利用电解铝负荷保证云南电网源网荷协调的工作思路

李玲芳

（云南电网有限责任公司电网规划建设研究中心，昆明 650011）

0 前言

云南电网作为南方电网“西电东送”主要电力输出省网，于2016年实施了与南方主网异步联网方式运行。从2020年电网发展情况看：云电外送通道已发展为10回直流输电线路，外送电力超过省内负荷总量；全省装机容量接近1亿千瓦，其中清洁能源（风、光、水）占比远超70%，且规划容量还在进一步增长；电网侧加大了网架加强的建设力度和工程进度，进一步完善各区域网络结构，并结合送电需求配置了串补、STATCOM等设备，不少电力电子设备在电网得到了应用；随着省政府发展水电铝、水电硅政策的实施，全省用电负荷迅猛增长，一批电解铝、电解硅等高载能产业在省内相继落地，预计“十四五”期间仅电解铝产业就将新增500多万吨，用电负荷接近全省负荷的三分之一。总之，云南电网明显呈现西电东送占比高、清洁能源占比高、单一大用户负荷占比高、电力电子设备占比高以及单一元件风险等级高的“五高”特性。

在此背景条件下，电网安全稳定及风险防控要求进一步提升，“网源荷”的协调发展与控制来保障电网安全稳定运行。对于云南电网，在“机网”协调方面已经开展了大量工作，包括：规范电源并网运行管理、优化机组调控能力研究与应用、加强电网结构完善、严格设置三道安全防线等等，全面挖掘电网与电源协调控制能力，提升电网的承载度，但对于用户，则始终秉承全力保障电力供应的宗旨，未提出具体控制要求。

本文结合电解铝大用户接入对电网的影响，对大用户参与云南“五高”电网源网荷协调的必要性进行分析，并对具体的技术要求进行探讨，为推进云南源网荷协调水平的提升提供一定的技术思路。

1 电解铝负荷防范电网安全风险分析

随着云南电网“五高”特性的显现，电源侧风电、光伏等“可调性差”电源的增长、电网侧电力电子“脆弱化”设备的增加，以及负荷侧“不可控”大容量负荷的并入，在异步运行、大外送特性发展过程中[1]，仅仅依靠电网与电源的协调已不能满足对电网及用户的安全保障。特别是电解铝等大用户的不断并网和集中供电后，如果负荷侧不参与电网风险防控，就电网安全稳定控制系统来说，将无法满足系统调控要求，电网将面临调控手段不足，甚至安全防线失守的问题。因此，大用户参与电网调控及风险防控的源网荷协调，将进一步提升电网运行安全水平，保障用户生产的安全性、经济性。

1.1 电解铝等用户的负荷特性是外送高占比电网风险防控的基础

云南电网电力外送的十回直流（包括：昆柳龙、牛从直流、楚穗、普侨、新东、金中、永富、鲁西、禄高肇），外送能力总量已达到4160万千瓦，超过云南省内负荷水平。对于电网的安全稳定控制来说，一旦发生直流闭锁故障，电网频率稳定问题十分突出。典型大、小方式下，如果外送500万千瓦的直流（楚穗、普侨或新东直流）发生单极闭锁，系统频率将达到50.57赫兹，双极闭锁故障系统频率将达到51.21赫兹以上。如果闭锁的直流容量更大，如昆柳龙三端直流，则系统频率问题更为突出。因此，电网需要针对不同送电容量的直流故障风险，设置必要的切机措施，并考虑多回直流的相互影响而配置高频切机措施。而事故后控制措施实施的有效性，又与电网电源侧机组的调控能力、负荷侧的频率响应特性关系较大。作为系统负荷占比较高的电解铝，其负荷的频率特性，以及随网波动的调控能力，将对抑制电网频率越限发挥重要作用。如果在系统频率正常波动过程中以及在事故情况下，电解铝等大用户能参与系统平衡与调控，将有效降低对电源侧的调控压力，提升电网频率质量，促进网源荷协调水平。

1.2 电解铝负荷的主动参与有利于改善新能源高占比电网的波动性影响

2020年末云南电网可再生能源装机占比已接近全省总装机的85%，“十四五”期间电网风电及光伏装机规模将进一步增长，云南电网的新能源高占比名副其实。但对于电网安全稳定控制来说，新能源高占比对电网稳定又存在不利影响。对于异步运行的云南电网，高占比新能源出力的波动性，将增加电网日常频率调控难度，系统频率越限风险加大[2]。同时，系统功率预测技术水平短时间内无法适应新能源出力的波动性和间歇性要求，纳入电力电量平衡精准度不足，电网运行需要传统电源高比例备用。而且风电光伏等新能源高占比电力系统受到故障扰动后，稳定问题十分突出，新能源机组在功角稳定、电压稳定以及频率稳定过程中的穿越特性，对系统恢复稳定的能力影响较大，严重影响电网抵御事故扰动的能力。因此，新能源高占比电网，网源协调的空间已经受到限制，而负荷侧参与协调，并主动提供辅助支持的能力，必将对提升电网运行安全性、灵活性发挥重要作用。

1.3 电解铝等负荷的可控性有利于提升单一大用户并网的自适应能力

电解铝用户作为高载能负荷，单一系列的负荷就达到40～70万千瓦，而通常是多个系列集中接入电网，对电网的运行控制及风险防控造成较大影响。单一负荷较大且相对集中接入，如云南文山电网，对局部电网供电造成较大压力，主要送电断面压极限运行问题凸显，故障后断面过载、电网失稳问题十分突出；而且由于负荷量较大，一旦发生N-1故障用户失电，极易导致地区电网电力安全事故等级升高；同时，在系统发生故障需要采取切负荷措施时，单一大容量负荷的切除极易导致控制措施“过切”而扩大事故影响。

为保障电网及用户的运行安全，有必要挖掘电解铝大用户负荷的可控、可调能力，为电网运行、控制以及故障情况下的紧急控制提供必要条件，保障电网安全防线构建的可行性，提升电网及用户的运行安全水平。

1.4 电解铝大用户的稳定性有利于保障电力电子设备高占比电网的安全性

多直流输电、风电光伏等新能源高占比电网的另一特点，就是电力电子设备占比高。大量电力电子设备的应用，给电网安全带来挑战。其中，电力电子设备自身的动态及与交直流电网的作用，容易引发复杂的振荡问题，特别是接入电网末端的风场、光伏场之间以及他们与同步发电机群间和直流的动态耦合过程更加复杂，极端工况下容易出现振荡，进而对电网的稳定性带来影响。同时电力电子设备的耐压、耐流能力相对较低，在电网事故扰动下，与之相关的新能源穿越能力不足，发生大面积脱网后极易引发电网频率、热稳等稳定问题[3]。现阶段新能源发电核心部分的可控元器件在设计、选材阶段主要考虑经济性因素，变流器耐压、耐流能力有限，运行裕度较小。

通过负荷侧用电特性研究，结合电网调控需求，改善或改进负荷侧以及电网协调控制要求，降低负荷侧用户特别是高占比电解铝用户，因自身（定值整定等）或电网侧调控不协调等原因导致大量无序脱网风险。

1.5 电解铝负荷的可调性有利于改善电网单一故障高风险问题

从“五高”电网特性分析可以看出，单一故障对云南异步运行电网的影响较大，直流大外送的单极（单回）闭锁、电解铝大用户的失电、集供电区域断面故障等单一故障，都将引发电网的频率稳定问题、供电受限问题，而发生开关、保护以及稳控系统的拒动，电网还面临失稳风险。

在电网紧急状态下，需依赖于电网二、三道安全防线进行风险防控，包括电网第二道安全防线将通过稳控系统采取切机、切负荷措施，电网第三道安全防线将通过电网低频、低压减载，高频切机等措施，防范事故扩大或系统失稳。随着电解铝大负荷的不断增长导致网络供电压力的增加，事故情况下切负荷措施将会成为主要实施方案，而负荷侧“分级可切”的能力是保障安全防线的可靠性的重要条件，如果负荷侧不参与安全防控，则电网面临防线失守导致系统崩溃的风险较大。

2 电解铝负荷参与源网荷协调可行性

2.1 电解铝负荷用电特点

电解铝用户的生产设备主要由整流变压器、整流设备、电解槽组成，电解铝的电化学反应需要强大的直流电，其整流方式，主要是晶闸管整流以及饱和电抗器+二极管整流两种[4]，其中：晶闸管整流，可由调压变压器粗调并通过控制晶闸管进行细调，具有功率调节速度快但调节幅度有限的特点。二极管整流则先由调压变对电流进行粗调，再由自饱和电抗器对电流进行细调。受运行成本等因素影响，电解铝用户多采用二极管整流方式。

电解铝用户的内部控制分为大闭环控制和小闭环控制。大闭环控制以保证整个系列电流恒定为目标；小闭环控制则以保证单整流变电流稳定。大闭环控制可以保证铝厂总电流恒定，如果发生整流变退运，可按总电流控制要求将负荷转移到其余整流变，保证总产量稳定性，小闭环控制则是以单个整流变为控制目标，不会出现相互间的转移的问题。但是，大闭环存在负荷转移导致其余整流变过载的扩大事故风险，小闭环又因控制目标复杂总产量不稳定等问题而不被广泛采用。

2.2 电解铝用户参与源网荷协调的技术要求

电解铝大用户并入电网后应加强与电网协调控制与响应技术研究，以提升系统的源网荷协调水平，包括：

1）加强负荷的频率响应能力技术研究，提升并网运行电网频率调控质量。

2）加强负荷可控技术研究，实现负荷的分级控制，参与电网安全防控方案实施，提升电网紧急控制安全水平。

3）开展低功率运行技术研究，实现低负荷安全运行控制，保障电网及用户设备安全。

2.3 电解铝大负荷参与源网荷协调的应用场景

1）针对云南异步运行电网的频率稳定问题，应关注电网正常运行状态下的频率控制要求及故障扰动下的紧急控制要求。由于新能源等高占比导致电网惯性水平的降低，以及新能源出力波动性，正常运行方式下电网频率质量的调控难度也相应提升，电解铝等大用户，必须具备一定的负荷调控能力，实现日常频率快速跟踪并调整负荷的能力；其次，在电网故障扰动情况下，出现频率快速越限过程中，电解铝等大用户应能及时响应电网稳控要求，切除相应的负荷量，抑制电网频率质量。

2）对于局部电网存在的供电断面压极限问题，一方面电解铝大用户应能响应电网事故扰动下送电断面过载需紧急采取切负荷措施要求，及时压减负荷量的能力。另一方面，考虑到相关设备异常或故障停运检修的长期性，电解铝大用户应具备长时间低功率运行或停运能力，用户侧必须做好相关措施，在响应电网要求的同时将自身经济损失降到最低。

3）应用场景包括：

a．对于调节饱和电抗器，或晶闸管实现负荷小量调节的能力，可参与异步电网调频需求，参与系统一次调频的调控。

b．对于切除整流变的负荷控制方式，可以参与电网二、三道防线的构建，作为严重故障情况下采取切负荷的调控方案。

c．对于调节饱和电抗器（或晶闸管）+主变分接头的控制方式，可以参与系统设备检修等需要压减负荷的调控方案。

3 电解铝负荷的网荷协调措施建议

1）对于云南异步电网频率调控：首先应关注电网稳态运行的频率调控手段，在加强电源侧协调控制同时，有必要开展并考虑负荷侧电解铝负荷的频率响应能力及技术要求，提升电网正常运行方式下频率调控质量。同时，关注紧急情况下控制措施要求，在电网发生故障或异常需要进行功率控制时，电解铝等大用户应该具备负荷紧急调控能力，响应电网调控需求，参与电网第二道安全防线控制方案（集中切负荷）、第三道安全防线控制方案（低频低压减载），以及紧急拉闸限电控制方案等，提升电网安全的应急响应能力。

2）对于供电压力较大的局部电网（热稳问题）：需要考虑相关送电通道故障跳闸，需要采取紧急控制负荷措施，如集中切负荷需求；并且考虑因供电设备检修或异常退运时，需要大用户长期低功率运行，或停运要求。

3）负荷量的可控性是大用户响应电网协调控制要求的必备条件，电解铝大用户并入电网后应加强与电网协调控制与响应技术研究，以实现源网荷协调：加强负荷的频率响应能力技术研究，提升并网运行电网频率调控质量。加强负荷可控技术研究，实现负荷的分级控制，参与电网安全防控方案实施，提升电网紧急控制安全水平。积极开展低功率运行技术研究，实现低负荷安全运行控制，保障电网及用户设备安全。

4）电网侧在加强源网荷协调的同时，应充分考虑负荷侧无法响应控制要求的应对措施，扩大可调、可控对象的协调控制力度，保障足够的调控资源。同时，充分研究电解铝大负荷源网荷协调响应特性对电网安全影响的风险，评估其并网的可行性，并针对存在的问题从网架加强、调控资源优化能力等方面进一步加强应对措施，必要时根据电网承担的风险及代价，引入相关的电价支持技术，全方位加强网荷协调力度。

5）电解铝负荷在开展网荷响应调控技术研究与实施过程中，应充分考虑调控措施的实施对自身设备及生产线的安全影响，一是做好自身应急保安措施，二是结合生产流程从设计工艺等方面研究适应网荷协调调控的生产方案及控制流程。

4 结束语

随着云南“五高”电网特性的显现，电网在正常及事故情况下，源随荷动的调节模式已无法保障系统的运行安全，随着波动型新能源电源以及稳定型电解铝等大用户占比的不断增长，进一步加大了系统源网荷协调的需求，有必要结合电解铝等大用户用电生产特性，挖掘负荷侧响应电网需求的主动调控能力，提升源网荷协调水平，保障电网及用户的安全和利益。