷比例Pmp，其在沖擊發生前后參數值可能會有顯著變化，宜獨立考慮。沖擊過程中負荷沖擊功率ΔP和ΔQ會對電網產生直接影響，而電動機的比例Pmp對電網的影響則可忽略。

4 模型仿真應用

實際電網分析中，往往關注特殊負荷對局部電網動態特性的影響，本文以圖3所示的3機10節點系統為例，外部大電網等效為無窮大機組，設其慣性時間常數M=1 000 s。小系統中發電機G1、G2、G3容量為50 MW/62.5 MVA，發電機發出功率經升壓變壓器輸送至220 kV電網，供系統內負荷使用。小系統內負荷由常規負荷和特殊電力負荷構成，其中STNA-230、STNB-230和STNC-230母線節點接入常規負荷，Impact Load母線節點接入特殊電力負荷。

如圖4特殊負荷特性仿真曲線中1～2 s所示，負荷水平的突增造成系統電壓的波動;而電網運行狀態的變化也能影響負荷功率水平，如圖4中第2.5 s處所示。

5 結語

特殊負荷作為電力系統中一種典型負荷，其容量大，沖擊性強，傳統負荷模型難以描述其綜合特性。基于此，本文提出了一種綜合考慮特殊負荷電氣特性和沖擊特性的特殊負荷模型，新模型兼顧了負荷功率沖擊性和電氣特性，既能反映負荷自身由于生產環節帶來的功率突變，又能體現電網運行參數變化對負荷的影響。

[參考文獻]

[1] 陳大宣，余一平，鞠平，等.基于時變電流注入方法的特殊電力負荷建模研究[J].電力自動化設備，2014，34（3）：120-124.

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收稿日期：2020-12-07

作者簡介：陳大宣（1989—），男，江蘇鹽城人，工程師，研究方向：發電廠電氣設計。