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1、Sheji yu Fenxi设计与分析负荷调控与多主体参与需求响应研究毛晓波沈博文郑旭(国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司,江苏无锡2 1 4 1 0 0)摘要:随着电力系统改革深化,新能源在电网中的比重不断增加,电力供应波动加剧,电力需求侧保供成为新常态。鉴于此,首先分析了电子、医药等行业的用电特征以及相应负荷的调控策略,接着重点研究了多主体参与的需求响应相关内容,主要包括中央空调与照明设备深度参与需求响应的改进策略以及充电桩参与需求响应的系统。关键词:需求响应;中央空调;储能;虚拟电厂;充电桩中图分类号:TM73D0l:10.19514/32-1628/tm.2023.20.016文献标
2、志码:A文章编号:1 6 7 1-0 7 9 7(2 0 2 3)2 0-0 0 59-0 40引言受持续极端高温天气、产业经济恢复增长、南方水电大幅减发等因素影响,2 0 2 2 年度夏保供较往年尤其特殊,任务尤为艰巨:一是用电负荷高峰到来之早、持续之长、增幅之大前所未有;二是降温负荷之高、短时供电缺口之大前所未有;三是省间中长期市场和现货市场竞争之激烈前所未有 。迎峰度夏以来,河南省用电负荷快速攀升、屡创历史新高,呈现“来得早、持续长、增幅大”的特点,6 月下旬首次高温负荷突破7 0 0 0 万kW,8 月5日全网最高用电负荷7792万kW,较上年同期增长1 4.3%,负荷管理最大组合变形
3、。薄弱环节在车架板结构两侧面板和底板,然而前6 阶模态振型中最大的结构变形量为第4 阶的1.258mm,可见整体变形量非常小。3结论本文建立了车架板结构有限元模型,并在两种工况下进行强度分析和模态分析,得到如下结论:(1)最大给进力工况和最大起拔力工况下,车架板结构的应力集中处均出现在同一焊缝位置,但远小于许用应力值,满足强度要求。(2)车架板结构的前6 阶固有频率与电机工作频率相差较大,不存在共振风险;模态振型变形量非常小。错避峰负荷达到7 0 0 万kW,占最大负荷比例约9%。当前,国网江苏已建成1 50 万kW实时需求响应资源库,国网浙江已建成4 0 万kW多时间尺度需求响应资源库。可中
4、断负荷可以随意从并网上断开连接,故常作为需求侧控制、缓解负荷高峰的一种重要手段 2 。为进一步提升电网灵活调节能力和运行效率,支撑电网安全可靠运行,本文将对多主体参与的需求响应进行研究。1关键行业用电特征及负荷调控策略分析1.1月用电特征集成电路产业电力负荷主要由两大类构成,即2徐鹏博,陈逢雷,邵俊杰,等.窄体式分体履带钻机关键技术研究J.煤炭技术,2 0 2 2,4 1(1):2 2 3-2 2 5.3宋丹青,董利虎,陈卓,等.基于模态分析的大型均质岩质边坡动力响应特征研究J.郑州大学学报(工学版),2021,42(2):1-6.4隋晓东,戴挺,高锋.压力机机身振动特性的模态分析J.噪声与振
5、动控制,2 0 1 0,3 0(1):1 0-1 4.5周逸飞,刘汉香,朱星,等.含软弱夹层岩质边坡的模态分析及其对边坡地震动力响应影响的初步研究 J.地震工程与工程振动,2 0 2 0,4 0(1):2 2 3-2 3 2.参考文献1石智军,姚克,姚宁平,等.我国煤矿井下坑道钻探技术装备4 0 年发展与展望 J.煤炭科学技术,2 0 2 0,4 8(4):1-3 4.收稿日期:2 0 2 3-0 5-0 4作者简介:郭伟(1 9 8 4 一),女,安徽砀山人,博士,助理研究员,研究方向:煤矿钻探技术和装备研发。机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 1 6 期59设计与分析Sheji
6、yuFenxi工艺生产与公用工程。工艺生产有数百个生产工序步骤,这些生产步骤直接影响产品的产出,如蚀刻、光刻、化学气相沉积、清洗、离子注入等,而公用工程是支持工艺生产不可或缺的设施,如产生超纯水(UPW)的水处理、N生产、冷冻水、HVAC等。公用工程还可以细分为两类,直接在工艺生产中使用的(如超纯水、工艺冷却水、N等)称为“工艺生产公用工程”或“直接公用工程”,而间接参与工艺生产的(如用于建筑物冷却的冷冻水、清洁干燥空气等)被称为“基础设施公用工程”或“间接公用工程”。以SK海力士半导体(中国)有限公司为例,企业主要生产、加工1 2 英寸集成电路芯片,采取四班三运转制,2 4 h不间断生产,正
7、常运行负荷约为3 1.7 万kW。主要用电特征如下:一是负荷较为稳定,随季节或时段波动较小;二是负荷极为敏感,对供电可靠性与电源品质有严格的要求;三是生产负荷不具备调节潜力,受工艺流程、生产环境制约,生产负荷无法进行单独调节,整条产线也不具备错避峰能力。企业为流水线生产,工艺流程嵌套耦合性较强,且对供电有着极高的要求,一旦发生电压瞬降,不仅会对敏感的微电脑自动控制设备造成不可预期的伤害,也会使制程中断,产生极大的损失。因此,在工艺生产环节,无法进行单个设备或若干个设备的调节或中断,若其中某个设备中断,设备重启需由厂家专业人员操作,并经过多次校核、联调,整条产线往往需要一个月的时间恢复产能,造成
8、的经济损失较为巨大。此外,生物制药产业整体的用电结构与集成电路产业较为类似,企业为智能化、自动化的流水线生产,很难进行中断,且企业对温度、湿度、洁净度要求更为严苛,环境数据需上报药品监督局并接受监测。1.2负荷调控策略(1)降低非生产性负荷,将办公区域空调温度调至2 6 及以上,关闭不必要的照明设备。(2)启动备用柴油发电机组,对次关键的生产性负荷提前在低压回路配置柴油发电机组接口,在负荷高峰时段,将该类负荷转至由柴油发电机供电。2多主体参与的需求响应研究2.1空调能源站参与需求响应中央空调系统主要由冷(热)源设备、水或风的传输循环系统、末端设备(风机盘管、空调机组等)组成,中央空调参与需求响
9、应总体架构如图1 所示。主站层电网侧调峰能力及执行个结果上报通信层终端层1用设备工况、电参量、I!侧环境参量上传设备层空调系统图1 中央空调参与需求响应总体架构典型楼宇的中央空调系统改造主要针对冷水机组、循环水泵和末端设备三大部分,详细改造方案如下。(1)冷水机组的改造:冷水机组的主机部分为设备厂家整机出厂,自身集成变频调速装置。改造方案是对调速控制系统增加接口和通信板,能够响应需求响应控制指令,远程改变运行参数;安装温度传感器,调节冷冻水出水温度。(2)循环水泵的改造:采用变频调节技术改变冷冻水、冷却水系统水泵电动机的转速,使输送能耗随流量的增减而增减,这样除了可以节约大量电能,系统的启动特
10、性和运行特性也能得到很大的改善 3 。循环水泵加装了变频调速设备和响应调控装置,就可以根据室内环境条件适当采用需求响应策略,动态调度控制层潜力分析容量分解指令下发用户筛选执行监控事后评估指令分配及下达1电力光纤/GPRS/Internet能力评估策略配置状态诊断数据管理运行控制效果评估需求响应终端调控指令、运行1策略配置量测及监控设备60机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 1 6 期Sheji yu Fenxi设计与分析调整循环频率,改变流速,控制水泵的流量和扬程,提高设备运行效率,降低能耗,改善DR控制效果。(3)末端设备的改造:针对每一个风机终端加装电动水阀(开关型)和控制模块,
11、可自动控制开关及送风量的大小,对于不需要的房间或楼层将水阀关闭,用电高峰时段响应DR控制,适当减少出风量。(4)末端全局温度控制的改造:加装房间温控装置,增加控制模块,可以远程响应电网需求响应指令,调节房间的温度设置。2.2路灯及公建亮化参与需求响应我国的照明和公共照明用电量约占全国电力消耗总量的1 2%和5%。随着城市化发展进程的加速,城市照明设施的数量也以1 0%2 0%的速度递增,城市照明具有需求响应开发潜力,通过对路灯及亮化参与需求响应进行研究,可为电力节能减排的规划和管控提供宏观层面的技术支撑。路灯及亮化参与需求响应按道路、行政区、责任区、景区等进行管理,同时对不同场景下的照明资源实
12、施定时控制、经纬度控制、调光控制、景观智能控制、光照度控制、联合策略控制等,以实现各类照明设施与电网的需求响应互动。智能照明管理系统与电网的需求响应互动,可实时监控供电情况,改善电路负荷不均衡,优化供电性能参数,针对城市居民的行为和活动模式,照明环境中的方向、纬度和海拔等特征进行预判和调控,根据不同情况实时调整参与需求响应的方式。照明设备改造方法:(1)对照明系统的一、二次系统进行分项、分路改造,同时增加相应的智能控制开关,以便于负荷紧张时段实施需求响应策略,在不影响正常照明的情况下,控制个别回路中照明设备的关闭和开启。(2)针对个别有条件的地方,整体更换亮度可调及配有智能插座或智能开关的灯具
13、,以响应需求响应控制,在用电高峰期,在保证照明质量的前提下,适当调弱每盏灯的亮度。(3)针对不同工作区间和业务场景下的照明需要研究人工照明节能控制策略,包括时间表控制、局部光环境控制、光电感应开关控制、声控开关控制等,建立对应上述控制策略的系统架构;以恒照度为控制目标,制定自然光和人工照明联合优化控制策略。2.3储能参与需求响应用户侧储能参与需求响应方案:通过PCS(储能变流器)与用电设备相连接,同时每个电池组均装有BMS(锂电池管理系统)对电池的充放电进行在线管理,BMS与PCS通过以太网与EMS相连,执行充放电策略。可以在用电负荷低谷时充电,在用电尖峰或客户变电所过载时放电以降低负荷尖峰,
14、平滑负荷波动,削峰填谷。2.4充电桩参与需求响应充电桩作为负荷资源可实现根据需求参与削峰填谷,同时由于其负荷的可调节性,充电桩可将负荷需求在时间维度上进行伸缩。通过实时监控充电桩设备,可采集统计充电桩的用电量,总结用电规律,进而对数据进行深度分析和累加,逐步实现充电桩大数据分析,准确发掘可柔性控制充电桩,通过对充电枪输出功率的柔性控制,精确计算受电网的调峰能力(V2G模式可以参照分布式储能逆向控制)。根据充电桩运行数据分析可以发现,用户大多选择在晚上下班后立即充电,从而与晚高峰用电时段重合,造成了严重的尖峰负荷 4 。因此,本文构思了含“云、管、边、端”的充电桩参与需求响应的系统,系统功能及架
15、构如下:云:云端部署在省级客户侧用能服务平台,海量数据均汇总到云端,具有数据处理、统筹分析和效果评估等功能,云端也负责优化策略生成及电网管理。管:包括互联网、光纤、GPRS虚拟专网、4 G专网、5G专网等多种通信管道,可支持有线通信和无线通信两种方式。边:在电动汽车充电站部署的可控负荷互动网关,包括本地用能优化控制、大电网互动策略执行,通过边缘计算能够实现工业企业及园区实时、短周期数据的分析,更好地支撑本地业务及时处理执行,是实现多能互补、能效提升的重要基础。端:包含采集智能电表和充电桩控制模块,采集各类传感器获取的数据,并对充电桩进行控制。目前主流的电动汽车充电站需求响应模型针对充电桩与电网
16、友好互动应用场景,在充分采集监测机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 1 6 期6 1设计与分析Sheji yuFenxi各项末端数据的基础上,通过对影响电动汽车充电的因素进行分析,利用可控负荷互动网关对充电桩进行柔性负荷控制,参与电网需求响应活动,在对用户生产无扰或微扰的情况下,实现电网与充电桩的互动。2.5虚拟电厂、微电网、智慧园区参与需求响应虚拟电厂、微电网、智慧园区参与需求响应是聚合优化“网源荷储清洁发展的新一代智能控制技术和互动商业模式,它依托互联网和现代信息通信技术,通过精细的能源管理方式整合分布式电源、可控负荷和储能装置等设备,为破解清洁能源消纳难题,实现电源侧多能互补,
17、促进负荷侧灵活互动,构建安全、经济、高效、可靠的电网提供了一种新的运营方案。虚拟电厂、微电网、智慧园区参与需求响应主要由分布式发电、用电负荷、配电设施、监控、保护和自动化装置等组成(必要时含储能装置),是一个能够基本实现内部电量平衡的小型供用电系统 5。虚拟电厂、微电网、智慧园区参与需求响应是一个能够实现自我调度、平衡、控制、保护和管理的自治系统,对大电网而言,可视为一个可控负荷群体。智慧园区、微电网、虚拟电厂等场景参与需求响应主要工作是通过园区、微电网、虚拟电厂本身已经建设的能量管理系统执行需求响应指令。将自动需求响应系统与智慧园区、微电网、虚拟电厂等场景的能量管理系统进行数据对接,在能量管
18、理系统中建设自动需求响应系统子站,通过微电网能量管控系统实现需求响应指令执行。如一般传统园区可以通过对园区主要耗能设备包括中央空调、照明、热水、电梯、办公及通风等的改造和监控,实现自动需求响应系统的接入要求。自动需求响应系统核心为自动响应主站系统。通过实时监测用户负荷,在负荷超标或与调度系统对接出现的负荷缺口时,或者基于目前区域电价变化体系,主站系统根据响应能力制定响应策略并将削峰调峰事件下发给用户,同时进行用户响应效果评估。主站系统功能包括:注册用户、设备实时监测、有序调峰、虚拟削峰事件效果评价、用户用能分析、需求响应用户GIS展示等。3结束语本文首先分析了关键行业用电特征,主要关注电子与医
19、药行业相关负荷,给出了恰当的负荷调控策略;之后研究了包含空调能源站、路灯及公建亮化、充电桩、储能、虚拟电厂等在内的多主体参与的需求响应方案,并给出了各主体参与需求响应的方式以及优化改进策略等。参考文献1周涉宇,胡嘉骅,李俊杰,等.面向碳-电协同市场的可中断负荷价值分析方法 J.浙江电力,2 0 2 2,4 1(8):3-9.2】赵智忠,赵世辉,杨志.考虑可中断负荷接入的主动配电网鲁棒优化模型J.现代电子技术,2 0 2 2,4 5(9):124-131.3陈吉芳,刘开培.PLC在中央空调水循环系统中的应用J.电气自动化,2 0 0 4,2 6(2:52-54.4】张晓彤.计及用户需求响应的充电桩运营商营销策略研究 D.保定:华北电力大学,2 0 1 9.5申洪涛,陶鹏,高玲玲,等.多能互补下虚拟电厂参与电力市场的思考 J.电测与仪表,2 0 2 2,59(8):6 6-7 2.收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 7作者简介:毛晓波(1 9 8 9 一),男,江苏江阴人,硕士,工程师,研究方向:电力系统自动化。沈博文(1 9 9 3 一),男,江苏宜兴人,工程师,研究方向:电力系统自动化。郑旭(1 9 8 2 一),女,江苏镇江人,工程师,研究方向:电力系统自动化。62机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 1 6 期