面向復合材料生產(chǎn)工序的可調(diào)負荷需求響應策略研究

朱宇超，甘春江，陳 堃，齊 路，石 可，李曉東，趙錫正，滕國鈞

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 南京供電分公司，南京 210000）

0 引言

近年來，我國用電需求保持較快增長，用電峰谷差逐年上升，季節(jié)性電力緊缺頻有出現(xiàn)，特別是新冠疫情爆發(fā)后，我國經(jīng)濟持續(xù)恢復穩(wěn)定，全社會用電量持續(xù)增長，2021年1—8月，全社會用電量累計54 704億kWh，同比增長13.8%，其中工業(yè)用電量36 529億kWh，同比增長13.1%。

電力需求響應是指電力市場價格明顯升高（降低）或系統(tǒng)安全可靠性存在風險時，電力用戶根據(jù)價格信號或激勵措施，改變其用電行為，減少（增加）用電，從而促進電力供需平衡，保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行［1］。

隨著高比例清潔電能逐步接入電網(wǎng)，增加了電網(wǎng)調(diào)峰壓力，對保障大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，快速應急響應能力提出了更高要求。

（1）需求響應研究現(xiàn)狀

歐美電力市場目前是世界上實時需求響應項目最多、種類最齊全的，其工業(yè)用戶能夠針對價格或激勵響應信號快速做出響應。日本2014年底實施自動需求響應實證試驗［2—3］。

自2013年我國開展電力需求響應城市綜合試點建設以來，上海、北京、江蘇、佛山等地陸續(xù)開展了需求響應探索工作［4］。2015年7—8月之間，佛山市實施首次電力需求響應，通過電力需求側(cè)管理平臺組織33家商業(yè)用戶及3家電能服務商參加了需求響應事件，邀約負荷為4萬kW，實際負荷削減量達到4.2萬kW。2015年8月4日14:30至15:00，江蘇省成功實施了首次全省范圍的電力需求響應，邀約負荷162.74萬kW，實際減少負荷165.77萬kW，圓滿實現(xiàn)了響應目標［5］。

我國在居民用戶和商業(yè)用戶領域已經(jīng)取得了階段性成績和實踐經(jīng)驗［6］；逐漸形成了政府主導，電網(wǎng)公司、負荷集成商廣泛支持參與，系統(tǒng)性整合負荷資源，用戶主動參與需求響應的工作體系。

（2）工業(yè)企業(yè)需求響應意義

由于工業(yè)企業(yè)需求響應資源的多樣性和復雜性，我國在工業(yè)用戶側(cè)需求響應仍處于探索階段。我國工業(yè)企業(yè)用電量占社會總電量的2/3以上，工業(yè)生產(chǎn)對能源供應可靠性要求很高，能源供應直接關系到企業(yè)的經(jīng)濟效益［7—8］。目前，工業(yè)企業(yè)廣泛開展分布式光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)建設，工業(yè)4.0推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，具備較好的需求響應潛力。另外，工業(yè)企業(yè)首當其沖，在面臨電力缺口時是優(yōu)先拉閘限電群體。

在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，工業(yè)企業(yè)需要提前謀劃布局，盡快完成生產(chǎn)工序的升級轉(zhuǎn)型，探索與能源變革相適應的生產(chǎn)管理方式。通過研究面向生產(chǎn)工序的可調(diào)負荷自動需求響應策略，應用多能互補、柔性生產(chǎn)和信息化技術(shù)，可提高電能精細化管理水平；通過主動開展需求響應，可緩解電網(wǎng)運行壓力、保障工業(yè)生產(chǎn)、優(yōu)化能源配置，具有十分重大的意義［9—10］。

1 復合材料工業(yè)可調(diào)潛力分析

1.1 復合材料工業(yè)可調(diào)負荷分析

復合材料工業(yè)主要生產(chǎn)各類工業(yè)用復合膜包裝袋，生產(chǎn)工序有吹膜、印刷、復合、分切和制袋，復合材料生產(chǎn)工序可調(diào)負荷分析示意圖如圖1所示。

圖1 復合材料工序可調(diào)負荷分析示意圖Fig.1 Diagram of adjustable load in composite material industry’s process

1.1.1 吹膜工序

吹膜工序包含上料-物料塑化擠出-吹脹牽引-風環(huán)冷卻-人字夾板-牽引輥牽引-電暈處理-薄膜收卷這幾個步驟。吹塑薄膜生產(chǎn)過程中，必須保證螺桿加熱、牽引、壓縮空氣和冷卻系統(tǒng)正常供電。該工序生產(chǎn)過程電源中斷會造成較大損失，其負荷不能作為日內(nèi)和實時需求響應調(diào)控資源，只能作為日前需求響應資源參與調(diào)控。

1.1.2 復合工序

復合工序是將兩種或者兩種以上的薄膜材料通過涂布、壓合烘干后結(jié)合在一起并卷繞成盤狀（或分切成片狀）的一種膜材料復合裝置，工藝流程主要有放卷-上膠涂布-預干燥-復合-烘干-卷繞-分切-成品。復合工藝主要用能是輥輪動力、壓縮空氣、加熱烘干和機械排風，以卷為單位，每卷生產(chǎn)周期大約5 min，可參與日中和分鐘級需求響應調(diào)控。

1.1.3 印刷工序

印刷工序包括放卷-多次彩印-多次烘干-收卷，以及為包裝袋印刷圖文信息。印刷工藝主要用能是輥輪動力、壓縮空氣、加熱烘干和機械排風，以卷為單位，每卷生產(chǎn)周期大約5 min，除了影響產(chǎn)能，沒有其他損失，可參與日中和分鐘級需求響應調(diào)控。

1.1.4 輔助工序

經(jīng)過復合的塑料薄膜制品，再經(jīng)過分切、制袋和包裝生產(chǎn)線，即可制成塑料復合袋成品。這些工藝主要消耗的能源是電力和壓縮空氣，均為可中斷負荷，可以參與實時需求響應調(diào)控。

1.1.5 其他工藝

復合材料生產(chǎn)用到空壓機、中央空調(diào)、揮發(fā)性有機化合物（volatile organic compound，VOC）處理機等設備，其中，空壓機常年運行，其負荷跟隨產(chǎn)能變化，自動調(diào)節(jié)出氣量；中央空調(diào)屬于季節(jié)性負荷，當夏季室外溫度超過35℃，需要開啟；VOC處理機是環(huán)保要求配置的有毒有害氣體處理設備，其運行必須與復合、印刷工藝聯(lián)動運行。壓縮機、制冷機和VOC處理機可以作為日前需求響應資源。

1.2 復合材料工業(yè)可調(diào)潛力模型分析

本文以江蘇某復合材料生產(chǎn)企業(yè)為研究對象，分析典型復合材料生產(chǎn)工藝設備的可調(diào)負荷需求響應潛力。企業(yè)自建有一座10 kV的變配電房，報裝容量為2 MVA，年用電量625萬kWh，年最高用電日的最大負荷約1 800 kW。企業(yè)主要產(chǎn)品是各類工業(yè)用復合膜及包裝袋，在生產(chǎn)過程中主要用到吹膜機、復合機、彩印機、制袋機、空壓機等機械設備和空調(diào)、烘干機、冷水機、換氣設備和VOC處理機等輔助設備。

復合材料工業(yè)可調(diào)負荷潛力計算模型為

式中：Ptotal為用戶可調(diào)負荷總潛力；ki為i工序的可調(diào)潛力系數(shù)，即該工序可調(diào)負荷與該工序運行負荷的比值；Pi為i工序運行負荷，可通過能耗在線監(jiān)測獲取；Pti為i工序可調(diào)負荷；αi,j為i工序中第j臺設備的上載率，可根據(jù)工序設備運行狀態(tài)、工作模式確定；為i工序中第j臺設備的額定功率。

企業(yè)某生產(chǎn)模式下各工序的可中斷負荷潛力計算數(shù)據(jù)見表1。其中，吹膜工序用電功率645 kW，占總生產(chǎn)負荷的35.7%，為24 h連續(xù)生產(chǎn)，用電負荷主要是吹膜機、電加熱和送排風機，是企業(yè)最重要的生產(chǎn)線，為不可中斷負荷；印刷工序用電功率349kW，占總生產(chǎn)負荷的19.3%，主要用電負荷是印刷機、電加熱和送排風機，其中印刷機和電加熱為可中斷負荷，可中斷時間1～4h，可實現(xiàn)分鐘級調(diào)控，響應時間1～5 min；復合工序用電功率415kW，占總生產(chǎn)負荷的23%，主要用電負荷是復合機、熟化和送排風機，其中復合機和熟化為可中斷負荷，可中斷時間1～4h，可實時調(diào)控，響應時間1～5min；其他工序主要是制袋、切邊等設備，均為實時可調(diào)負荷，可中斷時間1～4 h，響應時間小于1 min；動力和環(huán)保設備均為不可中斷負荷。

表1 工業(yè)用戶主要工序可中斷負荷潛力分析表Table 1 Interruptible load’s potential analysis table of main process for industrial users

2 工業(yè)用戶需求響應調(diào)控系統(tǒng)與需求響應策略

2.1 工業(yè)用戶需求響應調(diào)控系統(tǒng)

工業(yè)用戶需求響應調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示，包含4層架構(gòu)，分別是：① 主站層，主要包括一個數(shù)據(jù)中心、3大業(yè)務系統(tǒng)，即自動需求響應數(shù)據(jù)中心、負荷調(diào)控系統(tǒng)、響應效果評價系統(tǒng)和交易系統(tǒng)；② 分站層，主要包括用能監(jiān)測、能耗分析、能效評估、智能監(jiān)控、負荷聚合、潛力預測、策略管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計；③ 網(wǎng)絡層，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)、專網(wǎng)、4G/5G等多種方式實時雙向傳輸和解析；④ 用戶層，通過具有邊緣運算能力的用戶信息物理系統(tǒng)（cyber physical system，CPS）系統(tǒng)與工廠建筑能源管理系統(tǒng)（building energy management system，BEMS）對接，實現(xiàn)工業(yè)可調(diào)負荷自動需求響應。

圖2 工業(yè)用戶需求響應調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System architecture of industrial users’demand response control

2.2 復合材料生產(chǎn)用戶需求響應調(diào)控策略

企業(yè)用戶CPS系統(tǒng)通過與BEMS對接，實時獲取生產(chǎn)計劃、工藝設備運行參數(shù)和能耗信息，通過嵌入式算法實現(xiàn)可調(diào)負荷潛力預測并實時上報需求響應平臺，同時接受和解析需求響應平臺下發(fā)的調(diào)控事件，并將解析后的調(diào)控指令分解給BEMS系統(tǒng)，工廠BEMS系統(tǒng)收到的指令為響應起始時間、結(jié)束時間、停運的生產(chǎn)設備編號。工廠BEMS系統(tǒng)根據(jù)指令調(diào)整生產(chǎn)計劃，在響應時間內(nèi)關?？芍袛嘭摵?，實現(xiàn)短期（日前/日中）、實時（分鐘級）需求響應。需求響應調(diào)控流程如圖3所示。

圖3 復合材料生產(chǎn)用戶需求響應調(diào)控流程Fig.3 Demand response control process for composite material production users

本節(jié)主要分析電力價格激勵型和有序用電中的移峰填谷型兩種場景的需求響應調(diào)控策略。其中，價格激勵型調(diào)控優(yōu)化目標為企業(yè)生產(chǎn)成本最低。假定企業(yè)單位生產(chǎn)能耗量W為定值；工業(yè)企業(yè)電能價格分為峰時電價Sf、平時電價Sp、谷時電價Sg；峰時單件人工成本Hf、平時單件人工成本Hp、谷時單價人工成本Hg；其他單件生產(chǎn)成本為定值β，則考慮能源價格下生產(chǎn)成本模型為

式中：M1為峰時生產(chǎn)成本；M2為平時生產(chǎn)成本；M3為谷時生產(chǎn)成本；約束條件是單日生成產(chǎn)品數(shù)量總和N1+N2+N3為定值；Mtotal為日總生產(chǎn)成本；N1為峰時產(chǎn)量；N2為平時產(chǎn)量；N3為谷時產(chǎn)量。

移峰填谷型需求響應是主要用于政府在執(zhí)行有序用電情況下的調(diào)控策略，其主要任務是調(diào)控容量和響應時間必須滿足上級需求響應平臺要求，保證電網(wǎng)運行安全，不觸發(fā)拉閘限電要求。實時性和調(diào)控精準度是移峰填谷的主要目標。

2.3 需求響應調(diào)控實施效果

（1）價格激勵型需求響應算例分析

假設企業(yè)產(chǎn)能為每天10 000件，能耗指標為1.6kWh/件，峰平谷電價分別是2.75元/kWh，1.60元/kWh，0.67元/kWh。對應時間段的人工成本14.8元/件，平時人工15.2元/件，谷時人工15.8元/件，其他成本8.0元/件。約束條件是峰時產(chǎn)能6 000件，平時和谷時產(chǎn)能4 000件。無電價激勵的企業(yè)的生產(chǎn)計劃如表2所示，峰時安排飽和生產(chǎn)，平時和谷時安排非飽和生產(chǎn)，日生產(chǎn)成本252 182元。實施價格激勵后，企業(yè)調(diào)整生產(chǎn)計劃如表3所示，平谷時安排飽和生產(chǎn)，峰時降低產(chǎn)能，日生產(chǎn)成本下降為248 184元。算例表明，考慮價格激勵因數(shù)下，企業(yè)通過轉(zhuǎn)移峰時產(chǎn)能，日可降低生產(chǎn)成本3 998元，轉(zhuǎn)移峰時負荷800 kW。

表2 無電價激勵生產(chǎn)成本統(tǒng)計表Table 2 Production cost statistics without price incentives

表3 價格激勵下考慮電價激勵生產(chǎn)成本統(tǒng)計表Table 3 Production cost statistics with price incentives

（2）應急響應需求響應算例分析

電網(wǎng)執(zhí)行有序用電管理，削峰填谷調(diào)控強制機制下，考慮電網(wǎng)穩(wěn)定和降低企業(yè)的生產(chǎn)秩序，不造成嚴重影響下，需求響應調(diào)控只針對用戶可中斷生產(chǎn)負荷進行調(diào)控，需求響應調(diào)控時間1～4 h，企業(yè)的響應策略如表4所示。

表4 需求響應策略表Table 4 Strategy table of demand response

在不影響企業(yè)日生產(chǎn)的情況下實現(xiàn)自動需求響應，本次最大需求響應負荷764 kW，占用戶日最大運行負荷的42.3%，BEMS系統(tǒng)在響應事件后恢復生產(chǎn)。用戶當日的運行負荷曲線如圖4所示。

圖4 用戶需求響應調(diào)控負荷曲線Fig.4 Load curve of users’demand response regulation

3 結(jié)束語

本次針對復合材料工業(yè)企業(yè)的自動需求響應調(diào)控策略是在充分研究企業(yè)生產(chǎn)工序，最大化降低有序用電對企業(yè)產(chǎn)能影響下，制定的較為優(yōu)化的需求響應調(diào)控策略，適用于電力缺口未觸發(fā)拉閘限電時，通過需求響應調(diào)控平臺實現(xiàn)工業(yè)可中斷負荷自動需求響應，切除對生產(chǎn)經(jīng)營影響較小的負荷，保證企業(yè)的重要生產(chǎn)工序。

本次需求響應調(diào)控策略考慮電價激勵因數(shù)，通過優(yōu)化生產(chǎn)計劃，轉(zhuǎn)移峰時產(chǎn)能，降低工業(yè)企業(yè)綜合生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)營效益。未來隨著科技的進步，以及電力市場化機制的完善，輔助調(diào)控市場會更加公開透明。通過激勵措施和電價優(yōu)惠等措施鼓勵更多的工業(yè)用戶參與自動需求響應業(yè)務，從而促進電力市場良性發(fā)展，充分發(fā)揮價格杠桿作用，調(diào)動需求側(cè)資源合理配置，實現(xiàn)政府、能源企業(yè)、用戶和環(huán)境多方共贏。