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

副教授、博士生导师 2024年7月11日 2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会 北极 内部会议资料，禁止分享 北极星内部会议 北极星内部会议资料，禁止分享 武汉大学电气与自动化学院 北极星内部会议资料，禁止分享 廖思阳 北极 北极星内部会议 北极星内部会议资料，禁止分享 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。 南方电网发布《新型电力系统建设行动(2021-2030年)白皮书》 工业企业 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 国家政府 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 北极星内部会议资料，禁止分享 内部会议资料，禁止分享 电网公司 北极 北极星内部会议 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。 0~0.02 0.02~0.04 0.04~0.06 0.06~0.08 0.08~ SouthChinaSeaIslands 0~1GW 1~2GW 2~5GW 5~10GW 10~GW InnerMongolia18.6238GW Heilongjiang4.2644GW Jilin 3.9974GW XinjiangLiaoning 3.3061GW6.1183GW Hebei7.9788GW Ningxia 3.5675GWShanxiShandongGansu2.9071GW5.691GW 6.470GW Jiangsu2.3721GW South ChinaSeaIslands Fujian1.2907GW Yunnan1.964GW Guangzhou1.6913GW 北极星内部会议资料，禁止分享 2019年部分省市弃风与弃光率统计 9.9% PV:4.3% % PV:3 Wind:1.3%PV:3.0% Wind:14%PV:3.8% Wind:PV:3.0% Wind:7.6%PV:7.1% Wind:2.5% Wind:1.9% Wind:2.5%PV:6.7%PV:17.8% Wind:4.8PV:6.1% Wind:0.4%PV:2.1% Wind:1.1% .9% Wind:0.6%PV:4.2% PV:24.1% Wind:0.2%PV:1.4% 北极星内部会议资料，禁止分享 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 内部会议资料，禁止分享 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% 电网负荷 可再生能源常规机组出力 时间t 放电 储能装置 北极 北极星内部会议 有功功率 北极星内部会议资料，禁止分享 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 充电 北极星内部会议资料，禁止分享 内部会议资料，禁止分享 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 有功功率 北极星内部会议资料，禁止分享 北极星内部会议资料，禁止分享 北极 北极星内部会议 负荷侧控制 高耗能负荷发挥与储能类似的调节作用 电网负荷 可再生能源常规机组出力 负荷降 �力 时间t 高耗能负荷 内部会议资料，禁止分享 很多负荷通过改造可以具备负荷侧响应能力 北极 北极星内部会议 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。 北极星内部会议资料，禁止分享 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》 北极星内部会议资料，禁止分享 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》 内部会议资料，禁止分享 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 北极 北极星内部会议 Wind:19% Wind:38%PV:32.23% Wind:27% Wind:43%PV:30.45% Wind:13%PV:7.15% Wind:30% PV:8.33% Wind:9%Wind:13%Wind:9% Wind:7% Wind:4% 北极星内部会议资料，禁止分享 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 北极星内部会议资料，禁止分享 内部会议资料，禁止分享 （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 北极 北极星内部会议 北极星内部会议资料，禁止分享 2022年典型工业高耗能负荷产量及用电数据 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% 北极星内部会议资料，禁止分享 内部会议资料，禁止分享 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 优势一：容量占比大 优势二：调节速度快 北极星内部会议资料，禁止分享 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% 北极星内部会议资料，禁止分享 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 内部会议资料，禁止分享 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 1个铝负荷控制器≈20万台空调 北极 北极星内部会议 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 北极 北极星内部会议 北极星内部会议资料，禁止分享 一、大容量工业负荷参与电网互动调节需求 北极星内部会议资料，禁止分享 内部会议资料，禁止分享 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 北极星内部会议资料，禁止分享 工业负荷的有功快速控制技术 北极星内部会议资料，禁止分享 北极 北极星内部会议 为什么可调？ 怎么调？ 能调多少？ 调节速度？ 调节代价？ 内部会议资料，禁止分享 和其他手段怎么配合？ 北极星内部会议资料，禁止分享 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 电解铝工艺特性 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 北极星内部会议资料，禁止分享 有载调压变压器饱和电抗器整流桥 U VAHVAL d R k:1LSR Ud 内部会议资料，禁止分享 IdE 北极 北极星内部会议 PUd UdER UdId RE 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 电解铝负荷电压调节特性 1400 1350 PU UdE PLOAD(MW) 北极星内部会议资料，禁止分享 1300 LOADdR 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% 1250 1200 北极星内部会议资料，禁止分享 1150 1100 1050 1000 1 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 内部会议资料，禁止分享 0.9 Ud(p.u.) 北极 北极星内部会议 电解铝负荷功率特性曲线 母线电压 分接头饱和电抗器压降 UD VAH ms级 k:1 7-10s VSR ms级 R Id E 北极星内部会议资料，禁止分享 二极管整流 PU UdE U1.35(VAHV) 北极星内部会议资料，禁止分享 北极 内部会议资料，禁止分享 北极星内部会议 k dRDSR 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% 风电有功功率(MW) 150 140 130 120 (a) 风电有功功率 北极星内部会议资料，禁止分享 正常运行时热能平衡公式: Win =H0 +Qout 110 100 温度变化： CmT Win H0 Qout 900102030405060 708090100110120 负荷控制调整量为ΔP，温度变化： 未考虑负荷控制考虑负荷控制 330 负荷控制损失的电量ΔPt· 310 290 27003040 2 506070 电解铝负荷有功功率(MW) 400 北极星内部会议资料，禁止分享 350 (b) CmT Win H0 Qout 300 250 (PP)t H0 Qout 150 100 Pt 50 0102030405060 708090100110120 运行温度约束：T Tmin 北极 内部会议资料，禁止分享 北极星内部会议 时间(s) 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 聚合上调容量𝑃𝑢𝑝_𝑎𝑙� 聚合下调容量𝑃𝑑𝑜𝑤𝑛_𝑎𝑙� 电网调度 总调节功率∆𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎� 聚合控制平台 北极星内部会议资料，禁止分享 电 实 网 … … … 时调节功率∆𝑃�……… 北极星内部会议资料，禁止分享 频 率 …可上调容量𝑃𝑢𝑝� …可下调容量𝑃𝑑𝑜𝑤𝑛� 控制终端 控制终端控制终端控制终端控制终端 参考电流…… 变化量Δ