張 路, 陳 軍, 南東亮, 李銘益, 王 建, 李玉敦

(1.國(guó)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)), 重慶 400044; 3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院, 山東 濟(jì)南 250002)

1 引言

在“十四五”計(jì)劃期間,我國(guó)致力于打造以新能源為核心的新型電力系統(tǒng),預(yù)計(jì)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(jī)組仍面臨著波動(dòng)大、不穩(wěn)定和控制困難等挑戰(zhàn)。值得注意的是,我國(guó)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(jìn)行長(zhǎng)距離、跨區(qū)域的電力傳輸。在出現(xiàn)大干擾時(shí),送端系統(tǒng)和受端系統(tǒng)的頻率變化特點(diǎn)有所不同。由于各系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不同,即使在同一切機(jī)切負(fù)方案下,不同送受端系統(tǒng)對(duì)頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也有所不同,這無(wú)疑增加了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行,通常從電源側(cè)考慮以增建同步機(jī)組、增加旋轉(zhuǎn)備用等形式來(lái)應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電波動(dòng)或某臺(tái)機(jī)組因故障退出運(yùn)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(lái)減少系統(tǒng)穩(wěn)定性受損的風(fēng)險(xiǎn)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(lái)主動(dòng)參與電網(wǎng)的運(yùn)行控制和能量互動(dòng),借助其柔性調(diào)節(jié)能力來(lái)克服原有的負(fù)荷單向、被動(dòng)接受電網(wǎng)調(diào)節(jié)的劣勢(shì),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(shí),整體頻率大幅降低或劇烈振蕩的問(wèn)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(gè)方向入手。當(dāng)頻率升高時(shí),主要依賴于高頻切機(jī)裝置等電源控制設(shè)備。反之,當(dāng)頻率下降時(shí),則傾向于使用控制負(fù)荷的裝置來(lái)應(yīng)對(duì),如低頻減載裝置(Under Frequency Load Shedding,UFLS)、低頻減壓裝置等;同時(shí)也會(huì)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(dòng)發(fā)電機(jī)裝置等。國(guó)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(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)負(fù)荷曲線的相似性進(jìn)行聚類分析,從對(duì)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(xiàn)[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(jí)來(lái)計(jì)算減載貢獻(xiàn)因子,提出自適應(yīng)低頻減載優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[7,8]從算法方面對(duì)低頻低壓切負(fù)荷的地點(diǎn)、輪次、減載量等方面進(jìn)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(xiàn)[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(xiàn)[10]針對(duì)新能源機(jī)組造成電網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小問(wèn)題,制定了針對(duì)新能源高滲透、功率波動(dòng)大的新型電力系統(tǒng)的低頻減載優(yōu)化方案。

上述文獻(xiàn)雖然從不同角度對(duì)低頻減載方案提出了優(yōu)化,但負(fù)荷始終處于被動(dòng)狀態(tài),無(wú)法利用部分負(fù)荷的柔性特征參與電網(wǎng)互動(dòng)。文獻(xiàn)[11]將多類可中斷負(fù)荷納入毫秒級(jí)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(jí)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(xiàn)[12-14]從柔性負(fù)荷主動(dòng)響應(yīng)角度,分析當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),優(yōu)先考慮通過(guò)部分負(fù)荷主動(dòng)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(duì)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(lì)機(jī)制。

因此,本文主要針對(duì)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(jìn)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(dòng)響應(yīng)方法,以提高切負(fù)荷速率。通過(guò)構(gòu)建電網(wǎng)側(cè)和冶金工業(yè)用戶側(cè)的實(shí)時(shí)需求響應(yīng)收益模型,以市場(chǎng)化的手段制定補(bǔ)償價(jià)格,激勵(lì)用戶參與緊急負(fù)荷控制。最后,在IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中對(duì)所提策略的效果進(jìn)行驗(yàn)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(diǎn)

我國(guó)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(shí),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(duì)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(yùn)行中的設(shè)備損壞、冶金材料作廢等經(jīng)濟(jì)損失,還可能導(dǎo)致負(fù)荷過(guò)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(diǎn)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(jì)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(duì)冶金負(fù)荷的可削減潛力進(jìn)行量化,確保在一定的激勵(lì)機(jī)制下對(duì)冶金工業(yè)負(fù)荷的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶損失和影響最小化,同時(shí)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(guó)重要工業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目,每噸鋁耗電約為15 000 kW·h,電解鋁耗電量占全社會(huì)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(gè)典型的冶金負(fù)荷,針對(duì)其中較靈活的可削減負(fù)荷進(jìn)行分析。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí),系統(tǒng)頻率和電壓都會(huì)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(shí),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(dá)到預(yù)期效果,否則它將無(wú)法拯救系統(tǒng)頻率或電壓崩潰。因此,本文對(duì)于冶金負(fù)荷的研究都是基于分、秒級(jí)層面考慮的。

(1)電解鋁負(fù)荷特點(diǎn)

在大型電解鋁廠中,電解鋁廠的最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)約7 000 h,其中,一級(jí)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(zhǎng)停電時(shí)間不超過(guò)2～3 h,全廠設(shè)備負(fù)荷組成主要含整流負(fù)荷、電動(dòng)機(jī)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(guò)整流設(shè)備進(jìn)行直流供電,在正常操作中它是一個(gè)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(guò)程中,該負(fù)荷功率變化范圍較小,對(duì)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(diǎn)是調(diào)整速度快(可以達(dá)到毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間),并能連續(xù)調(diào)節(jié)。對(duì)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(jī)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(shí)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(duì)電解鋁廠的日常運(yùn)作帶來(lái)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(diǎn)

鋼包精煉爐主要用于對(duì)初煉爐中的鋼水進(jìn)行進(jìn)一步的精煉,同時(shí)也具備調(diào)整鋼水溫度和進(jìn)行工藝緩沖的能力,它是為了滿足連鑄和連軋過(guò)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(guò)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(diǎn),為確保上游初煉爐和下游連鑄機(jī)的正常運(yùn)作,可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)有載分接開關(guān)進(jìn)行調(diào)整,從而達(dá)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(jìn)行煉鋼。接著,鋼水被運(yùn)至鋼包精煉爐進(jìn)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(dòng)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(yùn)送到連鑄機(jī)進(jìn)行澆筑,形成多種板坯形狀。因此,在鋼包精煉爐進(jìn)行負(fù)荷削減時(shí),上游的鋼水存量不能溢出,而下游的鋼水儲(chǔ)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(dá)到950～970 ℃并導(dǎo)入直流電時(shí),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(shí),通過(guò)對(duì)晶閘管整流的電解鋁負(fù)荷進(jìn)行壓減,可以實(shí)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(duì)電解鋁輸入功率進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)二極管整流的負(fù)荷由于只能直接將整流機(jī)組按臺(tái)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(duì)電解鋁負(fù)荷進(jìn)行建模,計(jì)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(lái)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(jìn)行小閉環(huán)的控制,通過(guò)收集整流柜的具體數(shù)據(jù)來(lái)穩(wěn)定單一機(jī)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(jī)組的工藝狀況和陽(yáng)極狀態(tài),以穩(wěn)定整個(gè)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(jī)組外,還需要降低總調(diào)的電流設(shè)定值。切除n臺(tái)整流機(jī)組之后,剩下的機(jī)組電流應(yīng)不超過(guò)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(shí)穩(wěn)控切負(fù)荷過(guò)程中,單臺(tái)整流機(jī)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(cè)到功率不平衡,頻率出現(xiàn)驟降時(shí),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(jìn)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(yùn)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(duì)上游初煉爐和鋼包精煉爐生產(chǎn)速率及鋼包庫(kù)存間關(guān)系建模,以保證在負(fù)荷削減過(guò)程中,鋼水庫(kù)存量不得超過(guò)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(shí)間,min;Istore1為減載前從初煉爐到鋼包精煉爐過(guò)程中鋼包的起始鋼水儲(chǔ)存量,t;Istore1_max為從初煉爐到鋼包精煉爐過(guò)程中鋼包的上限鋼水儲(chǔ)存量,t。

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

(7)

式中,v鑄為連鑄機(jī)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(jī)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(shí)間應(yīng)滿足:

(8)

同時(shí),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(guò)程中對(duì)最低溫度有要求?？紤]到負(fù)荷削減時(shí)間內(nèi),轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)至鋼包的庫(kù)存鋼水溫度將隨時(shí)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(shí)間內(nèi)進(jìn)行負(fù)荷削減,其對(duì)上下游的影響是有限的,此時(shí)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(shí)間的延長(zhǎng),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(huì)限制削減的最長(zhǎng)時(shí)間,依據(jù)初煉爐中鋼水的起始溫度差異,該時(shí)間在10～40 min范圍內(nèi)變化。對(duì)于相同的削減時(shí)長(zhǎng),隨著初始煉爐鋼水庫(kù)存的減少以及精煉鋼水庫(kù)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(jí)層面考慮的,在極短時(shí)間內(nèi)可以視為鋼包精煉爐全部負(fù)荷可調(diào)用,且對(duì)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(shí)時(shí)可削減量、用戶參與度、用戶響應(yīng)配合度、負(fù)荷分類分級(jí)、時(shí)效性和補(bǔ)償機(jī)制等多方面因素有關(guān)。

2.3 秒級(jí)快速切負(fù)荷實(shí)現(xiàn)方案

首先,電網(wǎng)公司通過(guò)制定合理的實(shí)時(shí)需求響應(yīng)補(bǔ)償單價(jià)并發(fā)布補(bǔ)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(shí),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(shí)間在毫秒級(jí),具體削減功率由穩(wěn)控中心站實(shí)時(shí)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(jí)變壓站內(nèi)。對(duì)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(jī)組按整臺(tái)進(jìn)行切除,同時(shí)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(duì)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(duì)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(dá)到削減功率的目的。

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

首先,根據(jù)各支路的負(fù)荷用戶級(jí)別、敏感性、持續(xù)供電需求和停電造成的損失等因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì),然后通過(guò)不同的權(quán)重來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)分,如式(10)所示。穩(wěn)控中心站將匯總這些評(píng)估分?jǐn)?shù),并基于得分來(lái)確定負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)。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(jí)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(gè)指標(biāo)權(quán)值;Sj為第j個(gè)指標(biāo)的評(píng)分。

在給所有支路劃分優(yōu)先級(jí)后,穩(wěn)控中心站根據(jù)功率缺額,優(yōu)先切除高優(yōu)先級(jí)負(fù)荷。若前一級(jí)的負(fù)荷總量不足,則在下一級(jí)中繼續(xù)分配,直至某一級(jí)減載量充裕,若將該級(jí)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(duì)小功率負(fù)荷賦予更高切除概率[18]。

最終根據(jù)實(shí)際需切負(fù)荷在該優(yōu)先級(jí)總負(fù)荷的占比,將最后一級(jí)減載量充足的優(yōu)先級(jí)負(fù)荷,按照預(yù)先設(shè)置的支路負(fù)荷切除概率大小進(jìn)行切除,該過(guò)程僅根據(jù)計(jì)算得出的切除概率判定切負(fù)荷,無(wú)需任何通信,完全由各個(gè)智能終端獨(dú)立完成。記最后一級(jí)(第n級(jí))第i支路的切斷概率為pi_off,可用式(11)、式(12)計(jì)算。

(11)

(12)

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

Ui(0,1)≤pi_off

(13)

式中,Ui(0,1)生成0～1的隨機(jī)數(shù)。當(dāng)?shù)趇支路切斷概率pi_off越大,生成隨機(jī)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(shí)現(xiàn)零通信情況下的實(shí)際切除與期望值一致,并且該方式由智能終端獨(dú)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(bǔ)償機(jī)制

針對(duì)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(lái)研究基于價(jià)格或激勵(lì)的需求響應(yīng),提出其在電力市場(chǎng)中的補(bǔ)償機(jī)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(jì)性。

企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)計(jì)劃、負(fù)荷削減量和削減時(shí)間,對(duì)生產(chǎn)工藝造成的不可逆損失等多方面因素,都將對(duì)用戶緊急情況下的實(shí)時(shí)需求響應(yīng)參與度產(chǎn)生一定影響。而在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有多地執(zhí)行的激勵(lì)型需求響應(yīng)實(shí)施方案中,補(bǔ)償單價(jià)通常采用固定價(jià)格,此項(xiàng)資金來(lái)源于政府提供或?qū)ｍ?xiàng)資金,不利于以市場(chǎng)化的手段制定補(bǔ)償價(jià)格,不能合理利用資源實(shí)現(xiàn)雙方社會(huì)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(bǔ)償機(jī)制有助于活躍市場(chǎng),激勵(lì)用戶參與,從而保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。對(duì)于柔性負(fù)荷參與輔助服務(wù)的機(jī)制,主要從價(jià)格機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制兩方面考慮?；趦r(jià)格的機(jī)制是利用實(shí)時(shí)電價(jià)間接引導(dǎo)用戶行為實(shí)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(duì)工商業(yè)用戶吸引力較大?；诩?lì)的機(jī)制是指用戶提前與調(diào)度中心簽訂合約,依據(jù)對(duì)輔助服務(wù)的貢獻(xiàn)而獲取一定的收益。

2015年以來(lái),根據(jù)國(guó)內(nèi)各地方發(fā)改委、能源局發(fā)布的數(shù)據(jù):陜西鼓勵(lì)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(shí)間長(zhǎng)短,緊急響應(yīng)補(bǔ)貼可達(dá)25～35元/(kW·次);浙江按照年度固定補(bǔ)貼單價(jià)4 元/(kW·h)進(jìn)行執(zhí)行;安徽按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)和公式計(jì)算實(shí)際補(bǔ)償價(jià)格,實(shí)時(shí)需求響應(yīng)補(bǔ)償價(jià)格為12 元/(kW·次);江蘇、上海分別設(shè)立需求響應(yīng)試點(diǎn),實(shí)施由政府主導(dǎo),電力公司具體實(shí)施,負(fù)荷聚集商、電力用戶參與的實(shí)時(shí)需求響應(yīng)項(xiàng)目,補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)分別為100 元/kW、2 元/kW。

根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)調(diào)查,2006年全美實(shí)施緊急需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的包括27個(gè)批發(fā)市場(chǎng)或系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu),通過(guò)預(yù)先設(shè)置的激勵(lì)性支付價(jià)格在350～500 S|/(MW·h),用戶自愿削減負(fù)荷得到補(bǔ)償。歐洲的需求響應(yīng)主要形式是可中斷負(fù)荷和分時(shí)電價(jià),主要面向大工業(yè)用戶,如挪威依據(jù)提前通知時(shí)間的緊急程度和中斷時(shí)間長(zhǎng)短、削減負(fù)荷量來(lái)設(shè)置補(bǔ)償電價(jià),如提前15 min通知,中斷持續(xù)時(shí)間2 h,削減負(fù)荷75%,中斷電價(jià)為32.63 C=/(kW·h)。

3.2 基于主從博弈的補(bǔ)償機(jī)制

為制定合理的補(bǔ)償機(jī)制,充分發(fā)揮市場(chǎng)化的手段實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益最大化,在鼓勵(lì)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(jì)收益的同時(shí),也降低由于頻率驟降給電網(wǎng)和重要負(fù)荷帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面影響。因此,分別針對(duì)電網(wǎng)側(cè)投資和用戶側(cè)需求響應(yīng)的收益進(jìn)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(guò)建立博弈模型得到最優(yōu)負(fù)荷補(bǔ)償單價(jià)。而各用戶會(huì)參照電網(wǎng)公布的實(shí)時(shí)需求響應(yīng)補(bǔ)貼價(jià)格,并結(jié)合自身情況如當(dāng)天生產(chǎn)計(jì)劃等確定次日響應(yīng)負(fù)荷量。

系統(tǒng)出現(xiàn)頻率驟降時(shí),電網(wǎng)側(cè)將優(yōu)先切除前一日已簽訂實(shí)時(shí)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(bǔ)償單價(jià)和用戶實(shí)際參與響應(yīng)情況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。

(1)電網(wǎng)側(cè)實(shí)時(shí)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(shí),通過(guò)削減工業(yè)負(fù)荷達(dá)到降低功率不平衡量的目的,在此過(guò)程中,電網(wǎng)獲得的收益組成主要為可避免對(duì)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(bǔ)償成本。

1)可避免對(duì)重要負(fù)荷造成損失的成本

可避免對(duì)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(duì)頻率敏感的重要負(fù)荷帶來(lái)負(fù)面影響而產(chǎn)生的損失,表達(dá)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(jì)損失系數(shù),元。

2)需求響應(yīng)補(bǔ)償成本

需求響應(yīng)補(bǔ)償成本,是指電網(wǎng)公司為維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行而與用戶簽訂需求響應(yīng)協(xié)議,在必要時(shí)候削減部分負(fù)荷并給予用戶的響應(yīng)補(bǔ)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(bǔ)償單價(jià),元;Pq為用戶q的削減功率,MW;tq為持續(xù)削減時(shí)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(shí)時(shí)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(yùn)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(shí)時(shí)需求響應(yīng)時(shí),所獲得的主要經(jīng)濟(jì)收益來(lái)自于相應(yīng)的需求響應(yīng)補(bǔ)償,付出的成本主要為負(fù)荷削減帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)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(shí)際削減負(fù)荷所獲得的補(bǔ)貼收益,表達(dá)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(lái)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(lái)的產(chǎn)量下降損失,其表達(dá)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(lái)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(yùn)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(yùn)行狀態(tài)改變持續(xù)時(shí)間,h。

因此,用戶側(cè)的需求響應(yīng)總收益表達(dá)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(bǔ)貼單價(jià),處于博弈中占據(jù)先機(jī)的一方,而用戶只能跟隨補(bǔ)貼價(jià)格做出自我調(diào)整,并影響價(jià)格的發(fā)布者,因此可以通過(guò)構(gòu)建主從博弈模型求解優(yōu)化問(wèn)題,為最終的定價(jià)提供依據(jù)。

電網(wǎng)公司尋求最優(yōu)補(bǔ)貼價(jià)的同時(shí),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(wèn)題:

(20)

式中,Ptotal為預(yù)期電網(wǎng)側(cè)可參與實(shí)時(shí)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(bǔ)償價(jià)格a2以及其自身的實(shí)際情況,用戶會(huì)選擇一個(gè)最佳的響應(yīng)電量,以確保最大化其利潤(rùn)。對(duì)于用戶q相當(dāng)于求解如下優(yōu)化問(wèn)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(duì)該主從博弈模型進(jìn)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(wèn)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(guò)此模型可以求得次日電網(wǎng)實(shí)際可調(diào)用冶金負(fù)荷功率和次日需求響應(yīng)補(bǔ)償單價(jià)。

最終,電網(wǎng)對(duì)冶金用戶的補(bǔ)償將在系統(tǒng)恢復(fù)頻率穩(wěn)定后根據(jù)實(shí)際用戶響應(yīng)情況和前一日公布的補(bǔ)償單價(jià)進(jìn)行結(jié)算,由于冶金產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)利潤(rùn)等隨時(shí)間變化,通過(guò)主從博弈模型求得的次日最優(yōu)補(bǔ)償單價(jià)也將不同,因此同樣的負(fù)荷響應(yīng)量在不同日期的補(bǔ)償總價(jià)也有所差異。

4 算例分析

4.1 算例介紹

為測(cè)試冶金負(fù)荷參與緊急負(fù)荷控制后,對(duì)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(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)8、節(jié)點(diǎn)20、節(jié)點(diǎn)39,且在每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)15、節(jié)點(diǎn)16、節(jié)點(diǎn)24、節(jié)點(diǎn)39,且在每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)間較短時(shí),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(kù)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(shí)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(shí)間短于13.5 min時(shí),可調(diào)用當(dāng)前運(yùn)行全部負(fù)荷256.16 MW,隨著削減時(shí)間增長(zhǎng)到40 min時(shí),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(shí)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(shí)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(yùn)行負(fù)荷的10%,即50 MW,該狀態(tài)下產(chǎn)鋁效率與運(yùn)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(yùn)行負(fù)荷的30%,即150.14 MW,該狀態(tài)無(wú)法繼續(xù)產(chǎn)鋁。根據(jù)預(yù)估負(fù)荷削減時(shí)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(shí),進(jìn)一步考慮削減電解鋁負(fù)荷。

為了簡(jiǎn)化算例,假設(shè)系統(tǒng)中共含3個(gè)重要負(fù)荷用戶,用戶1～3單位用電量經(jīng)濟(jì)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(rùn)按3 500 元/t考慮。由圖4可以看出隨負(fù)荷削減時(shí)間長(zhǎng)短變化,將對(duì)冶金負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)造成不同程度的影響,因此實(shí)際可調(diào)用的冶金負(fù)荷量隨調(diào)用時(shí)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(jì)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(lái)的間接經(jīng)濟(jì)損失為200 元/(MW·h)。

4.2 計(jì)及冶金負(fù)荷參與UFLS的頻率性能測(cè)試

本算例的仿真條件為:在t=1 s以前系統(tǒng)正常運(yùn)行,當(dāng)t=1 s時(shí)節(jié)點(diǎn)33、節(jié)點(diǎn)35上的同步發(fā)電機(jī)因故退出運(yùn)行,系統(tǒng)出現(xiàn)1 068 MW的功率缺額,頻率呈下降趨勢(shì)。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(xiàn)[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(shí)系統(tǒng)頻率變化情況?？梢钥闯?當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)1 068 MW的功率缺額而無(wú)任何緊急負(fù)荷控制的措施時(shí),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(shí),頻率最終可以恢復(fù)到49.7 Hz,此方案下切負(fù)荷共動(dòng)作4輪,總減載量為938.13 MW。

圖5 IEEE 39節(jié)點(diǎn)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(shí)間為10 min,當(dāng)系統(tǒng)功率缺額為1 068 MW時(shí),含冶金負(fù)荷在內(nèi)的負(fù)荷削減情況見表4,削減時(shí)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(shí)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(cè)試

由于目前新能源機(jī)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(shì)?？紤]新能源波動(dòng)機(jī)組出力減少的情況或者部分機(jī)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(jìn)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(jī)組存在較大差異,且當(dāng)頻率持續(xù)降低時(shí)風(fēng)機(jī)可能脫網(wǎng),導(dǎo)致系統(tǒng)功率缺額進(jìn)一步增大。因此,具體的低頻減載策略將根據(jù)慣量變化進(jìn)行一定的調(diào)整。

計(jì)算含新能源的電力系統(tǒng)等效慣性時(shí)間常數(shù),當(dāng)系統(tǒng)的慣性較小時(shí)遭受大功率缺額擾動(dòng),其頻率調(diào)節(jié)能力會(huì)下降。為了縮短頻率跌至最低值的時(shí)間并快速穩(wěn)定,可以加速低頻減載裝置動(dòng)作并增加首輪減載量。同時(shí),考慮到故障過(guò)程中風(fēng)電機(jī)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(jī)組的低頻保護(hù)整定值進(jìn)行優(yōu)化[10,20,21]。本文中將基本輪動(dòng)作延時(shí)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(cè)試

將仿真系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)30、節(jié)點(diǎn)37上的全部同步機(jī)組用新能源風(fēng)電機(jī)組替換,將節(jié)點(diǎn)32上50%的同步機(jī)組用風(fēng)電機(jī)組替換,構(gòu)建含13.44%比例的新能源風(fēng)機(jī)機(jī)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(yùn)行,當(dāng)t=1 s時(shí)節(jié)點(diǎn)37的新能源風(fēng)電機(jī)組出力由滿發(fā)減少至50%的出力比例,節(jié)點(diǎn)35的同步機(jī)組因故退出運(yùn)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(jìn)行減載操作,圖6為采用優(yōu)化前后兩種減載策略對(duì)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(wú)任何緊急負(fù)荷控制的措施時(shí),頻率驟降引發(fā)風(fēng)機(jī)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(shí)可以避免風(fēng)機(jī)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(shí)同樣避免了風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)現(xiàn)象且無(wú)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(dòng)作兩輪,總減載量為969.37 MW。

假設(shè)負(fù)荷削減總時(shí)間為10 min,當(dāng)系統(tǒng)功率缺額為1 060 MW時(shí),含冶金負(fù)荷在內(nèi)的負(fù)荷削減情況見表5,削減時(shí)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(shí)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(shí)的頻率響應(yīng)測(cè)試

將仿真系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)30、35、37上的全部同步機(jī)組用新能源風(fēng)電機(jī)組替換,將節(jié)點(diǎn)32上50%的同步機(jī)組用風(fēng)電機(jī)組替換,節(jié)點(diǎn)32上40%的同步機(jī)組用風(fēng)電機(jī)組替換,構(gòu)建含40.32%比例的新能源風(fēng)機(jī)機(jī)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(yùn)行,當(dāng)t=1 s時(shí)節(jié)點(diǎn)30、37的新能源風(fēng)電機(jī)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(jìn)行減載操作,圖7為采用優(yōu)化前后兩種減載策略對(duì)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(wú)任何緊急負(fù)荷控制的措施時(shí),頻率驟降引發(fā)風(fēng)機(jī)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(shí)可以避免風(fēng)機(jī)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(shí)同樣避免了風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)現(xiàn)象且無(wú)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(dòng)作兩輪,總減載量為969.37 MW。

假設(shè)負(fù)荷削減總時(shí)間為10 min,當(dāng)系統(tǒng)功率缺額為1 000 MW時(shí),含冶金負(fù)荷在內(nèi)的負(fù)荷削減情況見表6,削減時(shí)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(shí)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(bǔ)貼電價(jià)為:3 025.27 元/(MW·h)。由此可計(jì)算得出,在本算例中所有參與削減的電解鋁負(fù)荷總補(bǔ)償價(jià)格為75 704.36元,所有參與削減的煉鋼負(fù)荷總補(bǔ)償價(jià)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(jī),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(jìn)行一定調(diào)整,以防新能源機(jī)組的進(jìn)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(shí)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(jì)損失,當(dāng)系統(tǒng)功率缺額小、負(fù)荷削減時(shí)間短時(shí),冶金負(fù)荷參與減載的優(yōu)勢(shì)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(dòng)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(duì)所提方案進(jìn)行驗(yàn)證,經(jīng)過(guò)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(shí)間增加有所下降,最大可削減負(fù)荷為當(dāng)前運(yùn)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(yùn)行負(fù)荷的30%,當(dāng)電網(wǎng)下發(fā)緊急切負(fù)荷指令時(shí),兩類負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間均在毫秒級(jí)。

(2)本文所制定的實(shí)時(shí)需求響應(yīng)定價(jià)機(jī)制彌補(bǔ)了現(xiàn)有固定補(bǔ)貼定價(jià)的缺陷,從多方面考慮約束條件和雙方收益來(lái)源,以市場(chǎng)化手段激勵(lì)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(shí),可以通過(guò)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(jī)組時(shí),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。