基于高耗能負(fù)荷的孤立電網(wǎng)運(yùn)行控制方法

王 波，藍(lán) 嵐

（貴州電網(wǎng)公司，貴州 貴陽 520002）

近年來由于風(fēng)電、光伏等新能源并網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)火電機(jī)組年最大利用小時數(shù)呈逐年下滑趨勢。產(chǎn)能過剩問題越來越明顯地擺在人們的面前。另一方面諸如電解鋁等高耗能負(fù)荷產(chǎn)業(yè)在我國飛速發(fā)展，使得我國成為世界第一大產(chǎn)鋁國。然而高耗能產(chǎn)業(yè)能源消耗量巨大，在傳統(tǒng)的公網(wǎng)供電模式下，長距離大容量的功率傳輸會產(chǎn)生較大的線路損耗。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 儲能系統(tǒng)

儲能技術(shù)主要分為物理儲能（如抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能[4]等）、化學(xué)儲能[5]（如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鋰離子電池）和電磁儲能（如超導(dǎo)電磁儲能、超級電容器儲能[6]等）。

儲能系統(tǒng)能夠?qū)㈦娔芘c其他形式的能量比如機(jī)械能、化學(xué)能等進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，并儲存起來。其最顯著的優(yōu)勢是能夠在短時間內(nèi)完成電能的存儲和釋放，迅速調(diào)整自身有功輸出，跟蹤系統(tǒng)有功功率的變化，改善系統(tǒng)快速頻率響應(yīng)，維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。但是儲能系統(tǒng)缺點(diǎn)也很明顯，由于制造水平限制，其容量一般較小，而且價格較昂貴，大容量的大規(guī)模的應(yīng)用，對于目前來說還有比較大的挑戰(zhàn)。

1.2 電動汽車

電動汽車主要是指以電能作為能源的汽車。用電動汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)以化石能源作為動能的汽車不僅能夠能減少環(huán)境污染，而且有利于電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。其基本原理和功能類似于儲能系統(tǒng)，能夠快速與電網(wǎng)進(jìn)行電能交換。雖然單個電動汽車的容量較小，其對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的貢獻(xiàn)較小。但是通過集成的方式將多個電動汽車集中接入電網(wǎng)對保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定會有明顯效果。

1.3 負(fù)荷控制

通常情況下，當(dāng)系統(tǒng)有功不足時，通過甩負(fù)荷來維持電網(wǎng)的功率平衡和頻率穩(wěn)定的做法僅作為緊急情況下不得已而為之的控制手段。在孤立電力系統(tǒng)頻率控制中，負(fù)荷控制引起了較大關(guān)注。與傳統(tǒng)切負(fù)荷的離散控制方式不同，孤立電力系統(tǒng)負(fù)荷控制主要是通過負(fù)荷功率的連續(xù)調(diào)節(jié)來跟蹤系統(tǒng)功率擾動和頻率變化。

2 高耗能負(fù)荷的可調(diào)特性研究現(xiàn)狀[7]

高耗能產(chǎn)業(yè)的負(fù)荷功率消耗大，如果使其參與到電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度與實(shí)時控制的過程中去，將顯著提高電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力和風(fēng)電消納能力。傳統(tǒng)的調(diào)度模式中，高耗能負(fù)荷由網(wǎng)購電驅(qū)動，以恒定功率進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，并不參與電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻。如果從高耗能企業(yè)安全生產(chǎn)的角度考慮，這種模式確實(shí)能保證其穩(wěn)定生產(chǎn)。但從電網(wǎng)荷-網(wǎng)-源協(xié)調(diào)優(yōu)化的全局角度，則沒有充分利用高耗能負(fù)荷的功率調(diào)節(jié)能力。研究表明，高耗能負(fù)荷的可調(diào)特性是其參與電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)的理論基礎(chǔ)。從電源的角度出發(fā)，調(diào)整自備電廠的發(fā)電計劃。許多電解鋁廠、鋼鐵廠等高耗能負(fù)企業(yè)會配備自備電廠，以減少從電網(wǎng)購電，從而降低生產(chǎn)成本。通過比較不同時段買/賣電電價、自發(fā)電成本之間的關(guān)系，指出電網(wǎng)需考慮高耗能企業(yè)自發(fā)電成本以及負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本來制定高耗能企業(yè)電價機(jī)制，從而通過價格手段使高耗能企業(yè)自備電廠的發(fā)電廠計劃能夠參與電網(wǎng)的削峰填谷。

從負(fù)荷的角度出發(fā)，調(diào)整高耗能負(fù)荷的啟停。在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和斷面潮流確定的條件下，通過離線仿真方法，計算高耗能負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度前后風(fēng)/光電的出力上限值，繼而提出了高耗能負(fù)荷對提升電網(wǎng)可再生能源消納能力的評估方法。綜上所述，高耗能負(fù)荷參與電力系統(tǒng)的調(diào)控潛力，已得到了國內(nèi)外工業(yè)界的普遍關(guān)注，但是研究工作解決的目標(biāo)主要集中在時間尺度更長的電網(wǎng)調(diào)度問題，高耗能負(fù)荷的調(diào)節(jié)方式也是基于調(diào)整自備電廠的出力計劃或者控制高耗能負(fù)荷的啟停，而對于高耗能負(fù)荷其自身的功率快速控制方法，以及如何控制高耗能負(fù)荷在孤立電網(wǎng)中參與頻率控制，目前還未見報道。

3 負(fù)荷控制的局限性

作為熱蓄能負(fù)荷，電解鋁能夠在有功功率降低25%的情況下，保溫運(yùn)行4 h。而該負(fù)荷控制的調(diào)節(jié)機(jī)理本質(zhì)上是通過改變負(fù)荷側(cè)的直流電壓，這就使得這種控制存在一定的局限性。雖然在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)機(jī)組需要檢修、倒負(fù)荷操作時，運(yùn)行人員通過調(diào)整調(diào)壓變壓器的分接頭，將負(fù)荷側(cè)母線電壓降低至0.9p.u.甚至更低的操作也并不少見，但長時間大范圍的有功調(diào)節(jié)勢必會對電解鋁的生產(chǎn)帶來不利影響。就功率平衡的角度而言，故障發(fā)生后，系統(tǒng)中的不平衡功率不能超過負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)至最大容忍極限時電解鋁負(fù)荷有功功率的改變量。換句話說，系統(tǒng)的不平衡功率不能超過電解鋁負(fù)荷調(diào)節(jié)能力極限。其次，電解鋁負(fù)荷只能實(shí)現(xiàn)單方向的有功功率調(diào)節(jié)，即降低負(fù)荷的有功消耗。因此，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)某一負(fù)荷故障切除而導(dǎo)致系統(tǒng)有功功率溢出時，電解鋁負(fù)荷控制策略將會失效。

3.1 安穩(wěn)控制的局限性

事實(shí)上，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)不平衡功率時，常規(guī)的控制手段是利用安穩(wěn)控制系統(tǒng)，通過切機(jī)切負(fù)荷的手段，消除系統(tǒng)中的不平衡功率。對于大電網(wǎng)而言，其機(jī)組、負(fù)荷種類眾多、容量各異，安穩(wěn)系統(tǒng)能夠選擇性組合出與擾動量相匹配的發(fā)電機(jī)組或者負(fù)荷進(jìn)行切除，即使安穩(wěn)不能匹配出容量完全相等的控制策略，大電網(wǎng)中的其他火電機(jī)組也能夠提供足夠的一次調(diào)頻容量，在加上大電網(wǎng)系統(tǒng)慣量較大，常規(guī)的安穩(wěn)控制策略能夠應(yīng)付一般性的故障。甚至在大電網(wǎng)發(fā)生N-1故障時，不需要安穩(wěn)動作也能保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

然而對于孤立電網(wǎng)，其絕大部分為電解鋁負(fù)荷，負(fù)荷顆粒較大，這就導(dǎo)致當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障跳閘時，若只采取安穩(wěn)措施，系統(tǒng)可切除的負(fù)荷容量遠(yuǎn)大于機(jī)組跳閘損失的有功功率，從而必須切除額外的火電機(jī)組以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有功平衡。而當(dāng)負(fù)荷側(cè)母線故障必須切除負(fù)荷的時候，往往需要連切數(shù)臺火電機(jī)組。

甚至在某些極端情況下，由于找不到功率相匹配的切機(jī)切負(fù)荷方式，導(dǎo)致無法抑制系統(tǒng)中的不平衡功率，此時安穩(wěn)系統(tǒng)不得不切除所有火電機(jī)組和負(fù)荷，最終導(dǎo)致孤網(wǎng)系統(tǒng)全停。這顯然是不可取的，即使通過連切措施能夠使系統(tǒng)最終維持穩(wěn)定，但就經(jīng)濟(jì)上而言，也并非最優(yōu)選擇。

3.2 安穩(wěn)與負(fù)荷控制協(xié)調(diào)控制策略

綜上所述，單一的安穩(wěn)切機(jī)、切負(fù)荷的手段，或者負(fù)荷控制方式都無法在所有情況下完全消除故障后系統(tǒng)存在的不平衡功率。只有將兩套系統(tǒng)相互配合，協(xié)調(diào)控制才能夠做到控制策略的無縫連接。此外兩套系統(tǒng)應(yīng)該有實(shí)時的信息交互，否則兩套系統(tǒng)會相互矛盾。基于此，本文提出了安全穩(wěn)定控制策略與負(fù)荷控制策略兩者相互配合的孤立電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方式，實(shí)現(xiàn)“以切為主，調(diào)為輔，切與調(diào)相互結(jié)合”的控制策略。

協(xié)調(diào)控制的基本控制思路是：切機(jī)切負(fù)荷的安穩(wěn)控制是主控，執(zhí)行“切”的功能，在系統(tǒng)受到功率擾動時，若判斷系統(tǒng)的不平衡功率超出電解鋁負(fù)荷控制能力極限，則說明僅靠負(fù)荷控制無法消除系統(tǒng)不平衡功率，此時必須優(yōu)先動作安穩(wěn)控制，實(shí)現(xiàn)頻率的粗調(diào)。負(fù)荷控制是從控，執(zhí)行“調(diào)”的功能，在安穩(wěn)動作完畢后，重新計算系統(tǒng)的不平衡功率，若判斷出系統(tǒng)的不平衡功率小于電解鋁負(fù)荷控制能力極限，則由安穩(wěn)控制系統(tǒng)向負(fù)荷控制系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)指令，啟用負(fù)荷控制系統(tǒng)調(diào)整可控硅觸發(fā)延遲角至指定值，從而改變電解鋁有功消耗，重新建立系統(tǒng)功率平衡。

否則，重新進(jìn)入新的控制循環(huán)，直至系統(tǒng)狀態(tài)滿足啟用負(fù)荷控制條件。

4 結(jié)束語

由于風(fēng)電光伏等新能源大規(guī)模并網(wǎng)，導(dǎo)致我國火電機(jī)組年利用小時數(shù)持續(xù)走低。使得我國煤炭資源豐富的地區(qū)的“煤多搞電，電多怎么辦”的問題十分突出。另一方面，高耗能產(chǎn)業(yè)能源消耗巨大，歐美等發(fā)達(dá)國家的高耗能產(chǎn)業(yè)已逐步完成向發(fā)展中國家和欠發(fā)達(dá)國家的轉(zhuǎn)移。就我國當(dāng)前的國情而言，高耗能產(chǎn)業(yè)仍屬于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，完全的“去產(chǎn)能”，目前并不現(xiàn)實(shí)。以最具代表性的高耗能負(fù)荷——電解鋁為例。我國是世界第一大產(chǎn)鋁國，在傳統(tǒng)的公網(wǎng)供電模式下，長距離容量的功率傳輸會產(chǎn)生較大的線路損耗。對電解鋁企業(yè)而言，如果生產(chǎn)用電都從大系統(tǒng)購買會大大增加電解鋁的生產(chǎn)成本，再加上鋁價的持續(xù)低迷，產(chǎn)業(yè)效益微乎其微。許多電解鋁行業(yè)面臨虧損的不利局面。探索開展鋁電等高載能專網(wǎng)直供項(xiàng)目，能夠降低耗能企業(yè)用電成本，顯著提高電解鋁行業(yè)這類高耗能企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。同時提高火電機(jī)組發(fā)電利用小時數(shù)，實(shí)現(xiàn)互惠共贏。

以實(shí)際孤立電網(wǎng)為項(xiàng)目依托，依據(jù)現(xiàn)場調(diào)研的孤網(wǎng)各電氣元件參數(shù)在RTDS實(shí)時仿真系統(tǒng)搭建詳細(xì)模型。針對孤立電網(wǎng)近、遠(yuǎn)期規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行方式下的潮流計算以及不同故障下的暫態(tài)計算。

通過對仿真結(jié)果的分析，得出穩(wěn)定運(yùn)行方式下以及孤網(wǎng)發(fā)生故障時系統(tǒng)存在的問題，并提出相應(yīng)的解決措施以及安穩(wěn)與負(fù)荷控制協(xié)調(diào)配合的控制策略。由于近期方案采用長距離重載輸電，電解鋁負(fù)荷側(cè)的電壓過低，無法滿足鋁廠的安全正常生產(chǎn)以及孤網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。因此，需要對孤網(wǎng)實(shí)施無功補(bǔ)償，改善電壓偏移。

由于近期方案中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，網(wǎng)內(nèi)機(jī)組數(shù)量較少。當(dāng)一臺火電機(jī)組故障跳閘后一次調(diào)頻能力不足以平抑系統(tǒng)中的不平衡功率，孤立電網(wǎng)無法維持安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過采用本文所提出的可控硅觸發(fā)延遲角控制電解鋁負(fù)荷有功功率的方式可以快速重建系統(tǒng)功率平衡，使得頻率電壓波動在安全范圍內(nèi)。

此外考慮到快速降負(fù)荷后，長距離輸電線路輸送功率急劇變化，若線路末端無功補(bǔ)償采用固定電容方式，則會出現(xiàn)線路末端電壓沖擊。為了保障負(fù)荷母線的電壓穩(wěn)定，并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置采用固定電容器和靜止無功補(bǔ)償器SVC。孤網(wǎng)正常運(yùn)行時，SVC按額定容量補(bǔ)償無功，當(dāng)故障發(fā)生時，SVC自動減少無功甚至不發(fā)無功。

在中期方案的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，孤立電網(wǎng)以3個負(fù)荷為中心，形成3個相對獨(dú)立的供電區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)火電機(jī)組就地對負(fù)荷提供有功支撐，發(fā)供基本平衡。區(qū)域間功率交換較少。故中期網(wǎng)架不存在長距離重載輸電情況，無需采取額外的無功補(bǔ)償措施。

在中期方案中，系統(tǒng)的一次調(diào)頻能力不足的問題依然存在。與近期方案不同的是，中期網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，機(jī)組以及負(fù)荷種類相對豐富。使得當(dāng)故障發(fā)生時，可選擇的控制方式變得多元化，傳統(tǒng)的安穩(wěn)控制可以得到應(yīng)用。另外，還對一些特殊的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，仿真結(jié)果可知，通過安穩(wěn)控制與負(fù)荷控制之間的相互配合，可以使得系統(tǒng)在發(fā)生無論火電機(jī)組故障跳閘還是負(fù)荷故障切除時，都能在短時間內(nèi)使得孤網(wǎng)的頻率以及電壓維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。