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

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武汉大学电气与自动化学院廖思阳副教授、博士生导师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。国家政府电网公司工业企业中华人民共和国中央人民政府2030年前基本建成新型电力系统【低碳赋能绿色发展】云南安宁：绿色昆钢智慧六部门发布《工业能效提升行动计划》——推进重点发展行业绿色低碳发展六部门发布《工业能效提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第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会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、弃光现中国各省耗电量区域间传输能力有限中国风电分布机组爬坡能力不足2019年部分省市弃风与弃光率统计Wind:WindWind:PV:3.0%PV:3.8%Wind:7.6%PV:7.1%Wind:0.4%PV:2.1%Wind:0.4%PV:2.1%西藏PV:4.2%PV:4.2%PV:24.1%云南澳门PV:1.4%澳门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电网负荷—可再生能源----常规机组出力●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●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充电放电充电电力图书馆公众号ESD储能装置资源合集内容为电力工程相关，包含电力工程设计、施工，电气设备、电力电子等资源.非常全面!-可下载上万份电力行业精选资料独家精华资料e2可再生能源波动控制——工业高耗能负荷电网负荷——可再生能源----常规机组出力负荷降出力uminumuminumAlumina—CellLining负荷侧控制●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电力图书馆公众号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。第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会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Wind:19%黑龙江黑龙江Wind:43%259.639Wind:13%山西河Wind:13%山西河Wind:9%PV:8.33%Wind:9%Wind:9%西藏Wind:7%安徽四川浙江湖南江西浙江湖南福建贵州福建产量(万吨)云南云南产量(万吨)云南120.0307多<120.0111多120.0111~218.5198120.0111~218.5198澳门218.5198~325.933澳门南海诸岛历>=325.933历(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工业负荷调控可行性——可调容量2022年典型工业高耗能负荷产量及用电数据电解铝电石电解负荷、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电力图书馆公众号资源合集内容为电力工程相关，包含电力工程设计、施工，电气设备、电力电子等资源.非常全面!-可下载上万份电力行业精选资料独家精华资料e2工业负荷参与控制的优势与特点电解类、电弧炉两类典型可控工业负荷占全社会用电量比例达18%主站控制信号接收端主站控制信号接收端执行装置电源执行装置1个铝负荷控制器≈20万台空调1个铝负荷控制器≈20万台空调利用工业负荷控制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电力图书馆公众号结论报告提纲一、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电力图书馆公众号核心技术工业负荷的有功快速控制技术为什么可调?调节速度?怎么调?调节代价?能调多少?和其他手段怎么配合?电力图书馆公众号基于现场实测的电解铝负荷建模铝二氧化碳碳阳极冰晶石电解液电解槽内衬铝阴极钢制炉体电解铝工艺特性碳阳极氧化铝◆热蓄能负荷，短时间调整对生产影响小◆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U₁可以控制直流电压Ud,从而控制负荷功率PUd(V)◆通过调节直流侧电压Ud,监测直流电流/a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1整来实现◆考虑负荷母线电压调整10%,电解铝负荷调1整25%~30%电解铝负荷功率特性曲线电力图书馆公众号负荷控制方法饱和电抗器压降调节>毫秒级，连续控制饱和电抗器压降调节>毫秒级，连续控制>适用调峰、一/二次调频饱和电抗器压降二极管整流UD>秒级，离散控制UDk:1VAHk:1VAHREIdE冰晶石氟化铝阳级碳冰晶石氟化铝铝厂有载调压变铝厂有载调压变整流变饱和电抗器整流机组◆电解铝负荷的连续调整可以依靠电压连续调整来实现铝液铝液◆考虑负荷母线电压调整10%,电解铝负荷调整25%~30%铸锭机保温炉铸锭机保温炉载氟氧化铝铝锭混合炉净化氧化铝◆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，电解铝负荷净化氧化铝负荷控制方法——负荷控制损失的电量△P·t负荷控制损失的电量△P·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，书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聚合上调容量Pupall聚合下调容量Pdownall电网调度总调节功率△Ptotal聚合控制平台电网调度电电网实时频率调节功率△P₁控制终端控制终端控制终端控制终端控制终端电解铝钢铁多晶硅.电力图书馆公众号可上调容量Pupi可下调容量Pdowni控制终端控制终端控制终端高压侧母线电压有载调压器变比水泥电解铜水泥负荷控制平台及控制终端电网调度聚合上调容量Pupall总调节功率△Ptotal聚合控制平台终端型终端型机箱型调节功率△Pi可上调容量调节功率△Pi控制终端参考电流控制终端参考电流f高压侧母线电压有载调压器变比户外型电户外型电解铝多晶硅钢钢铁水泥正业园区2工业园区1正业园区2■多样化控制终端工业应用实例——蒙东霍煤鸿骏铝业孤网项目口工业应用WAMS主站控制信号接收端NCU电源NCU装置NCU现场安装实物图WAMS控制主站整体界面电力图书馆公众号调度中心□对全部发电机进行0.015p.u.的负阶跃14:40:5014:40:5014:41:10——电解铝负荷有功功率870-铝负荷能够正确响应控制主站发给励磁的控制指令电力图书馆公众号发电机端电压下降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——饱和电抗器控制口单个整流机组阶跃试验——饱和电抗器最大压负荷能力测试NCUNCU输出电压(V)10:56:2410:56:3410:56:4410:56:5410:57:0410:57:1410:5时刻2015年7月22日>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%高耗能负荷模型库①母线电压①母线电压②分接头饱和电抗器压降二极管整流氧化铝二极管整流VB铝阴极铝阴极口电弧炉(钢铁)摇架及倾动机构口多晶硅□电解铜、电解锌...冰晶石电解液石墨电极炉渣钢水出钢口盛钢桶电力图书馆公众号REIdE降压变压器高压开关柜有载调压变压器功率控制单元预加热或高压击穿系统还原炉承担的高耗能负荷控制相关项目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)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孤网规划、设计与运行关键技术电力需求响应信息模型一电解铝电解铝接入标准(牵头)云南电网工业负荷互动项目50.0550.0549.951:40m2:00m2:20m2:40m445.373:00m3:00m3:00m1:40m2:00m2:20m2:40m445.373:00m3:00m3:00m3:00m32m负荷控制终端调节指令442.90:40m1:00m0:00m0:20m1:40m0:40m1:00m0:00m0:20m442.57电解铝负荷电流自动响应实测值电解铝负荷电流自动响应实测值439.50:40m1:00m0:40m1:00mPd功率实时值0:00m0:20m0:40m1:00m1:40m0:00m0:20m0:40m1:00m电力图书馆公众号报告提纲一、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电力图书馆公众号虚拟电厂仿真模拟系统电量量测工况传感聚合管理平台模拟聚合控制平台设备总览电量量测工况传感聚合管理平台模拟聚合控制平台设备总览终端控制负荷监控事件记录调度指令下发可调容量上报调度控制数据传输负载调节边缘测控终端模拟负荷控制装置实时数字仿真机模拟工业生产负荷实时数字仿真机模拟工业生产负荷仿真模拟水泥负荷模型钢铁负荷模型多晶硅负荷模型电力图书馆公众号产品能力●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。电力图书馆公众号产品能力教学培训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。科学研究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试验测试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。电力图书馆公众号受中电联“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T/CEC中T/CECXXXXX—XXXXT/CEC违T/CECXXXXX—XXXX,工业负荷建模控制及电网互动调节工业负荷调控领域首部专著《根花精》电力需求响应信息模型第9部分：矿热炉《报花精》XXXX-XX-XX发布XXXXXXXX-XX-XX发布中国电力企业联合会发布XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实中国电力企业联合会发布中国电力企业联合会发布工业负荷控制的核心专利(15项)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一种基于时序优化的钢厂负荷管理方法一种钢铁工业负荷功率特性建模方法电力图书馆公众号电解铝负荷控制的论文成果[1]LoaddampingCharacteristicControlMethodinanIsolatedPowerSystemwith[2]Excitationvoltagecontrolforemergencyfrequencyregulationofanactualislandpowersystemwithvoltagedependentloads,IEEETransactionsonPowerSystems,2016,1204-1217.[3]AnIsolatedIndustrialPowerSystemDrivenbyWind-CoalPowerforAluminumProductions:[4]MPCbasedfrequencycontrolwithdemandsideparticipation: