源網荷儲協同的分布式智能電網能量管理與集群控制研究及應用

[摘 要]“雙碳”背景下，打造安全高效的高滲透率新能源“能源互聯網”解決方案，是構建以新能源為主體的新型電力系統的第一要務。內蒙古電投能源股份有限公司礦山供電公司結合企業礦山卡車油改電實際，創新開展了基于源網荷儲協同的分布式智能電網能量管理與集群控制技術研究及應用，通過將礦山能源互聯網建設與露天煤礦產業發展相結合，構建源網荷儲協同優化的分布式智能電網能量管理系統和安全高效的分散式模塊化儲能支撐系統，在實現礦山電卡用電全面綠色化的同時，為其他企業降低用能成本、減碳降碳提供了行之有效的解決方案。

[關鍵詞]“雙碳”目標；礦山能源互聯網；分布式智能電網；源網荷儲協同

一、前言

2020年9月22日，習近平主席在第75屆聯合國大會上宣布，中國力爭在2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取在2060年前實現碳中和目標。“雙碳”目標的提出，是我國基于推動構建人類命運共同體的責任擔當和實現可持續發展的內在要求而作出的重大戰略決策，展示了我國為應對全球氣候變化作出的新努力和新貢獻，體現了對多邊主義的堅定支持，為國際社會全面有效落實《巴黎協定》注入強大動力，重振全球氣候行動的信心與希望，彰顯了中國積極應對氣候變化、走綠色低碳發展道路、推動全人類共同發展的堅定決心。

在這一背景下，2021年3月，中央財經委員會第九次會議提出“要構建清潔低碳安全高效的能源體系，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統”。

打造安全高效的高滲透率新能源的能源互聯網解決方案，是構建新型電力系統的第一要務。目前，圍繞能源互聯網的理論研究眾多，但是落地的具有實用價值的案例還很少。

為貫徹落實國家碳達峰碳中和戰略部署，內蒙古電投能源股份有限公司礦山供電公司深入開展、高位推進基于源網荷儲協同的分布式智能電網能量管理

與集群控制技術的研究及應用。通過將源網荷儲協調互動的能源互聯網建設與露天煤礦產業相結合，進一步提高公司智慧決策、能碳精準控制的能力；在調度層面把握和控制電源、電網、負荷和儲能之間互動，提高煤礦產業區域綜合能源系統整體的環保性、安全性和經濟性；開創性地提出通過建設源網荷儲協同優化的分布式智能電網能量管理系統和安全高效的分散式模塊化儲能支撐系統，能夠實現綠色電力全面覆蓋礦山電卡用電需求，在解決電源裕量不足問題的同時優化產業結構，推動新能源百分百消納。

二、礦山卡車油改電面臨的挑戰分析

以內蒙古電投能源股份有限公司露天煤業公司擁有的霍林河礦區為例：礦區分為南礦、北礦、扎礦3個區域，煤礦的供電系統主要由蒙東電網、霍林河循環經濟局域網及露天煤業200520MW光伏電站以及2臺總容量8MW排土場分布式風電提供電源。

其中，蒙東電網輸電線路容量共91.4MVA，局域網提供電源容量30MVA，現年總供電量約2.8億kWh。礦山既有最大負荷已達105MVA，富余電量為16.4MVA。另外，系統還存在約13%、持續10～20分鐘短期尖峰負荷，平均負荷與最大負荷差額極大。這就造成了新能源發電不能得到充分利用，存在棄電現象，電能卡車負荷綠電供應不足問題突出。

根據露天煤業公司2023- 2025年煤炭板塊運輸設備電能替代規劃，到2025年計劃實現370臺60噸級寬體礦卡電能替代，實現6臺百噸級自卸車電能替代，累計用電量24192萬kWh，累計增加負荷約32050kW。若各礦運輸設備電能替代規劃如期實現，南、北、扎礦換電礦卡累計用電量將達到24192萬kWh，增加負荷平均為32MW。

當前，礦山供電系統關鍵聯絡線的剩余容量已無法滿足未來礦卡充電負荷迅速增加的需求。國家電投內蒙古公司根據露天礦山場地開闊，霍林郭勒地區風光資源豐富的特點，提出通過新能源實現礦山卡車用能完全綠色替代的目標。

未來，隨著礦卡充電負荷增大，新能源發電占比增大，加上源荷的多重不確定性，礦山供電系統的運行面臨較大的挑戰。

三、礦山能源互聯網解決方案

基于源網荷儲協調的智能礦山能源互聯網能量管理技術由分布式能源集群與主動支撐控制、風險調度與動態控制技術、本質安全高效靈活的儲能技術組成。

建立面向礦山充電重卡的充電負荷激勵響應模型，從柔性負荷角度展開研究，挖掘礦卡充電柔性負荷的調控潛力，為負荷側參與全網優化調度提供物理基礎。同時，結合分布式新能源、儲能等類型資源接入的特點，在66kV及以下配網側展開研究，實現各層級源網荷儲互動的優化調控。

對于用戶側，通過有序充電需求側響應，對接新能源綠電，降低生產成本。對于電網側，通過對源側分布式新能源集群、網側電儲能系統進行優化調度，提高新能源消納水平，降低電網運行成本，降低大停電事故以及分布式電源連鎖脫網事故發生的概率，提高供電可靠性，改善供電質量。

提出免模型維護的分布式能源集群自治與主動支撐控制技術，揭示新能源及儲能集群的自治控制與主動支撐控制機理，構建模型-數據混合驅動的集群控制架構，實現集群穩態響應模型和動態響應模型的在線估計，免除成本高昂的頻繁人工模型維護；提出高效的反饋優化和模型預測控制方法，實現集群內部運行狀態優化并對外提供一次、二次調頻輔助服務；并可在一定程度上抑制光伏發電所存在的高頻波動現象，平滑分布式電源的輸出，增加對電網穩定運行的可控性，間接延長了儲能裝置的使用壽命。（如圖1所示）

針對源荷多重不確定性，在調度方面，考慮源網荷儲各類設備的運行約束，研究風險量化的日前概率調度模型；研究自適應隨機魯棒概率調度技術和滾動調度策略的快速方法，對日前調度計劃進行滾動修正；考慮極端惡劣天氣下多能互補系統源荷匹配難度大的場景，研究隨機量可優化的棄電概率調度模型，研究極惡劣天氣下的有序棄電/切負荷邊界。

針對礦區電網環境復雜、模型參數多變需頻繁人工維護的現實難題，基于魯棒回歸方法和非線性稀疏矩陣估計方法，研究集群穩態響應模型和動態響應模型的在線估計，通過在線數據和粗糙模型實時獲得最新的高置信響應模型。進一步研究高效的反饋優化和模型預測控制方法，根據最新的高置信響應模型對集群內部運行狀態進行優化，并根據電網聯絡線平衡需求實時給出快速有功調節指令，挖掘儲能、用電負荷和新能源的調節潛力，提供容量需求控制、功率平衡輔助服務。

為了解決電源容量缺口問題，提出通過靈活高效的分散式模塊化級聯多電平高壓直掛儲能系統，削除大量快速的負荷尖峰，彌補新能源波動可能對供電系統的影響。由于負荷尖峰持續時間短、變化快速，因此系統配置了滿足2C電流0.5小時快速充放的儲能系統。

為了解決儲能系統安全性問題，同時針對霍林郭勒地區冬季溫度低（低溫可達- 30℃左右）、為吸收負荷尖峰需要每日多次充放電的應用場景，儲能電池選用高安全性的鈦酸鋰電池，該電池經針刺、切割、鉆探、過充、過放、燃燒等測試不起火、不爆炸，安全性極高，電池最低充放電溫度可達- 40℃，循環壽命可達25000次，貼合項目的應用環境。

四、霍林河露天煤業公司礦山能源互聯網方案分析

（一）供電瓶頸分析

按照礦山規劃，為了滿足礦卡的充電需求，共需要建設19座充電站，充電站最大充電負荷可達63MW。蒙東電網與循環經濟局域網提供的電源總容量為121.4MVA，既有礦山最大負荷為105MVA。因此，可能的最大電源缺口達46.6MVA。

為了實現礦卡電動化新增電力用能的完全綠色化，擬利用露天煤礦有利的地理條件建設新能源，通過新能源輸出相應的電能與礦卡用能進行平衡，實現各部分用能的碳中和。通過對礦卡和電網電源的時空分析，可以進一步得到實現上述目標所面臨的供電瓶頸位置。

由于扎礦礦卡主要從霍林河循環經濟局域網取電，而霍林河循環經濟局域網即將投入運行的新能源可以為扎礦礦卡提供相應的電力，同時霍林河循環經濟局域網發電機組有一定的調節能力。因此，只需重點分析在露天礦自行開發新能源對接南北礦礦卡充電負荷的解決方案。

根據規劃，到2025年南北礦礦卡用電量為1.2096億kWh，最大充電負荷約33MVA。南北礦分別通過霍東線和珠南線供電，當前霍東線的裕量為10.8MVA；珠南線裕量為9.945MVA。按照規劃中礦卡充電站的布局，預計霍東線需承擔3～6MVA的充電負荷，珠南線承擔最大27MVA的充電負荷。由此可見，供電瓶頸主要存在于珠南線，其供電容量缺口達到了 17.055MVA。因此，解決方案在解決南北礦礦卡用能與綠色能源電能平衡的問題，需要重點解決珠南線容量缺口的問題。

（二）珠南線供電瓶頸的解決方案分析

2022年，在南礦開展了充電礦卡的試運行工作，從圖2（b）可以看到，試點充電站的負荷變化曲線基本與礦山既有負荷同步變化。如果兩者的高峰點互相疊加，會導致線路容量缺口問題。

因此，本文提出可以通過建設分布式智能電網調控系統，提供智能的礦卡充電調度控制功能（如圖3所示），將充電負荷的高峰調整到礦山工作人員交接班期間（該段時間礦卡處于不工作狀態，非常適合到充電站充電），如果將2∶00、4∶00、14∶00、18∶00、22∶00幾個礦山負荷高峰時段的充電負荷從27MVA左右降低到12MVA左右，則可以將珠南線的充電負荷瓶頸降低15MVA。

由于礦山既有負荷表現出很大的波動特性，波動尖峰超過當日最大負荷的13%，這些短尖峰持續時間約為10～20分鐘，完全可以通過分布式智能電網調控系統的協調控制功能結合儲能系統的支撐進行削除，則珠南線的礦山負荷可以從35.755MVA降低5MVA，降低到30.755MVA左右。

綜合以上措施，45.7MVA容量的珠南線的裕量可以達到45.7MVA-30.755MVA- 12MVA=2.945MVA，珠南線可以安全穩定地運行。

（三） 綠電對接南北礦新增充電負荷的挑戰和解決方案

根據至2025年的規劃，南北礦累計需要實現160臺60噸級寬體礦卡、6臺百噸級自卸車油改電，年需電量12096萬kWh。為了實現利用綠色電量供應新增礦卡用電量的目標，建設的新能源應提供12096萬kWh的年發電量。目前南、北、扎礦區域具備開發條件的土地約200公頃，可開發光伏項目約96MW，風電項目約116MW。霍林郭勒地區光伏利用小時數約1600小時/年，風電利用小時數約3040小時/年。目前光伏建設成本約4500元/kW，風電建設成本約7000元/kW。由于項目所在地風電條件相對光伏條件更好，因此同樣的條件下優先選擇風電方案進行建設。（如圖4所示）

新增礦卡用電量如果都采用風電，按照風電3040利用小時數，需要安裝40MW風電。通過分析風電出力和礦山負荷的特性，然后在此基礎上分析全部采用風電的優缺點。（如圖5所示）

從表1中可以看到霍林郭勒地區春冬季 2、3、4、5、10、11、12月風速相對較大，夏秋季6- 9月份風速相對較小，季節性規律顯著，夏天甚至會出現連續多天風機停轉的情況。從表2可以看到南北礦礦山負荷總體表現為3- 10月份礦山負荷總體都在55.9～61.4MVA范圍內。與風力資源月度曲線對比可以看到：增加的風電綠電供應與礦卡充電負荷以1個月的時間尺度來看，兩者匹配性一般。

由圖4風電的日資源曲線來看，風力明顯呈現出中午到傍晚較高、其它時段較低的特點。圖2（a）的礦山負荷則呈現8∶00至12∶00時段負荷較低，16∶00至24∶00、0∶00至8∶00的兩個班次負荷比較高的特點。風電綠電供應與礦山負荷的用電存在日間時段上的不一致，按實際南北礦的既有負荷和模擬的優化后的充電負荷與模擬的風電出力進行對比，可以得到負荷與風電的平衡分析。（如圖6所示）

從圖中可以看到11：30- 19：30時間段褐色曲線為正，該部分表明綠電供應全部負荷后還有大量富裕。由于新增風電一般為自發自用，對于富裕的綠電，要么通過儲能進行吸納，要么廢棄。由上圖可以看到在風電充足的日子里，多余時段的風電平均多余出力達到了8.1MVA，時間長達 8小時。多余的風電如果采用儲能設備進行吸收，儲能設備容量需要達到64MWh，投資需要上億元。

如果全部采用光伏來平衡礦卡用電量的需求，按照光伏1600利用小時數，需要建設75.6MW的光伏。全部采用光伏會存在中午時段光伏幾乎滿功率輸出，而該時段負荷又很小，同樣會導致多余的光伏出力特別大，時長較長，通過儲能設備進行吸收不經濟。

針對上述問題，提出了采用風光組合的模式，一部分綠電通過風電提供，一部分通過光伏提供，降低風光組合的峰值，拓寬綠電輸出的時長，從而降低棄風棄光的概率。通過在不同的風光出力情況下的綠電與負荷平衡的分析，可以看到60%的充電電量由風電提供、40%由光伏提供的風光組合的方式下，綠電出力富裕小于5%，配置少量儲能即可降低棄風棄光量。采用風光組合的方式不僅可以解決日間單一綠電出力和負荷間功率匹配的巨大矛盾，還能降低天氣變化對新能源出力的影響。（如圖7所示）

綜上所述，為了支撐南北礦新增礦卡充電負荷，實現完全綠電對接，擬配建風光組合的新能源，需要建設24 MW風電、30 MW光伏，即可滿足新能源與新增充電負荷的電量平衡。

在不考慮風光新能源出力的極端情況下，珠南線原有的45.7MVA電源容量，通過源網荷儲協同的分布式智能電網能量管理系統控制10.8MW/5.4MWh大功率長壽命儲能平滑負荷尖峰，可將現有35.8MVA負荷降低到30.755MVA以內；通過優化調度礦卡充電負荷，將負荷高峰時的充電負荷降低到12MVA以內，則總的最大負荷將控制在40MVA以內。通過上述礦山能源互聯網解決方案，在不考慮擴建線路通道或容量的情況下，珠南線仍然可以保有約3MVA的電源裕度。

五、礦山能源互聯網投資收益分析

以1800kW/850kW儲能為基礎計算，通過系統儲能調節每年可節省電量1576.8萬kWh，每年可減少電網用電2791.8萬kWh；儲能除了消除負荷尖峰，實現低谷電價時段充電、高峰電價時段放電，年收益為18.8萬元；降低供電系統整體電源容量需求1800kW，每年可以節省容量電費60.48萬元；運行壽命周期可以長達20年，在其壽命周期內項目可以取得收益1586.6萬元。

項目建設并將實現可觀的降碳、儲能的綜合社會效益。每年可減少二氧化碳排放量27834.2t，每年節約標煤11278.9t。

六、礦山能源互聯網發展前景分析

礦山能源互聯網解決方案適合解決礦山、各類工廠或園區等對交通用能進行電能替代的需求。需求場景為負荷變化范圍較大，面對峰值負荷電網擴容代價大，用戶自身具備新能源發電條件，能夠通過源網荷儲協同工作，無須電網擴容，就能實現削峰填谷和新增用能綠色化，助力“雙碳”目標實現。

數據顯示，截至2020年12月，我國共有露天煤礦376處。其中，中大型露天礦有100多處，各類國家級的礦山達1000多座；工業園區達2萬多個，產值超千億元的園區有48個。假設1000個規模化的礦山與園區推廣應用礦山能源互聯網系統，每個項目平均投資3000萬元，則整個市場投資規模可達300億元。假設平均每個項目年凈收益1000萬元，則整個市場投資收益每年可達100億元。因此，該解決方案具有很強的推廣復制價值。

七、結語

此應用研究創新點在于提出了將露天礦分布式光伏、風電、油改電礦卡充電基地和高效儲能結為一體，構建了源網荷儲協同的分布式智能電網能量管理與集群控制的礦山能源互聯網，并結合內蒙古電投能源股份有限公司霍林河露天煤業公司的實際應用場景提出了具體化的實施方案。

通過建設源網荷儲協同的分布式智能電網能量管理系統，可實現區域電網自律自治以及與外電網的友好交互，形成電網的智慧型終端，在保障供能安全的前提下提高對區域可再生能源的消納能力，推進礦區用能清潔化，推動集團公司“雙碳”目標的實現，助力社會節能減排，具有可復制可推廣價值。

同時，通過能源互聯網技術與露天煤礦產業相結合，突破行業壁壘，提高礦區能源運行智慧決策、能碳精準控制的能力，在能量調度層面把握和控制電源、電網、負荷和儲能之間的協調互動，提高煤礦產業區域綜合能源系統整體的環保性、安全性和經濟性，對集團公司建設智慧礦區/智慧園區、實現“雙碳”目標具有重要的示范意義，其建設是必要的，也是緊迫的。

本項目建設目標明確，項目以科學的能耗預測為依據確定建設內容與規模，所采取的工程建設技術先進、建設方案詳實、清晰，可以解決企業現有需求，同時對企業未來發展具有參考性。

編輯/車玉龍 統籌/李蘇

參考文獻：

[1]董朝陽，趙俊華，文福拴，等.從智能電網到能源互聯網：基本概念與研究框架[J].電力系統自動化，2014， 38（15）： 1- 11.

[2]田世明，欒文鵬，張東霞等.能源互聯網技術形態與關鍵技術[J].中國電機工程學報，2015， 35（14）： 3482- 3494.DOI： 10.13334/ j.0258- 8013.pcsee.2015.14.002.

[3]孫宏斌，郭慶來，潘昭光.能源互聯網：理念、架構與前沿展望[J].電力系統自動化，2015， 39（19）： 1- 8.

[4]白建華，辛頌旭，劉俊，等.中國實現高比例可再生能源發展路徑研究[J].中國電機工程學報，2015， 35（14）： 3699- 3705. DOI：10.13334/j.0258- 8013.pcsee.2015.14.026.

[5]曾鳴，楊雍琦，劉敦楠，等.能源互聯網“源–網–荷–儲”協調優化運營模式及關鍵技術[J].電網技術，2016，40（01）： 114-124.DOI：10.13335/j.1000- 3673.pst.2016. 01.016.

[6]蘇南.“源網荷儲”協同一體 力促電力供需平衡[N].中國能源報，2022- 05-30（019）.DOI： 10.28693/n.cnki.nshca. 2022.001271.

[7]劉艷.日本大力發展能源互聯網[J].中國信息界，2022（04）： 68- 71.

[8]宋卓然，程孟增，牛威，等.面向能源互聯網的零碳園區優化規劃關鍵技術與發展趨勢[J].電力建設，2022， 43（12）： 15- 26.

[9]鐘永潔，李玉平，胡兵，等.園區與區域能源互聯網需求互動的動態協同優化運行分析[J].電機與控制學報，2022， 26（12）： 128-139.DOI：10.15938/j.emc.2022.12.013.

[10]葛磊蛟，崔慶雪，李明瑋，等.面向低碳經濟運行的新型電力系統態勢感知技術綜述[J].綜合智慧能源，2023， 45（01）：1- 13.

[11]高雅.構建綜合能源系統服務能源低碳轉型[N].國家電網報，2023- 01- 31（005）. DOI： 10.28266/n.cnki.ngjdw. 2023.000267.