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今天带给大家的是华北电力大学曾鸣教授科研团队关于新能源电力系统中需求响应若干关键问题的详细内容, 该文原文发表在2015年《电力系统自动化》第17期, 敬请品读。
新能源电力系统中需求响应若干关键问题
DOI: 10.7500/AEPS20150408010
曾博, 杨雍琦, 段金辉, 曾鸣, 欧阳邵杰, 李晨
化石能源减少及气候变化问题促使各国积极发展新能源电力, 未来新能源电力必将由当前的补充性能源快速发展, 并最终成为能源结构中的重要组成部分。在智能电网宏观背景下, 一方面, 新能源的随机性、不可控性特点, 对电力系统安全运行、可靠供电带来挑战, 另一方面, 需求响应作为一类市场化运作手段, 能够通过鼓励电力用户主动改变自身用电行为, 以克服新能源高渗透带来的不确定性。那么, 如何考虑需求响应克服新能源发电间歇性问题? 哪些需求响应关键问题需要研究? 如何推动需求响应的应用? 成为了社会各界普遍关注的焦点。
在智能电网宏观背景下, 新能源与传统能源不同, 其供给受自然环境影响, 具有很强的随机性, 通常难以准确预测。当大规模新能源发电接入后, 上述特性将对电力系统的运行控制带来显著影响。本文“新能源电力系统”主要强调了电网对新能源的利用能力, 它区别于与传统电力系统, 具有以下特征:
(1) 双侧随机性。在传统电力系统中, 规划或运行决策仅主要考虑来自负荷的不确定性。然而, 在新能源电力系统中, 间歇性发电所占比重较高, 因此电力系统在供需双侧都呈现出显著的随机性特征。
(2) 不可控性。电力系统是一个受控设备众多、分布广泛、控制精度要求高、未知扰动多的复杂系统。新能源发电的进入使电力系统总发电单位数量大幅增长, 系统中可调度容量与可调度电力所占比例大幅度降低, 随机扰动性进一步增强, 从而导致系统的可控性降低, 安全风险增大。
(3)整体性。新能源电力系统中, 随着新能源发电比重的上升, 传统电力系统“发输配售用”的功能界限将逐渐趋于模糊。利用可控发电机组和需求响应技术应对新能源发电的随机波动性, 可以形成多能源互补的协同机制, 实现源网荷多元协调, 从而使得整个电力系统成为一个不可分割的整体。
(4)智能性。新能源电力系统的诸多环节, 如新能源发电并网消纳、电动汽车与储能、需求响应等, 都需要建立在先进的网络信息系统、智能控制与管理系统以及大数据处理、云计算等技术的基础上。因此, 整个新能源电力系统表现出很强的智能性特征。
新能源电力系统中, 需求响应资源既可以作为一类虚拟发电机组与常规电源共同参与调度计划, 同时也能够为系统提供所需要的各种辅助服务, 如调频、旋转备用等。基于不同的调控机制及实现手段, 需求响应对于新能源电力系统运行的贡献作用存在着显著差异。
可以看到, 对于分时电价、实时电价和尖峰电价等价格型需求响应项目而言, 由于相关控制信号大多以“小时级”作为控制周期, 负荷无法及时根据新能源的出力情况做出响应, 因此对于解决因新能源发电短时剧烈波动造成的并网难问题的帮助不大。因此, 在实际应用中, 希望单纯借助价格型需求响应来保障新能源电力系统的安全、经济、高效运行, 往往是十分困难的。
相比价格型需求响应, 基于合同的激励型需求响应则在促进新能源发电大规模并网和高效运行方面显露出更大潜力。主要原因是, 激励型需求响应属于一种直接控制方式, 通过直接管理负荷的用电活动使其能够快速、可靠、精确地响应系统信号, 追踪并匹配新能源出力。对我国而言, 近年来国家发改委经济运行局组织全国开展有序用电工作, 为未来实施基于经济激励的需求响应创造了良好条件, 因此激励型需求响应相对更易实施。
传统意义上的电力系统(无论是否含有新能源发电)主要基于调控供应侧资源追踪负荷变化这一前提实施规划调控。然而, 当原本“刚性”的需求侧负荷转变为一类可调控资源后, 其规模化应用将赋予电力系统规划、运行、控制以全新内涵。
科学的规划策略是确保需求响应效益能够实现的基础和先决条件。按照涉及对象的不同, 规划设计大致可分为需求侧独立规划、源-荷联合规划以及源-网-荷联合规划3类。所考虑的需求响应资源包括电动汽车、暖通空调及可转移负荷等。现有研究成果表明, 在规划决策中合理考虑需求侧管理的影响有助于提高最终方案的总体效益; 同时, 需求响应对新能源发电的贡献作用与其在电网中的位置及特性密切相关, 而充分利用不同负荷可调能力的互补性对于改善规划方案的成本效益具有重要作用。
需求响应的引入使得规划建模必须细致计及系统运行状态的多样性, 但由于新能源电力系统存在双侧随机特性, 这将使模型在求解方面的难度大大增加。因此, 针对上述含不确定性优化问题的高效求解算法同样成为当前研究着重探讨的相关课题。
在新能源电力系统中, 需求响应负荷可作为“虚拟发电资源”与各类常规电源联合参与调度计划。针对供应侧资源的调控与传统电力系统类似, 而需求侧调控手段则可分为基于电价、基于合同及基于市场竞价3种方式。
电价模式主要通过引入动态电价信号引导用户进行负荷削减或转移。由于对相关指令的执行在一定程度上取决于用户行为, 缺乏强制性, 因此电价模式属于一种间接负荷调控方式, 大多用于对价格信号相对敏感的小型工商业或居民用户。与此相比, 基于合同或市场竞价的模式则赋予了系统运行者对负荷的直接调控权。二者的区别在于前者主要基于电力公司与用户的双边合同, 而后者则是在统一的电力市场下通过竞争实现对负荷响应规则的约定。与电价模式相比, 上述负荷调控手段不易受外部市场环境的影响, 且便于实施, 因此更适用于大型工商业用户。
在新能源电力系统中, 需求响应资源可有效补充常规机组快速调节能力的不足, 并用于参与电网稳定或调频控制。与集中调控方式相比, 通过聚合方式接入的需求响应资源通常需要更为复杂的控制技术。从目前情况看, 该方面的研究主要集中在单一需求响应资源的控制策略设计以及多种需求响应资源的协调配合2个方面。
对于前者, 常用的控制目标包括平抑新能源发电波动、提高系统运行经济性或安全裕度等。相关研究表明, 借助合理的调控策略, 需求响应资源能够有效平抑新能源发电波动, 提高系统应对外部不确定性的能力, 此外在一些情况下比依赖供应侧资源的方案具有更好的经济性。对于后者, 主要面向关注不同类型需求响应资源之间的互补性及其蕴含的潜在效益。
在新能源电力系统环境下, 实施需求响应能够为电力系统地各个环节带来可观的效益: 对于电网公司, 有效降低新发电并网带来的不利影响, 延缓扩容建设需求, 同时改善电网资产利用率; 对于发电商, 可以降低机组的调峰成本和发电碳排放; 对于用户, 通过参与需求响应可减少自身用电支出, 甚至获得额外经济收益; 对于全社会, 源荷互动可促进新能源发电并网, 推动实现真正意义上的电能低碳化。
需求响应资源对于保障新能源电力系统安全、高效、经济运行具有重要作用, 而其大规模开发及推广则需要借助完善的市场化运作机制才能实现。目前, 现有需求响应市场化运作机制主要包括基于价格与基于激励2种类型。对于基于价格的市场化机制, 典型项目包括: 美国的实时电价机制、以及我国部分地区的分时电价机制等; 对于激励型机制, 则种类繁多, 如英国的“能源企业义务”项目, 以及我国部分城市近期开始的“需求响应补贴”等, 其主要实施模式有基金发放、多边补贴、电价回收等。
而在新能源电力系统中, 由于系统运行面临更大不确定性, 因此无论从容量规模或其多样性上都将对需求响应提出更高要求。这就需要在现有基础上, 探索更为新颖的市场化运作模式。目前, 为充分吸引各相关方积极参与, 有学者提出将期权等金融措施引入需求响应商业化运作。其基本模式是以实时电价为基础, 针对用户响应方式及其与新能源发电的匹配关系, 通过设计不同类型的需求响应期权, 从而实现对用户实施需求响应策略的合理定价。上述机制的提出一方面有助于供电商对各类需求响应市场价值进行更加精确的评估, 另一方面由于能够有效降低用户参与需求响应面临的收益风险, 从而有助于增加其参与的积极性。
一是引入智能化采集、量测技术。因地制宜制定用电信息采集技术发展路线, 实现对各类用户用电信息采集的“全覆盖、全采集”满足不同业务应用系统的数据共享和智能应用需求。二是升级调度控制技术,提升系统调度能力, 升级、开发相关软件。三是引入用户用能设备控制技术。推动用户用能设备控制技术与智能工业生产、智能楼宇、智能家居等方面的融合。
面对新能源的大规模接入, 系统需要充足的需求响应资源才能有效保证系统运行稳定性和可靠性。一是建立投资促进工作体系。在新能源富集区, 将针对新能源并网的需求响应项目优先纳入政府推进计划, 授权电力调度机构负责需求响应项目的具体实施, 并对其实施效果进行评价和考核。二是建立投资补贴机制。以基金方式对针对新能源并网的需求响应项目进行一次性投资补贴。三是引入市场化项目投资机制。采用合同能源管理方式推动需求响应项目投资, 建立风险与收益双方均摊机制。
建立对需求响应资源提供辅助服务的补偿机制, 充分调动用户参与的积极性。一是建立涵盖需求响应资源的辅助服务分担共享机制。适应新能源并网条件下系统调峰、调频等辅助服务新要求, 完善需求响应项目的辅助服务考核机制和补偿机制。二是适时建立涵盖需求响应资源的辅助服务市场。针对新能源并网运行特性, 在条件成熟时建立供需双向投标的辅助服务交易机制, 通过市场化手段进一步发现各类需求响应资源的辅助服务价值。
曾博, 华北电力大学, 工学博士, IEEE会员。主要研究方向为：智能配电网规划、需求响应与智能用电、低碳电力技术等。已发表相关学术论文30余篇, 其中SCI、EI检索20余篇, 国家发明专利5项。此外, 主持国家自然科学基金项目1项, 参与国家高技术研究发展计划(863)项目、国家科技支撑计划项目、省部级科研课题与项目20余项, 并担任IEEE Trans. Smart Grid, IET Gener. Transm. Distrib. 等多个国际学术期刊的审稿专家。
华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室“新能源电力供需特性及建模仿真”团队多年来致力于需求侧响应建模仿真、能源互联网技术、电力市场运营机制等领域的研究。先后承担国家自然基金项目，国家科技支撑计划项目以及国家电网公司、南方电网公司等企业重大科技项目40余项。在国内外核心刊物上发表学术论文470余篇，其中被国际三大检索系统收录150余篇，出版专著11部。研究团队承担的《面向节能减排目标的需求侧管理与响应理论及其在我国的应用研究》、《新兴能源发展基础设施及其配套体系研究》、《可再生能源有序发展与我国能源格局优化的关键问题研究》等重点课题，先后多次获得国家能源局软科学研究优秀成果奖，相关研究成果及政策建议被国家发改委等多个政府机构广泛采纳。
本文引文信息：
曾博,杨雍琦,段金辉,等.新能源电力系统中需求侧响应关键问题及未来研究展望[J].电力系统自动化,2015,39(17):10-18. DOI: 10.7500/AEPS20150408010.
ZENG Bo,YANG Yongqi,DUAN Jinhui, et al.Key Issues and Research Prospects for Demand-side Response in Alternate Electrical Power Systems with Renewable Energy Sources[J].Automation of Electric Power Systems,2015,39(17):10-18. DOI: 10.7500/AEPS20150408010.
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