6. 大容量工业负荷虚拟电厂控制技术与工程应用

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武汉大学电气与自动化学院 廖思阳 副教授、博士生导师 2024年7月11日 高耗能工业参与电网供需互动符合国家战略 国家政府 电网公司 工业企业 六部门发布《工业能效提 升行动计划》，推进重点 行业绿色低碳发展 南方电网发布《新型电力系 统建设行动(2021-2030年) 白皮书》 云南钢铁企业正在实 现从传统生产向低碳 绿色智慧制造转型 ◼ 中央深改委2023年7月强调：清洁低碳、供需协同是 新型电力系统的关键特征。 ◼ 中央政治局2022年初首次集体学习：下大气力推动 钢铁、有色、石化等传统产业升级。 9.9% PV:4.3% % PV:3 :24 1. % PV PV: 4.1 % : 2.0 % Wind PV: 2.4 % : 6.0 % Wind 9. % : 1.1 % Wind PV: 1.2 % : 4.0 % Wind PV: 0.3 % : 3.1 % Wind PV: 1.6 % : 8.4 Wind : 5.2 % Wind PV: 0.3 % : Wind PV:17 8. % Wind: 5.2 % PV: 7.6 % : 9.1 % Wind PV: 8.3 % :14% Wind PV: 1.7 % : 6.7 % Wind 新能源快速发展的同时，受限于源-荷地理分布不均、区域间传输能力有限以及调峰、调频 机组爬坡能力不足等原因，电网调节缺乏灵活性，大量的弃风、弃光现象仍然存在。 nds alsI Se a Chin a out h S nds alsI Se a a C nih htu o S 9.1 6 4 GW unnan Y 6.1 91 3 GW uangzhou G 2.1 90 7 GW n aiju F 3.2 72 1 GW ngsu aiJ 5.3 67 5 GW aix N ni g 9.7 78 8 GW eb ie H 6.5 9 1 GW handong S 9.2 07 1 GW han ix S 3.3 06 1 GW ng aijni X 4.6 7 0 GW ansu G 1.6 18 3 GW g nin L ai o 9.3 97 4 GW niliJ 2.4 64 4 GW ng aijg n olie H 1 6.8 23 8 GW ailo re Mong nn I GW GW GW GW W G 中国各省耗电量 中国风电分布 区域间传输能力有限 机组爬坡能力不足 2019年部分省市弃风与弃光率统计 ➢ 2020年新疆、蒙西、甘肃弃风率分别为14%、9%与7.6% ➢ 2020年西藏、新疆、青海弃光率分别为24.1%、7.4%、7.2% 新能源发展与电网调节的矛盾日益突出 0~0.02 0.02~0.04 0.04~0.06 0.06~0.08 0.08~ 0~1 1~2 2~5 5~10 10~ ⚫储能装置可以有效平抑 可再生能源的快速上升爬 坡事件和快速下降事件 ⚫储能装置一般造价较高 ⚫充分利用常规调节手段 平抑可再生能源波动后， 剩余波动量储能装置可以 有效平抑 储能平抑可再生能源波动价格昂贵 储能装置 充电 放电 可再生能源 常规机组出力 网负荷 电 功功率 有 时间t 负荷侧控制 ⚫高耗能负荷发挥与储能类似的调节作用 ⚫很多负荷通过改造可以具备负荷侧响应能力 可再生能源 常规机组出力 网负荷 电 功功率 有 时间t 高耗能负荷 负荷降 出力 可再生能源波动控制——工业高耗能负荷 大容量工业负荷参与电网互动调节，是国家重大战略需求 2017年 六部委 《电力需求侧管理办法》（2017年） 原基础上扩展范围，明确鼓励推进工业、建筑等领域电力需求侧管理。 2019年 工信部《工业领域电力需求侧管理工作指南》 指导用能单位开展电力需求侧管理，加强电能管理，调整用能结构。 2015年 国家发改委《关于完善电力应急机制做好电力需求侧管理城市综合试点工作的通知》 首次突出了需求响应对提升城市电力应急保障能力的作用。 2021年 国家发改委《电力辅助服务管理办法》 将提供辅助服务主体范围由发电厂扩大到包括新型储能、自备电厂、传统高载能工业负荷等主体。 2023年 国家发改委 《电力需求侧管理办法》 全面推进需求侧资源参与电能量和辅助服务市场常态化运行 2024年 国网能源院 《中国电力供需分析报告》 加强负荷管理，持续优化峰谷分时电价政策，进一步挖掘需求响应潜力。 工业负荷调控可行性——政策导向 Wind:43% PV:30.45% Wind:38% PV:32.23% Wind:13% PV:7.15% PV:8.33% Wind:27% Wind:30% Wind:9% Wind:19% Wind:13% Wind:9% Wind:7% Wind:4% （a）我国电解铝产量分布 (b)我国主要省市弃风弃光率统计 全国电解铝产量分布与主要省市弃风弃光率 ◼电解铝分布在风电消纳问题突出的三北、云南地区 ，从地理条件上，高耗能负 荷平抑集中式新能源功率波动具备可行性 工业负荷调控可行性——区位契合 ➢ 电解负荷、电弧炉负荷的用电占全社会用电量的比例约18%，如果参与调节能够大幅提升电网灵活性 工艺类型 小行业 年产量 （万吨） 吨耗电量 （千瓦时/吨） 总耗电量 （亿千瓦时） 全社会用电量占比 电解类 电解铝 3850.30 13000~14000 5005.4~5390.4 6.02~6.48% 氯碱 3891.30 2000~3000 778.3~117.4 0.94~1.40% 电积锌 656.1 3000~3300 196.8~216.5 0.24~0.26% 电解锰 130.38 5400~6200 70.4~80.8 0.08~0.10% 小计 / / / 6050.9~5805.1 7.28%~8.24% 电弧炉类 钢铁 103524.3 450~500 4658.6~5176.2 5.60~6.23% 电石 2825 3000~3400 847.5~960.5 1.02~1.16% 小计 / / / 5506.1~6136.7 6.62%~7.39% 多晶硅 52 120000~170000 624~884 0.75~1.06% 总计 / / / 12202~13907 14.65~16.69% 2022年典型工业高耗能负荷产量及用电数据 工业负荷调控可行性——可调容量 采用直接控制方式，调节范围内可实现工业负荷的秒级连续控制 优势二：调节速度快 电解类、电弧炉两类典型可控工业负荷占全社会用电量比例达18% 优势一：容量占比大 结论 利用工业负荷控制参与电网调频及新能源波动平抑，在未来具有不可替代性 因为单体容量大，通过集中控制器的改造可有效响应电网控制指令 优势三：改造成本低 1个铝负荷控制器≈20万台空调 工业负荷参与控制的优势与特点 一、大容量工业负荷参与电网互动调节需求 二、大容量工业负荷控制技术与示范工程 三、大容量工业负荷虚拟电厂模拟仿真系统 报告提纲 核心技术 工业负荷的有功快速控制技术 ⚫ 为什么可调？ ⚫ 怎么调？ ⚫ 能调多少？ ⚫ 调节速度？ ⚫ 和其他手段怎么配合？ ⚫ 调节代价？ ◆热蓄能负荷，短时间调整对生产影响小 • 功率可以在±25%的范围内连续调节，并 持续运行4小时而不会导致电解槽凝槽 • 因故障失去电源时，夏季可以保温3小时、 冬季可以保温2小时而不凝槽。 ◆ 通过控制高压侧电压UA和饱和电抗器压降UL 可以控制直流电压Ud，从而控制负荷功率P 电解铝工艺特性 基于现场实测的电解铝负荷建模 Id（MA） Ud（V） 0.3095 973 0.3049 978 0.3111 989 0.3098 970 0.3096 969 0.3095 993 0.3089 974 0.3072 983 0.3111 990 0.3109 971 0.3091 970 0.309 970 0.3099 974 0.3092 975 0.3104 997 0.3037 985 d d U I R E =  + d d U E P U R − =  VAH VAL E R Id k:1 LSR 有载调压变压器 饱和电抗器 整流桥 d U d U ◆通过调节直流侧电压Ud，监测直流 电流Id的变化，通过最小二乘辨识得 到电解铝负荷模型等值参数R，E 电解铝负荷特性 电解铝负荷电压调节特性 ◆电解铝负荷的连续调整可以依靠电压连续调 整来实现 ◆考虑负荷母线电压调整10%，电解铝负荷调 整25%~30% Ud (p.u.) PLOAD(MW) 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1 电解铝负荷功率特性曲线 d LOAD d U E P U R − =  E R Id k:1 分接头 饱和电抗器压降 二极管整流 母线电压 UD VSR VAH ◆电解铝负荷的连续调整可以依靠电压连续调整来实现 ◆考虑负荷母线电压调整10%，电解铝负荷调整25%~30% ◆考虑饱和电抗器调至其调整极限，电解铝负荷调整11.4%； 变压器分接头每调1档，电解铝负荷调整能力增加3.0% 1.35( ) AH D SR V U V k = − d d U E P U R − =  负荷控制方法 ms级 7-10 s ms级 0 10 20 30 40 50 60 150 250 300 350 400 电解铝负荷有功功率(MW) 70 80 90 100 110 120 时间(s) 100 50 0 10 20 30 40 50 60 90 100 110 120 130 140 150 风电有功功率(MW) 70 80 90 100 110 120 未考虑负荷控制 考虑负荷控制 风电有功功率 20 30 40 50 60 290 310 330 70 270 (a) (b) 负荷控制损失的电量 ΔP·t 正常运行时热能平衡公式: 0 = + in out W H Q  温度变化： 0 in out Cm T W H Q  = − − 负荷控制调整量为ΔP，温度变化： 运行温度约束： min T T  ➢冶炼温度受电量影响，短暂功率调节对生产影响小 ➢通过功率实时量测能够求出冶炼温度，在控制过程中满足温度约束条件 0 0 ( ) in out out Cm T W H Q P P t H Q P t  = −  − = +  −  − =   负荷控制方法 聚合控制平台 电 网 实 时 频 率 电解铝 控制终端 钢铁 多晶硅 水泥 电解铜 可上调容量𝑃𝑢𝑝𝑖 可下调容量𝑃𝑑𝑜𝑤𝑛𝑖 参考电流 变化量Δ𝐼𝑑𝑟𝑒𝑓 … … … … 调节功率∆𝑃𝑖 … … 高压侧母线电压 有载调压器变比 … … … … … … … … … … … 总调节功率∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 聚合上调容量𝑃𝑢𝑝_𝑎𝑙𝑙 聚合下调容量𝑃𝑑𝑜𝑤𝑛_𝑎𝑙𝑙 电网调度 控制终端 控制终端 控制终端 控制终端 负荷控制平台及控制终端 电网调度 聚合控制平台 控制终端 电 解 铝 控制终端 钢 铁 多 晶 硅 水 泥 工业园区1 工业园区2 … … … … ◼ 多样化控制终端 ◼ 可视化聚合控制平台 聚合上调容量𝑃𝑢𝑝_𝑎𝑙𝑙 聚合下调容量𝑃𝑑𝑜𝑤𝑛_𝑎𝑙𝑙 总调节功率∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 调节功率∆𝑃𝑖 可上调容量𝑃𝑢𝑝𝑖 可下调容量𝑃𝑑𝑜𝑤𝑛𝑖 参考电流 变化量Δ𝐼𝑑𝑟𝑒𝑓 … 高压侧母线电压 有载调压器变比 … 负荷控制平台及控制终端 WAMS主站控 制信号接收端 NCU装置 NCU电源 励磁接收NCU 模拟量信号端子 NCU现场安装实物图 WAMS控制主站整体界面 调度中心 工业应用实例——蒙东霍煤鸿骏铝业孤网项目 工业应用 对全部发电机进行0.015p.u.的负阶跃 ➢ 铝负荷能够正确响应控制主站发给励磁的控制指令 ➢ 发电机端电压下降0.015p.u.时，电解铝负荷有功在2.5s内下降0.046p.u.（44MW） 14:40:45 14:40:50 14:40:55 14:41:00 14:41:05 14:41:10 14:41:15 1 1.005 1.01 1.015 1.02 1.025 7#发电机端电压(p.u.) 14:40:45 14:40:50 14:40:55 14:41:00 14:41:05 14:41:10 14:41:15 850 860 870 880 890 900 910 电解铝负荷有功功率(MW) 电解铝负荷有功功率 7#发电机端电压 现场实测数据——励磁控制 10:56:2410:56:3410:56:4410:56:5410:57:04 10:57:1410:57:2410:57:3410:57:44 10:57:54 76 78 80 82 84 86 时刻 2015年7月22日 15#机组有功功率(MW) 15#机组有功功率(MW) 10:56:2410:56:3410:56:4410:56:5410:57:0410:57:1410:57:2410:57:3410:57:4410:57:54 0.5 1 1.5 2 2.5 NCU输出电压(V) NCU输出电压(V) ➢NCU调至极限时，15#整流机组负荷从84.53MW下降至77.12MW，负荷调整量为8.8% 现场实测数据——饱和电抗器控制  单个整流机组阶跃试验——饱和电抗器最大压负荷能力测试  电解铝 E R Id k:1 ② 分接头 饱和电抗器压降 二极管整流 ① 母线电压 VB VSR VAH  电弧炉(钢铁) + + 供电系统 - + 差放大系数 + + 比例阀 电极初始位置 2 2 2 2 2 n n n n K s s s     + + 液压缸 K1 f K 0L ref P 设定频率 real P 联络线功率 1 e Ts s − − 零阶保持器 + - + 限幅 电弧炉  多晶硅 降压变压器 高压开关柜 有载调压变压器 预加热或 高压击穿系统 还原炉 功率控制单元  电解铜、电解锌. . . 高耗能负荷模型库 项目类型 项目名称 重点研究内容 863计划 含可再生能源的孤立电网的运行控制技术及示 范 电解铝负荷控制技术 国家重点研发计划 高耗能工业节能和供需互动技术 电解铝、钢铁负荷控制技术 国家自然科学基金 面向新能源消纳的工业园区负荷虚拟储能特性 建模与控制方法研究 电解铝负荷平抑新能源波动 国家自然科学基金 高风电渗透率孤立电网的运行与控制方法研究 孤立电网电解铝负荷控制 国网公司总部 基于工业园区负荷主动响应的电网协调控制关 键技术研究 电解铝负荷参与大电网调节 北京四方继保 山西晋城区域电网稳定运行分析 电解铝负荷控制 (可控硅整流) 中冶南方 日照钢铁控股集团有限公司孤立电网运行关键 技术研究 钢铁厂矿热炉负荷控制技术 湖北省堪设计院 孤网规划、设计与运行关键技术 中国电力企业联合会 电力需求响应信息模型—电解铝 电解铝接入标准（牵头） 承担的高耗能负荷控制相关项目 云南电网工业负荷互动项目 一、大容量工业负荷参与电网互动调节需求 二、大容量工业负荷控制技术与示范工程 三、大容量工业负荷虚拟电厂模拟仿真系统 报告提纲 模拟聚合控制平台 模拟负荷控制装置 模拟工业生产负荷 电解负荷模型 水泥负荷模型 设备总览 终端控制 负荷监控 事件记录 ······ 电量量测 工况传感 调度控制 负载调节 ······ 多晶硅负荷模型 钢铁负荷模型 省级调度/负管系统 指令下发 数据传输 仿真模拟 调度指令下发 可调容量上报 虚拟电厂仿真模拟系统 快速搭建“平台-终端-被控对象”闭环的虚拟电厂仿真实验环境 集成终端管理平台、终端设备、仿真模型构建仿真实验系统，快速搭建“虚拟电厂” 实验环境。 典型工业场景仿真模型 预置基于真实铝厂、钢厂、水泥厂等典型高耗能负荷企业构建的等效仿真模型，帮助不同行业、不同业务场景、不 同负荷设备的模型快速开发。 终端侧——自研用电设备可调节能力模型 自研电解铝、矿热炉、球磨机等用电设备可调节能力精确模型，实现负荷功率可调化。 平台侧——负荷调节实验分析模拟 提供可视化界面和智能控制算法，支持用户可调节资源分析、可调节策略分解、执行及调节效果等的实验模拟。 产品能力 产品能力 具有可视化交互界面，在仿 真场景中实现动态信息交互， 可以用直观的向学习人员现 代微机保护的原理，实现了 教学、培训手段的突破。 利用数字仿真模型代替物理 装置，可以实现对保护行为 的可视化、定量化研究，克 服物理装置的可扩展性差的 缺点。 在新型调控装置投运之前， 对其进行大量的闭环测试， 确保装置本身具有良好的暂 态性能，分析新装置与其他 装置之间的配合性能、对不 同电网情况的适应能力等。 受中电联“智能电网电力接口”标委会邀请牵头编写电解铝、电弧炉 2项中电联标准，编写专著一部 工业负荷调控 领域首部专著 标准及专著 • CN201310293364.9，国家发明专利 引入频率偏差反馈控制电压实现有功调节的闭环控制方法 • CN201410855942.8，国家发明专利 孤立电网中电压敏感性工业负荷时变阻尼特性的控制方法 • CN201410855942.8，国家发明专利 一种考虑孤立电网多种功率扰动下电解铝负荷参与系统频率控制方法 • CN201710696918.7，国家发明专利 基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法 • CN201710476023.3，国家发明专利 一种基于时序优化的钢厂负荷管理方法 • CN201710477115.3，国家发明专利 一种钢铁工业负荷功率特性建模方法 工业负荷控制的核心专利（15项） [1] Load damping Characteristic Control Method in an Isolated Power System with Industrial Voltage Sensitive Load. IEEE Transactions on Power Systems, 2016, 1118-1128. [2] Excitation voltage control fo