張 路, 陳 軍, 南東亮, 李銘益, 王 建, 李玉敦

(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院, 新疆 烏魯木齊 830011; 2.輸變電裝備技術(shù)全國重點實驗室(重慶大學(xué)), 重慶 400044; 3.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院, 山東 濟南 250002)

1 引言

在“十四五”計劃期間,我國致力于打造以新能源為核心的新型電力系統(tǒng),預(yù)計風(fēng)電和光伏發(fā)電將成為新增電能主體,各種綠色能源在電網(wǎng)中的比例也將不斷攀升。但是,新能源發(fā)電機組仍面臨著波動大、不穩(wěn)定和控制困難等挑戰(zhàn)。值得注意的是,我國的電力資源與負(fù)荷中心在地理空間上并不重疊,需要依賴超高壓交直流輸電線路進行長距離、跨區(qū)域的電力傳輸。在出現(xiàn)大干擾時,送端系統(tǒng)和受端系統(tǒng)的頻率變化特點有所不同。由于各系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量不同,即使在同一切機切負(fù)方案下,不同送受端系統(tǒng)對頻率的動態(tài)響應(yīng)也有所不同,這無疑增加了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的難度,現(xiàn)有挑戰(zhàn)包括:電網(wǎng)調(diào)節(jié)困難、系統(tǒng)的防干擾能力下降以及電網(wǎng)頻率特性的變化等[1,2]。

為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,通常從電源側(cè)考慮以增建同步機組、增加旋轉(zhuǎn)備用等形式來應(yīng)對新能源發(fā)電波動或某臺機組因故障退出運行的情況。但是,隨著可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源的不斷增加和負(fù)荷側(cè)資源控制方法及手段的逐步完善,利用全網(wǎng)可控資源來減少系統(tǒng)穩(wěn)定性受損的風(fēng)險變得至關(guān)重要[3]。在大型冶金工業(yè)中,某些負(fù)荷可以作為削減的負(fù)荷來主動參與電網(wǎng)的運行控制和能量互動,借助其柔性調(diào)節(jié)能力來克服原有的負(fù)荷單向、被動接受電網(wǎng)調(diào)節(jié)的劣勢,從需求側(cè)優(yōu)化入手,為緩解供需矛盾和電網(wǎng)緊急負(fù)荷控制提供了新思路[4]。

為了解決電力系統(tǒng)在有功平衡破壞時,整體頻率大幅降低或劇烈振蕩的問題,常用的頻率異?？刂圃O(shè)備主要從控制負(fù)荷和控制電源兩個方向入手。當(dāng)頻率升高時,主要依賴于高頻切機裝置等電源控制設(shè)備。反之,當(dāng)頻率下降時,則傾向于使用控制負(fù)荷的裝置來應(yīng)對,如低頻減載裝置(Under Frequency Load Shedding,UFLS)、低頻減壓裝置等;同時也會用到控制電源的裝置,如低頻抽水改發(fā)電裝置、低頻自起動發(fā)電機裝置等。國內(nèi)外從負(fù)荷側(cè)控制優(yōu)化出發(fā)開展了深入研究,文獻[5]通過對負(fù)荷曲線的相似性進行聚類分析,從對切負(fù)荷指標(biāo)分配方案的優(yōu)化入手,提出了一種低頻低壓的優(yōu)化負(fù)荷分配算法。文獻[6]在負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上,考慮了有功電壓維持在正常水平和負(fù)荷重要等級來計算減載貢獻因子,提出自適應(yīng)低頻減載優(yōu)化方法。文獻[7,8]從算法方面對低頻低壓切負(fù)荷的地點、輪次、減載量等方面進行協(xié)調(diào)優(yōu)化,以確保負(fù)荷切斷的速度、靈敏度和可靠性得到協(xié)同提升。文獻[9]提出按頻率偏差等比例減載,自適應(yīng)按需連續(xù)切除負(fù)荷策略。文獻[10]針對新能源機組造成電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣量減小問題,制定了針對新能源高滲透、功率波動大的新型電力系統(tǒng)的低頻減載優(yōu)化方案。

上述文獻雖然從不同角度對低頻減載方案提出了優(yōu)化,但負(fù)荷始終處于被動狀態(tài),無法利用部分負(fù)荷的柔性特征參與電網(wǎng)互動。文獻[11]將多類可中斷負(fù)荷納入毫秒級精準(zhǔn)減載控制范疇,提出了一種適應(yīng)大規(guī)模、多類型負(fù)控終端毫秒級響應(yīng)的分層分區(qū)通信架構(gòu),發(fā)展負(fù)荷響應(yīng)的新模式。文獻[12-14]從柔性負(fù)荷主動響應(yīng)角度,分析當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時,優(yōu)先考慮通過部分負(fù)荷主動參與頻率控制的能力。從負(fù)荷側(cè)可調(diào)節(jié)資源入手拓寬了緊急切負(fù)荷的思路,但目前缺乏對冶金類大型工業(yè)負(fù)荷參與低頻減載潛力的分析和具體減載優(yōu)化方案,以及配套的冶金負(fù)荷參與輔助服務(wù)的激勵機制。

因此,本文主要針對電解鋁負(fù)荷和煉鋼負(fù)荷兩大類冶金負(fù)荷,分析其用電特性,建立其可削減能力數(shù)學(xué)模型,進一步考慮負(fù)荷饋線重要度和功率大小差異,提出負(fù)荷側(cè)零通信主動響應(yīng)方法,以提高切負(fù)荷速率。通過構(gòu)建電網(wǎng)側(cè)和冶金工業(yè)用戶側(cè)的實時需求響應(yīng)收益模型,以市場化的手段制定補償價格,激勵用戶參與緊急負(fù)荷控制。最后,在IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)中對所提策略的效果進行驗證。

2 冶金負(fù)荷參與緊急負(fù)荷控制的能力

2.1 冶金負(fù)荷特點

我國新疆地區(qū)礦產(chǎn)和風(fēng)光資源豐富,既是重要的電能生產(chǎn)基地,又是重要的冶金工業(yè)基地。由于冶金工業(yè)用電負(fù)荷較大,當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)較大功率缺額而造成頻率降低時,可以考慮從負(fù)荷側(cè)入手,采用切除冶金工業(yè)負(fù)荷的手段恢復(fù)系統(tǒng)功率平衡,維持頻率穩(wěn)定。然而,由于冶金工業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜、作業(yè)種類繁多、對環(huán)境溫度和設(shè)備連續(xù)性要求比較高,若直接切除冶金企業(yè)全廠負(fù)荷不僅可能直接導(dǎo)致運行中的設(shè)備損壞、冶金材料作廢等經(jīng)濟損失,還可能導(dǎo)致負(fù)荷過切和引發(fā)系列電力系統(tǒng)安全事故。因此,將冶金負(fù)荷納入緊急情況下的負(fù)荷控制中,需要重點研究冶金負(fù)荷的生產(chǎn)工序,分析冶金工業(yè)中可作為可削減負(fù)荷切除方法。在確保不影響正常生產(chǎn)計劃的前提下,充分挖掘冶金負(fù)荷的可調(diào)度潛力,有利于為電力系統(tǒng)調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。將冶金負(fù)荷納入緊急情況下負(fù)荷控制,需要對冶金負(fù)荷的可削減潛力進行量化,確保在一定的激勵機制下對冶金工業(yè)負(fù)荷的調(diào)控實現(xiàn)對用戶損失和影響最小化,同時具備輔助電力系統(tǒng)恢復(fù)頻率/電壓正常的能力。

電解鋁和鋼鐵工業(yè)都是我國重要工業(yè)生產(chǎn)項目,每噸鋁耗電約為15 000 kW·h,電解鋁耗電量占全社會的7.5%,每噸粗鋼耗電約為450 kW·h[15]。本文擬選取電解鋁工業(yè)、鋼鐵工業(yè)作為兩個典型的冶金負(fù)荷,針對其中較靈活的可削減負(fù)荷進行分析。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時,系統(tǒng)頻率和電壓都會在幾秒到幾分鐘內(nèi)下降,所以當(dāng)冶金負(fù)荷參與到措施中時,它必須在收到減載命令后的一分鐘甚至幾秒內(nèi)響應(yīng),才能達到預(yù)期效果,否則它將無法拯救系統(tǒng)頻率或電壓崩潰。因此,本文對于冶金負(fù)荷的研究都是基于分、秒級層面考慮的。

(1)電解鋁負(fù)荷特點

在大型電解鋁廠中,電解鋁廠的最大負(fù)荷利用小時數(shù)約7 000 h,其中,一級負(fù)荷如電解槽等直流設(shè)備占全廠用電負(fù)荷95%以上,最長停電時間不超過2～3 h,全廠設(shè)備負(fù)荷組成主要含整流負(fù)荷、電動機負(fù)荷、電加熱設(shè)備負(fù)荷幾大類。如圖1所示,電解鋁工藝所需負(fù)荷通過整流設(shè)備進行直流供電,在正常操作中它是一個恒電流負(fù)荷,可以從電網(wǎng)角度看作恒功率負(fù)荷。在生產(chǎn)過程中,該負(fù)荷功率變化范圍較小,對電壓和頻率的變化不太敏感。晶閘管整流和二極管整流是整流設(shè)備中的常見類型。與二極管相比,晶閘管整流的優(yōu)點是調(diào)整速度快(可以達到毫秒級的響應(yīng)時間),并能連續(xù)調(diào)節(jié)。對于由二極管整流的電解鋁負(fù)荷,其調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較緩,降低負(fù)荷功率的主要方式是直接切除整流機組[16]。此外,電解槽由于需要維持在高溫狀態(tài),具有一定的熱穩(wěn)定性,這使其具備約10%～30%的負(fù)荷調(diào)節(jié)潛力。因此,在特定的功率調(diào)節(jié)范圍和時間內(nèi),這部分電解鋁負(fù)荷可以被納入電力系統(tǒng)的緊急負(fù)荷調(diào)控中,而不對電解鋁廠的日常運作帶來顯著的干擾。

圖1 電解鋁系列直流供電方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of DC power supply mode for electrolytic aluminum series

(2)煉鋼負(fù)荷特點

鋼包精煉爐主要用于對初煉爐中的鋼水進行進一步的精煉,同時也具備調(diào)整鋼水溫度和進行工藝緩沖的能力,它是為了滿足連鑄和連軋過程需求的關(guān)鍵冶金工具,主要包含三大功能:使鋼液升溫/保溫、氬氣攪拌功能、真空脫氣功能。在煉鋼過程中,鋼包精煉爐耗電量極大,但又具有生產(chǎn)節(jié)奏和負(fù)荷靈活可調(diào)的特點,為確保上游初煉爐和下游連鑄機的正常運作,可以根據(jù)實際需求對有載分接開關(guān)進行調(diào)整,從而達到削減功率的目的[17]。

如圖2所示,首先,在初煉爐如電弧爐、平爐和轉(zhuǎn)爐中進行煉鋼。接著,鋼水被運至鋼包精煉爐進行升溫或維持溫度,這有助于添加合金、調(diào)配成分和滿足連鑄溫度標(biāo)準(zhǔn)。在精煉爐底部的透氣磚中,氬氣被注入以攪動鋼液,并且利用蒸汽噴射泵使鋼液真空脫氣。完成精煉后,鋼水由鋼包運送到連鑄機進行澆筑,形成多種板坯形狀。因此,在鋼包精煉爐進行負(fù)荷削減時,上游的鋼水存量不能溢出,而下游的鋼水儲量要充裕,確保其溫度滿足連鑄需求。

圖2 煉鋼生產(chǎn)工藝流程Fig.2 Steel-production process

2.2 冶金負(fù)荷可調(diào)度潛力

(1)電解鋁負(fù)荷可調(diào)度潛力

在現(xiàn)代電解鋁工業(yè)中,主要使用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解技術(shù)。當(dāng)溫度達到950～970 ℃并導(dǎo)入直流電時,電解槽兩極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),輸入功率與溫度成正向相關(guān)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時,通過對晶閘管整流的電解鋁負(fù)荷進行壓減,可以實現(xiàn)如表1中的三種不同狀態(tài):持續(xù)產(chǎn)鋁、保溫和冷卻。根據(jù)削減功率的需求不同,對電解鋁輸入功率進行調(diào)整。通過二極管整流的負(fù)荷由于只能直接將整流機組按臺切除,故其可削減功率具備不可連續(xù)調(diào)節(jié)的特性,并且可削減負(fù)荷集的形式展現(xiàn),可削減范圍見表1。

表1 電解鋁負(fù)荷狀態(tài)與可削減功率關(guān)系Tab.1 Relationship between load state of electrolytic aluminum and power reduction

為具體量化電解鋁負(fù)荷可切除量,需要對電解鋁負(fù)荷進行建模,計算可切負(fù)荷功率的邊界條件。在電解鋁廠中,通常利用可編程邏輯控制器來執(zhí)行穩(wěn)流控制,這包括總調(diào)模式和分調(diào)模式。分調(diào)主要進行小閉環(huán)的控制,通過收集整流柜的具體數(shù)據(jù)來穩(wěn)定單一機組的電流。而總調(diào)則執(zhí)行大閉環(huán)控制,它綜合了所有整流機組的工藝狀況和陽極狀態(tài),以穩(wěn)定整個系列的電流。如果需要減少系列的部分功率,除了關(guān)閉部分整流機組外,還需要降低總調(diào)的電流設(shè)定值。切除n臺整流機組之后,剩下的機組電流應(yīng)不超過原先的總調(diào)電流設(shè)定;為確保電解槽不冷卻,該電流也不應(yīng)低于維持電解槽溫度所需的電流,如下所示:

(1)

(2)

假設(shè)在短時穩(wěn)控切負(fù)荷過程中,單臺整流機組初始電壓Ud恒定,削減負(fù)荷量可由下式表示:

(3)

式中,ΔP為總負(fù)荷削減量,MW。為使電解槽至少處于保溫狀態(tài),ΔP∈(0,30%Prate),Prate為額定功率,MW。

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)檢測到功率不平衡,頻率出現(xiàn)驟降時,下發(fā)減載指令給各電解鋁廠,優(yōu)先削減其額定功率10%以內(nèi)的負(fù)荷,以維持正常電解鋁生產(chǎn)。若仍有減載需求,則進一步切除其額定功率30%以內(nèi)的負(fù)荷。

(2)煉鋼負(fù)荷可調(diào)度潛力

在煉鋼工藝中,鋼包精煉爐負(fù)荷功率與其精煉鋼液生產(chǎn)率成正比[5],因此其負(fù)荷削減形式為減緩精煉鋼液生產(chǎn)率,負(fù)荷削減功率可表示為:

ΔP=P0-P1

(4)

式中,P0為初始功率,MW;P1為用戶響應(yīng)減載指令后鋼包精煉爐負(fù)荷的運行功率,MW。

削減后的精煉鋼液生產(chǎn)速率為:

(5)

式中,v0為減載前鋼包精煉爐鋼水生產(chǎn)速率,t/min;v1為減載后鋼包精煉爐鋼水生產(chǎn)速率,t/min。

對上游初煉爐和鋼包精煉爐生產(chǎn)速率及鋼包庫存間關(guān)系建模,以保證在負(fù)荷削減過程中,鋼水庫存量不得超過Istore1_max,可得以下關(guān)系:

(6)

式中,v爐為初煉爐中鋼水的生產(chǎn)速率,t/min;η為每噸初煉爐鋼水可生產(chǎn)的精煉鋼水量,t;t為減載持續(xù)時間,min;Istore1為減載前從初煉爐到鋼包精煉爐過程中鋼包的起始鋼水儲存量,t;Istore1_max為從初煉爐到鋼包精煉爐過程中鋼包的上限鋼水儲存量,t。

對下游鋼包精煉爐和連鑄機生產(chǎn)速率及鋼包庫存間關(guān)系建模,可得以下關(guān)系:

(7)

式中,v鑄為連鑄機制造板坯的速度,t/min;λ為平均每單位精煉鋼水可制造的板坯,t;Istore2為減載前從鋼包精煉爐到連鑄機之間的鋼包起始精煉鋼水存量,t。

聯(lián)立式(6)、式(7)求解,可得削減時間應(yīng)滿足:

(8)

同時,為確保生產(chǎn)質(zhì)量和設(shè)備安全,鋼包精煉爐在生產(chǎn)過程中對最低溫度有要求?？紤]到負(fù)荷削減時間內(nèi),轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)至鋼包的庫存鋼水溫度將隨時間而降低,因此還需確保鋼包中的鋼水滿足以下溫度條件:

(9)

式中,T0為起始的鋼水溫度,℃;vt為室溫下,初煉爐中鋼水溫度的降低速度,℃/min;Tmin為鋼包精煉爐設(shè)備在生產(chǎn)中的溫度下限。

在短時間內(nèi)進行負(fù)荷削減,其對上下游的影響是有限的,此時最大的減負(fù)荷量可以是鋼包精煉爐的全負(fù)荷。但隨著削減時間的延長,能夠被減少的最大負(fù)荷逐步降低。鋼包精煉爐的最低溫度會限制削減的最長時間,依據(jù)初煉爐中鋼水的起始溫度差異,該時間在10～40 min范圍內(nèi)變化。對于相同的削減時長,隨著初始煉爐鋼水庫存的減少以及精煉鋼水庫存的增加,可削減的最大負(fù)荷將逐漸上升。由于電網(wǎng)緊急負(fù)荷控制是基于分、秒級層面考慮的,在極短時間內(nèi)可以視為鋼包精煉爐全部負(fù)荷可調(diào)用,且對上下游正常生產(chǎn)不產(chǎn)生影響。

最終,冶金負(fù)荷的可調(diào)度能力與冶金負(fù)荷實時可削減量、用戶參與度、用戶響應(yīng)配合度、負(fù)荷分類分級、時效性和補償機制等多方面因素有關(guān)。

2.3 秒級快速切負(fù)荷實現(xiàn)方案

首先,電網(wǎng)公司通過制定合理的實時需求響應(yīng)補償單價并發(fā)布補償政策,與大型冶金負(fù)荷企業(yè)提前簽訂合同。依托電網(wǎng)現(xiàn)有穩(wěn)控體系,當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額、發(fā)生頻率驟降時,由調(diào)控中心向已簽訂的冶金工業(yè)廠站發(fā)出負(fù)荷削減指令,控制時間在毫秒級,具體削減功率由穩(wěn)控中心站實時收集用戶側(cè)數(shù)據(jù)作為輔助判斷。通常,穩(wěn)控中心站設(shè)置在電網(wǎng)側(cè)220 kV及以上電壓等級變壓站內(nèi)。對于電解鋁負(fù)荷,當(dāng)穩(wěn)控系統(tǒng)向電解鋁廠發(fā)送減載指令后,鋁廠將二極管整流機組按整臺進行切除,同時降低調(diào)整鋁廠總調(diào)和分調(diào)電流設(shè)定值防止電流轉(zhuǎn)移。而對于連續(xù)可調(diào)的晶閘管整流負(fù)荷,可直接快速調(diào)節(jié)負(fù)荷功率。對于煉鋼負(fù)荷,當(dāng)穩(wěn)控系統(tǒng)向企業(yè)發(fā)送減載指令后,煉鋼廠將減緩甚至?xí)和ｄ摪珶挔t的精煉鋼水生產(chǎn)速率,達到削減功率的目的。

在具體實現(xiàn)切負(fù)荷措施時,需要綜合考慮每輪負(fù)荷的切除順序,對負(fù)荷劃分優(yōu)先級,根據(jù)負(fù)荷饋線重要度優(yōu)先切除配電網(wǎng)中對用電可靠性和敏感性較低的負(fù)荷。同時還需進一步考慮最后一輪負(fù)荷減載功率分配問題。

首先,根據(jù)各支路的負(fù)荷用戶級別、敏感性、持續(xù)供電需求和停電造成的損失等因素進行統(tǒng)計,然后通過不同的權(quán)重來進行綜合評分,如式(10)所示。穩(wěn)控中心站將匯總這些評估分?jǐn)?shù),并基于得分來確定負(fù)荷的優(yōu)先級。其中,將以可削減冶金負(fù)荷為代表的柔性負(fù)荷優(yōu)先級設(shè)置為最高,優(yōu)先切除。

Mi=∑WjSj

(10)

式中,Mi為第i條支路上,智能配電終端的加權(quán)得分;Wj為第j個指標(biāo)權(quán)值;Sj為第j個指標(biāo)的評分。

在給所有支路劃分優(yōu)先級后,穩(wěn)控中心站根據(jù)功率缺額,優(yōu)先切除高優(yōu)先級負(fù)荷。若前一級的負(fù)荷總量不足,則在下一級中繼續(xù)分配,直至某一級減載量充裕,若將該級各負(fù)荷盲目切除,將有可能造成嚴(yán)重超調(diào)。因此,可以考慮各負(fù)荷功率的差異性,基于均勻概率決策思想,按負(fù)荷功率與切除概率成反比的原則,對小功率負(fù)荷賦予更高切除概率[18]。

最終根據(jù)實際需切負(fù)荷在該優(yōu)先級總負(fù)荷的占比,將最后一級減載量充足的優(yōu)先級負(fù)荷,按照預(yù)先設(shè)置的支路負(fù)荷切除概率大小進行切除,該過程僅根據(jù)計算得出的切除概率判定切負(fù)荷,無需任何通信,完全由各個智能終端獨立完成。記最后一級(第n級)第i支路的切斷概率為pi_off,可用式(11)、式(12)計算。

(11)

(12)

在實際執(zhí)行中,按照生成隨機數(shù)的形式,判斷該支路是否切斷,當(dāng)式(13)滿足時,切斷該支路。

Ui(0,1)≤pi_off

(13)

式中,Ui(0,1)生成0～1的隨機數(shù)。當(dāng)?shù)趇支路切斷概率pi_off越大,生成隨機數(shù)落在式(13)范圍內(nèi)的概率越大。當(dāng)基數(shù)足夠大的情況下,依據(jù)概率切負(fù)荷的方式,可實現(xiàn)零通信情況下的實際切除與期望值一致,并且該方式由智能終端獨立完成,可以提高程序執(zhí)行效率。

3 冶金負(fù)荷參與安全輔助服務(wù)的補償機制

針對典型冶金負(fù)荷,如何根據(jù)不同工業(yè)用戶的用電特性,來研究基于價格或激勵的需求響應(yīng),提出其在電力市場中的補償機制,從而引導(dǎo)用戶積極參與需求響應(yīng),提高系統(tǒng)的可靠性和整體經(jīng)濟性。

企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)計劃、負(fù)荷削減量和削減時間,對生產(chǎn)工藝造成的不可逆損失等多方面因素,都將對用戶緊急情況下的實時需求響應(yīng)參與度產(chǎn)生一定影響。而在國內(nèi)現(xiàn)有多地執(zhí)行的激勵型需求響應(yīng)實施方案中,補償單價通常采用固定價格,此項資金來源于政府提供或?qū)ｍ椯Y金,不利于以市場化的手段制定補償價格,不能合理利用資源實現(xiàn)雙方社會效益最大化。

3.1 現(xiàn)有需求響應(yīng)政策

合理的輔助服務(wù)補償機制有助于活躍市場,激勵用戶參與,從而保障電網(wǎng)安全可靠運行。對于柔性負(fù)荷參與輔助服務(wù)的機制,主要從價格機制和激勵機制兩方面考慮。基于價格的機制是利用實時電價間接引導(dǎo)用戶行為實現(xiàn)預(yù)期效果,常用于柔性負(fù)荷的調(diào)度和系統(tǒng)控制,對工商業(yè)用戶吸引力較大?；诩畹臋C制是指用戶提前與調(diào)度中心簽訂合約,依據(jù)對輔助服務(wù)的貢獻而獲取一定的收益。

2015年以來,根據(jù)國內(nèi)各地方發(fā)改委、能源局發(fā)布的數(shù)據(jù):陜西鼓勵納入有序用電方案的用戶及容量在315 kV·A及以上的大工業(yè)用戶,按調(diào)控時間長短,緊急響應(yīng)補貼可達25～35元/(kW·次);浙江按照年度固定補貼單價4 元/(kW·h)進行執(zhí)行;安徽按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)和公式計算實際補償價格,實時需求響應(yīng)補償價格為12 元/(kW·次);江蘇、上海分別設(shè)立需求響應(yīng)試點,實施由政府主導(dǎo),電力公司具體實施,負(fù)荷聚集商、電力用戶參與的實時需求響應(yīng)項目,補貼標(biāo)準(zhǔn)分別為100 元/kW、2 元/kW。

根據(jù)美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會調(diào)查,2006年全美實施緊急需求側(cè)響應(yīng)項目的包括27個批發(fā)市場或系統(tǒng)運營機構(gòu),通過預(yù)先設(shè)置的激勵性支付價格在350～500 S|/(MW·h),用戶自愿削減負(fù)荷得到補償。歐洲的需求響應(yīng)主要形式是可中斷負(fù)荷和分時電價,主要面向大工業(yè)用戶,如挪威依據(jù)提前通知時間的緊急程度和中斷時間長短、削減負(fù)荷量來設(shè)置補償電價,如提前15 min通知,中斷持續(xù)時間2 h,削減負(fù)荷75%,中斷電價為32.63 C=/(kW·h)。

3.2 基于主從博弈的補償機制

為制定合理的補償機制,充分發(fā)揮市場化的手段實現(xiàn)社會效益最大化,在鼓勵更多的可削減工業(yè)用戶參與到需求響應(yīng)中獲取經(jīng)濟收益的同時,也降低由于頻率驟降給電網(wǎng)和重要負(fù)荷帶來的經(jīng)濟損失和負(fù)面影響。因此,分別針對電網(wǎng)側(cè)投資和用戶側(cè)需求響應(yīng)的收益進行建模,電網(wǎng)側(cè)提前一天結(jié)合歷史數(shù)據(jù)預(yù)估次日系統(tǒng)用電情況以及可能出現(xiàn)的最大功率缺額,并由此確定第二日預(yù)期可參與緊急負(fù)荷需求響應(yīng)的冶金負(fù)荷功率,通過建立博弈模型得到最優(yōu)負(fù)荷補償單價。而各用戶會參照電網(wǎng)公布的實時需求響應(yīng)補貼價格,并結(jié)合自身情況如當(dāng)天生產(chǎn)計劃等確定次日響應(yīng)負(fù)荷量。

系統(tǒng)出現(xiàn)頻率驟降時,電網(wǎng)側(cè)將優(yōu)先切除前一日已簽訂實時需求響應(yīng)合約的冶金工業(yè)用戶以維持系統(tǒng)功率平衡。負(fù)荷調(diào)用結(jié)束后,電網(wǎng)側(cè)根據(jù)發(fā)布的補償單價和用戶實際參與響應(yīng)情況進行經(jīng)濟補償。

(1)電網(wǎng)側(cè)實時需求響應(yīng)收益模型

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)與大型工業(yè)用戶簽訂協(xié)議后,在電力系統(tǒng)出現(xiàn)大量功率缺額時,通過削減工業(yè)負(fù)荷達到降低功率不平衡量的目的,在此過程中,電網(wǎng)獲得的收益組成主要為可避免對重要負(fù)荷造成損失成本、付出的成本主要為需求響應(yīng)補償成本。

1)可避免對重要負(fù)荷造成損失的成本

可避免對重要負(fù)荷造成的損失成本,是指避免由于頻率驟降給部分對頻率敏感的重要負(fù)荷帶來負(fù)面影響而產(chǎn)生的損失,表達式如下:

(14)

式中,p(p=1,2,…,N)為由遭受電網(wǎng)失穩(wěn)影響的用戶;ΔPp為用戶p在電網(wǎng)失穩(wěn)期間的功率缺失,MW;λp為用戶p產(chǎn)生的經(jīng)濟損失系數(shù),元。

2)需求響應(yīng)補償成本

需求響應(yīng)補償成本,是指電網(wǎng)公司為維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行而與用戶簽訂需求響應(yīng)協(xié)議,在必要時候削減部分負(fù)荷并給予用戶的響應(yīng)補償,表示為:

(15)

式中,q(q=1,2,…,M)為參與需求響應(yīng)的用戶;a2為電網(wǎng)側(cè)公布的補償單價,元;Pq為用戶q的削減功率,MW;tq為持續(xù)削減時間,h。

因此,電網(wǎng)側(cè)的需求響應(yīng)總收益A,如下所示:

(16)

(2)用戶側(cè)實時需求響應(yīng)模型

大型工業(yè)用戶通常遵循精確的生產(chǎn)安排,并為了保障設(shè)備的穩(wěn)定運行和維持生產(chǎn)流程的連續(xù)性存在一定的功率調(diào)節(jié)約束。當(dāng)這些用戶選擇參與實時需求響應(yīng)時,所獲得的主要經(jīng)濟收益來自于相應(yīng)的需求響應(yīng)補償,付出的成本主要為負(fù)荷削減帶來的經(jīng)濟損失。

1)需求響應(yīng)收益

需求響應(yīng)收益,是指用戶參與到需求響應(yīng)中根據(jù)實際削減負(fù)荷所獲得的補貼收益,表達式如下:

B1,q=a2ΔPqtq

(17)

式中,ΔPq為用戶q在響應(yīng)中削減的功率,MW。

2)負(fù)荷削減的響應(yīng)成本

負(fù)荷削減的響應(yīng)成本,是用戶削減相應(yīng)功率后減少的效益,主要分為負(fù)荷削減直接帶來的產(chǎn)量下降損失和間接性引起的設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)改變帶來的產(chǎn)量下降損失,其表達式如下:

B2,q=c1ΔPqtq+c2ΔPq_statetq_state

(18)

式中,c1為平均每單位減少的功率所帶來的直接生產(chǎn)收益,元;c2為平均每單位功率因生產(chǎn)狀態(tài)改變而引發(fā)的間接生產(chǎn)損失,元;ΔPq_state為負(fù)荷削減后運行狀態(tài)發(fā)生改變的負(fù)荷功率,MW;tq_state為負(fù)荷削減引起的運行狀態(tài)改變持續(xù)時間,h。

因此,用戶側(cè)的需求響應(yīng)總收益表達式為:

B=B1,q-B2,q=a2ΔPqtq-(c1ΔPqtq+

c2ΔPq_statetq_state)

(19)

(3)構(gòu)建主從博弈模型

在電網(wǎng)與多用戶簽訂協(xié)議之前,雙方各自追求最大化自身利益,電網(wǎng)公司研究并發(fā)布最優(yōu)補貼單價,處于博弈中占據(jù)先機的一方,而用戶只能跟隨補貼價格做出自我調(diào)整,并影響價格的發(fā)布者,因此可以通過構(gòu)建主從博弈模型求解優(yōu)化問題,為最終的定價提供依據(jù)。

電網(wǎng)公司尋求最優(yōu)補貼價的同時,需確保參與需求響應(yīng)負(fù)荷量充裕,并且電網(wǎng)的總收益為正,即求解以下優(yōu)化問題:

(20)

式中,Ptotal為預(yù)期電網(wǎng)側(cè)可參與實時需求響應(yīng)的總功率,MW。

基于電力公司提供的需求響應(yīng)補償價格a2以及其自身的實際情況,用戶會選擇一個最佳的響應(yīng)電量,以確保最大化其利潤。對于用戶q相當(dāng)于求解如下優(yōu)化問題:

(21)

式中,ΔPq_max為用戶q最大負(fù)荷響應(yīng)能力,MW。

使用解析法可對該主從博弈模型進行求解,首先求解下層的參與者(冶金工業(yè)用戶)的優(yōu)化問題,從而確定他們的最佳負(fù)荷響應(yīng)策略。然后將這一策略引入上層主體(電網(wǎng))的目標(biāo)函數(shù)中,從而得到電網(wǎng)的最優(yōu)決策。繼而確定下層參與者最終的最優(yōu)策略。通過此模型可以求得次日電網(wǎng)實際可調(diào)用冶金負(fù)荷功率和次日需求響應(yīng)補償單價。

最終,電網(wǎng)對冶金用戶的補償將在系統(tǒng)恢復(fù)頻率穩(wěn)定后根據(jù)實際用戶響應(yīng)情況和前一日公布的補償單價進行結(jié)算,由于冶金產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)利潤等隨時間變化,通過主從博弈模型求得的次日最優(yōu)補償單價也將不同,因此同樣的負(fù)荷響應(yīng)量在不同日期的補償總價也有所差異。

4 算例分析

4.1 算例介紹

為測試冶金負(fù)荷參與緊急負(fù)荷控制后,對恢復(fù)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定產(chǎn)生的效果,采用如圖3所示的IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)進行仿真,系統(tǒng)額定頻率設(shè)置為50 Hz,總負(fù)載量為6 254.23 MW。

圖3 IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)Fig.3 IEEE 39-bus system network

假設(shè)本文所討論的電解鋁負(fù)荷分布在節(jié)點3、節(jié)點4、節(jié)點8、節(jié)點20、節(jié)點39,且在每個節(jié)點所占比例均為16%,即總電解鋁負(fù)荷為500.48 MW;假設(shè)煉鋼負(fù)荷中鋼包精煉爐負(fù)荷分布在節(jié)點4、節(jié)點15、節(jié)點16、節(jié)點24、節(jié)點39,且在每個節(jié)點所占比例均為10%,即總煉鋼負(fù)荷為256.16 MW。因此,根據(jù)2.2節(jié)分析冶金負(fù)荷最大可減載量為406.30 MW(500.48×30%+256.16)。

由第2節(jié)冶金負(fù)荷的用電特性和可削減潛力分析可知,當(dāng)削減時間較短時,主要考慮削減鋼包精煉爐負(fù)荷。假設(shè)初始鋼水溫度為1 640 ℃,初煉爐鋼水庫存為0,主要生產(chǎn)設(shè)備工藝見表2[17],可削減最大負(fù)荷為256.16 MW。隨著削減時間增加,鋼包精煉爐負(fù)荷最大可削減量如圖4所示?？芍?當(dāng)削減時間短于13.5 min時,可調(diào)用當(dāng)前運行全部負(fù)荷256.16 MW,隨著削減時間增長到40 min時,最大可削減負(fù)荷量下降至54.89 MW。受到鋼水溫度下降影響,該初始溫度下負(fù)荷最大削減時間為40 min。

表2 煉鋼設(shè)備工藝參數(shù)Tab.2 Parameters of steel-production equipment

圖4 煉鋼負(fù)荷最大可削減負(fù)荷量隨時間變化情況Fig.4 Variation of maximum reducible power of steel-production load with time

電解鋁負(fù)荷在維持繼續(xù)產(chǎn)鋁狀態(tài)下,可參與削減最大負(fù)荷量為當(dāng)前運行負(fù)荷的10%,即50 MW,該狀態(tài)下產(chǎn)鋁效率與運行功率成正比。電解鋁負(fù)荷在維持保溫狀態(tài)下可參與削減最大負(fù)荷量為當(dāng)前運行負(fù)荷的30%,即150.14 MW,該狀態(tài)無法繼續(xù)產(chǎn)鋁。根據(jù)預(yù)估負(fù)荷削減時間,可優(yōu)先削減鋼包精煉爐負(fù)荷,當(dāng)鋼包精煉爐負(fù)荷不足時,進一步考慮削減電解鋁負(fù)荷。

為了簡化算例,假設(shè)系統(tǒng)中共含3個重要負(fù)荷用戶,用戶1～3單位用電量經(jīng)濟損失分別為6 000元/(MW·h)、8 000 元/(MW·h)、9 000 元/(MW·h),受到影響的功率均為100 MW。電解鋁生產(chǎn)成本按18 000 元/t、生產(chǎn)利潤按3 500 元/t考慮。由圖4可以看出隨負(fù)荷削減時間長短變化,將對冶金負(fù)荷運行狀態(tài)造成不同程度的影響,因此實際可調(diào)用的冶金負(fù)荷量隨調(diào)用時間變化而變化。本文中假設(shè)負(fù)荷削減共10 min,直接和間接受影響的電解鋁負(fù)荷經(jīng)濟損失均為214 元/(MW·h),由于生產(chǎn)狀態(tài)改變給煉鋼用戶帶來的間接經(jīng)濟損失為200 元/(MW·h)。

4.2 計及冶金負(fù)荷參與UFLS的頻率性能測試

本算例的仿真條件為:在t=1 s以前系統(tǒng)正常運行,當(dāng)t=1 s時節(jié)點33、節(jié)點35上的同步發(fā)電機因故退出運行,系統(tǒng)出現(xiàn)1 068 MW的功率缺額,頻率呈下降趨勢。當(dāng)頻率f下降至49 Hz以下,低頻減載裝置按照表3所示低頻減載方案開始切負(fù)荷,相關(guān)暫態(tài)參數(shù)參考文獻[19]。

表3 低頻減載方案Tab.3 Low frequency load shedding scheme

圖5為是否采用UFLS時系統(tǒng)頻率變化情況。可以看出,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)1 068 MW的功率缺額而無任何緊急負(fù)荷控制的措施時,頻率驟降,最終造成系統(tǒng)崩潰;當(dāng)采用傳統(tǒng)的低頻減載策略時,頻率最終可以恢復(fù)到49.7 Hz,此方案下切負(fù)荷共動作4輪,總減載量為938.13 MW。

圖5 IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)頻率變化情況Fig.5 Frequency variation of IEEE 39-bus system

假設(shè)負(fù)荷削減總時間為10 min,當(dāng)系統(tǒng)功率缺額為1 068 MW時,含冶金負(fù)荷在內(nèi)的負(fù)荷削減情況見表4,削減時間內(nèi)所有電解鋁負(fù)荷均處于保溫狀態(tài)。

表4 不含風(fēng)電時的負(fù)荷削減情況Tab.4 Load shedding results without wind power

4.3 含高比例風(fēng)電的系統(tǒng)頻率響應(yīng)測試

由于目前新能源機組大多仍為常規(guī)控制,不含虛擬慣量,因此隨著新能源比例的提升,系統(tǒng)慣性常數(shù)將呈下降趨勢。考慮新能源波動機組出力減少的情況或者部分機組由于故障退出的情況,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大功率缺額頻率下跌到一定范圍,將按照既定的切負(fù)荷輪次和切負(fù)荷量進行低頻減載操作,但由于含新能源的電力系統(tǒng)慣性常數(shù)減小,與傳統(tǒng)機組存在較大差異,且當(dāng)頻率持續(xù)降低時風(fēng)機可能脫網(wǎng),導(dǎo)致系統(tǒng)功率缺額進一步增大。因此,具體的低頻減載策略將根據(jù)慣量變化進行一定的調(diào)整。

計算含新能源的電力系統(tǒng)等效慣性時間常數(shù),當(dāng)系統(tǒng)的慣性較小時遭受大功率缺額擾動,其頻率調(diào)節(jié)能力會下降。為了縮短頻率跌至最低值的時間并快速穩(wěn)定,可以加速低頻減載裝置動作并增加首輪減載量。同時,考慮到故障過程中風(fēng)電機組退出的惡劣情況,將風(fēng)電出力按比例分配到低頻減載前三輪中,配合風(fēng)電機組的低頻保護整定值進行優(yōu)化[10,20,21]。本文中將基本輪動作延時縮短0.2 s,前三輪每輪減載量提升4%～5%。

(1)風(fēng)電滲透率低的頻率響應(yīng)測試

將仿真系統(tǒng)中節(jié)點30、節(jié)點37上的全部同步機組用新能源風(fēng)電機組替換,將節(jié)點32上50%的同步機組用風(fēng)電機組替換,構(gòu)建含13.44%比例的新能源風(fēng)機機組算例系統(tǒng)。本算例的仿真條件為:在t=1 s以前系統(tǒng)正常運行,當(dāng)t=1 s時節(jié)點37的新能源風(fēng)電機組出力由滿發(fā)減少至50%的出力比例,節(jié)點35的同步機組因故退出運行,系統(tǒng)出現(xiàn)1 060 MW的功率缺額。優(yōu)先調(diào)用冶金負(fù)荷進行減載操作,圖6為采用優(yōu)化前后兩種減載策略對頻率恢復(fù)的效果影響。

圖6 含13.44%風(fēng)電的系統(tǒng)頻率變化情況Fig.6 Frequency variation of power system with 13.44% wind power

可以看出,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)1 060 MW的功率缺額而無任何緊急負(fù)荷控制的措施時,頻率驟降引發(fā)風(fēng)機脫網(wǎng),最終造成系統(tǒng)崩潰;而當(dāng)采用傳統(tǒng)的低頻減載策略時可以避免風(fēng)機脫網(wǎng),頻率最終可以恢復(fù)到50.4 Hz,但出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象;當(dāng)采用優(yōu)化后的減載方案時同樣避免了風(fēng)機脫網(wǎng)現(xiàn)象且無超調(diào)現(xiàn)象,頻率最終可恢復(fù)到49.8 Hz,此方案下切負(fù)荷共動作兩輪,總減載量為969.37 MW。

假設(shè)負(fù)荷削減總時間為10 min,當(dāng)系統(tǒng)功率缺額為1 060 MW時,含冶金負(fù)荷在內(nèi)的負(fù)荷削減情況見表5,削減時間內(nèi)所有電解鋁負(fù)荷均處于保溫狀態(tài)。

表5 含13.44%風(fēng)電時的負(fù)荷削減情況Tab.5 Load shedding results with 13.44% wind power

(2)風(fēng)電滲透率較高時的頻率響應(yīng)測試

將仿真系統(tǒng)中節(jié)點30、35、37上的全部同步機組用新能源風(fēng)電機組替換,將節(jié)點32上50%的同步機組用風(fēng)電機組替換,節(jié)點32上40%的同步機組用風(fēng)電機組替換,構(gòu)建含40.32%比例的新能源風(fēng)機機組算例系統(tǒng)。本算例的仿真條件為:在t=1 s以前系統(tǒng)正常運行,當(dāng)t=1 s時節(jié)點30、37的新能源風(fēng)電機組出力比例均由滿發(fā)減少至50%,系統(tǒng)出現(xiàn)1 000 MW的功率缺額。優(yōu)先調(diào)用冶金負(fù)荷進行減載操作,圖7為采用優(yōu)化前后兩種減載策略對頻率恢復(fù)的效果影響。

圖7 含40.32%風(fēng)電的系統(tǒng)頻率變化情況Fig.7 Frequency variation of power system with 40.32% wind power

可以看出,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)1 000 MW的功率缺額而無任何緊急負(fù)荷控制的措施時,頻率驟降引發(fā)風(fēng)機脫網(wǎng),最終造成系統(tǒng)崩潰;而當(dāng)采用傳統(tǒng)的低頻減載策略時可以避免風(fēng)機脫網(wǎng),頻率最終穩(wěn)定在50.54 Hz,但出現(xiàn)嚴(yán)重超調(diào)現(xiàn)象;當(dāng)采用優(yōu)化后的減載方案時同樣避免了風(fēng)機脫網(wǎng)現(xiàn)象且無超調(diào)現(xiàn)象,頻率最終可恢復(fù)到49.93 Hz,此方案下切負(fù)荷共動作兩輪,總減載量為969.37 MW。

假設(shè)負(fù)荷削減總時間為10 min,當(dāng)系統(tǒng)功率缺額為1 000 MW時,含冶金負(fù)荷在內(nèi)的負(fù)荷削減情況見表6,削減時間內(nèi)所有電解鋁負(fù)荷均處于保溫狀態(tài)。

表6 含40.32%風(fēng)電時的負(fù)荷削減情況Tab.6 Load shedding results with 40.32% wind power

基于表6數(shù)據(jù),電網(wǎng)預(yù)期所有可削減冶金負(fù)荷均能參與需求響應(yīng),根據(jù)構(gòu)建的主從博弈模型,可以求解得到電網(wǎng)公司與冶金工業(yè)用戶主從博弈的均衡補貼電價為:3 025.27 元/(MW·h)。由此可計算得出,在本算例中所有參與削減的電解鋁負(fù)荷總補償價格為75 704.36元,所有參與削減的煉鋼負(fù)荷總補償價格為129 158.86元。

由仿真結(jié)果可以看出,隨著系統(tǒng)加入一定比例風(fēng)機,由于其不為系統(tǒng)提供慣性支撐,系統(tǒng)頻率崩潰速度加快,頻率最小值更低,低頻減載需要根據(jù)系統(tǒng)慣量靈敏度進行一定調(diào)整,以防新能源機組的進一步脫網(wǎng)和系統(tǒng)頻率崩潰。優(yōu)先調(diào)用冶金負(fù)荷實施減載控制,在一定程度上能夠挽回電網(wǎng)和重要用戶經(jīng)濟損失,當(dāng)系統(tǒng)功率缺額小、負(fù)荷削減時間短時,冶金負(fù)荷參與減載的優(yōu)勢將更明顯。

5 結(jié)論

本文從電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的角度出發(fā),研究了由負(fù)荷側(cè)主動響應(yīng),利用大規(guī)模靈活可削減的冶金負(fù)荷參與電網(wǎng)緊急負(fù)荷控制的策略,并在含不同比例新能源的電力系統(tǒng)中對所提方案進行驗證,經(jīng)過研究得出如下結(jié)論:

(1)煉鋼負(fù)荷參與負(fù)荷調(diào)度的靈活性較大,可減載量隨減載持續(xù)時間增加有所下降,最大可削減負(fù)荷為當(dāng)前運行負(fù)荷;電解鋁負(fù)荷由于生產(chǎn)工藝限制,最大可削減負(fù)荷為當(dāng)前運行負(fù)荷的30%,當(dāng)電網(wǎng)下發(fā)緊急切負(fù)荷指令時,兩類負(fù)荷響應(yīng)時間均在毫秒級。

(2)本文所制定的實時需求響應(yīng)定價機制彌補了現(xiàn)有固定補貼定價的缺陷,從多方面考慮約束條件和雙方收益來源,以市場化手段激勵大工業(yè)用戶參與緊急負(fù)荷控制。

(3)算例仿真表明,在系統(tǒng)頻率驟降時,可以通過優(yōu)先調(diào)用冶金負(fù)荷,恢復(fù)系統(tǒng)頻率至49.5 Hz以上。當(dāng)系統(tǒng)含較高比例新能源機組時,有必要根據(jù)系統(tǒng)慣量靈敏度差異制定不同的減載方案,防止新能源脫網(wǎng)和系統(tǒng)崩潰。