利用電解鋁負(fù)荷保證云南電網(wǎng)源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)的工作思路

李玲芳

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究中心，昆明 650011）

0 前言

云南電網(wǎng)作為南方電網(wǎng)“西電東送”主要電力輸出省網(wǎng)，于2016年實(shí)施了與南方主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)方式運(yùn)行。從2020年電網(wǎng)發(fā)展情況看：云電外送通道已發(fā)展為10回直流輸電線路，外送電力超過省內(nèi)負(fù)荷總量；全省裝機(jī)容量接近1億千瓦，其中清潔能源（風(fēng)、光、水）占比遠(yuǎn)超70%，且規(guī)劃容量還在進(jìn)一步增長；電網(wǎng)側(cè)加大了網(wǎng)架加強(qiáng)的建設(shè)力度和工程進(jìn)度，進(jìn)一步完善各區(qū)域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合送電需求配置了串補(bǔ)、STATCOM等設(shè)備，不少電力電子設(shè)備在電網(wǎng)得到了應(yīng)用；隨著省政府發(fā)展水電鋁、水電硅政策的實(shí)施，全省用電負(fù)荷迅猛增長，一批電解鋁、電解硅等高載能產(chǎn)業(yè)在省內(nèi)相繼落地，預(yù)計(jì)“十四五”期間僅電解鋁產(chǎn)業(yè)就將新增500多萬噸，用電負(fù)荷接近全省負(fù)荷的三分之一?？傊颇想娋W(wǎng)明顯呈現(xiàn)西電東送占比高、清潔能源占比高、單一大用戶負(fù)荷占比高、電力電子設(shè)備占比高以及單一元件風(fēng)險(xiǎn)等級高的“五高”特性。

在此背景條件下，電網(wǎng)安全穩(wěn)定及風(fēng)險(xiǎn)防控要求進(jìn)一步提升，“網(wǎng)源荷”的協(xié)調(diào)發(fā)展與控制來保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。對于云南電網(wǎng)，在“機(jī)網(wǎng)”協(xié)調(diào)方面已經(jīng)開展了大量工作，包括：規(guī)范電源并網(wǎng)運(yùn)行管理、優(yōu)化機(jī)組調(diào)控能力研究與應(yīng)用、加強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)完善、嚴(yán)格設(shè)置三道安全防線等等，全面挖掘電網(wǎng)與電源協(xié)調(diào)控制能力，提升電網(wǎng)的承載度，但對于用戶，則始終秉承全力保障電力供應(yīng)的宗旨，未提出具體控制要求。

本文結(jié)合電解鋁大用戶接入對電網(wǎng)的影響，對大用戶參與云南“五高”電網(wǎng)源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)的必要性進(jìn)行分析，并對具體的技術(shù)要求進(jìn)行探討，為推進(jìn)云南源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)水平的提升提供一定的技術(shù)思路。

1 電解鋁負(fù)荷防范電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析

隨著云南電網(wǎng)“五高”特性的顯現(xiàn)，電源側(cè)風(fēng)電、光伏等“可調(diào)性差”電源的增長、電網(wǎng)側(cè)電力電子“脆弱化”設(shè)備的增加，以及負(fù)荷側(cè)“不可控”大容量負(fù)荷的并入，在異步運(yùn)行、大外送特性發(fā)展過程中[1]，僅僅依靠電網(wǎng)與電源的協(xié)調(diào)已不能滿足對電網(wǎng)及用戶的安全保障。特別是電解鋁等大用戶的不斷并網(wǎng)和集中供電后，如果負(fù)荷側(cè)不參與電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)防控，就電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)來說，將無法滿足系統(tǒng)調(diào)控要求，電網(wǎng)將面臨調(diào)控手段不足，甚至安全防線失守的問題。因此，大用戶參與電網(wǎng)調(diào)控及風(fēng)險(xiǎn)防控的源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)，將進(jìn)一步提升電網(wǎng)運(yùn)行安全水平，保障用戶生產(chǎn)的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

1.1 電解鋁等用戶的負(fù)荷特性是外送高占比電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)防控的基礎(chǔ)

云南電網(wǎng)電力外送的十回直流（包括：昆柳龍、牛從直流、楚穗、普僑、新東、金中、永富、魯西、祿高肇），外送能力總量已達(dá)到4160萬千瓦，超過云南省內(nèi)負(fù)荷水平。對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制來說，一旦發(fā)生直流閉鎖故障，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問題十分突出。典型大、小方式下，如果外送500萬千瓦的直流（楚穗、普僑或新東直流）發(fā)生單極閉鎖，系統(tǒng)頻率將達(dá)到50.57赫茲，雙極閉鎖故障系統(tǒng)頻率將達(dá)到51.21赫茲以上。如果閉鎖的直流容量更大，如昆柳龍三端直流，則系統(tǒng)頻率問題更為突出。因此，電網(wǎng)需要針對不同送電容量的直流故障風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)置必要的切機(jī)措施，并考慮多回直流的相互影響而配置高頻切機(jī)措施。而事故后控制措施實(shí)施的有效性，又與電網(wǎng)電源側(cè)機(jī)組的調(diào)控能力、負(fù)荷側(cè)的頻率響應(yīng)特性關(guān)系較大。作為系統(tǒng)負(fù)荷占比較高的電解鋁，其負(fù)荷的頻率特性，以及隨網(wǎng)波動的調(diào)控能力，將對抑制電網(wǎng)頻率越限發(fā)揮重要作用。如果在系統(tǒng)頻率正常波動過程中以及在事故情況下，電解鋁等大用戶能參與系統(tǒng)平衡與調(diào)控，將有效降低對電源側(cè)的調(diào)控壓力，提升電網(wǎng)頻率質(zhì)量，促進(jìn)網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)水平。

1.2 電解鋁負(fù)荷的主動參與有利于改善新能源高占比電網(wǎng)的波動性影響

2020年末云南電網(wǎng)可再生能源裝機(jī)占比已接近全省總裝機(jī)的85%，“十四五”期間電網(wǎng)風(fēng)電及光伏裝機(jī)規(guī)模將進(jìn)一步增長，云南電網(wǎng)的新能源高占比名副其實(shí)。但對于電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制來說，新能源高占比對電網(wǎng)穩(wěn)定又存在不利影響。對于異步運(yùn)行的云南電網(wǎng)，高占比新能源出力的波動性，將增加電網(wǎng)日常頻率調(diào)控難度，系統(tǒng)頻率越限風(fēng)險(xiǎn)加大[2]。同時(shí)，系統(tǒng)功率預(yù)測技術(shù)水平短時(shí)間內(nèi)無法適應(yīng)新能源出力的波動性和間歇性要求，納入電力電量平衡精準(zhǔn)度不足，電網(wǎng)運(yùn)行需要傳統(tǒng)電源高比例備用。而且風(fēng)電光伏等新能源高占比電力系統(tǒng)受到故障擾動后，穩(wěn)定問題十分突出，新能源機(jī)組在功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定以及頻率穩(wěn)定過程中的穿越特性，對系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的能力影響較大，嚴(yán)重影響電網(wǎng)抵御事故擾動的能力。因此，新能源高占比電網(wǎng)，網(wǎng)源協(xié)調(diào)的空間已經(jīng)受到限制，而負(fù)荷側(cè)參與協(xié)調(diào)，并主動提供輔助支持的能力，必將對提升電網(wǎng)運(yùn)行安全性、靈活性發(fā)揮重要作用。

1.3 電解鋁等負(fù)荷的可控性有利于提升單一大用戶并網(wǎng)的自適應(yīng)能力

電解鋁用戶作為高載能負(fù)荷，單一系列的負(fù)荷就達(dá)到40～70萬千瓦，而通常是多個(gè)系列集中接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)的運(yùn)行控制及風(fēng)險(xiǎn)防控造成較大影響。單一負(fù)荷較大且相對集中接入，如云南文山電網(wǎng)，對局部電網(wǎng)供電造成較大壓力，主要送電斷面壓極限運(yùn)行問題凸顯，故障后斷面過載、電網(wǎng)失穩(wěn)問題十分突出；而且由于負(fù)荷量較大，一旦發(fā)生N-1故障用戶失電，極易導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)電力安全事故等級升高；同時(shí)，在系統(tǒng)發(fā)生故障需要采取切負(fù)荷措施時(shí)，單一大容量負(fù)荷的切除極易導(dǎo)致控制措施“過切”而擴(kuò)大事故影響。

為保障電網(wǎng)及用戶的運(yùn)行安全，有必要挖掘電解鋁大用戶負(fù)荷的可控、可調(diào)能力，為電網(wǎng)運(yùn)行、控制以及故障情況下的緊急控制提供必要條件，保障電網(wǎng)安全防線構(gòu)建的可行性，提升電網(wǎng)及用戶的運(yùn)行安全水平。

1.4 電解鋁大用戶的穩(wěn)定性有利于保障電力電子設(shè)備高占比電網(wǎng)的安全性

多直流輸電、風(fēng)電光伏等新能源高占比電網(wǎng)的另一特點(diǎn)，就是電力電子設(shè)備占比高。大量電力電子設(shè)備的應(yīng)用，給電網(wǎng)安全帶來挑戰(zhàn)。其中，電力電子設(shè)備自身的動態(tài)及與交直流電網(wǎng)的作用，容易引發(fā)復(fù)雜的振蕩問題，特別是接入電網(wǎng)末端的風(fēng)場、光伏場之間以及他們與同步發(fā)電機(jī)群間和直流的動態(tài)耦合過程更加復(fù)雜，極端工況下容易出現(xiàn)振蕩，進(jìn)而對電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來影響。同時(shí)電力電子設(shè)備的耐壓、耐流能力相對較低，在電網(wǎng)事故擾動下，與之相關(guān)的新能源穿越能力不足，發(fā)生大面積脫網(wǎng)后極易引發(fā)電網(wǎng)頻率、熱穩(wěn)等穩(wěn)定問題[3]?，F(xiàn)階段新能源發(fā)電核心部分的可控元器件在設(shè)計(jì)、選材階段主要考慮經(jīng)濟(jì)性因素，變流器耐壓、耐流能力有限，運(yùn)行裕度較小。

通過負(fù)荷側(cè)用電特性研究，結(jié)合電網(wǎng)調(diào)控需求，改善或改進(jìn)負(fù)荷側(cè)以及電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制要求，降低負(fù)荷側(cè)用戶特別是高占比電解鋁用戶，因自身（定值整定等）或電網(wǎng)側(cè)調(diào)控不協(xié)調(diào)等原因?qū)е麓罅繜o序脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

1.5 電解鋁負(fù)荷的可調(diào)性有利于改善電網(wǎng)單一故障高風(fēng)險(xiǎn)問題

從“五高”電網(wǎng)特性分析可以看出，單一故障對云南異步運(yùn)行電網(wǎng)的影響較大，直流大外送的單極（單回）閉鎖、電解鋁大用戶的失電、集供電區(qū)域斷面故障等單一故障，都將引發(fā)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問題、供電受限問題，而發(fā)生開關(guān)、保護(hù)以及穩(wěn)控系統(tǒng)的拒動，電網(wǎng)還面臨失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

在電網(wǎng)緊急狀態(tài)下，需依賴于電網(wǎng)二、三道安全防線進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防控，包括電網(wǎng)第二道安全防線將通過穩(wěn)控系統(tǒng)采取切機(jī)、切負(fù)荷措施，電網(wǎng)第三道安全防線將通過電網(wǎng)低頻、低壓減載，高頻切機(jī)等措施，防范事故擴(kuò)大或系統(tǒng)失穩(wěn)。隨著電解鋁大負(fù)荷的不斷增長導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)供電壓力的增加，事故情況下切負(fù)荷措施將會成為主要實(shí)施方案，而負(fù)荷側(cè)“分級可切”的能力是保障安全防線的可靠性的重要條件，如果負(fù)荷側(cè)不參與安全防控，則電網(wǎng)面臨防線失守導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)較大。

2 電解鋁負(fù)荷參與源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)可行性

2.1 電解鋁負(fù)荷用電特點(diǎn)

電解鋁用戶的生產(chǎn)設(shè)備主要由整流變壓器、整流設(shè)備、電解槽組成，電解鋁的電化學(xué)反應(yīng)需要強(qiáng)大的直流電，其整流方式，主要是晶閘管整流以及飽和電抗器+二極管整流兩種[4]，其中：晶閘管整流，可由調(diào)壓變壓器粗調(diào)并通過控制晶閘管進(jìn)行細(xì)調(diào)，具有功率調(diào)節(jié)速度快但調(diào)節(jié)幅度有限的特點(diǎn)。二極管整流則先由調(diào)壓變對電流進(jìn)行粗調(diào)，再由自飽和電抗器對電流進(jìn)行細(xì)調(diào)。受運(yùn)行成本等因素影響，電解鋁用戶多采用二極管整流方式。

電解鋁用戶的內(nèi)部控制分為大閉環(huán)控制和小閉環(huán)控制。大閉環(huán)控制以保證整個(gè)系列電流恒定為目標(biāo)；小閉環(huán)控制則以保證單整流變電流穩(wěn)定。大閉環(huán)控制可以保證鋁廠總電流恒定，如果發(fā)生整流變退運(yùn)，可按總電流控制要求將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其余整流變，保證總產(chǎn)量穩(wěn)定性，小閉環(huán)控制則是以單個(gè)整流變?yōu)榭刂颇繕?biāo)，不會出現(xiàn)相互間的轉(zhuǎn)移的問題。但是，大閉環(huán)存在負(fù)荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致其余整流變過載的擴(kuò)大事故風(fēng)險(xiǎn)，小閉環(huán)又因控制目標(biāo)復(fù)雜總產(chǎn)量不穩(wěn)定等問題而不被廣泛采用。

2.2 電解鋁用戶參與源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)的技術(shù)要求

電解鋁大用戶并入電網(wǎng)后應(yīng)加強(qiáng)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制與響應(yīng)技術(shù)研究，以提升系統(tǒng)的源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)水平，包括：

1）加強(qiáng)負(fù)荷的頻率響應(yīng)能力技術(shù)研究，提升并網(wǎng)運(yùn)行電網(wǎng)頻率調(diào)控質(zhì)量。

2）加強(qiáng)負(fù)荷可控技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的分級控制，參與電網(wǎng)安全防控方案實(shí)施，提升電網(wǎng)緊急控制安全水平。

3）開展低功率運(yùn)行技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷安全運(yùn)行控制，保障電網(wǎng)及用戶設(shè)備安全。

2.3 電解鋁大負(fù)荷參與源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)的應(yīng)用場景

1）針對云南異步運(yùn)行電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問題，應(yīng)關(guān)注電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下的頻率控制要求及故障擾動下的緊急控制要求。由于新能源等高占比導(dǎo)致電網(wǎng)慣性水平的降低，以及新能源出力波動性，正常運(yùn)行方式下電網(wǎng)頻率質(zhì)量的調(diào)控難度也相應(yīng)提升，電解鋁等大用戶，必須具備一定的負(fù)荷調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)日常頻率快速跟蹤并調(diào)整負(fù)荷的能力；其次，在電網(wǎng)故障擾動情況下，出現(xiàn)頻率快速越限過程中，電解鋁等大用戶應(yīng)能及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)穩(wěn)控要求，切除相應(yīng)的負(fù)荷量，抑制電網(wǎng)頻率質(zhì)量。

2）對于局部電網(wǎng)存在的供電斷面壓極限問題，一方面電解鋁大用戶應(yīng)能響應(yīng)電網(wǎng)事故擾動下送電斷面過載需緊急采取切負(fù)荷措施要求，及時(shí)壓減負(fù)荷量的能力。另一方面，考慮到相關(guān)設(shè)備異?；蚬收贤＿\(yùn)檢修的長期性，電解鋁大用戶應(yīng)具備長時(shí)間低功率運(yùn)行或停運(yùn)能力，用戶側(cè)必須做好相關(guān)措施，在響應(yīng)電網(wǎng)要求的同時(shí)將自身經(jīng)濟(jì)損失降到最低。

3）應(yīng)用場景包括：

a．對于調(diào)節(jié)飽和電抗器，或晶閘管實(shí)現(xiàn)負(fù)荷小量調(diào)節(jié)的能力，可參與異步電網(wǎng)調(diào)頻需求，參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的調(diào)控。

b．對于切除整流變的負(fù)荷控制方式，可以參與電網(wǎng)二、三道防線的構(gòu)建，作為嚴(yán)重故障情況下采取切負(fù)荷的調(diào)控方案。

c．對于調(diào)節(jié)飽和電抗器（或晶閘管）+主變分接頭的控制方式，可以參與系統(tǒng)設(shè)備檢修等需要壓減負(fù)荷的調(diào)控方案。

3 電解鋁負(fù)荷的網(wǎng)荷協(xié)調(diào)措施建議

1）對于云南異步電網(wǎng)頻率調(diào)控：首先應(yīng)關(guān)注電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的頻率調(diào)控手段，在加強(qiáng)電源側(cè)協(xié)調(diào)控制同時(shí)，有必要開展并考慮負(fù)荷側(cè)電解鋁負(fù)荷的頻率響應(yīng)能力及技術(shù)要求，提升電網(wǎng)正常運(yùn)行方式下頻率調(diào)控質(zhì)量。同時(shí)，關(guān)注緊急情況下控制措施要求，在電網(wǎng)發(fā)生故障或異常需要進(jìn)行功率控制時(shí)，電解鋁等大用戶應(yīng)該具備負(fù)荷緊急調(diào)控能力，響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)控需求，參與電網(wǎng)第二道安全防線控制方案（集中切負(fù)荷）、第三道安全防線控制方案（低頻低壓減載），以及緊急拉閘限電控制方案等，提升電網(wǎng)安全的應(yīng)急響應(yīng)能力。

2）對于供電壓力較大的局部電網(wǎng)（熱穩(wěn)問題）：需要考慮相關(guān)送電通道故障跳閘，需要采取緊急控制負(fù)荷措施，如集中切負(fù)荷需求；并且考慮因供電設(shè)備檢修或異常退運(yùn)時(shí)，需要大用戶長期低功率運(yùn)行，或停運(yùn)要求。

3）負(fù)荷量的可控性是大用戶響應(yīng)電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制要求的必備條件，電解鋁大用戶并入電網(wǎng)后應(yīng)加強(qiáng)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制與響應(yīng)技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)：加強(qiáng)負(fù)荷的頻率響應(yīng)能力技術(shù)研究，提升并網(wǎng)運(yùn)行電網(wǎng)頻率調(diào)控質(zhì)量。加強(qiáng)負(fù)荷可控技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的分級控制，參與電網(wǎng)安全防控方案實(shí)施，提升電網(wǎng)緊急控制安全水平。積極開展低功率運(yùn)行技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷安全運(yùn)行控制，保障電網(wǎng)及用戶設(shè)備安全。

4）電網(wǎng)側(cè)在加強(qiáng)源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)的同時(shí)，應(yīng)充分考慮負(fù)荷側(cè)無法響應(yīng)控制要求的應(yīng)對措施，擴(kuò)大可調(diào)、可控對象的協(xié)調(diào)控制力度，保障足夠的調(diào)控資源。同時(shí)，充分研究電解鋁大負(fù)荷源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)響應(yīng)特性對電網(wǎng)安全影響的風(fēng)險(xiǎn)，評估其并網(wǎng)的可行性，并針對存在的問題從網(wǎng)架加強(qiáng)、調(diào)控資源優(yōu)化能力等方面進(jìn)一步加強(qiáng)應(yīng)對措施，必要時(shí)根據(jù)電網(wǎng)承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)及代價(jià)，引入相關(guān)的電價(jià)支持技術(shù)，全方位加強(qiáng)網(wǎng)荷協(xié)調(diào)力度。

5）電解鋁負(fù)荷在開展網(wǎng)荷響應(yīng)調(diào)控技術(shù)研究與實(shí)施過程中，應(yīng)充分考慮調(diào)控措施的實(shí)施對自身設(shè)備及生產(chǎn)線的安全影響，一是做好自身應(yīng)急保安措施，二是結(jié)合生產(chǎn)流程從設(shè)計(jì)工藝等方面研究適應(yīng)網(wǎng)荷協(xié)調(diào)調(diào)控的生產(chǎn)方案及控制流程。

4 結(jié)束語

隨著云南“五高”電網(wǎng)特性的顯現(xiàn)，電網(wǎng)在正常及事故情況下，源隨荷動的調(diào)節(jié)模式已無法保障系統(tǒng)的運(yùn)行安全，隨著波動型新能源電源以及穩(wěn)定型電解鋁等大用戶占比的不斷增長，進(jìn)一步加大了系統(tǒng)源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)的需求，有必要結(jié)合電解鋁等大用戶用電生產(chǎn)特性，挖掘負(fù)荷側(cè)響應(yīng)電網(wǎng)需求的主動調(diào)控能力，提升源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)水平，保障電網(wǎng)及用戶的安全和利益。