周博曦,張國靜,徐家恒,宋 娜
(國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司,山東 濟(jì)南 250002)
近年來,隨著新型電力電子技術(shù)和控制手段的發(fā)展,負(fù)荷特性發(fā)生了根本性變化。一方面,用戶能夠針對市場價格或激勵機(jī)制改變原有電力消費模式,主動參與電網(wǎng)運行控制;另一方面,電動汽車、儲能設(shè)備等具備與電網(wǎng)雙向互動的能力,具備削峰填谷的功能,為電網(wǎng)調(diào)控提供了新的手段[1-2]。負(fù)荷參與電網(wǎng)互動調(diào)度方面的研究成為關(guān)注焦點[2]。文獻(xiàn)[3]提出將高峰時段占比較高的空調(diào)通過需求響應(yīng)納入電力系統(tǒng)調(diào)度中;文獻(xiàn)[4]提出對工業(yè)微網(wǎng)中的可控負(fù)荷實施源荷協(xié)同優(yōu)化調(diào)度;文獻(xiàn)[5]提出樓宇負(fù)荷中可調(diào)度負(fù)荷的最大本地消納模型,實現(xiàn)樓宇能量管理;文獻(xiàn)[6]提出針對熱電廠的日前-實時雙階段優(yōu)化調(diào)度方法,參與電力市場競爭的優(yōu)化調(diào)度;文獻(xiàn)[7]提出改變用電時間或負(fù)荷大小以適應(yīng)電力運營商的需求響應(yīng)策略,從而獲得經(jīng)濟(jì)效益。
需求側(cè)的可調(diào)負(fù)荷可作為削減高峰負(fù)荷、平衡電力供應(yīng)缺口的重要手段,對電力系統(tǒng)運行和控制具有重要作用[8]。為便于管理,將用戶側(cè)可激勵、可中斷負(fù)荷資源建模成可調(diào)負(fù)荷集群,研究規(guī)模化負(fù)荷群控技術(shù)以及互動調(diào)度響應(yīng)技術(shù),實現(xiàn)負(fù)荷的柔性和剛?cè)岵?jì)控制,可為負(fù)荷精細(xì)管理和控制提供保證。對工業(yè)生產(chǎn)、建筑樓宇、居民生活、新興負(fù)荷4種典型負(fù)荷資源的可調(diào)度潛力進(jìn)行分析,建立頻率、運行電壓及運行狀態(tài)3 類供需平衡調(diào)節(jié)控制的判據(jù),提出了分層分區(qū)的負(fù)荷供需協(xié)調(diào)策略,利用可調(diào)負(fù)荷參與虛擬調(diào)峰,從而達(dá)到緩解電網(wǎng)備用容量不足和大容量負(fù)荷缺額的目的。
關(guān)于負(fù)荷特性的研究,已有多種負(fù)荷建模方法:統(tǒng)計綜合法[9]、總體辨識法[10]、故障仿真法[11-12]等。近年來,國內(nèi)用電信息采集和智能互動終端技術(shù)的快速發(fā)展為負(fù)荷特性研究提供了數(shù)據(jù)支撐[13]。經(jīng)過負(fù)荷調(diào)研、數(shù)據(jù)整理和分析、負(fù)荷建模及響應(yīng)能力預(yù)測,同時依托實時采集與在線監(jiān)測技術(shù),對需求側(cè)的工業(yè)負(fù)荷、建筑樓宇、居民生活、新興負(fù)荷4 種負(fù)荷資源開展可調(diào)度潛力研究,為實現(xiàn)用戶側(cè)可調(diào)負(fù)荷協(xié)調(diào)控制奠定基礎(chǔ)。
工業(yè)負(fù)荷在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展用電構(gòu)成中居于首位,約占總用電負(fù)荷的80%。工業(yè)負(fù)荷特性復(fù)雜,不同行業(yè)差異較大,獲取可調(diào)負(fù)荷估算需要對各行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備開展具有針對性的調(diào)研。以鋼鐵行業(yè)為例,鋼鐵行業(yè)電能消耗為主的設(shè)備為電弧爐、精煉爐和軋鋼生產(chǎn)線等,其中軋鋼負(fù)荷約占總負(fù)荷20%,電弧爐負(fù)荷約占總負(fù)荷55%,剩下為輔助生產(chǎn)設(shè)備和辦公設(shè)備。軋鋼機(jī)和電弧爐負(fù)荷特性曲線分別如圖1(a)、圖1(b)所示,其響應(yīng)可調(diào)度潛力如表1 所示。其中,表1 中所描述電弧爐和軋鋼負(fù)荷的供需協(xié)調(diào)方法為:高峰時段功率缺口較大情況時,在征求客戶同意情況下,客戶可在不影響生產(chǎn)情況下短時切除部分生產(chǎn)設(shè)備。該方法可在分鐘級內(nèi)得到響應(yīng),響應(yīng)時長(即調(diào)峰持續(xù)時間)可達(dá)0.5~1.0 h(表1 中直控調(diào)控策略指由直流電源供電的控制、保護(hù)、信號、自動裝置等控制負(fù)荷)。
圖1 鋼鐵行業(yè)負(fù)荷特性曲線
表1 鋼鐵負(fù)荷的可調(diào)度潛力
大型建筑、樓宇和商業(yè)主要負(fù)荷包括空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及部分動力系統(tǒng)等,其中空調(diào)等溫控負(fù)荷數(shù)量巨大,夏季高峰時段可達(dá)負(fù)荷總量的30%~40%,甚至可達(dá)50%。溫控負(fù)荷具備熱存儲能力,適度調(diào)溫或短暫切斷不會對用戶熱舒適度造成明顯的負(fù)面影響??照{(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)產(chǎn)生的影響較小,通過精細(xì)控制,大型商場以及建筑樓宇的空調(diào)負(fù)荷用電在高峰時段可以削峰5%~10%,響應(yīng)時長可達(dá)2 h,部分用電發(fā)達(dá)地區(qū)甚至可以達(dá)到10%~15%,具有巨大的調(diào)峰潛力。以典型的商業(yè)綜合體為例,建筑樓宇負(fù)荷曲線如圖2 所示,其響應(yīng)可調(diào)度潛力如表2 所示??照{(diào)的調(diào)控方式包括調(diào)節(jié)設(shè)定溫度和調(diào)節(jié)功率2 種方式,在功率高峰時段,通過智能控制設(shè)備對空調(diào)實現(xiàn)分鐘級調(diào)節(jié),響應(yīng)時長可達(dá)0.5~2.0 h。
圖2 建筑樓宇負(fù)荷特性曲線
表2 空調(diào)負(fù)荷的可調(diào)度潛力
居民用電負(fù)荷主要負(fù)荷包括照明類負(fù)荷、電視、洗衣機(jī)、廚房等,夏冬兩季用電高峰期間負(fù)荷占比較高,居民負(fù)荷特征曲線如圖3 所示。居民負(fù)荷夏季主要以空調(diào)負(fù)荷為主,冬季主要以電采暖和熱水器負(fù)荷為主,此類負(fù)荷用電特性靈活、短時操作不會對用戶造成較大影響,且容易受到應(yīng)價格信號或激勵機(jī)制引導(dǎo),具有可觀的調(diào)峰潛力,居民可調(diào)節(jié)負(fù)荷方式、調(diào)節(jié)速度與響應(yīng)時長如表3 所示。
圖3 居民負(fù)荷特性曲線
表3 居民負(fù)荷的可調(diào)度潛力
新型負(fù)荷包括電動汽車、儲能及分布式電能。其中電動汽車涵蓋了較大一部分的儲能設(shè)備,因此以電動汽車為例進(jìn)行新型負(fù)荷可調(diào)節(jié)性分析。大量電動汽車并網(wǎng)形成充放電聚合效應(yīng),集中充電效應(yīng)有可能導(dǎo)致電能消耗“峰上加峰”。通過分時電價引導(dǎo)電動汽車充電行為,使電動汽車充電時間盡量選擇在電價較低的電網(wǎng)低谷時段,其負(fù)荷曲線如圖4 所示。
圖4 電動汽車特性曲線
綜上,工業(yè)、樓宇、居民以及部分新型負(fù)荷用電需求靈活可控,是潛在的可調(diào)度資源。據(jù)估算,通過加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)、完善補(bǔ)貼政策和市場交易機(jī)制,未來3~5 年全網(wǎng)可調(diào)負(fù)荷可達(dá)到35 GW;至2030 年,可調(diào)節(jié)負(fù)荷的理論遠(yuǎn)期潛力可達(dá)90 GW。在電網(wǎng)的高峰用電時段,通過可調(diào)負(fù)荷參與虛擬調(diào)峰,可有效緩解電網(wǎng)高峰時段對電力的需求,具有極大的現(xiàn)實意義。
為緩解功率缺額引起的頻率波動,傳統(tǒng)調(diào)解方案采用負(fù)荷快切方式防止系統(tǒng)頻率快速下降[14]。盡管傳統(tǒng)調(diào)解方案短時間能將負(fù)荷控制到位,但由于其為單向剛性調(diào)節(jié)方式,沒有考慮負(fù)荷類型與其可調(diào)節(jié)性,對用戶影響較大。對此,提出一種考慮負(fù)荷可調(diào)性的區(qū)域電網(wǎng)供需協(xié)調(diào)控制方案,利用主動的可調(diào)負(fù)荷資源代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性被切負(fù)荷,降低切負(fù)荷代價。
負(fù)荷參與供需平衡調(diào)節(jié)需求的控制判據(jù)包括3類,分別為頻率、運行電壓與運行狀態(tài)。
1)頻率越限判據(jù)。
當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時,不同負(fù)荷表現(xiàn)出不同的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。文獻(xiàn)[9]給出了負(fù)荷的“功率-頻率”特性為
式中:PLN為系統(tǒng)的額定有功功率;f 為系統(tǒng)頻率;fN為額定頻率;PL為頻率為f 時系統(tǒng)的有功功率;PL*、f*分別為有功功率和系統(tǒng)頻率的標(biāo)幺值,PL*=KL為負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù);αi(i=0,1,…,n)為研究區(qū)域各類可調(diào)負(fù)荷占PLN的比例系數(shù);由于實際很少存在負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)與頻率高次方(≥4 次方)成正比的情況[9],對式(1)進(jìn)行簡化,得到式(2);式(3)中KL用于反映負(fù)荷的調(diào)節(jié)性能,KL越大對負(fù)荷的調(diào)節(jié)性能越好。因此,低頻減載時,為防止頻率下降過多應(yīng)優(yōu)先切除KL小的負(fù)荷,保留大的負(fù)荷,有利于提高系統(tǒng)頻率恢復(fù)水平。
對此,設(shè)定頻率越限門檻值fthr,用于確定電網(wǎng)當(dāng)前頻率和高峰缺功率時啟動低頻減載動作值;當(dāng)實時監(jiān)測頻率ft和頻率變化率滿足ft 其中,K1 2)電壓越限判據(jù)。 根據(jù)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的要求,參照SD 325—1989《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》,對系統(tǒng)的電壓安全水平進(jìn)行評價。當(dāng)系統(tǒng)電壓不符合安全穩(wěn)定要求時,進(jìn)行低壓減載負(fù)荷控制。母線i 電壓安全裕度指標(biāo)計算公式為[14] 式中:UBi為母線i 的電壓幅值;和分別為母線i的電壓上、下限。 設(shè)定區(qū)域電壓越限門檻值Uthr,一般以母線越限電壓為準(zhǔn)。按照“分層分區(qū),就地平衡”原則,當(dāng)UBi 3)設(shè)備運行狀態(tài)越限判據(jù)。 設(shè)備運行狀態(tài)判據(jù)主要指設(shè)備過載運行,過載設(shè)備主要包括線路和變壓器兩種。變壓器或線路等設(shè)備的重要性隨其在電網(wǎng)中所處在的位置、電壓等級等因素而不同,應(yīng)該因地制宜地制定切負(fù)荷措施。線路j 和變壓器m 過載安全裕度指標(biāo)ILj、Spm的定義[14]分別如式(5)和式(6)所示。 式中:Ilj為線路j的電流值;Ilj,lim為線路j的熱穩(wěn)定值;Stm為變壓器m 的視在功率;Stm,lim為變壓器m 的容量。設(shè)置線路過載門檻值Il,thr,用于確定電網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)下的過載線路;設(shè)置變壓器過載門檻值SP,thr,用于確定電網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)的過載變壓器。當(dāng)線路j 滿足ILj 不同地區(qū)或同一地區(qū)不同負(fù)荷構(gòu)成差異是非常大的,對此,制定分層分區(qū)的負(fù)荷供需協(xié)調(diào)策略以提高分區(qū)的適應(yīng)性是非常必要的。根據(jù)電網(wǎng)高峰時段功率缺額引起的頻率波動,獲取各區(qū)頻率、電壓以及設(shè)備運行狀況實時監(jiān)測信息,負(fù)荷的供需協(xié)調(diào)策略按全網(wǎng)協(xié)調(diào)層、子區(qū)控制層和局部控制層進(jìn)行分層,在優(yōu)先考慮系統(tǒng)可調(diào)負(fù)荷的情況下,完成全網(wǎng)、子區(qū)以及若干分區(qū)范圍供需協(xié)調(diào),其基本框架如圖5 所示,控制流程如圖6 所示。 圖5 簡化的系統(tǒng)級負(fù)荷協(xié)調(diào)分層分區(qū)框架 全網(wǎng)協(xié)調(diào)層實時監(jiān)測系統(tǒng)頻率,根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運行方式及各種已知狀態(tài)量及時調(diào)整協(xié)調(diào)方案,當(dāng)監(jiān)測到系統(tǒng)頻率滿足動作條件時,估算出全網(wǎng)的功率缺額,下發(fā)子區(qū)控制層協(xié)調(diào)指令;子區(qū)控制層根據(jù)所在分區(qū)電網(wǎng)的電壓和頻率跌落指標(biāo)、子區(qū)功率不平衡量,確定子區(qū)可切負(fù)荷量;局部控制層完成更小區(qū)域內(nèi)的母線電壓、線路電流及負(fù)荷變壓器運行容量的實時測量,秉著最大程度保證生產(chǎn)性設(shè)備及保安設(shè)備等重要負(fù)荷用電的原則,優(yōu)先調(diào)整和切除系統(tǒng)的可調(diào)負(fù)荷,根據(jù)負(fù)荷的重要程度分輪次實施減負(fù)荷。 利用可調(diào)負(fù)荷實現(xiàn)電網(wǎng)高峰時段的減負(fù)荷措施,一方面需要結(jié)合國家節(jié)能減排相關(guān)政策和法規(guī),兼顧供需調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)效益來實施控制措施;另一方面應(yīng)充分調(diào)動用戶主動參與需求響應(yīng)的意愿,保證客戶滿意度,以降低切負(fù)荷的代價。目前,隨著國內(nèi)外對智能用電技術(shù)的發(fā)展,智能用電設(shè)備為實現(xiàn)可調(diào)負(fù)荷參與系統(tǒng)運行控制提供了重要保障。因此,研究智能家具響應(yīng)的新型低頻、低壓減負(fù)荷方案,并從全系統(tǒng)角度優(yōu)化負(fù)荷響應(yīng)方案,對最小代價應(yīng)對電網(wǎng)大功率缺額的影響具有重要意義。 圖6 負(fù)荷協(xié)調(diào)控制流程 通過挖掘需求側(cè)可調(diào)負(fù)荷資源包括工業(yè)、商業(yè)、居民以及新型負(fù)荷領(lǐng)域的用電設(shè)備,對可調(diào)負(fù)荷的調(diào)峰特性和調(diào)峰潛力進(jìn)行分析,利用可調(diào)資源實現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷,提高電網(wǎng)運行效率。 提出的供需協(xié)調(diào)方案為可調(diào)負(fù)荷參與虛擬調(diào)峰提供了思路。區(qū)域電網(wǎng)失負(fù)荷后,后期將隨著系統(tǒng)出力增加,需要在滿足有功平衡與頻率控制下盡快實現(xiàn)負(fù)荷的柔性恢復(fù),研究按照負(fù)荷恢復(fù)優(yōu)先級及有序恢復(fù)方案,將是進(jìn)一步研究的方向。2.2 負(fù)荷供需協(xié)調(diào)策略
3 結(jié)語