考虑生产安全的工业园区联络线功率平滑策略

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.516

考虑生产安全的工业园区联络线功率平滑策略

徐箭, 余青芳, 廖思阳^,, 柯德平, 孙元章

武汉大学电气与自动化学院,武汉 430072

Power Smoothing Strategy for Industrial Park Tie-Line Considering Production Safety

XU Jian, YU Qingfang, LIAO Siyang^,, KE Deping, SUN Yuanzhang

School of Electrical Engineering and Automation, Wuhan University, Wuhan 430072, China

通讯作者: 廖思阳,副教授,博士生导师;E-mail:liaosiyang@whu.edu.cn.

责任编辑: 王一凡

收稿日期: 2022-12-12 修回日期: 2023-02-23 接受日期: 2023-03-9

基金资助:

南方电网-武汉大学联合研究院引领类项目(0500002022030301GH00163)

Received: 2022-12-12 Revised: 2023-02-23 Accepted: 2023-03-9

作者简介 About authors

徐箭(1980-),教授,从事新型电力系统运行与控制研究.

摘要

高比例新能源接入工业园区已成为高耗能工业负荷低碳转型的主要途径,而联络线功率剧烈频繁波动是园区低碳转型的关键问题.因此,提出一种考虑生产安全的工业园区联络线功率平滑策略.首先,分析电解铝和矿热炉的可控设备控制模型,构建基于联络线功率波动反馈的工业负荷功率闭环反馈控制模型.考虑工业生产核心影响因素,构建温度状态指标模型,形成考虑工业生产核心因素的典型工业负荷需求侧响应惩罚成本模型,并以工业生产的惩罚成本最小为优化目标,将控制目标分配至各工业负荷.最后,构建基于云南电网文山区域网架的MATLAB在线计算和RTDS仿真实时交互算例,结果表明,该算法自适应更新生产设备温度,有效降低功率调节对生产的影响,且联络线购电成本可降低36.4%.

关键词： 新能源功率波动平抑; 高耗能工业负荷; 生产安全边界; 温度状态指标模型

Abstract

The high proportion of renewable energy integration to industrial parks has become the main way for energy-intensive industrial loads to achieve low-carbon transition. The sharp and frequent power fluctuation of tie-line is the key problem of low-carbon transition for industrial parks. Therefore, an industrial park tie-line power smoothing strategy considering production safety is proposed. First, the control model of the production equipment for electrolytic aluminum and arc furnace is analyzed, the power closed-loop feedback control model of industrial load is established based on power fluctuation feedback. Then, considering the core influencing factors of industrial production, the state of temperature with energy-intensive equipment is established, a control cost model for demand response is formed, and the control objective to each industrial load is assigned based on the optimization objective for the minimum penalty cost. Finally, the MATLAB online calculation and RTDS simulation real-time interactive example is established based on Wenshan power grid in Yunnan Province. The simulation results show that the smelting temperature is updated adaptively, the influence of power regulation on production is reduced effectively, and the economic cost of tie-line is reduced by 36.4%.

Keywords： renewable energy power fluctuation smoothing; energy-intensive industrial loads; production safety boundary; state of temperature with energy-intensive equipment

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本文引用格式

徐箭, 余青芳, 廖思阳, 柯德平, 孙元章. 考虑生产安全的工业园区联络线功率平滑策略[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(6): 941-953 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.516

XU Jian, YU Qingfang, LIAO Siyang, KE Deping, SUN Yuanzhang. Power Smoothing Strategy for Industrial Park Tie-Line Considering Production Safety[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2024, 58(6): 941-953 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.516

随着全球温室效应的加剧和极端天气的频繁出现,中国政府庄重地向世界承诺争取在2030年前实现“碳达峰”及2060年前实现“碳中和”的“双碳”目标^[1].“双碳”目标无形中给能源低碳转型的重要载体工业园区加速实现碳减排施以重压^[2].“双碳”战略下,工业园区绿色低碳运行成为未来发展的主要方向.文献[3]中指出工业园区将进入能源互联网时代,需要有效挖掘工业园区系统框架的应用和价值,构建工业园区能源系统模型;文献[4-5]中指出了构建分布式风电光伏产业园区的必要性.我国工业负荷加速向新疆、云南等新能源高发地区转移,风光一体化的工业园区成为未来工业企业发展的主要方向.

风光等可再生能源随机波动大,园区与大电网联络线功率交互复杂多变.因此,为进一步提升风光一体化的工业园区的安全稳定运行能力,与上级电网间的精准联络线功率控制是关键^[6].目前,对于应用多类型储能实现联络线功率平抑和负荷削峰填谷的研究较多^[7].然而储能初始投资费用高,实行难度大,挖掘工业园区内部自身可调节潜力是未来发展的关键.工业园区内工业负荷的调节潜力已经引起众多学者的广泛关注,文献[8 ⇓-10]中指出电解铝、钢铁等典型工业负荷具有额定容量大、调节速度快、调节范围广等优点,短时间范围内的功率调节并不会对其生产造成显著影响.文献[11]中提出了一种源-荷-储协同的电热微网联络线功率平滑策略,将工业园区热泵群作为需求侧响应资源,调整联络线功率平滑目标,动态分配平抑任务;文献[12]中研究了矿热炉负荷静态、动态模型,表明了矿热炉负荷的有功快速能力;文献[13 ⇓-15]中分别阐述了电解铝、多晶硅等工业负荷的功率控制环节和控制模型;文献[16]中提出了多类型工业负荷协调控制原理,基于负荷上报母线电压建立各类型工业负荷调节边界,并按比例调节原理实现工业园区负荷的聚合与分配.

可以看出,工业负荷可以快速跟踪新能源功率波动,然而随着园区内部新能源场站的逐步建立,如何在保障生产安全的前提下,利用园区内多类型工业负荷协调控制,实现新能源波动平抑是有待研究的问题.文献[17]中提出了一种基于室温状态反馈的空调基准负荷修正方法,在保证用户舒适度的前提下实现新能源消纳;文献[18]中引入可控设备及虚拟储能系统状态指标,采用基准系数刻画负荷核心生产指标,在保证负荷生产的前提下,实现负荷间的协调;文献[19-20]中提出了考虑复杂生产约束的电池生产工业园区能源网络综合优化模型,将工业生产过程与能源调度的优化调度模型动态耦合,并将不确定性因素对工厂的影响作为优化目标,在实时更新电价的基础上利用模型预测控制(MPC)优化模型进行滚动优化求解和反馈校正.

基于以上分析,用户满意度、设备安全性以及对生产的影响是需求侧响应的关键问题.但是上述研究主要是对单一负荷刻画有功调节量对生产的影响,工业园区负荷种类多样,如何对核心生产指标进行归一化,如何有效评估有功功率调节量对不同种类负荷的影响也是亟须解决的问题.结合以上问题,本文提出一种考虑生产安全的工业园区联络线功率平滑策略,以对工业生产的影响最小为优化目标实现多负荷协调,精准控制工业园区与上级电网之间的联络线功率,其主要工作和创新如下:

(1) 充分利用高载能负荷电解铝以及矿热炉负荷连续快速的调控特性,将联络线功率偏差作为实时反馈信号引入电解铝和矿热炉负荷控制系统,使其有功功率快速、自动跟踪联络线功率波动.

(2) 首次提出生产设备温度指标模型和惩罚成本模型,分析工业生产核心影响因素,形成考虑工业生产核心因素的典型工业负荷需求侧响应惩罚成本模型,并基于此建立工业负荷的生产安全边界.

(3) 提出一种多类型工业负荷协调控制策略,有效减少电网冗杂的调度负担.以高载能工业负荷参与电网新能源波动平抑对生产的影响最小(惩罚成本最低)为目标函数,考虑高载能负荷安全运行约束,滚动优化各工业负荷功率偏差反馈控制系数,实现多类型工业负荷协调响应联络线功率波动.

最后,基于RTDS仿真平台搭建云南文山地区工业园区的实际网架模型,每隔Δt时间间隔采集新能源场站联络线功率偏差,验证本文所提控制策略.

1 面向新能源功率波动平抑的典型工业负荷控制模型

1.1 电解铝负荷平抑新能源功率波动控制模型

电解铝的主要耗电过程是在电解槽中电解氧化铝生成铝产品,具体为接入园区的母线电压经变压器降压后接入铝厂,并依次经过有载调压变压器、饱和电抗器、整流桥将大电流通入电解槽进行电解.图1为电解铝负荷工作原理图.图中:AC Bus为交流母线;DC Bus为直流母线;U_AL为园区母线高压侧电压;U_SR为饱和电抗器压降;U_d为直流侧电压;E_AL为电解槽等效反电动势;R_AL为电解槽等效电阻;I_d为直流侧电流;k_AL为有载调压变压器变比.

图1

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图1 电解铝负荷工作原理图

Fig.1 Working schematic diagram of electrolytic aluminum

电解铝负荷有功功率可通过函数h_d表示为^[13]

(1)

\begin{matrix} P_{A L} = h_{d} (I_{d}) = I_{d}^{2} R_{A L} + I_{d} E_{A L} \end{matrix}

式中:P_AL为电解铝负荷有功功率.

电解铝有功功率调控主要包括调节园区母线高压侧母线电压U_AL、变压器分接头k_AL以及饱和电抗器电压U_SR,3种功率调节手段具有不同的响应时间.为了使电解铝负荷可以快速且连续地跟踪新能源功率波动,本文将采取调节饱和电抗器压降的电解铝有功功率控制方式,电解铝负荷直流侧电流I_d与饱和电抗器压降U_SR可以通过函数g_d表示为^[21]

(2)

I_{d} = g_{d} (U_{S R}) = \frac{3 \sqrt{2}}{π A_{A L}} (\frac{U_{A L}}{k_{A L}} - U_{S R}) - \frac{E_{A L}}{R_{A L}}

电解铝负荷饱和电抗器稳流控制原理如图2所示.图中:P_g为联络线功率输出的有功功率实时值;P_gref为联络线功率的功率参考值;ΔP_w为P_g与P_gref两者的差值;T_AL为惯性时间常数,该惯性环节的存在主要会影响电解铝负荷控制的响应时间,同时也能有效避免饱和电抗器频繁地来回动作而引发死区附近振荡^[13];K_AL为电解铝负荷功率偏差反馈控制系数;I_dref为直流侧参考电流;ΔI_ref为直流侧参考电流调节量;ΔI_drefmax、ΔI_drefmin为直流侧参考电流调节上下限;U_SRmax和U_SRmin分别为饱和电抗器电压上下限,一般是0~70 V;K_P、K_I为比例和积分(PI)参数,一般在厂家侧整定;PWM为脉冲宽度调制.

图2

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图2 电解铝平抑新能源波动控制原理框图

Fig.2 Control principle block diagram of electrolytic aluminum for renewable energy utilization

该原理基于PI控制环节自动调整饱和电抗器压降,保证其直流侧电压、电流以及有功功率的恒定,电抗器直流侧电流控制模型是一个反馈控制模型,直流侧输出电流I_d随直流侧电流参考值I_dref的变化而变化^[22].因此,本文考虑在饱和电抗器直流侧电流控制模型的基础上增加一个新能源功率偏差反馈,将新能源功率波动引入饱和电抗器直流参考电流I_dref,其基本控制原理如图2中蓝色虚线框所示.

1.2 矿热炉负荷平抑新能源功率波动控制模型

矿热炉负荷常应用于铁合金冶炼行业,主要耗电过程为电极加热过程,具体为接入园区的母线电压经变压器降压后接入矿热炉负荷,分别经过隔离开关、断路器、电炉专用变压器、短网、电极,最终向矿热炉供电.图3为矿热炉负荷工作原理图.图中:U_ARC为园区母线高压侧电压;k_ARC为电炉专用变压器分接头变比;R_line为短网电阻;X_line为短网电抗;L为电极长度.

图3

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图3 矿热炉负荷工作原理图

Fig.3 Working schematic diagram of arc furnace

矿热炉负荷有功功率可通过函数h_a表示为^[23]

(3)

\begin{matrix} P_{A R C} = h_{a} (I_{a}) = I_{a}^{2} (R_{l i n e} + R_{A R C}) \end{matrix}

式中:P_ARC为矿热炉负荷有功功率;I_a为电极电流;R_ARC为电弧等效电阻,随电极长度L的变化而变化.

矿热炉有功功率的调节主要包括调节园区母线高压侧电压U_ARC、电炉专用变压器分接头k_ARC以及电极长度L,3种功率调节手段具有不同的响应时间.为了使矿热炉负荷可以快速且连续地跟踪新能源功率波动,本文将采取调节电极长度的矿热炉有功功率控制方式.经过现场实测研究,电极底部和炉料之间深度的增量ΔL和电极电流有效值I₀之间的关系可用函数g_a表示:

(4)

$\begin{matrix} I_{0} = g_{a} (Δ L) \end{matrix}$

具体函数关系见文献[23].矿热炉平抑新能源波动控制原理如图4所示.图中:T_ARC为惯性时间常数,该惯性环节的存在主要会影响矿热炉负荷控制的响应时间,同时也能有效避免电极的来回动作而引发死区附近振荡;K_ARC为矿热炉负荷功率偏差反馈控制系数;I_aref为电极电流参考值;ΔI_aref为电极参考电流调节量;ΔI_arefmax、ΔI_arefmin为电极参考电流调节上下限;L_max和L_min为电极长度上下限,该控制参数一般由出厂设定.

图4

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图4 矿热炉平抑新能源波动控制原理框图

Fig.4 Control principle block diagram of arc furnace for renewable energy utilization

电弧炉电极升降模型是一个反馈控制模型,电极电流I_a随电极电流指令值的变化而变化^[24].因此,本文考虑在电极升降模型的基础上增加一个新能源功率偏差反馈,将新能源功率波动引入电流参考值I_aref,其基本控制原理如图4中蓝色虚线框所示.

2 考虑生产安全边界的工业负荷协调控制策略

2.1 联络线功率平滑策略

对一个工业园区记其内电解铝个数为N_AL,记为i=1,2,…,N_AL;矿热炉个数为N_ARC,记为j=1,2,…,N_ARC.图5为一个接入大量新能源的工业园区系统.图中:P_wind为可再生能源有功功率,本文仅考虑风电;P_AL_i为第i个电解铝负荷有功功率;P_ARC_j为第j个矿热炉负荷有功功率;P_L为园区内其他负荷总有功功率.

图5

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图5 含多类型工业负荷的典型工业园区拓扑示意图

Fig.5 Topology figure of typical industrial park with multiple-type industrial loads

忽略线损,则根据图5系统的功率平衡方程式为

(5)

\begin{matrix} P_{g} = \sum_{i \in N_{A L}} P_{A L i} + \sum_{j \in N_{A R C}} P_{A R C j} + P_{L} - P_{w i n d} \end{matrix}

若不考虑负荷随机波动,则园区联络线功率波动平抑等价于风电功率波动平抑.随着园区风电功率渗透率上升,联络线功率波动加剧,不利于主网的安全稳定运行.应用低通滤波(LPF)原理对联络线功率进行平滑,根据该原理,联络线功率平滑目标的递推形式为

(6)

\begin{matrix} P_{g L P F} (t) = α P_{g L P F} (t - 1) + (1 - α) P_{g 0} (t) \end{matrix}

式中:α=τ/(τ+Δt)为滤波系数,其中τ为时间常数,Δt为控制周期;P_gLPF(t)为t时刻联络线有功功率平滑目标;P_g₀(t)为无负荷控制时t时刻联络线有功功率.

因此,典型工业负荷需要调整的不平衡功率 $Δ P_{w} (t)$ 为

(7)

\begin{matrix} Δ P_{w} (t) = P_{g L P F} (t) - P_{g 0} (t) \end{matrix}

2.2 工业负荷生产安全指标与惩罚成本建模

电解铝负荷核心生产设备是电解槽,电解槽有功功率改变会引起电解槽温度改变,而铝产品的产量和质量主要由炼熔温度决定^[25].铝负荷正常运行时槽温一般维持在950~970 ℃,当电解槽温度低于950 ℃时,严重影响电解液的循环速度,易造成电解槽凝槽,设备损害大;当电解温度高于970 ℃时,对设备的腐蚀较大,易引发安全事故.矿热炉负荷核心生产设备是电弧炉,电极升降引起的功率变化同样引起冶炼温度变化,从而导致炉顶传热损失的不同以及生产效率的不同^[26].可以看出,温度是典型工业负荷的核心指标,它不仅反映了生产效率,也指示了设备的安全运行状态.

为了定量描述工业负荷的当前调节能力及生产状态,本文定义了生产设备温度指标模型(State of Temperature with Energy-intensive Equipment,SOE),指标计算公式如下:

(8)

\begin{matrix} η_{S O E} = \frac{T_{0} - T_{s e t}}{T_{m a x} - T_{m i n}} \end{matrix}

式中:T₀为工业设备当前工作温度;T_min、T_max为设备允许温度上下限,为保证生产安全应控制温度处于区间[T_min,T_max];T_set为设备额定温度.因此,η_SOE的取值范围为[-0.5, 0.5].当η_SOE趋近于0时,典型工业负荷运行在额定工作点附近;当η_SOE趋近于-0.5或0.5时,典型工业负荷生产温度接近于临界值.

以η_SOE作为典型工业负荷生产安全指标,对典型工业负荷的需求侧响应惩罚成本进行研究,以将各工业负荷的生产温度控制在理想范围内.根据能量守恒定理^[13],热平衡可以用下式表示:

(9)

\begin{matrix} Δ E_{n} (t) = c_{n} m_{n} Δ T_{n} (t) \end{matrix}

式中:ΔE_n(t)为采样时间间隔Δt时间内反应容器内能量变化量;c_n为反应物n的比热容;m_n为反应物n的质量;ΔT_n(t)为采样时间间隔Δt时间内反应容器内温度变化量.

当工业负荷调节量为ΔP_n(n=1,2,…,N_AL+N_ARC)时,工业负荷电量损失为

(10)

\begin{matrix} Δ E_{n} (t) = Δ P_{n} (t) Δ t \end{matrix}

式中:ΔP_n(t)为t时刻工业负荷n的有功功率调节量.

则t+1时刻的典型工业负荷生产设备温度 T_n (t+1)为

(11)

\begin{matrix} T_{n} (t + 1) = T_{n} (t) + Δ E_{n} (t) / (c_{n} m_{n}) \end{matrix}

所以,根据式(8)~(11),t+1时刻典型工业负荷生产设备温度指标 $η_{S O E} (t + 1)$ 为

(12)

\begin{array}{l} η_{S O E} (t + 1) = η_{S O E} (t) + Δ E_{n} (t) / \\ [c_{n} m_{n} (T_{m a x} - T_{m i n})] \end{array}

因此,将考虑工业负荷参与需求侧响应对生产的影响记为惩罚成本,即:η_SOE的绝对值越大,需求侧响应惩罚成本越高,并取β^wdcut为惩罚成本系数,则k时刻工业负荷惩罚成本为 $C_{n}^{w d c u t} (t),$ 即工业负荷控制成本

(13)$C_{n}^{\mathrm{wdcu}}(t)=\beta^{\mathrm{wdcut}}\left[\eta_{\mathrm{SOE}}(t+1)\right]^{2}$

式中:β^wdcut取为定值.

2.3 考虑工业负荷生产安全的多类型工业负荷协调控制模型

考虑工业负荷生产安全,以工业负荷的惩罚成本最小作为分配准则,计算每个高载能工业负荷的功率偏差反馈控制系数,工业园区内部典型工业负荷协调优化模型为

(14)

\begin{matrix} m i n \overset{N_{A L} + N_{A R C}}{\sum_{n = 1}} (C_{n}^{w d c u t} (t)) \end{matrix}

约束条件如下.

(1) 工业园区.

有功平衡约束:

(15)

\begin{array}{l} P_{g L P F} (t) = \overset{N_{A L} + N_{A R C}}{\sum_{n = 1}} (P_{n} (t) + Δ P_{n} (t)) + \\ P_{L} (t) - P_{w i n d} (t) \end{array}

式中:P_n(t)为无负荷控制时t时刻负荷n的有功功率预测值;P_L(t)为t时刻其他负荷有功功率预测值;P_wind(t)为t时刻风电功率预测值.

联络线传输功率约束:

(16)

\begin{matrix} P_{g, m i n -} \leq P_{g L P F} (t) \leq P_{g, m a x +} \end{matrix}

式中:P_g,min-为联络线负向的最大传输功率,即配电系统向工业园区的最大传输功率;P_g,max+为联络线正向的最大传输功率,即工业园区向配电系统的最大传输功率.

(2) 电解铝负荷.

对电解铝负荷 $(n = 1,2, \dots, N_{A L}),$ 电解铝负荷的电流调节量主要取决于电解铝饱和电抗器压降U_SR的调节范围,即

(17)

\begin{matrix} U_{S R m i n} \leq U_{S R L P F n} (t) \leq U_{S R m a x} \end{matrix}

(3) 矿热炉负荷.

对矿热炉负荷(n=N_AL+1,N_AL+2,…,N_AL+N_ARC),根据文献[23],矿热炉生产过程中的静态电阻R_ARC和静态电抗X_ARC满足二次函数的关系,即

(18)

\begin{matrix} X_{A R C} = p R_{A R C}^{2} + q R_{A R C} + h \end{matrix}

式中:X_ARC为矿热炉负荷静态电抗;p、q、h为系数.

因此,矿热炉负荷生产中的主要约束条件为

(19)

\begin{matrix} R_{A R C m i n} \leq R_{A R C L P F n} (t) \leq R_{A R C m a x} \end{matrix}

式中:R_ARCmax和R_ARCmin分别为矿热炉负荷静态电阻上下限.

(4) 生产安全.

对典型工业负荷(n=1,2,…,N_AL+N_ARC),生产设备温度指标与有功功率之间的耦合关系如式(11)所示,当工业负荷调节量为ΔP_n(t) (n=1,2,…,N_AL+N_ARC)时,在采样周期Δt时间内,生产设备温度不得超过其温度上下限,即

(20)

\begin{matrix} - 0.5 \leq η_{S O E - L P F n} (t + 1) \leq 0.5 \end{matrix}

式中:η_SOE-LPF_n(t+1)为控制目标为ΔP_n(t)时Δt采样时间间隔内生产设备温度指标.

根据建立的优化调度模型求解各工业负荷有功调节量,据此求解各工业负荷功率偏差反馈系数K_n(t),并将其作为采样时间间隔Δt时间内各工业负荷功率偏差反馈系数,具体求解过程如下.

(1) 电解铝负荷.

对电解铝负荷(n=1,2,…,N_AL),控制目标与有功功率的耦合关系如式(1)所示,将新能源功率波动偏差作为一个反馈信号引入电解铝的稳流系统改变直流侧的电流参考值I_dref(见图2),t时刻电解铝直流侧电流以及有功功率可以表示为

(21)

\begin{array}{l} P_{L P F n 1} (t) = P_{n} (t) + Δ P_{n} (t) \\ I_{d L P F n} (t) = \\ (- E_{A L} + \sqrt{E_{A L}^{2} + 4 R_{A L} P_{L P F n 1} (t)}) / (2 R_{A L}) \end{array}\}

式中:P_LPF_n1(t)为t时刻电解铝负荷有功功率目标值;I_dLPF_n(t)为t时刻直流电流目标值.

因此,t时刻电解铝负荷功率偏差反馈控制系数为

(22)

\begin{matrix} K_{A L n} (t) = (I_{d L P F n} (t) - I_{d n} (t)) / Δ P_{w} (t) \end{matrix}

式中:K_AL_n(t)为采样周期Δt时间内电解铝负荷功率偏差反馈控制系数;I_d_n(t)为t时刻直流侧电流.通过图2可知,此时电解铝负荷有功功率跟随联络线功率波动实现了电解铝负荷的连续有功快速控制.

(2) 矿热炉负荷.

对矿热炉负荷(n=N_AL+1, N_AL+2, …, N_AL+N_ARC),控制目标与有功功率耦合关系如式(3)所示,将新能源功率波动偏差作为一个反馈信号引入矿热炉的电极升降系统改变电流参考值I_aref(见图4),t时刻电流以及有功功率可以表示为

(23)

\begin{array}{l} P_{L P F n 2} (t) = P_{n} (t) + Δ P_{n} (t) \\ I_{a L P F n} = \sqrt{P_{L P F n 2} (t) / (R_{A R C L P F n} (t) + R_{l i n e})} \end{array}\}

式中:P_LPF_n2(t)为t时刻矿热炉负荷的有功功率目标值;I_aLPF_n(t)为t时刻电极电流目标值;R_ARCLPF_n(t)为矿热炉负荷静态电阻,基于计算机搜索编程,迭代计算矿热炉负荷调节量为ΔP_n(t)对应的R_ARC;R_line为矿热炉负荷短网电阻,一般取为定值.

因此,t时刻矿热炉负荷功率偏差反馈控制系数为

(24)

\begin{matrix} K_{A R C n} (t) = (I_{a L P F n} (t) - I_{a n} (t)) / Δ P_{w} (t) \end{matrix}

式中:K_ARC_n(t)为采样周期Δt时间内矿热炉负荷功率偏差反馈控制系数;I_a_n(t)为t时刻电极电流.通过图4可知,此时矿热炉负荷有功功率跟随联络线功率波动实现了矿热炉负荷的连续有功快速控制.

综上所述,通过将工业园区与大电网的联络线功率接入工业负荷控制系统,并考虑各工业负荷生产安全分配有功功率,然后计算控制目标与联络线功率偏差量之间的功率反馈系数,以实现对风电功率波动的跟踪响应.图6为工业负荷协调优化控制策略.图中:ε_w为联络线功率波动死区.

图6

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图6 工业园区联络线功率平抑控制策略

Fig.6 Control strategy for tie-line power stabilization in industrial park

3 算例分析

3.1 算例及场景说明

为验证本文提出的多类型工业负荷协调平抑园区风电功率波动控制策略的有效性,基于RTDS实时仿真平台搭建云南文山区域某工业园区电网,通过MATLAB在线计算和RTDS仿真实时交互进行验证.图7为云南文山区域某工业园区网架示意图,本文所考虑的工业园区高载能可调节负荷为电解铝(AL1、AL2、AL3)和矿热炉(ARC1、ARC2、ARC3),在工业园区内部其额定容量分别为(450+j280) MV·A以及(200+j100) MV·A;灰色阴影实线框表示新能源场站,该新能源场站主要为风电,总装机容量为300 MW;常规负荷额定容量为(20+j10) MV·A.

图7

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图7 云南文山典型工业园区电网拓扑图

Fig.7 Topology figure of typical industrial park grid in Wenshan, Yunnan Province

电解铝负荷:U_AL、k_AL的额定值分别为220 kV、10.624;等效电路参数E_AL=354.6 V、R_AL=2.016 mΩ;饱和电抗器压降额定值为35 V;饱和电抗器电压上下限分别为0、70 V;电解槽额定温度为 960 ℃;温度上下限约束分别为950、970 ℃.

矿热炉负荷:U_ARC、k_ARC的额定值分别为110 kV、334.048;等效电路参数R_line+X_line=(0.02+j0.9) mΩ,R_ARCN+X_ARCN=(4.5+j1.9) mΩ;电弧电抗与电阻关系为X_ARCN=33 $R_{A R C}^{2}$ +0.29R_ARC-0.000 062;矿热炉负荷静态电阻上下限分别为2、6 mΩ;矿热炉额定温度为 1 590 ℃;矿热炉温度上下限约束分别为 1 580、1 600 ℃.

实际生产中,为保证生产产量电解铝与矿热炉负荷一般为恒功率负荷,仿真日各工业负荷预测功率分别为410、400、390、160、150、140 MW,初始温度分别为965、960、955、1 595、1 590、1 585 ℃;仿真日常规负荷为20 MW.仿真步长Δt=30 s.仿真日风电功率预测数据如图8所示.

图8

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图8 风电功率预测值

Fig.8 Prediction of wind power

3.2 控制效果及工业负荷微观控制状态

仿真日控制指令和系统响应情况如图9所示.基于以上算例,通过式(22)、(24)每隔30 s在线更新各工业负荷功率偏差反馈系数,其中电解铝负荷(AL1、AL2、AL3)和矿热炉负荷(ARC1、ARC2、ARC3)的功率偏差反馈系数如图9(a)所示,联络线功率平滑效果如图9(c)所示.可以看出,在本文所提控制策略下,风电功率得到了有效平抑.

图9

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图9 仿真日控制指令和系统响应情况

Fig.9 Control instructions and system responses on the simulation day

工业负荷η_SOE的变化情况如图9(e)所示,其中η_SOE1~η_SOE3为电解铝负荷AL1~AL3的生产设备温度指标,η_SOE4~η_SOE6为矿热炉负荷ARC1~ARC3的生产设备温度指标.在本文的控制策略下,各个时刻工业负荷的η_SOE集中在一条窄带内,各工业负荷的η_SOE均未越限,即各工业负荷都保持在适宜状态对生产的影响较小.比较图9(c)和图9(e)还可看出在负荷上升期,目标功率低于自由功率,因此η_SOE上升;在负荷下降期则反之,说明控制目标在工业负荷之间得到了合理分配.

图9(b)、9(d)、9(f)分别是22:00—23:00期间共120个控制周期工业负荷功率偏差反馈控制系数、联络线功率平滑效果图、工业负荷η_SOE的局部细节.由图8可知在22:16之前,新能源的有功出力稳定在148 MW,22:16以后,受极端天气的影响,新能源出力开始瞬降并在22:32附近降至出力最小值60 MW.新能源的功率波动偏差最大值为88 MW,园区功率缺额为88 MW.当不平抑新能源波动时,联络线功率波动达88 MW,这将严重不符合电网的要求,且每月负荷侧基本容量费增加246万元,经济性差;当投入本文控制策略以后,整个过程联络线功率波动偏差始终在±20 MW范围以内,完全符合电网的新能源波动平抑规定,且每月基本容量费波动不超过56万元,同时本文所提控制策略的工业负荷需求侧响应惩罚成本为19.8万元,每月工业园区节约170.2万元.因此,本文所提多类型工业负荷协调优化策略具有良好的新能源波动跟踪平抑效果,同时极大地减少了工业负荷电费支出.

3.3 功率偏差反馈控制系数计算原则比较

为了观察考虑生产安全指标的工业负荷控制效果,本节算例中将AL1的电解槽温度从965 ℃更改为951 ℃,仿真周期为22:00—23:00期间共120个控制周期,以验证本文所提生产设备温度指标模型和惩罚成本模型的有效性.AL1的控制指令和响应情况如图10所示.

图10

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图10 22:00—23:00 AL1的控制指令和响应情况

Fig.10 Control instructions and system responses of AL1 during 22:00—23:00

此时不考虑工业负荷生产安全,即按照额定容量比整定功率偏差反馈控制系数(控制策略1)和本文控制策略(控制策略2)下的电解铝负荷AL1的功率偏差反馈控制系数如图10(a)所示,两种控制策略下电解铝负荷AL1的有功功率(P₁)变化曲线如图10(b)所示,电解铝负荷AL1的η_SOE变化曲线如图10(c)所示,联络线平滑效果如图10(d)所示.

由图10(b)、10(c)可知,当采用控制策略1时,电解铝负荷AL1初始温度接近边界值950 ℃,在22:16之前新能源的有功出力稳定在148 MW附近,AL1不参与负荷控制,有功功率维持在380 MW,生产设备温度指标η_SOE为0.45.在22:16之后AL1开始参与负荷控制,且负荷有功功率变化与风电功率变化基本一致,η_SOE下降,到22:32电解铝负荷AL1的η_SOE为0.5,即电解槽温度达到下限值950 ℃,AL1失去了平滑能力.由图10(d)可知,此时由于温度上下限约束,电解铝负荷AL1调节容量不足,工业负荷无法准确跟踪控制目标.

当采用本文控制策略(控制策略2)时,在22:16之前新能源的有功出力稳定在148 MW附近,但此时电解铝负荷AL1初始温度接近边界值 950 ℃,对生产安全影响较大,因此本文根据基于生产设备温度指标的惩罚成本模型对AL1的η_SOE进行修正,从而保证了η_SOE在理想范围.在22:24时,新能源出力降至50 MW,联络线功率波动大,AL1开始参与新能源功率波动平抑,有效地跟踪了联络线功率控制目标.

3.4 电解铝负荷控制与协调控制策略比较

为了更明显地观察多类型工业负荷协调控制效果,本节算例对比单一电解铝负荷控制与本文控制策略的控制效果,以验证多类型工业负荷协调控制的必要性.此时单一电解铝负荷(AL1、AL2、AL3)控制与本文电解铝负荷(AL1、AL2、AL3)和矿热炉负荷(ARC1、ARC2、ARC3)协调控制的控制效果如图11所示.图11(a)为两种策略下AL1的变化曲线,图11(b)为两种策略下联络线平滑效果,图11(c)为两种策略下AL1的饱和电抗器电压曲线.

图11

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图11 AL1的控制指令和响应情况

Fig.11 Control instructions and system responses of AL1

由图11(a)所示,当采取单一电解铝负荷控制时,在3:30—6:45期间,电解铝负荷AL1生产设备温度指标η_SOE=0.5,电解槽长时间在温度边界值970 ℃下运行,对设备的腐蚀较大,易引发安全事故.同时,由图11(b)可知,此时由于温度上下限约束,电解铝负荷AL1调节容量不足,工业负荷无法准确跟踪控制目标.

当采用协调控制策略时, AL1生产设备温度指标均集中在一条窄带内,各工业负荷η_SOE均未越限,即各工业负荷都保持在适宜状态对生产的影响较小.同时,由图11(b)可知,在仿真日工业负荷均能准确跟踪控制目标.

由图11(c)可知,仿真初期,AL1初始温度较高,电解铝有功调节量为负值,电解槽温度迅速恢复至额定值,饱和电抗器电压也随之恢复.随后,AL1参与风电功率波动平抑,当采用本文协调控制策略时,AL1饱和电抗器电压在一条窄带内,即各工业负荷饱和电抗器电压均在额定值附近波动.此时,饱和电抗器电压裕度较大,能有效抵御电解槽阳极效应.

3.5 矿热炉负荷控制与协调控制策略比较

为了更明显地观察多类型工业负荷协调控制效果,本节算例中对比单一矿热炉负荷控制与本文控制策略的控制效果,以验证多类型工业负荷协调控制策略的有效性与必要性.此时单一种类矿热炉负荷(ARC1、ARC2、ARC3)控制与本文电解铝负荷(AL1、AL2、AL3)和矿热炉负荷(ARC1、ARC2、ARC3)协调控制的控制效果如图12所示.图12(a)为两种控制策略下AL1的η_SOE变化曲线,图12(b)为两种控制策略下联络线功率平滑效果.

图12

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图12 ARC1的控制指令和响应情况

Fig.12 Control instructions and system responses of ARC1

由图12(a)可见,当采取单一矿热炉负荷控制时,在2:40—6:45期间,矿热炉负荷ARC1生产设备温度指标η_SOE=0.5,矿热炉长时间在温度边界值1 600 ℃下运行,严重影响炉顶传热以及工业生产效率.同时,由图12(b)可知,此时由于温度上下限约束,矿热炉负荷ARC1调节容量不足,工业负荷无法准确跟踪控制目标.

当采用协调控制策略时,矿热炉负荷ARC1生产设备温度指标均集中在一条窄带内,各工业负荷的η_SOE均未越限,即各工业负荷都保持在的适宜状态对生产的影响较小.同时,由图12(b)可知,在仿真日工业负荷均能准确跟踪控制目标.

由图12(c)可知,仿真初期,ARC1初始温度较高,矿热炉负荷有功调节量为负值,矿热炉温度降低,矿热炉温度迅速恢复至额定值,电弧静态电阻也随之恢复.随后,ARC1参与风电功率波动平抑,当采用本文控制策略时,矿热炉负荷ARC1的静态电阻集中在一条窄带内,电极升降幅度较小,有利于维持矿热炉内电弧燃烧,在一定程度上保障了生产安全.

3.6 不同滤波时间常数的影响

滤波时间常数τ的大小反映了控制中心对联络线功率平滑程度的需求.该值越大,平抑效果越好,但对工业负荷可调功率需求越大.本文算例中τ=1.6 s,另取τ=0.5 s和τ=5 s,联络线平滑效果如图13所示.由图13可见,当τ=1.6 s和τ=5 s时,两者的10 min 波动率相当,当τ=5 s时,对低频波动有进一步的平抑作用.综上可见,工业负荷具有较强的平抑联络线功率波动的能力,滤波时间常数建议不低于1.6 s.

图13

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图13 不同时间常数的平滑效果

Fig.13 Smoothing effects at different time constants

3.7 不同控制周期的影响

在基本算例中,控制周期Δt=30 s,另取Δt=1 min、Δt=2 min,定义联络线功率波动率为

(25)

\begin{matrix} R (t) = (P_{g} (t) - P_{g L P F} (t)) / P_{g L P F} (t) \end{matrix}

不同控制周期响应效果如图14所示.不同控制周期下的联络线功率平滑效果如图14(a)、14(b)所示,不同控制周期下的波动率如图14(c)所示.可见,控制周期对平滑效果有明显的影响,当Δt=30 s时,波动率低于0.1%,且随着控制周期增加,波动率增加.然而,依据采样定理,本控制系统无法反映周期小于2Δt的高频波动.兼顾平滑效果和控制代价,控制周期建议选择Δt=30 s.

图14

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图14 不同控制周期响应效果

Fig.14 System responses of different control period

4 结论

在以新能源为主体的新型电力系统背景下,为提升电网调控灵活性,促进新能源大规模消纳,充分利用利用高载能负荷电解铝、矿热炉优良的可调特性消纳工业园区新能源是促进能源结构“绿色低碳”的有效途径.因此,提出考虑生产安全的工业园区联络线功率平滑策略,仿真结果验证了本文所提方法及模型的正确性和有效性:

(1) 提出了生产设备温度指标模型和惩罚成本模型,将新能源场站联络线功率偏差作为反馈信号引入电解铝和矿热炉负荷的闭环反馈控制系统,并通过工业负荷η_SOE不断修正其功率偏差反馈系数,使其能自动、快速且连续地响应新能源功率波动变化,有效保证了各类型工业负荷生产温度维持在适宜状态,充分保障了工业负荷生产用电安全.

(2) 针对工业园区典型负荷如电解铝、矿热炉等,提出了一种多类型工业负荷协调优化控制策略,以能实时参与调控的典型工业负荷对生产的影响最小为目标函数,考虑典型工业负荷生产安全边界,滚动优化各工业负荷功率偏差反馈系数,实现多负荷协调,并通过算例仿真证明了本文所提控制策略的优越性,既能将工业负荷η_SOE维持在一条窄宽带内,也能将联络线功率波动维持在较低水平,极大地减少了工业园区容量电费.

(3) 本文所提的控制策略极大地发挥了工业园区大容量、高耗能工业负荷的调节潜力,成为工业园区又一种联络线功率稳定控制手段,但也存在不足:① 工业生产具有季节性,当部分工业负荷暂停生产时,工业园区调节容量不足,当风电功率长时间大尺度波动时,联络线功率跟踪控制效果可能存在误差;② 如何根据工业负荷生产运行状态和有功功率调节量制定合理的激励措施,如何吸引工业用户主动参与园区联络线功率波动控制,值得进一步深入探索.以上问题将是未来工作的研究重点.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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黄雨涵, 丁涛, 李雨婷, 等.

碳中和背景下能源低碳化技术综述及对新型电力系统发展的启示

[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41(Sup.1): 28-51.