大容量工业负荷虚拟电厂控制技术与工程应用

副教授、博士生导师2024年7月11

日2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会高耗能工业参与电网供需互动符合国家战略n

中央深改委2023年7月强调：

清洁低碳、供需协同是新型电力系统的关键特征。n

中央政治局2022年初首次集体学习：

下大气力推动钢铁、有色、石化等传统产业升级。2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会南方电网发布《新型电力系统建设行动(2021-2030年)白皮书》六部门发布《工业能效提升行动计划》，推进重点行业绿色低碳发展电网公司云南钢铁企业正在实

现从传统生产向低碳

绿色智慧制造转型工业企业国家政府中国各省耗电量

中国风电分布2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会新能源快速发展的同时

，

受限于源-荷地理分布不均、

区域间传输能力有限以及调峰、

调频

机组爬坡能力不足等原因

，

电网调节缺乏灵活性

，

大量的弃风、

弃光现象仍然存在。InnerMongolia18.6238

GWHeilongjiang4.2644

GWJilinLiaoning6.

1183

GW3.3061

GWHebei7.9788

GWNingxia3.5675

GW

Gansu6.470

GWJiangsu2.3721

GWFujian1.2907

GWYunnanGuangzhou1.6913

GWIslands区域间传输能力有限2019年部分省市弃风与弃光率统计Wind:14%PV:3.8%PV:24.1%

2020年新疆、蒙西、甘肃弃风率分别为14%、9%与7.6%

2020年西藏、新疆、青海弃光率分别为24.1%、7.4%、7.2%Wind:7.6%

PV:7.1%Wind:2.5%

PV:17.8%Wind:1.9%

PV:6.7%Wind:PV:3.0%Wind:4.8PV:6.1%Wind:1.1%.9%Wind:0.2%

PV:1.4%Wind:0.6%

PV:4.2%3.9974

GWShanxi2.9071

GWShandong5.691

GW1.964GW新能源发展与电网调节的矛盾日益突出

0~1

GW1~2

GW2~5

GW5~10GW10~

GWXinjiangSouthChinaSea机组爬坡能力不足Wind:2.5%SouthChinaSeaIslands

0~0.02

0.02~0.04

0.04~0.06

0.06~0.08

0.08~Wind:0.4%

PV:2.1%Wind:1.3%

PV:3.0%储能平抑可再生能源波动价格昂贵

时间t放电常规机组出力2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会可再生能源l储能装置可以有效平抑

可再生能源的快速上升爬坡事件和快速下降事件l储能装置一般造价较高l充分利用常规调节手段

平抑可再生能源波动后

，

剩余波动量储能装置可以

有效平抑电网负荷充电有功功率储能装置▲2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会电网负荷

可再生能源

常规机组出力可再生能源波动控制——工业高耗能负荷

高耗能负荷时间t负荷降出力l高耗能负荷发挥与储能类似的调节作用l很多负荷通过改造可以具备负荷侧响应能力▲有功功率负荷侧控制工业负荷调控可行性——政策导向

2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会2015年国家发改委《关于完善电力应急机制做好电力需求侧管理城市综合试点工作的通知》首次突出了需求响应对提升城市电力应急保障能力的作用。2017年六部委《电力需求侧管理办法》（2017年）原基础上扩展范围，明确鼓励推进工业、建筑等领域电力需求侧管理。2019年工信部《工业领域电力需求侧管理工作指南》指导用能单位开展电力需求侧管理，加强电能管理，调整用能结构。2021年国家发改委《电力辅助服务管理办法》将提供辅助服务主体范围由发电厂扩大到包括新型储能、自备电厂、传统高载能工业负荷等主体。2023年国家发改委《电力需求侧管理办法》全面推进需求侧资源参与电能量和辅助服务市场常态化运行2024年国网能源院《中国电力供需分析报告》加强负荷管理，持续优化峰谷分时电价政策，进一步挖掘需求响应潜力。大容量工业负荷参与电网互动调节，是国家重大战略需求工业负荷调控可行性——区位契合

2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会n电解铝分布在风电消纳问题突出的三北、云南地区

，从地理条件上，高耗能负荷平抑集中式新能源功率波动具备可行性

PV:8.33%

Wind:13%PV:7.15%Wind:4%Wind:38%PV:32.23%Wind:43%PV:30.45%（a）我国电解铝产量分布(b)我国主要省市弃风弃光率统计全国电解铝产量分布与主要省市弃风弃光率Wind:30%Wind:9%

Wind:9%

Wind:13%

Wind:7%

Wind:27%

Wind:19%工艺类型小行业年产量

（万吨）吨耗电量

（千瓦时/吨）总耗电量（亿千瓦时）全社会用电量占比电解类电解铝3850.3013000~140005005.4~5390.4

6.02~6.48%

氯碱3891.302000~3000778.3~117.40.94~1.40%电积锌656.13000~3300196.8~216.50.24~0.26%电解锰130.385400~620070.4~80.80.08~0.10%小计///6050.9~5805.17.28%~8.24%电弧炉类钢铁103524.3450~5004658.6~5176.25.60~6.23%电石28253000~3400847.5~960.51.02~1.16%小计///5506.1~6136.76.62%~7.39%多晶硅52120000~170000624~8840.75~1.06%总计///12202~1390714.65~16.69%

电解负荷、电弧炉负荷的用电占全社会用电量的比例约18%，如果参与调节能够大幅提升电网灵活性工业负荷调控可行性——可调容量2022年典型工业高耗能负荷产量及用电数据2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会结论利用工业负荷控制参与电网调频及新能源波动平抑，在未来具有不可替代性1个铝负荷控制器≈20万台空调采用直接控制方式，调节范围内可实现工业负荷的秒级连续控制因为单体容量大，通过集中控制器的改造可有效响应电网控制指令工业负荷参与控制的优势与特点

2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会电解类、电弧炉两类典型可控工业负荷占全社会用电量比例达18%优势三：改造成本低优势一：容量占比大优势二：调节速度快报告提纲2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会一、大容量工业负荷参与电网互动调节需求

》

二、大容量工业负荷控制技术与示范工程三、大容量工业负荷虚拟电厂模拟仿真系统核心技术2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会工业负荷的有功快速控制技术l

调节速度？l

调节代价？l

和其他手段怎么配合？l

为什么可调？l

怎么调？l

能调多少？基于现场实测的电解铝负荷建模2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会u热蓄能负荷，短时间调整对生产影响小•功率可以在±25%的范围内连续调节，并

持续运行4小时而不会导致电解槽凝槽•

因故障失去电源时，

夏季可以保温3小时、

冬季可以保温2小时而不凝槽。u

通过控制高压侧电压UA和饱和电抗器压降UL

可以控制直流电压Ud，从而控制负荷功率P

Ud有载调压变压器

饱和电抗器

整流桥LSRId

k:1RUdEId（MA）Ud（V）0.30959730.30499780.31119890.30989700.30969690.30959930.30899740.30729830.31119900.31099710.30919700.3099700.30999740.30929750.31049970.3037985P=Ud

×

Ud

=

Id

×

R+

E

u通过调节直流侧电压Ud

，监测直流

电流Id

的变化，通过最小二乘辨识得

到电解铝负荷模型等值参数R

，EVAH

VAL

电解铝工艺特性电解铝负荷特性2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会

10.99

0.98

0.97

0.96

0.95

0.94

0.93

0.92

0.910.9u电解铝负荷的连续调整可以依靠电压连续调

整来实现u考虑负荷母线电压调整10%，电解铝负荷调

整25%~30%Ud

(p.u.)电解铝负荷功率特性曲线电解铝负荷电压调节特性140013501300125012001150110010501000PLOAD(MW)负荷控制方法2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会①

母线电压②

分接头

饱和电抗器压降二极管整流VAHms级P=Ud

×

UD

=1.35(

−VSR

)k:17-10

sIdVSRms级u电解铝负荷的连续调整可以依靠电压连续调整来实现u考虑负荷母线电压调整10%，电解铝负荷调整25%~30%u考虑饱和电抗器调至其调整极限，电解铝负荷调整11.4%；变压器分接头每调1档，电解铝负荷调整能力增加3.0%YYYREUD负荷控制方法2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会0

10

20304050

607080

90100110

120(b)负荷控制损失的电量ΔP·t未考虑负荷控制

考虑负荷控制330310290270

-20

30

4050

60

70

风电有功功率0

1020

3040

50607080

90

100110

120时间(s)正常运行时热能平衡公式

:

Win

=ΔH0

+Qout温度变化：

CmΔT=Win

−

ΔH0

−Qout

负荷控制调整量为ΔP，温度变化：CmΔT

=

Win

−

ΔH0

−

Qout=(P

+

ΔP)t−

ΔH0

−

Qout=

ΔP.

t运行温度约束：

T>

Tmin

冶炼温度受电量影响，短暂功率调节对生产影响小

通过功率实时量测能够求出冶炼温度，在控制过程中满足温度约束条件电解铝负荷有功功率(MW)

风电有功功率(MW)1501401301201101009040035030025015010050(a)负荷控制平台及控制终端2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会聚合上调容量pup_all

聚合下调容量pdown_all总调节功率Δptotal聚合控制平台…

……

…控制终端

……电解铝

钢铁

多晶硅

水泥电解铜控制终端

………

…控制终端

…

…控制终端可上调容量pupi可下调容量pdowni高压侧母线电压

有载调压器变比

…电网调度电调节功率Δpi…

…参考电流变化量ΔIdref控制终端网实时频率…

…负荷控制平台及控制终端2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会电网调度聚合下调容量pdown_all

总调节功率Δptotal聚合控制平台调节功率Δpi控制终端参考电流变化量ΔIdref……

…可上调容量pupi

-

可下调容量pdowni控制终端电解铝钢铁…多

晶

硅…

…水泥高压侧母线电压

有载调压器变比n

可视化聚合控制平台工业园区2聚合上调容量pup_all

---工业园区1n

多样化控制终端工业应用实例——蒙东霍煤鸿骏铝业孤网项目WAMS控制主站整体界面2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会励磁接收NCU模拟量信号端子调度中心WAMS主站控制信号接收端NCU电源

NCU装置

NCU现场安装实物图

工业应用

对全部发电机进行0.015p.u.的负阶跃现场实测数据——励磁控制2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会——

7#发电机端电压1.0251.021.0151.011.005114:40:4514:40:5014:40:5514:41:0014:41:0514:41:1014:41:15

电解铝负荷有功功率91090089088087086085014:40:4514:40:5014:40:5514:41:0014:41:0514:41:1014:41:15

铝负荷能够正确响应控制主站发给励磁的控制指令

发电机端电压下降0.015p.u.时，电解铝负荷有功在2.5s内下降0.046p.u.（44MW）电解铝负荷有功功率(MW)

7#发电机端电压(p.u.)现场实测数据——饱和电抗器控制

单个整流机组阶跃试验——饱和电抗器最大压负荷能力测试NCU输出电压(V)10:56:2410:56:3410:56:4410:56:5410:57:0410:57:1410:57:2410:57:3410:57:4410:57:54 15#机组有功功率(MW)86848280787610:56:2410:56:3410:56:4410:56:5410:57:0410:57:1410:57:2410:57:3410:57:4410:57:542024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会时刻2015年7月22日 NCU调至极限时，

15#整流机组负荷从84.53MW下降至77.12MW，

负荷调整量为8.8%NCU输出电压(V)2.521.510.515#机组有功功率(MW)

电解铝

电弧炉(钢铁)

多晶硅

电解铜、电解锌.

.

.YYY高耗能负荷模型库2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会②

分接头

饱和电抗器压降二极管整流①

母线电压k:1VSRId

VAH1

−

e−Tss

w

K2s2

+

2ξnwns

+w

sn2n2比例阀

液压缸供电系统K1PrealPref+差放大系数

-设定频率电极初始位置零阶保持器+-功率+联络线Kf+降压变压器

高压开关柜有载调压变压器

功率控制单元L0++限幅电弧炉+预加热或高压击穿系统还原炉REVB项目类型项目名称重点研究内容863计划含可再生能源的孤立电网的运行控制技术及示

范电解铝负荷控制技术国家重点研发计划高耗能工业节能和供需互动技术电解铝、钢铁负荷控制技术国家自然科学基金面向新能源消纳的工业园区负荷虚拟储能特性

建模与控制方法研究电解铝负荷平抑新能源波动国家自然科学基金高风电渗透率孤立电网的运行与控制方法研究孤立电网电解铝负荷控制国网公司总部基于工业园区负荷主动响应的电网协调控制关

键技术研究电解铝负荷参与大电网调节北京四方继保山西晋城区域电网稳定运行分析电解铝负荷控制(可控硅整流)中冶南方日照钢铁控股集团有限公司孤立电网运行关键

技术研究钢铁厂矿热炉负荷控制技术湖北省堪设计院孤网规划、设计与运行关键技术中国电力企业联合会电力需求响应信息模型—电解铝电解铝接入标准（牵头）2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会承担的高耗能负荷控制相关项目2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会云南电网工业负荷互动项目报告提纲2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会一、大容量工业负荷参与电网互动调节需求二、大容量工业负荷控制技术与示范工程》

三、大容量工业负荷虚拟电厂模拟仿真系统2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会可调容量上报调度指令下发聚合管理平台模拟聚合控制平台终端控制事件记录负荷监控设备总览······指令下发数据传输边缘测控终端模拟负荷控制装置实时数字仿真机模拟工业生产负荷电解负荷模型水泥负荷模型

钢铁负荷模型多晶硅负荷模型仿真模拟高耗能企业真实生产过程······负载调节虚拟电厂仿真模拟系统省级调度/负管系统调度控制工况传感电量量测

快速搭建“平台-终端-被控对象”闭环的虚拟电厂仿真实验环境集成终端管理平台、终端设备、仿真模型构建仿真实验系统，快速搭建“虚拟电厂”实验环境。

典型工业场景仿真模型预置基于真实铝厂、钢厂、水泥厂等典型高耗能负荷企业构建的等效仿真模型，帮助不同行业、不同业务场景、不

同负荷设备的模型快速开发。

终端侧——自研用电设备可调节能力模型自研电解铝、矿热炉、球磨机等用电设备可调节能力精确模型，

实现负荷功率可调化。

平台侧——负荷调节实验分析模拟提供可视化界面和智能控制算法，支持用户可调节资源分析、可调节策略分解、执行及调节效果等的实验模拟。2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会产品能力2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会科学研究利用数字仿真模型代替物理装置，可以实现对保护行为的可视化、定量化研究，克服物理装置的可扩展性差的

缺点。试验测试在新型调控装置投运之前，

对其进行大量的闭环测试，

确保装置本身具有良好的暂

态性能，分析新装置与其他

装置之间的配合性能、对不

同电网情况的适应能力等。教学培训具有可视化交互界面

，在仿

真场景中实现动态信息交互，

可以用直观的向学习人员现

代微机保护的原理

，实现了教学、培训手段的突破。产品能力工业负荷调控领域首部专著受中电联“智能电网电力接口”标委会邀请牵头编写电解铝、电弧炉

2项中电联标准，编写专著一部2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会标准及专著•CN201410855942.8，国家发明专利2024第二届虚拟电厂运营与未来发展研讨会•CN201310293364.9，国家发明专利•CN201410855942.8，国家发明专利•CN201710696918.7，国家发明专利•CN201710476023.3，国家发明专利•CN201710477115.3，国家发明专利基于多晶硅负荷的含高渗透率风电孤立电网频率控制方法一种考虑孤立电网多种功率扰动下电解铝负荷参与系统频率控制方法引入频率偏差反馈控制电压实现有功调节的闭环控制方法孤立电网中电压敏感性工业负荷时变阻尼特性的控制方法一种基于时序优化的钢厂负荷管理方法工业负荷控制的核心专利（15项）一种钢铁工业负荷功率特性建模方法[1]LoaddampingCharacteristicControlMethodinanIsolatedPowerSystemwithIndustrialVoltageSensitiveLoad.IEEE

TransactionsonPowerSystems,2016,

1118-1128.[2]Excitationvoltagecontrolforemergencyfrequencyregulationof

anactualislandpowersystemwithvoltagedependentloads,IEEE

TransactionsonPowerSystems,2016,

1204-1217.[