利用電解鋁負荷保證云南電網源網荷協調的工作思路

李玲芳

（云南電網有限責任公司電網規劃建設研究中心，昆明 650011）

0 前言

云南電網作為南方電網“西電東送”主要電力輸出省網，于2016年實施了與南方主網異步聯網方式運行。從2020年電網發展情況看：云電外送通道已發展為10回直流輸電線路，外送電力超過省內負荷總量；全省裝機容量接近1億千瓦，其中清潔能源（風、光、水）占比遠超70%，且規劃容量還在進一步增長；電網側加大了網架加強的建設力度和工程進度，進一步完善各區域網絡結構，并結合送電需求配置了串補、STATCOM等設備，不少電力電子設備在電網得到了應用；隨著省政府發展水電鋁、水電硅政策的實施，全省用電負荷迅猛增長，一批電解鋁、電解硅等高載能產業在省內相繼落地，預計“十四五”期間僅電解鋁產業就將新增500多萬噸，用電負荷接近全省負荷的三分之一。總之，云南電網明顯呈現西電東送占比高、清潔能源占比高、單一大用戶負荷占比高、電力電子設備占比高以及單一元件風險等級高的“五高”特性。

在此背景條件下，電網安全穩定及風險防控要求進一步提升，“網源荷”的協調發展與控制來保障電網安全穩定運行。對于云南電網，在“機網”協調方面已經開展了大量工作，包括：規范電源并網運行管理、優化機組調控能力研究與應用、加強電網結構完善、嚴格設置三道安全防線等等，全面挖掘電網與電源協調控制能力，提升電網的承載度，但對于用戶，則始終秉承全力保障電力供應的宗旨，未提出具體控制要求。

本文結合電解鋁大用戶接入對電網的影響，對大用戶參與云南“五高”電網源網荷協調的必要性進行分析，并對具體的技術要求進行探討，為推進云南源網荷協調水平的提升提供一定的技術思路。

1 電解鋁負荷防范電網安全風險分析

隨著云南電網“五高”特性的顯現，電源側風電、光伏等“可調性差”電源的增長、電網側電力電子“脆弱化”設備的增加，以及負荷側“不可控”大容量負荷的并入，在異步運行、大外送特性發展過程中[1]，僅僅依靠電網與電源的協調已不能滿足對電網及用戶的安全保障。特別是電解鋁等大用戶的不斷并網和集中供電后，如果負荷側不參與電網風險防控，就電網安全穩定控制系統來說，將無法滿足系統調控要求，電網將面臨調控手段不足，甚至安全防線失守的問題。因此，大用戶參與電網調控及風險防控的源網荷協調，將進一步提升電網運行安全水平，保障用戶生產的安全性、經濟性。

1.1 電解鋁等用戶的負荷特性是外送高占比電網風險防控的基礎

云南電網電力外送的十回直流（包括：昆柳龍、牛從直流、楚穗、普僑、新東、金中、永富、魯西、祿高肇），外送能力總量已達到4160萬千瓦，超過云南省內負荷水平。對于電網的安全穩定控制來說，一旦發生直流閉鎖故障，電網頻率穩定問題十分突出。典型大、小方式下，如果外送500萬千瓦的直流（楚穗、普僑或新東直流）發生單極閉鎖，系統頻率將達到50.57赫茲，雙極閉鎖故障系統頻率將達到51.21赫茲以上。如果閉鎖的直流容量更大，如昆柳龍三端直流，則系統頻率問題更為突出。因此，電網需要針對不同送電容量的直流故障風險，設置必要的切機措施，并考慮多回直流的相互影響而配置高頻切機措施。而事故后控制措施實施的有效性，又與電網電源側機組的調控能力、負荷側的頻率響應特性關系較大。作為系統負荷占比較高的電解鋁，其負荷的頻率特性，以及隨網波動的調控能力，將對抑制電網頻率越限發揮重要作用。如果在系統頻率正常波動過程中以及在事故情況下，電解鋁等大用戶能參與系統平衡與調控，將有效降低對電源側的調控壓力，提升電網頻率質量，促進網源荷協調水平。

1.2 電解鋁負荷的主動參與有利于改善新能源高占比電網的波動性影響

2020年末云南電網可再生能源裝機占比已接近全省總裝機的85%，“十四五”期間電網風電及光伏裝機規模將進一步增長，云南電網的新能源高占比名副其實。但對于電網安全穩定控制來說，新能源高占比對電網穩定又存在不利影響。對于異步運行的云南電網，高占比新能源出力的波動性，將增加電網日常頻率調控難度，系統頻率越限風險加大[2]。同時，系統功率預測技術水平短時間內無法適應新能源出力的波動性和間歇性要求，納入電力電量平衡精準度不足，電網運行需要傳統電源高比例備用。而且風電光伏等新能源高占比電力系統受到故障擾動后，穩定問題十分突出，新能源機組在功角穩定、電壓穩定以及頻率穩定過程中的穿越特性，對系統恢復穩定的能力影響較大，嚴重影響電網抵御事故擾動的能力。因此，新能源高占比電網，網源協調的空間已經受到限制，而負荷側參與協調，并主動提供輔助支持的能力，必將對提升電網運行安全性、靈活性發揮重要作用。

1.3 電解鋁等負荷的可控性有利于提升單一大用戶并網的自適應能力

電解鋁用戶作為高載能負荷，單一系列的負荷就達到40～70萬千瓦，而通常是多個系列集中接入電網，對電網的運行控制及風險防控造成較大影響。單一負荷較大且相對集中接入，如云南文山電網，對局部電網供電造成較大壓力，主要送電斷面壓極限運行問題凸顯，故障后斷面過載、電網失穩問題十分突出；而且由于負荷量較大，一旦發生N-1故障用戶失電，極易導致地區電網電力安全事故等級升高；同時，在系統發生故障需要采取切負荷措施時，單一大容量負荷的切除極易導致控制措施“過切”而擴大事故影響。

為保障電網及用戶的運行安全，有必要挖掘電解鋁大用戶負荷的可控、可調能力，為電網運行、控制以及故障情況下的緊急控制提供必要條件，保障電網安全防線構建的可行性，提升電網及用戶的運行安全水平。

1.4 電解鋁大用戶的穩定性有利于保障電力電子設備高占比電網的安全性

多直流輸電、風電光伏等新能源高占比電網的另一特點，就是電力電子設備占比高。大量電力電子設備的應用，給電網安全帶來挑戰。其中，電力電子設備自身的動態及與交直流電網的作用，容易引發復雜的振蕩問題，特別是接入電網末端的風場、光伏場之間以及他們與同步發電機群間和直流的動態耦合過程更加復雜，極端工況下容易出現振蕩，進而對電網的穩定性帶來影響。同時電力電子設備的耐壓、耐流能力相對較低，在電網事故擾動下，與之相關的新能源穿越能力不足，發生大面積脫網后極易引發電網頻率、熱穩等穩定問題[3]。現階段新能源發電核心部分的可控元器件在設計、選材階段主要考慮經濟性因素，變流器耐壓、耐流能力有限，運行裕度較小。

通過負荷側用電特性研究，結合電網調控需求，改善或改進負荷側以及電網協調控制要求，降低負荷側用戶特別是高占比電解鋁用戶，因自身（定值整定等）或電網側調控不協調等原因導致大量無序脫網風險。

1.5 電解鋁負荷的可調性有利于改善電網單一故障高風險問題

從“五高”電網特性分析可以看出，單一故障對云南異步運行電網的影響較大，直流大外送的單極（單回）閉鎖、電解鋁大用戶的失電、集供電區域斷面故障等單一故障，都將引發電網的頻率穩定問題、供電受限問題，而發生開關、保護以及穩控系統的拒動，電網還面臨失穩風險。

在電網緊急狀態下，需依賴于電網二、三道安全防線進行風險防控，包括電網第二道安全防線將通過穩控系統采取切機、切負荷措施，電網第三道安全防線將通過電網低頻、低壓減載，高頻切機等措施，防范事故擴大或系統失穩。隨著電解鋁大負荷的不斷增長導致網絡供電壓力的增加，事故情況下切負荷措施將會成為主要實施方案，而負荷側“分級可切”的能力是保障安全防線的可靠性的重要條件，如果負荷側不參與安全防控，則電網面臨防線失守導致系統崩潰的風險較大。

2 電解鋁負荷參與源網荷協調可行性

2.1 電解鋁負荷用電特點

電解鋁用戶的生產設備主要由整流變壓器、整流設備、電解槽組成，電解鋁的電化學反應需要強大的直流電，其整流方式，主要是晶閘管整流以及飽和電抗器+二極管整流兩種[4]，其中：晶閘管整流，可由調壓變壓器粗調并通過控制晶閘管進行細調，具有功率調節速度快但調節幅度有限的特點。二極管整流則先由調壓變對電流進行粗調，再由自飽和電抗器對電流進行細調。受運行成本等因素影響，電解鋁用戶多采用二極管整流方式。

電解鋁用戶的內部控制分為大閉環控制和小閉環控制。大閉環控制以保證整個系列電流恒定為目標；小閉環控制則以保證單整流變電流穩定。大閉環控制可以保證鋁廠總電流恒定，如果發生整流變退運，可按總電流控制要求將負荷轉移到其余整流變，保證總產量穩定性，小閉環控制則是以單個整流變為控制目標，不會出現相互間的轉移的問題。但是，大閉環存在負荷轉移導致其余整流變過載的擴大事故風險，小閉環又因控制目標復雜總產量不穩定等問題而不被廣泛采用。

2.2 電解鋁用戶參與源網荷協調的技術要求

電解鋁大用戶并入電網后應加強與電網協調控制與響應技術研究，以提升系統的源網荷協調水平，包括：

1）加強負荷的頻率響應能力技術研究，提升并網運行電網頻率調控質量。

2）加強負荷可控技術研究，實現負荷的分級控制，參與電網安全防控方案實施，提升電網緊急控制安全水平。

3）開展低功率運行技術研究，實現低負荷安全運行控制，保障電網及用戶設備安全。

2.3 電解鋁大負荷參與源網荷協調的應用場景

1）針對云南異步運行電網的頻率穩定問題，應關注電網正常運行狀態下的頻率控制要求及故障擾動下的緊急控制要求。由于新能源等高占比導致電網慣性水平的降低，以及新能源出力波動性，正常運行方式下電網頻率質量的調控難度也相應提升，電解鋁等大用戶，必須具備一定的負荷調控能力，實現日常頻率快速跟蹤并調整負荷的能力；其次，在電網故障擾動情況下，出現頻率快速越限過程中，電解鋁等大用戶應能及時響應電網穩控要求，切除相應的負荷量，抑制電網頻率質量。

2）對于局部電網存在的供電斷面壓極限問題，一方面電解鋁大用戶應能響應電網事故擾動下送電斷面過載需緊急采取切負荷措施要求，及時壓減負荷量的能力。另一方面，考慮到相關設備異常或故障停運檢修的長期性，電解鋁大用戶應具備長時間低功率運行或停運能力，用戶側必須做好相關措施，在響應電網要求的同時將自身經濟損失降到最低。

3）應用場景包括：

a．對于調節飽和電抗器，或晶閘管實現負荷小量調節的能力，可參與異步電網調頻需求，參與系統一次調頻的調控。

b．對于切除整流變的負荷控制方式，可以參與電網二、三道防線的構建，作為嚴重故障情況下采取切負荷的調控方案。

c．對于調節飽和電抗器（或晶閘管）+主變分接頭的控制方式，可以參與系統設備檢修等需要壓減負荷的調控方案。

3 電解鋁負荷的網荷協調措施建議

1）對于云南異步電網頻率調控：首先應關注電網穩態運行的頻率調控手段，在加強電源側協調控制同時，有必要開展并考慮負荷側電解鋁負荷的頻率響應能力及技術要求，提升電網正常運行方式下頻率調控質量。同時，關注緊急情況下控制措施要求，在電網發生故障或異常需要進行功率控制時，電解鋁等大用戶應該具備負荷緊急調控能力，響應電網調控需求，參與電網第二道安全防線控制方案（集中切負荷）、第三道安全防線控制方案（低頻低壓減載），以及緊急拉閘限電控制方案等，提升電網安全的應急響應能力。

2）對于供電壓力較大的局部電網（熱穩問題）：需要考慮相關送電通道故障跳閘，需要采取緊急控制負荷措施，如集中切負荷需求；并且考慮因供電設備檢修或異常退運時，需要大用戶長期低功率運行，或停運要求。

3）負荷量的可控性是大用戶響應電網協調控制要求的必備條件，電解鋁大用戶并入電網后應加強與電網協調控制與響應技術研究，以實現源網荷協調：加強負荷的頻率響應能力技術研究，提升并網運行電網頻率調控質量。加強負荷可控技術研究，實現負荷的分級控制，參與電網安全防控方案實施，提升電網緊急控制安全水平。積極開展低功率運行技術研究，實現低負荷安全運行控制，保障電網及用戶設備安全。

4）電網側在加強源網荷協調的同時，應充分考慮負荷側無法響應控制要求的應對措施，擴大可調、可控對象的協調控制力度，保障足夠的調控資源。同時，充分研究電解鋁大負荷源網荷協調響應特性對電網安全影響的風險，評估其并網的可行性，并針對存在的問題從網架加強、調控資源優化能力等方面進一步加強應對措施，必要時根據電網承擔的風險及代價，引入相關的電價支持技術，全方位加強網荷協調力度。

5）電解鋁負荷在開展網荷響應調控技術研究與實施過程中，應充分考慮調控措施的實施對自身設備及生產線的安全影響，一是做好自身應急保安措施，二是結合生產流程從設計工藝等方面研究適應網荷協調調控的生產方案及控制流程。

4 結束語

隨著云南“五高”電網特性的顯現，電網在正常及事故情況下，源隨荷動的調節模式已無法保障系統的運行安全，隨著波動型新能源電源以及穩定型電解鋁等大用戶占比的不斷增長，進一步加大了系統源網荷協調的需求，有必要結合電解鋁等大用戶用電生產特性，挖掘負荷側響應電網需求的主動調控能力，提升源網荷協調水平，保障電網及用戶的安全和利益。