武汉大学（廖思阳）：2024面向新型电力系统稳定支撑的大容量工业负荷虚拟电厂互动控制与工程实践报告

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 ◼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。 工业企业 电网公司 新能源发展与电网调节的矛盾日益突出 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。 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% 储能平抑可再生能源波动价格昂贵 ⚫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 可再生能源波动控制——工业高耗能负荷 ⚫高耗能负荷发挥与储能类似的调节作用 负荷侧控制 ⚫很多负荷通过改造可以具备负荷侧响应能力 工业负荷调控可行性——政策导向 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。 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。 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。 大容量工业负荷参与电网互动调节，是国家重大战略需求 工业负荷调控可行性——区位契合 ◼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——可调容量 ➢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 工业负荷参与控制的优势与特点 优势一：容量占比大 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% 优势二：调节速度快 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 优势三：改造成本低 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 结论 报告提纲 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 工业负荷的有功快速控制技术 ⚫调节速度？ ⚫为什么可调？ ⚫怎么调？ ⚫调节代价？ ⚫和其他手段怎么配合？ ⚫能调多少？ 基于现场实测的电解铝负荷建模 ◆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 ◆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 电解铝负荷特性 dLOADdUEPUR−= ◆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% 负荷控制方法 ◆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% 负荷控制方法 正常运行时热能平衡公式:0=+inoutWHQ温度变化：0inoutCm TWHQ=− −负荷控制调整量为ΔP，温度变化：运行温度约束：minTT00()inoutoutCm TWHQPP tHQP 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 负荷控制平台及控制终端 负荷控制平台及控制终端 工业应用实例——蒙东霍煤鸿骏铝业孤网项目 工业应用 现场实测数据——励磁控制 ➢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） 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 高耗能负荷模型库 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 报告提纲 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 虚拟电厂仿真模拟系统 产品能力 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 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。 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。 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。 标准及专著 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 工业负荷控制的核心专利（15项） 电解铝负荷控制的论文成果 [1] Load dampingCharacteristicControlMethodinanIsolatedPowerSystemwithIndustrialVoltage Sensitive Load.IEEETransactionsonPowerSystems, 2016, 1118-1128. [2]Excitationvoltagecontrolforemergencyfrequencyregulationofanactualislandpowersystemwithvoltagedependentloads,IEEETransactionsonPowerSystems,2016,1204-1217. [3] An Isolated Industrial Power System Driven by Wind-Coal Power for Aluminum Productions:A Case Study of Frequency Control. IEEE Transactions on Power Systems, 2015, 471-483 [4] MPC based frequency control with demand side participation: a case study in an isolated wind-aluminum power system.IEEETransactionsonPowerSystems, 2015, 3327-3337. [5] Demand Side Frequency Control Scheme in an Isolated Wind Power System for IndustrialAluminum Smelting Production. IEEETransactionsonPowerSystems, 2014, 844-853. [6] Field Verification of Frequency Control by Energy-Intensive Loads for Isolated PowerSystemsIEEETransactionsonPowerSystems, early access. [7] Control of Energy-intensive Load for Power Smoothing in Wind Power Plants.IEEETransactionsonPowerSystems, early access. 结论 ▪电解类工业负荷生产受冶炼温度影响，短暂的功率调节几乎不影响其负荷生产， ▪已建立了详细的工业负荷控制模型，明确了其控制方法、响应速度、可调容量、控制代价等关键问题 ▪通过有功快速控制，工业负荷能够有效参与电网电力电量平衡，平抑新能源波动，降低电网调节负担，实现工业用户的绿色低碳生产 谢谢！