[发明专利]一种基于工业园区负荷聚合的售电公司响应电网控制方法

权利要求书

1.一种基于工业园区负荷聚合的售电公司响应电网控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、根据电解铝、矿热炉、多晶硅负荷的功率特性进行工业园区负荷功率归一化处理，分析各负荷的功率理论调节边界；

步骤1的具体实现包括：

步骤1.1、电解铝的负荷功率特性如下式：

其中，P_AL为电解铝功率，V_B为电解槽的直流母线电压，I_d为电解槽的直流电流，R_EC为电解槽串联的等效电阻，E为电解槽等效电势；

电解铝直流母线电压V_B与电解铝负荷所接高压母线电压V_AL-AH的关系为：

式中，L_SR为饱和电抗器等效值，V_AL-AH为高压母线电压，ω为电压角频率；

考虑电解铝负载所接为有载调压变压器，其变比取值共有m₁级，则改变其变比k_AL可实现m₁级调节：

设满足生产要求时饱和电抗器等效值L_SR的调节范围为[L_SR^min,L_SR^max]，则由式(2)，可解得对应变比k_AL-i下的电解铝直流母线压降V_B调节范围为：

由式(1)可得电解铝负荷最大可调功率范围为：

步骤1.2、矿热炉负荷的功率特性如下式：

其中，P_SAF、Q_SAF分别为矿热炉有功功率和无功功率，U_SAF为矿热炉低压侧电压，R_line和X_line为短网的等效电阻和等效电抗；

设电弧的等效阻抗在某一时间断面内由电弧静态电阻R_arc和电弧静态电抗X_arc来表征；矿热炉低压侧电压U_SAF由矿热炉高压母线电压U_SAF-AH经矿热炉专用变压器得到：

U_SAF＝U_SAF-AH/k_SAF                        (9)

式中，k_SAF为矿热炉专用变压器变比；

通过对实际生产数据进行拟合，得到矿热炉的电弧阻抗关系式：

X_arc＝a₁R_arc²+a₂R_arc+a₃                       (10)

其中，a₁、a₂、a₃为电弧阻抗拟合系数，为常数；

当采用定阻抗调电压方式来调节矿热炉的功率时，设矿热炉负荷专用变压器的变比共有m₂级；则通过改变矿热炉专用变压器的变比，其电压共有m₂级调节范围：

电弧静态电阻R_arc的限定范围：

R_arc^min≤R_arc≤R_arc^max                        (12)

电弧部分功率因数上限电弧部分功率因数存在下限则电弧部分功率因数的限制为：

即

其中，

同时各个冶炼阶段应满足最小功率约束：

P_SAF,t≥P_SAF,t^min          (15)

式中，P_SAF,t^min为矿热炉的最小功率；

设矿热炉的低压侧额定电压为U_SAF,N，由式(7)、(8)、(12)、(15)，当采用定电压调阻抗功率调节方法时，各个冶炼阶段的矿热炉的有功功率P_SAF,t和无功功率Q_SAF,t的调节范围如下：

c₁≤P_SAF,t≤c₂               (16)

d₁≤Q_SAF,t≤d₂                (17)

其中：

矿热炉负荷额定运行时的功率特性参数为将此时的功率调节范围转化为等效低压侧电压变化范围，即

由式(10)、(18)，当采用阻抗-电压协同调节的方法时，矿热炉负荷的低压侧电压变化范围为：

步骤1.3、多晶硅负荷功率满足以下电学关系：

式中，P_PCS为多晶硅负荷交流总功率，U_val为多晶硅负荷单相电压，R_PCS为多晶硅棒单相电阻；

一个多晶硅棒在Δt时间内的生产过程能量转换关系式如下：

式中，P_PCS为多晶硅负荷交流总功率，ΔQ_out1表示用来加热反应气体的热量，由气体比热容公式可得v₁·Δt·s₁·ρ_g·c·(T_x-T_g)，其中，v₁、s₁、ρ_g、c、T_g分别为进气速率、进气口面积、混合气体密度、混合气体比热容、进气温度，均为常量；T_x,为硅棒表面温度，ΔQ_out2和ΔQ_out3分别表示维持吸热反应和由于热辐射而通过还原炉底盘和炉璧散失的热量对应于(ΔQ_out2+ΔQ_out3)，其中，η、K、L、T_out分别为反应吸热占比、硅棒与混合气体总传热系数、硅棒总长度、底盘及炉璧表面等效温度，均为常数；r为多晶硅硅棒半径，短时间内可视r为常量；

由式(20)、(21)可得半径为r的多晶硅负荷的功率特性方程如下：

式中，A、B、C、D、G、H为多晶硅功率特性拟合系数，为常量，由实际生产额定运行时数据拟合得到；I为多晶硅负荷单相电流；

对于硅棒表面温度T_x，其控制范围为：

T_x^min≤T_x≤T_x^max              (23)

当1000℃≤T_x≤1100℃时，可以保障生产，在T_x＝T_x，N＝1080℃时为最适温度；在参与调节时，多晶硅负荷一般参与向下调节功率，则有T_x^min＝1000℃,T_x^max＝1080℃；

对于冷却水一般调节其流速，设冷却水流速调节率为α，则有

α^min≤α≤α^max                  (25)

其中，α^min＝90％，α^max＝100％，额定运行时，α＝100％；

由式(20)、(21)可得：

由式(23)、(26)，可确定多晶硅负荷功率的调节范围为：

多晶硅负荷单相电压有效值U_val的调节范围为：

步骤1.4、工业园区负荷归一化处理；

设工业园区内电解铝负荷、矿热炉负荷、多晶硅负荷的个数分别为N_AL、N_SAF、N_PCS，取各负荷的额定电压为电压基准值，各负荷电压量为U^*，各负荷电压的极限最小、最大值分别为U^*_i^ULT-min、U^*_i^ULT-max；

步骤1.4.1.对电解铝负荷i＝{1,2,…,N_AL}有：

P_AL,i＝m_1,i·U^*2+m_2,iU^*              (30)

式中，P_AL,i为第i个电解铝负荷的功率，为第i个电解铝的电解槽直流母线电压额定值，R_EC,i为第i个电解铝的电解槽串联等效电阻，E_i为第i个电解铝的电解槽等效电势；

电解铝负荷的直流母线电压标幺值U^*的极限变化范围为：

步骤1.4.2.对矿热炉负荷i＝{N_AL+1,N_AL+2,…,N_AL+N_SAF}：

P_SAF,i＝m_1,i·U^*2              (33)

Q_SAF,i＝n_i·U^*2                (34)

式中，P_SAF,i、Q_SAF,i分别为第i个矿热炉负荷有功功率和无功功率，为第i个矿热炉的低压侧电压额定值，为第i个矿热炉负荷额定运行时的功率特性参数，R_line,i和X_line,i为第i个矿热炉短网的等效电阻和等效电抗，R_arc,i和X_arc,i为第i个矿热炉的电弧静态电阻和电弧静态电抗；

矿热炉低压侧电压标幺值U^*的极限变化范围为：

步骤1.4.3.对多晶硅负荷i＝{N_AL+N_SAF+1,N_AL+N_SAF+2,…,N_AL+N_SAF+N_PCS}：

P_PCS,i＝m_1,i*U^*2              (38)

式中，P_PCS,i为第i个多晶硅负荷功率，为第i个多晶硅负荷单相电压额定值，R_PCS,i为第i个多晶硅棒单相电阻；

多晶硅负荷单相电压标幺值的极限变化范围为：

步骤1.4.4.工业园区的总负荷功率特性P_∑-U^*为：

P_∑＝M·U^*2+M'·U^*              (41)

其中，

M和M＇分别为总负荷功率特性的二次项系数和一次项系数，m_1,i和m_2,i为各类型负荷功率特性的二次项系数和一次项系数，通过式(31)、(35)、(39)求得；

步骤2、结合负荷调节意愿和极限调节范围，提出优先考虑用户上报调控范围的比例式聚合模型，建立售电公司对工业园区的聚合控制策略；

步骤2的实现包括以下步骤：

步骤2.1、优先考虑用户上报调控范围的比例式聚合模型：

设负荷自主上报希望参与调节的电压变化范围为[U^*_i^own-min,U^*_i^own-max]，电压调节死区为U^*_i^db；考虑所述式(6)、(19)、(40)确定的各类型负荷的电压极限变化范围，负荷实际参与调节的电压变化范围是：

则各负荷的电压实际可调的最小/大值为

各负荷电压实际允许最大向上/下调节量分别为：

进行功率调节量分配时，各个负荷之间按照电压调节范围大小等比例调节电压；

设初始时，未参与调节时，各负荷均在额定运行状态，即U^*_i,0＝1；t时刻负荷电压与初始时刻电压的变化量记为ΔU^*_i,t，即

ΔU^*_i,t＝U^*_i,t-U^*_i,0＝U^*_i,t-1        (44)

则相邻时刻负荷电压调节量为：

U^*_i,t-U^*_i,t-1＝ΔU^*_i,t-ΔU^*_i,t-1       (45)

即

式中，n_t为比例调节系数，每次调节时每个负荷的调节系数均一致，而实际调节量与各负荷的可调范围成正相关；

设t时刻园区内第i个负荷的功率调节量，相对其初始功率为ΔP_load,i,t＝P_load,i,t-P_load,i,0，园区负荷总功率调节量，相对初始功率为ΔP_∑,t＝P_∑,t-P_∑,0；

则由负荷调节特性(30)、(33)、(38)式可得各负荷的聚合特性：

又

工业园区的负荷聚合特性为：

其中，

将n_t＝1代入(47)、(48)式可分别求得各负荷、工业园区的最大向上调节容量ΔP_load,i,up^max、ΔP_Σ,up^max；把n_t＝-1代入可分别求得各负荷、工业园区的最大向下调节容量ΔP_load,i,down^max、ΔP_Σ,down^max；

步骤2.2、售电公司响应电网需求的聚合算法；

步骤2.2.1、离线聚合阶段；

步骤2.2.1.1.求解工业园区负荷功率特性：基于实测数据由式(1)、(7)、(8)及(20)、(22)分别确定电解铝、矿热炉、多晶硅负荷的功率特性；

步骤2.2.1.2.求解总负荷功率特性：由式(31)、(35)、(36)、(39)负荷功率特性参数，并由式(41)得到总负荷功率特性；

步骤2.2.1.3.求解电压极限调节范围：由式(4)、(5)、(19)、(29)结合式(32)、(37)、(40)求得各负荷的电压极限变化范围[U^*_i^ULT-min,U^*_i^ULT-max]；

步骤2.2.1.4.确定电压实际调节范围：记录各负荷自主上报电压调节范围和调节死区，由式(42)、(43)求解各负荷的电压实际允许最大向上调节量；

步骤2.2.1.5.计算工业园区的负荷聚合特性和最大调节容量：由式(48)、(49)得到工业园区的负荷聚合特性ΔP_∑,t-n_t；令n_t＝1或-1求得最大向上、向下调节容量ΔP_Σ,up^max、ΔP_Σ,down^max；

步骤2.2.2、在线计算阶段；

设负荷控制的前一时刻工业园区调节功率为ΔP_Σ,t-1，初始调节时刻ΔP_Σ,0＝0，则当前t时刻工业园区的最大向上、向下调节容量为ΔP_Σ,up,t^max＝ΔP_Σ,up^max-ΔP_Σ,t-1；

步骤2.2.3、上报电网当前时刻可调容量；

售电公司将此时最大向上、向下调节容量ΔP_Σ,up,t^max、ΔP_Σ,down,t^max上传至电网调度中心；

步骤3、根据聚合模型，建立售电公司对电网控制指令的响应策略，实现对工业园区负荷功率的合理分配聚合控制；

步骤3的实现包括以下步骤：

步骤3.1、负荷分配原则；

当电网对售电公司下达控制目标功率P_t^net后，售电公司对工业园区内部各负荷进行功率分配；

设工业园区t时刻总功率调节量为ΔP_∑,t，按下式求解：

ΔP_Σ,t＝ΔP_t^net＝P_t^net-P_t-1^net        (50)

由式(48)可求得功率调节量ΔP_Σ,t对应的聚合指令n_t：

由式(44)、(46)，各负荷的电压控制目标为：

参与调节后各负荷的实际功率可分别按式(1)、(7)、(8)及式(20)、(22)求得；

步骤3.2、负荷控制指令；

步骤3.2.1.电解铝负荷的控制指令；

将电解槽直流母线电压V_B,i,t＝V_BN,i·U^*_i,t代入(2)式，可以解得电解铝负荷的饱和电抗器等效值L_SR,i为：

将电解槽直流母线电压V_B,i,t＝V_BN,i·U^*_i,t代入(1)式，可以解得该负荷对应的整流电流值I_d,i,t为：

步骤3.2.2.矿热炉负荷的控制指令；

利用电极电流指令值I_ref来控制电极升降；电极液压升降模型如下：

其中，L为电极到炉料之间的距离，与电弧弧长相等，L₀为电极的初始位置，I_ref为电极电流指令值；v_up和v_down表示电极上升和下降速度的最大值，均为定值，c_up和c_down为电流差与速度之间的比例系数；

当改变电弧阻抗时按下式对应调整升降模型中的I_ref，即可实现电极升降：

当矿热炉低压侧电压为时，电极控制指令由下式求得：

步骤3.2.3.多晶硅负荷的控制指令；

由式(20)可知，改变多晶硅负荷单相电压U_val即可实现对多晶硅负荷功率的调节；采用拼波技术控制U_val，如下：

式中，电压角频率ω为常数，U₁、U₂为拼波电压，t₁为拼波时刻；

当得到多晶硅负荷单相电压U_val,i,t＝U_valN,i·U^*_i,t后，首先确定拼波电压U₁、U₂：拼波电压取值为U₁,U₂∈{0,380,600,800,1500}V，取定拼波电压U₁、U₂分别为目标电压U_val,i,t的相邻两个电压等级U₁U₂；然后将U_val,i,t、U₁、U₂代入式(58)，计算拼波电压时刻t₁；将U_val,i,t代入式(26)，求解硅棒表面温度T_x、冷却水流速α：在调节中优先保持硅棒表面温度T_x＝1080℃；

步骤4、分析聚合控制策略对负荷生产效益的影响，建立负荷控制成本模型，并结合聚合模型建立工业园区负荷控制代价模型；

步骤4的实现包括以下步骤：

步骤4.1、控制策略对负荷生产效益的影响；

根据工业园区负荷参与向上/向下功率调节的不同方向，负荷控制成本分为：

步骤4.1.1.当负荷功率调节量ΔP_load0时，其单位价值损失F_v由下式计算：

F_v＝(F_p-F_c)/C_E              (59)

其中F_v为单位负荷价值损失，单位元/千瓦时，F_p为单位负荷售价，单位元/吨，F_c为单位负荷生产成本，单位元/吨，C_E为单位产量耗电量，单位千瓦时/吨；

步骤4.1.2.当负荷功率调节量ΔP_load0时，基于寿命周期模型对负荷过载运行的损失进行建模：

设负荷的维修成本为λ_i，单位元，额定维修寿命周期为τ_i,N，单位h；设负荷运行在t时刻时，由于过载运行导致寿命变化为τ_i,t，单位h，则负荷每小时折算维修成本的变化量ρ_i,t，单位元/h，由下式计算：

记负荷功率为P_N,i，单位kW，则负荷单位耗电量的折算维修成本为维修单价F_re，单位元/千瓦时，由下式求解：

综上，负荷单位电量的控制成本F₀，单位元/千瓦时，为：

步骤4.2、工业园区控制代价模型；

设一工业园区内部各高耗能负荷的控制成本为F_0,i，其中，i＝1,2,…N_AL+N_SAF+N_PCS，为按照电解铝、矿热炉、多晶硅负荷顺序依次编号；

则各负荷的控制代价与调节电量的关系如下式：

其中F_load,i,t为第i个负荷的控制代价；

工业园区的功率调节量设工业园区的总控制代价为F_IP,t：

求解工业园区控制代价F_IP,t与调节电量ΔP_Σ,t的函数关系F_IP,t-ΔP_Σ,t时，结合负荷局和特性ΔP_load,i,t-n_t求出工业园区控制代价-聚合模型F_IP,t-nt，进而求出工业园区的功率调节代价模型F_IP,t-ΔP_Σ,t，即：

工业园区内第i个负荷的功率调节量由下式确定：

由式(65)、(66)可求得工业园区的控制代价-聚合模型F_IP,t-nt如下：

其中，

当n_t＝1时，可得该工业园区提供最大向上可调功率时的成本费用F_IP,t^max；当n_t＝-1时，可得该工业园区提供最大向下可调功率时的成本费用F_IP,t^min；

由式(51)、(67)式可求得工业园区的功率调节代价模型F_IP,t-ΔP_Σ,t如下式：

其中，

步骤5、基于工业园区负荷控制代价模型，提出售电公司对多工业园区的竞价择优协调策略，实现对多园区功率的协调分配和控制。

2.如权利要求1所述的基于工业园区负荷聚合的售电公司响应电网控制方法，其特征是，步骤5的实现包括以下步骤：

步骤5.1、售电公司的控制代价模型与协调控制方法；

售电公司管理工业园区的个数为N_IP，将各工业园区按照功率向上调节时代价最小排序，编号记为u1、u2…uN_IP；将各工业园区按照功率向下调节时代价最小排序，编号记为d1、d2…dN_IP，因此售电公司的控制代价模型F_PSC-ΔP_PSC为：

式中，F_PSC是售电公司的控制代价，ΔP_PSC是售电公司总调节功率即各工业园区调节功率之和，ΔP_Σ,up^ui,max、ΔP_Σ,down^di,max分别为编号为ui的工业园区最大向上调节容量、编号为di的工业园区最大向下调节容量；

根据竞价择优的策略，各工业园区的功率按调节需求以控制代价由低到高的顺序参与调节；则售电公司总调节功率与各园区功率的关系如下：

各工业园区总功率可由式(70)求得，而各园区的聚合指令n_t可由式(51)求解，进而由式(52)、(54)、(57)、(58)及式(26)求得各负荷的电压目标值、各负荷的的实际控制指令；

步骤5.2、售电公司对多园区的协调控制算法；

步骤5.2.1.离线聚合阶段；

步骤5.2.1.1.各园区负荷自主上报电压调节范围[U^*_i^own-min,U^*_i^own-max]，由式(62)测算控制代价；

步骤5.2.1.2.由式(43)评估确认各负荷调节范围，由式(48)计算各园区的聚合特性ΔP_Σ,t-n_t，由式(67)计算各园区的功率调节代价模型F_IP-ΔP_Σ；

步骤5.2.1.3.由式(69)计算售电公司控制代价模型F_PSC-ΔP_PSC；

步骤5.2.2.在线聚合计算阶段；

由上一控制时刻t-1求解当前t时刻各园区的最大向上/向下可调容量ΔP_Σ,up,t^ui,max＝ΔP_Σ,up^ui,max-ΔP_Σ,t-1、ΔP_Σ,down,t^di,max＝ΔP_Σ,down^di,max-ΔP_Σ,t-1，t时刻售电公司的控制代价为F_PSC,t＝F_PSC(ΔP_PSC-ΔP_Σ,i)；

步骤5.2.2.上报电网；更新可调容量与代价模型上报电网；

步骤5.2.3.接收电网功率调节需求；

步骤5.2.3.1.接收电网功率调节需求ΔP_net,t后，按照式(70)和各园区当前可调容量依次确认各工业园区的总功率调节量ΔP_Σ,t；

步骤5.2.3.2.按步骤3述对各工业园区内负荷功率进行分配，确定各控制指令；步骤5.2.3.3.记录更新当前负荷状态，等待下一次调节。