2025智能微网解决方案技术自皮书（矿山场景）-华为

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01 组长： 副组长： 成员： 主编单位： 主编人员： （按拼音排序） 车长波 刘加进 姚 茳 吕 慷 张 帝 李祥辉 中国矿业联合会 秘书长 华东勘测设计研究院有限公司 副总经理 华为数字能源技术有限公司微网矿山业务 总裁 华东勘测设计研究院有限公司 一级专家 华为数字能源技术有限公司微网矿山海外业务 总经理 华为数字能源技术有限公司微网矿山业务 CTO 华东勘测设计研究院有限公司国际公司市场开发部 总经理 华东院非洲区域总部 副总经理 华东勘测设计研究院有限公司国际公司海外工程技术中心 副总经理 华东勘测设计研究院有限公司绿色矿山工程院 副院长 华东院国际公司市场开发部 高级工程师 华东院机电工程院国际设计中心 副主任 华为数字能源技术有限公司微网矿山业务生态合作总监 华为数字能源技术有限公司微网矿山业务解决方案专家 中国矿业联合会 华东勘测设计研究院有限公司 华为数字能源技术有限公司 陈国良 胡定国 曹 磊 陈晓宇 石亚远 季石宇 赵 微 王 俊 蔡金华 佘宏武 陈 龙 吴家宏 雷 盈 张 岩 李祥辉 赵 微 陈 贶 王君超 季石宇 （华东院） 王 俊 李训龙 张泽家 石亚远 （华东院） 庄铁钢 （华东院） 在矿山能源革命的关键节点，博雷顿与华为并肩开 拓矿山绿电新路径。《智能微网解决方案技术白皮书（矿 山场景）》，以充分的市场洞察和业界先进的技术能力 直击行业痛点—— 供电不稳、成本激增、碳排难降。我 们深谙矿企之需：稳定可靠的电力保障、可预测的最优 度电成本、可量化的 ESG 价值。博雷顿作为零碳矿山 的实践引领者，结合华为一体化解决方案，让矿山从能 源消耗者蜕变为清洁能源生产者。这场变革不仅是技术 升级，更是重塑矿业未来的战略支点。 矿山应用清洁能源是矿业发展的必然趋势，《智能 微网解决方案技术白皮书（矿山场景）》为我们提供了 矿山绿电切实可行的解决方案。龙净环保是中国环保产 业的领军企业和国际知名的环境治理服务企业、能源服 务供应商，为紫金矿业的权属企业；公司五十多年来始 终专注于环保、节能领域研发及应用，致力于提供生态 环境综合治理系统解决方案和新能源综合服务。龙净环 保将携手华为及国内外同行，积极加速构建低碳与零碳 矿山，以清洁能源驱动资源开发，为全球矿业转型树立 标杆。 博雷顿科技股份公司董事长 福建龙净环保股份有限公司总裁 编 审 工 作 领 导 小 组 目录 第一章 第二章 引言 行业背景与发展驱动因素 03 01 09 矿山微电网关键技术 第三章 华为智能微网解决方案应用案例 1. 矿山行业电力需求特点 2. 政策与法规驱动 3. 经济与技术驱动 4. 当前发展矿山微电网面临的主要挑战 1. 刚果金首个铜矿微电网项目 2. 蒙古 MAK 全球已投运最大的矿山微电网项目群 3. 刚果金马诺诺锂矿微电网项目 4. 沙特红海全球最大光储微电网项目 04 05 06 07 26 27 28 29 10 11 12 12 13 20 22 1. 方案概述 2. 微网运行模式 3. 华为微电网架构创新与关键技术 3.1 分层控制架构 3.2 稳定运行六大关键技术 3.3 经济运行关键技术 3.4 矿山微网解决方案设计全流程 25 06 01 引言 矿冶行业在可持续发展中面临保障供电稳定性与优化经济性 的双重挑战，传统柴油发电因成本高、可靠性差、碳排放严重， 难以适应绿色化、智能化转型需求。 华为智能微网解决方案以构网型储能为核心，融合多能 源协同，既满足矿山高可靠性供电要求，又能降低度电成本超 50%、减少碳排放，经多个国际大型矿山项目验证，已成为行 业能源转型的可复制标杆。 矿山微电网正从“辅助供电系统”进化为“零碳矿山核心基 础设施”。预计 2030 年后，风光储微电网将成为新建矿山的强 制标配，矿山将从“能源消耗者”转变为“能源生产者”。早转 型的矿企将在成本控制、ESG 评级、市场准入等方面形成显著 优势，重构全球矿产资源竞争格局。 02 03 第一章 行业背景与发展驱动因素 04 05 金属种类 铜 锂 钴 镍 锰 锌 矿种大类 煤矿 主要金属矿 非金属矿 稀有金属矿 预计增幅 295% 660% 178% 410% 454% 222% 2021 年需求（万吨） 182 11 10 23 10 54 细分矿种 机械化采煤 铁矿，铜矿等 石灰石，石膏 钨矿，钼矿，盐湖提锂等 2030E 年需求（万吨） 720 81 29 115 56 175 电力成本占比 20%-30% 20% 10%-20% 25%-35% 1. 矿山行业电力需求特点 矿山行业能源需求呈现 “高能耗、高可靠、高挑战” 三重特性，传统供电模式局限性凸显。 新能源产业爆发带动铜、锂等关键金属需求激增，2030 年新能源领域铜需求将从 2021 年 182 万吨增至 720 万吨（增幅 295%），锂从 11 万吨增至 81 万吨（增幅 660%），钴、镍等增幅也超 170%。金属需求 增长推动矿业产能扩张，全球矿产开发用电量已占总能耗 11%，且年增 5%。 电力成本成矿企核心负担，不同矿种占比差异大：煤矿机械化采煤为 20%-30%，铁矿、铜矿等主要金 属矿 20%，盐湖提锂、钨矿等稀有金属矿达 25%-35%。以刚果金某年产 10 万吨露天铜矿为例，年耗电约 2 亿度，球磨机单机功率≥ 10MW，电力支出直接影响利润。 全球 80% 以上大型矿山距主干电网超 200 公里，电网延伸成本高达 200 万元 / 公里，经济可行性低。 且高海拔、极寒等极端环境使传统发电设备效率下降 40% 以上，供电压力更大。传统柴油发电是当前偏远矿 山主要供电方式，却难适应行业发展。全球矿山年耗柴油约 4000 万吨，碳排放超 1.2 亿吨 CO2，非洲 70% 矿区依赖柴油，年耗 1800 万吨。 ⑴ ⑵ 柴油发电存在固有的技术局限性：相较于大电网或构网型储能，频率和电压稳定性弱，应急响应慢，难满 足毫秒级需求（如非洲某铜矿遇光伏 / 负载波动导致频率不稳定，效率降 15% 以上，年损超千万美元）；环 境适应性弱，高海拔功率衰减 30%-50%，极寒效率更低，且噪音、排放不达标；运维复杂，故障间隔短； 在非洲、拉美等基础设施薄弱地区，柴油运输依赖公路，供应链中断风险高（如暴雨导致道路中断），直接威 胁生产连续性。 表 1-1：2021-2030 年全球新能源行业对各金属需求量及增幅 表 1-2：不同矿种电力成本占运营成本比例 更重要的是发电成本居高不下，刚果金某铜矿柴发发电成本达 40 美分 / 度以上，远超光伏 + 储能，且隐 性成本高、偏远矿区柴油运输距离常超 500 公里，运费占燃料总成本的 15%-20%；储存需专用防爆设施， 安全投入大。 随着风光储技术的成熟，柴油发电正从“主力电源”退居“应急备用”，其技术与成本劣势在清洁能源方 案的对比下竞争力弱。 供电中断可能导致设备损坏、生产停滞或安全事故。如球磨机停机超 10 分钟会使研磨介质固结， 清理需数天；井下排水系统停机 1 小时可能淹井，煤矿鼓风机停转 10 分钟或致瓦斯超标，需 供电系统 24/7 连续运行且毫秒级故障响应。 重负荷电机（破碎机、球磨机等）启停频繁易引发电压波动和谐波干扰，需动态无功补偿（SVG）、 稳压器维持稳定；接入弱电网配旋转备用或储能，孤网运行依赖储能或柴发协同控制。 需适应时空变化，时间上各阶段用电差异大；空间上露天矿需移动变电站，地下矿需扩展网络， 还需支持设备短时过载与工序用电优化。 全流程功率需求高，开采环节电动液压铲、矿卡功率大，加工环节半自磨机电机达 5-10MW， 大型矿山需建 110kV 甚至 220kV 专用变电站及多台大容量变压器。 电力成本占运营成本 15%-40%，电费降 1% 可显著增利，需优化电源、提能效、智能调度， 成本优势决定生存。 双碳目标下需减排，政策、技术、能源结构推动，节能环保影响采矿权获取与品牌价值，是可 持续发展核心诉求。 矿业生产的特殊性决定了其电力需求的复杂与严苛，具体可概括为六大核心特点： 2. 政策与法规驱动 在全球碳中和目标与各国微电网激励政策的共同驱动下，矿山能源系统正加速向绿色、低碳转型。这一趋势， 叠加日益严格的碳交易机制，正在深刻重构全球矿业的核心竞争规则。以欧盟为例，其碳价 EU ETS 在 2025 年已升至每吨 80 欧元。据此测算，若刚果金年产 260 万吨铜全部销往欧盟，所需缴纳的碳税将高达 4 亿欧元， 这占到了其销售收入的 2% 以上。碳成本已从潜在风险转化为切实的财务压力。 可靠性 稳定性 灵活性 大容量 经济性 节能环保 06 07 3. 经济与技术驱动 新能源成本下降与微电网技术成熟，为矿山能源转型提供了可行性与经济性支撑。 单晶硅组件价格从 2015 年 0.6 美元 / Wp 降至 2025 年 0.11 美元 / Wp。2025 年后钙钛矿电池量产， 成本较单晶硅再降 30%，2030 年后光伏系统度电成本或低至 0.02 美元 /kWh。 锂离子电池成本从 2015 年 350 美元 /kWh 降至 2025 年 80 美元 /kWh，循环寿命超 8000 次，2030 年或降至 58 美元 /kWh，储能 度电成本相应降低。光伏和储能成本的持续降低促使光储微电网发电成本持续降低，预计 2025 年后进入“加 速平价”阶段，在全球多数地区具备与煤电、燃气发电竞争的能力，成为分布式能源的主流选择。 ⑿ 微电网技术历经三个发展阶段，已实现从“备用系统”到“核心基础设施”的跨越： 早期以孤岛供电（如偏远农村、边防哨所）为主，规模仅几十至几百千瓦，系统架构为简 单的“光储柴”，调度逻辑单一。 虚拟同步机（VSG）技术成熟，构网型储能变流器（PCS）开始规模应用，具备与同 步发电机相当的电网支撑能力；模型预测控制（MPC）引入调度，实现多目标协同； IEC61850 协议应用到微电网场景，解决异构设备互操作性问题。 上千台 PCS 作为电压源同步并机构网技术成熟，可支撑百 MW 级以上大容量光储离网 / 并离网微电网建设。微电网功能从单一供电升级为“能效管理 + 碳排管理 + 电力交易” 的复合载体，从“大电网附属”变为“新型电力系统的稳定性基石”。 头部矿企已加速布局减排：必和必拓计划 2030 年减排 30%（以 2020 年为基准）、2050 年碳清零； 力拓投入 50-60 亿美元发展可再生能源，目标 2030 年减排 50%；紫金矿业计划 2029 年碳达峰，比国家目 标提前 1 年（见表 1-3）。 碳中和目标还推动 ESG 监管加强与资本准入壁垒提高。欧盟 CBAM、国际矿业与金属委员会（ICMM） 标准倒逼企业减排，否则将面临出口限制与融资成本上升。高盛、摩根大通等金融机构已将减排进度列为贷款 审批的核心指标，高碳排矿企融资难度显著增加。 ⑽ ⑾ 企业 澳大利亚 英国 中国 瑞士 巴西 英国 / 南非 澳大利亚 国家 必和必拓（BHP） 力拓（RioTinto） 紫金矿业 嘉能可 淡水河谷 英美资源 FMG 目标 2030 减排 30%（相比 2020 年），2050 碳清零， 投资合作交通电动化，清洁能源发电； ⑶ 2030 年减排 50%（较 2018 基准），2050 年净零， 投入 50-60 亿美元到 - 可再生能源、铝阳极、氧化铝工艺等； ⑷ 2029 碳达峰（比中国国家承诺早 1 年）万元工业产值碳强度 较 2020 年降 34.9%；2050 碳中和； ⑸ 2035 年将总排放量减少 40%（相比 2019 年）， 煤矿业务碳排放强度降低 50%；2050 年实现净零排放； ⑹ 2030 减排 33%（相比 2020 年），2050 碳中和； ⑺ 2030 年将温室气体排放量减少 30%（以 2016 年为基准）， 2040 年前实现所有矿山运营的碳中和； ⑻ 投入 62 亿美元，目标 2030 年澳洲陆上运营实现范围零排放， 年减碳 300 万吨； ⑼ 表 1-3：世界主要头部矿企碳减排目标 图 1-1：2015-2030 年光伏系统 LCOE 趋势表 （单位：USD/kWh） 图 1-2：2015-2030 年储能系统 LCOS 趋势表 （单位：USD/kWh） 4. 当前发展矿山微电网面临的主要挑战 矿山推广“新能源 + 储能”型微电网面临技术、经济、模式等多维度挑战，需系统性应对。 技术难题 新能源发电间歇性与矿山稳定用电需求矛盾突出，储能应用受成本、寿命、极端环境适应性及系统 集成复杂度限制。老旧电网难支撑并网，设备在特殊环境下的耐久性和效率保障也成问题。 资金难题 项目周期与设施寿命不匹配致成本难摊薄，初始投资高加重资金压力，融资成本因地区差异攀升， 储能成本拉长回报周期，绿电资源与需求不匹配也增加成本。 建设运维 偏远矿区施工难、成本高，技术人员短缺，系统运维要求高，智能化协同调度技术难度大。 商业模式 矿企与能源开发商在投资主体等方面分歧大，缺乏成熟风险共担模式，第三方投资面临多重问题。 政策环境 各国政策差异大且多变，审批冗长，项目还面临土地、生态、社区接纳及地缘政治等风险。 探索 验证阶段 示范 应用阶段 规模化 推广阶段 08 09 第二章 矿山微电网关键技术 10 11 1. 方案概述 微电网是由分布式电源、储能、负荷及控制设备组成的小型电力系统，具备明确电气边界，可并网或孤岛 运行（参照 IEEE 2030.7-2017 定义）。按应用场景主要分为两类： 根据项目规模，光储系统可以选择在中压交流耦合（即 耦合点电压 10kV~35kV），也可以选择高压交流 耦合（即耦合点电压≥ 110kV），耦合电压等级不同，对应的微电网控制架构也有不同。下图是典型的光储交 流耦合微电网系统架构示意图。 纯离网场景：无大电网连接，构建光 / 储 / 柴 / 荷孤立微电网 核心特点包括： 并离网场景：大电网限电或经常停电场景 核心特点包括： 负荷完全由微电网内部电源供电；实现自发自用； 微电网具备全站黑启动能力，实现分钟级的带载同步黑启动； 通过微电网控制器实现微电网电压和频率二次调节和紧急调节； 通过微电网能量管理系统的源网荷储互动实现微网经济运行； 支持储能独立构网运行； 支持储能和柴发联合构网运行，提高微网带载能力以及更高比例可再生能源消纳。 通过并网点（POI）与电网连接，支持并网与离网两种运行模式； 支持计划性并离网切换； 支持非计划性无缝并离网切换； 支持并网点需量控制与防逆流控制； 支持并网点 TOU 控制； 支持离网频 / 压稳定控制与光储柴协同运行。 图 2-1：光储交流耦合微网系统架构示意图（纯离网 & 并离网） ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 图 2-2：微电网典型的运行模式及切换过程示意图 2. 微网运行模式 IEEE 定义微电网有 2 种稳定运行模式与 4 种切换过程： 并网模式：微电网与主电网相连，可与电网交换功率。光伏、储能运行于电流源 PQ 模式（按设定功率 输出），柴发通常冷备。 离网模式：微电网独立运行，由内部电压源（如储能 VSG 模式、柴发 VF 模式）支撑电压和频率，光 伏运行于 PQ 模式。 计划性并网切离网：人工触发，切换前可预控功率，冲击较小。 非计划性并网切离网：电网故障导致切换，冲击较大，需继电保护与微网控制器配合实现无缝切换。 离网切并网：分无缝（准同期并网）与有缝（关停电源后并网）两种方式。 黑启动：系统失电后，由具备黑启动能力的电源（如储能）重建电压，逐步恢复供电。 ① ② ① ② ③ ④ 稳定运行模式 切换过程 12 13 3. 华为智能微网解决方案架构创新与关键技术 3.1 分层控制架构 稳定构网控制层：以设备调频调压能力为核心，通过合理的构网电源与拓扑设计，保障 100% 新能源 稳定同步构网，支撑负荷连续供电。 以微网控制器为核心，在百毫秒实现系统内源网荷储的快速协调控制，在功率负荷不平衡时实现快速平 滑波动，保证微电网频率、电压的稳定，同时需要实现无缝并离网切换以及快速黑启动等功能。未来协 调控制层向集成化演进，即一套设备集成数据采集、集中控制与通讯功能，可大幅提升数据采集及处理 效率，在保证性能的同时能降低设备投资，同时减少后续调测和维护难度，为规模化复制及系统扩展提 供良好基础。 智能优化调度层：以能量管理系统为核心，实现微电网分钟级经济优化调度与运行安全裕度管理，保证 微电网内电力电量平衡。微电网的优化调度需要基于气象或历史发电数据对未来发电情况进行预测，基 于前瞻结果对储能系统的充放电功率做出合理规划，并基于发电情况对负荷使用情况进行预估，源荷深 度双向互动匹配，由源随荷走向源互动，实现自由用电。 ① ② ③ ① ② 针对微电网面临的各种挑战，华为提供了一套轻量化的标准智能微网解决方案。其中，分层分级控制是微 电网系统在经济性和稳定性之间实现最佳平衡的核心，主要依据多时间尺度控制理念及功能实现将微电网控制 系统分为三层：稳定构网控制层、高效协调控制层、智能优化调度层。 图 2-3：微电网分层控制架构 3.2 稳定运行六大关键技术 （1）大规模储能构网技术 图 2-4：构网型储能虚拟同步机工作原理框图 随着构网型储能技术突破和光储成本下降，GWh 级微电网已成现实。然而，大规模构网型储能并 机仍面临关键挑战：当数百至数千台独立电压源并联时，如何实现稳定同步运行成为技术难点。主要问题包括： 1）环流问题导致功率分配不均；2）多机交互引发宽频振荡；3）控制算法依赖的高精度同步协调难题。解决 这些挑战是实现高比例可再生能源电力系统的关键。 为应对高比例新能源接入带来的电网稳定性挑战，华为构网型储能系统采用虚拟同步机（VSG, Virtual Synchronous Generator）技术，模拟同步发电机的运行特性，通过电力电子变流器实现毫秒级功 率调节，保障微电网的电压和频率稳定。华为智能组串式 PCS 开关频率高，控制带宽高，能够更好的抑制环流。 主动快速一次调频技术 在微电网运行中，负荷突变或分布式电源功率波动会导致发电与用电失衡，引发频率偏差。华为构网型 储能通过调速器模型实时检测频率变化，计算有功功率调节指令，在 5ms 内完成动态响应，实现有功 - 频率下垂控制，快速恢复系统频率稳定。 主动快速一次调压技术 电压波动同样威胁微电网安全运行。华为构网型储能基于励磁器模型，通过动态调节内电势和无功功率 输出，在系统电压骤