基于高耗能负荷的孤立电网运行控制方法

王 波，蓝 岚

（贵州电网公司，贵州 贵阳 520002）

近年来由于风电、光伏等新能源并网技术的飞速发展，传统火电机组年最大利用小时数呈逐年下滑趋势。产能过剩问题越来越明显地摆在人们的面前。另一方面诸如电解铝等高耗能负荷产业在我国飞速发展，使得我国成为世界第一大产铝国。然而高耗能产业能源消耗量巨大，在传统的公网供电模式下，长距离大容量的功率传输会产生较大的线路损耗。

1 国内外研究现状

1.1 储能系统

储能技术主要分为物理储能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能[4]等）、化学储能[5]（如铅酸电池、氧化还原液流电池、锂离子电池）和电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器储能[6]等）。

储能系统能够将电能与其他形式的能量比如机械能、化学能等进行相互转换，并储存起来。其最显著的优势是能够在短时间内完成电能的存储和释放，迅速调整自身有功输出，跟踪系统有功功率的变化，改善系统快速频率响应，维持系统频率稳定。但是储能系统缺点也很明显，由于制造水平限制，其容量一般较小，而且价格较昂贵，大容量的大规模的应用，对于目前来说还有比较大的挑战。

1.2 电动汽车

电动汽车主要是指以电能作为能源的汽车。用电动汽车代替传统以化石能源作为动能的汽车不仅能够能减少环境污染，而且有利于电网频率稳定。其基本原理和功能类似于储能系统，能够快速与电网进行电能交换。虽然单个电动汽车的容量较小，其对系统频率稳定的贡献较小。但是通过集成的方式将多个电动汽车集中接入电网对保持系统频率稳定会有明显效果。

1.3 负荷控制

通常情况下，当系统有功不足时，通过甩负荷来维持电网的功率平衡和频率稳定的做法仅作为紧急情况下不得已而为之的控制手段。在孤立电力系统频率控制中，负荷控制引起了较大关注。与传统切负荷的离散控制方式不同，孤立电力系统负荷控制主要是通过负荷功率的连续调节来跟踪系统功率扰动和频率变化。

2 高耗能负荷的可调特性研究现状[7]

高耗能产业的负荷功率消耗大，如果使其参与到电力系统优化调度与实时控制的过程中去，将显著提高电网的调峰调频能力和风电消纳能力。传统的调度模式中，高耗能负荷由网购电驱动，以恒定功率进行工业生产，并不参与电网的调峰调频。如果从高耗能企业安全生产的角度考虑，这种模式确实能保证其稳定生产。但从电网荷-网-源协调优化的全局角度，则没有充分利用高耗能负荷的功率调节能力。研究表明，高耗能负荷的可调特性是其参与电网优化调度技术的理论基础。从电源的角度出发，调整自备电厂的发电计划。许多电解铝厂、钢铁厂等高耗能负企业会配备自备电厂，以减少从电网购电，从而降低生产成本。通过比较不同时段买/卖电电价、自发电成本之间的关系，指出电网需考虑高耗能企业自发电成本以及负荷转移成本来制定高耗能企业电价机制，从而通过价格手段使高耗能企业自备电厂的发电厂计划能够参与电网的削峰填谷。

从负荷的角度出发，调整高耗能负荷的启停。在网架结构和断面潮流确定的条件下，通过离线仿真方法，计算高耗能负荷参与电网调度前后风/光电的出力上限值，继而提出了高耗能负荷对提升电网可再生能源消纳能力的评估方法。综上所述，高耗能负荷参与电力系统的调控潜力，已得到了国内外工业界的普遍关注，但是研究工作解决的目标主要集中在时间尺度更长的电网调度问题，高耗能负荷的调节方式也是基于调整自备电厂的出力计划或者控制高耗能负荷的启停，而对于高耗能负荷其自身的功率快速控制方法，以及如何控制高耗能负荷在孤立电网中参与频率控制，目前还未见报道。

3 负荷控制的局限性

作为热蓄能负荷，电解铝能够在有功功率降低25%的情况下，保温运行4 h。而该负荷控制的调节机理本质上是通过改变负荷侧的直流电压，这就使得这种控制存在一定的局限性。虽然在实际运行过程中，当机组需要检修、倒负荷操作时，运行人员通过调整调压变压器的分接头，将负荷侧母线电压降低至0.9p.u.甚至更低的操作也并不少见，但长时间大范围的有功调节势必会对电解铝的生产带来不利影响。就功率平衡的角度而言，故障发生后，系统中的不平衡功率不能超过负荷节点电压调至最大容忍极限时电解铝负荷有功功率的改变量。换句话说，系统的不平衡功率不能超过电解铝负荷调节能力极限。其次，电解铝负荷只能实现单方向的有功功率调节，即降低负荷的有功消耗。因此，当系统中出现某一负荷故障切除而导致系统有功功率溢出时，电解铝负荷控制策略将会失效。

3.1 安稳控制的局限性

事实上，当系统中出现不平衡功率时，常规的控制手段是利用安稳控制系统，通过切机切负荷的手段，消除系统中的不平衡功率。对于大电网而言，其机组、负荷种类众多、容量各异，安稳系统能够选择性组合出与扰动量相匹配的发电机组或者负荷进行切除，即使安稳不能匹配出容量完全相等的控制策略，大电网中的其他火电机组也能够提供足够的一次调频容量，在加上大电网系统惯量较大，常规的安稳控制策略能够应付一般性的故障。甚至在大电网发生N-1故障时，不需要安稳动作也能保证系统的安全稳定运行。

然而对于孤立电网，其绝大部分为电解铝负荷，负荷颗粒较大，这就导致当系统出现发电机故障跳闸时，若只采取安稳措施，系统可切除的负荷容量远大于机组跳闸损失的有功功率，从而必须切除额外的火电机组以实现系统的有功平衡。而当负荷侧母线故障必须切除负荷的时候，往往需要连切数台火电机组。

甚至在某些极端情况下，由于找不到功率相匹配的切机切负荷方式，导致无法抑制系统中的不平衡功率，此时安稳系统不得不切除所有火电机组和负荷，最终导致孤网系统全停。这显然是不可取的，即使通过连切措施能够使系统最终维持稳定，但就经济上而言，也并非最优选择。

3.2 安稳与负荷控制协调控制策略

综上所述，单一的安稳切机、切负荷的手段，或者负荷控制方式都无法在所有情况下完全消除故障后系统存在的不平衡功率。只有将两套系统相互配合，协调控制才能够做到控制策略的无缝连接。此外两套系统应该有实时的信息交互，否则两套系统会相互矛盾。基于此，本文提出了安全稳定控制策略与负荷控制策略两者相互配合的孤立电网协调控制方式，实现“以切为主，调为辅，切与调相互结合”的控制策略。

协调控制的基本控制思路是：切机切负荷的安稳控制是主控，执行“切”的功能，在系统受到功率扰动时，若判断系统的不平衡功率超出电解铝负荷控制能力极限，则说明仅靠负荷控制无法消除系统不平衡功率，此时必须优先动作安稳控制，实现频率的粗调。负荷控制是从控，执行“调”的功能，在安稳动作完毕后，重新计算系统的不平衡功率，若判断出系统的不平衡功率小于电解铝负荷控制能力极限，则由安稳控制系统向负荷控制系统发出触发指令，启用负荷控制系统调整可控硅触发延迟角至指定值，从而改变电解铝有功消耗，重新建立系统功率平衡。

否则，重新进入新的控制循环，直至系统状态满足启用负荷控制条件。

4 结束语

由于风电光伏等新能源大规模并网，导致我国火电机组年利用小时数持续走低。使得我国煤炭资源丰富的地区的“煤多搞电，电多怎么办”的问题十分突出。另一方面，高耗能产业能源消耗巨大，欧美等发达国家的高耗能产业已逐步完成向发展中国家和欠发达国家的转移。就我国当前的国情而言，高耗能产业仍属于我国经济发展的重要组成部分，完全的“去产能”，目前并不现实。以最具代表性的高耗能负荷——电解铝为例。我国是世界第一大产铝国，在传统的公网供电模式下，长距离容量的功率传输会产生较大的线路损耗。对电解铝企业而言，如果生产用电都从大系统购买会大大增加电解铝的生产成本，再加上铝价的持续低迷，产业效益微乎其微。许多电解铝行业面临亏损的不利局面。探索开展铝电等高载能专网直供项目，能够降低耗能企业用电成本，显著提高电解铝行业这类高耗能企业的经济效益。同时提高火电机组发电利用小时数，实现互惠共赢。

以实际孤立电网为项目依托，依据现场调研的孤网各电气元件参数在RTDS实时仿真系统搭建详细模型。针对孤立电网近、远期规划网架结构，进行稳定运行方式下的潮流计算以及不同故障下的暂态计算。

通过对仿真结果的分析，得出稳定运行方式下以及孤网发生故障时系统存在的问题，并提出相应的解决措施以及安稳与负荷控制协调配合的控制策略。由于近期方案采用长距离重载输电，电解铝负荷侧的电压过低，无法满足铝厂的安全正常生产以及孤网安全稳定运行要求。因此，需要对孤网实施无功补偿，改善电压偏移。

由于近期方案中网架结构薄弱，网内机组数量较少。当一台火电机组故障跳闸后一次调频能力不足以平抑系统中的不平衡功率，孤立电网无法维持安全稳定运行。通过采用本文所提出的可控硅触发延迟角控制电解铝负荷有功功率的方式可以快速重建系统功率平衡，使得频率电压波动在安全范围内。

此外考虑到快速降负荷后，长距离输电线路输送功率急剧变化，若线路末端无功补偿采用固定电容方式，则会出现线路末端电压冲击。为了保障负荷母线的电压稳定，并联无功补偿装置采用固定电容器和静止无功补偿器SVC。孤网正常运行时，SVC按额定容量补偿无功，当故障发生时，SVC自动减少无功甚至不发无功。

在中期方案的电网结构下，孤立电网以3个负荷为中心，形成3个相对独立的供电区域，各区域内火电机组就地对负荷提供有功支撑，发供基本平衡。区域间功率交换较少。故中期网架不存在长距离重载输电情况，无需采取额外的无功补偿措施。

在中期方案中，系统的一次调频能力不足的问题依然存在。与近期方案不同的是，中期网架结构相对复杂，机组以及负荷种类相对丰富。使得当故障发生时，可选择的控制方式变得多元化，传统的安稳控制可以得到应用。另外，还对一些特殊的系统运行状态进行分析，仿真结果可知，通过安稳控制与负荷控制之间的相互配合，可以使得系统在发生无论火电机组故障跳闸还是负荷故障切除时，都能在短时间内使得孤网的频率以及电压维持在稳定范围内，保证了系统的安全稳定运行。