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1、D O I: /A E P S 电力柔性负荷调度研究综述王 珂,姚建国,姚良忠,杨胜春,雍太有( 中国电力科学研究院( 南京) ,江苏省南京市 )摘要:电力高峰负荷持续增长以及间歇式能源的迅猛发展对电力系统调节能力提出新的重大挑 战, 柔性负荷调度作为发电调度的补充, 已成为国内外关注的热点.从柔性负荷参与电网调度运行 的视角综述了近年来国内外在柔性负荷可调度潜力、 调度模式、 响应行为建模和调度架构等方面的 研究成果, 着重对比分析了不同调度模式和调度架构的适用场景和优缺点, 从柔性负荷综合响应建 模、 多时间尺度互动交易模式、 多时间尺度协调调度、 集中负荷调度;需求响应;负荷聚合商;互动
2、运行收稿日期: ;修回日期: .国家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 ( 计 划 )资 助 项 目( C B ) ; 国家电网公司科技项目“ 源网荷 互动环境下电网功率与频率控制关键技术的研究” ; 北京市自然科学基金资助项目( ) . 引言电力高峰负荷持续增长以及间歇式能源的迅猛发展增加了电网调度运行的难度, 对电力系统调节能力提出新的重大挑战.近年来, 具有与电网双向互动能力的电动汽车、 储能等带有“ 源” 和“ 荷” 双重特征的新型负荷的比重呈不断上升趋势; 部分传统负荷也能够根据激励或者电价调节自身的用电需求, 具备“ 虚拟电厂” 的特性, 负荷特性的变化引起了国内外学者的共同
3、关注.文献 认为未来智能电 网需要容纳较大比例的主动负荷, 以双向性、 不确定性和可控性为特点; 文献 将能够改变用电时间或 负荷大小以配合电力运行商的需求响应(d e m a n dr e s p o n s e,D R) 策略, 从而获得经济效益的负荷定义 为柔性响应(f l e x i b l eD R) ; 文献 将负荷的柔性定 义为负荷大小可在用户指定的区间内“ 伸缩” .在逻辑学中, 所谓“ 概念” 包含内涵与外延两个方面, 本文将“ 柔性负荷” 的内涵定义为用电量可在指定区间内变化或在不同时段间转移的负荷, 其外延包含具备需求弹性的可调节负荷或可转移负荷、 具备双向调节能力的电动
4、汽车、 储能、 蓄能以及分布式电源、 微网等.作为发电调度的补充, 柔性负荷调度能够削峰填谷、 平衡间歇式能源波动和提供辅助服务, 有利于丰富电网调度运行的调节手段 .传统发电调度中, 机组需按照调控指令完全响应, 与之不同, 负荷调度一方面要满足电网调度指令的需求, 另一方面还需对用户的正常用电影响较小.柔性负荷调度在电力市场发展较为成熟的欧美国家表现为需求响应, 重视对电力用户的引导和用户的参与满意度.其中, 美国需求响应起步较早, 相关政策相对完备, 组织机构也较为完善, 其先后于 年、 年、 年分别颁布了 能源政策法案 能 源独立与安全法案 和 美国复苏与再投资法案 , 明确规定对实施
5、需求响应大力支持.美国宾夕法尼亚新泽 西马 里 兰 (P J M) 、 新 英 格 兰I S O(I S O N E) 、 加州I S O(C A I S O) 等均已陆续推出基于容量 市场、 能量市场( 日前计划、 实时平衡、 输电权交易) 、辅助服务市场的需求响应项目, 售电侧采用节点电价的定价方式并实行零售选择权, 取得了良好的效果.中国目前处于市场发展的初级阶段, 还缺乏完整的市场运营规则和电价形成机制, 尚不能通过经济手段及时有效地调节市场供需, 负荷调度更多表现为以分时电价和有序用电为代表的需求侧管理,强调集中调度体制下电网的安全性.本文从调度运行的视角对柔性负荷调度技术的最新研究
6、成果进行综述, 结合中国国情指出柔性负荷调度需进一步研究的方向. 可调度潜力在柔性负荷响应潜力方面, 文献 提出针对大 型工商业用户参与需求响应的潜力评估方法, 主要步骤包括确定研究对象和需求响应项目类型、 基于第 卷 第 期 年 月 日V o l N o O c t , 用电特性的用户群聚类分析、 分类需求响应项目参与率辨识、 价格弹性计算和需求响应潜力评估, 重点是适用于细分用户群的价格弹性计算方法.基于上述评估方法, 美国联邦能源管理委员会从常规业务、扩展业务、 可实现参与和全面参与种场景评估了美国 年的需求响应潜力.如图所示, 一般来说, 需求响应潜力评估可分为电力负荷调研、 数据整理
7、和分析、 回归模型建立及响应潜力预测等步骤.表给出了各国柔性负荷响应潜力分析结果.但现有研究还存在以下不足:负荷可调度潜力与电网运行工况、 外界环境变化、 用户用电消费心理、 响应前用户用电状态等因素密切相关, 针对负荷在某一具体运行工况下的响应潜力评估研究还较为少见;多从挖掘电网柔性负荷削峰潜力的角度研究负荷的向下调节潜力, 缺乏对向上调节潜力的相关研究.+B9 ()*+( L“ 2B924 *+(AA%AA 04 %N#K .4B9 2 * A-N#图 柔性负荷响应潜力预测方法 F i g R e s p o n s ep o t e n t i a l p r e d i c t i o
8、 no f f l e x i b l e l o a d s表 柔性负荷响应潜力分析 T a b l e R e s p o n s ep o t e n t i a l o f f l e x i b l e l o a d s国家及地区研究对象削峰潜力美国居民、 小型工商业、 中型工商业、 大型工商业 德国工商、 居民、 第三产业 挪威居民( 家用电器)居民负荷的中国台湾 工商、 居民的空调负荷空调负荷的 中国华北 居民、 小型工商业、 中型工商业、 大型工商业 调度模式 参与调度计划的模式 基于电价的模式 通过价格信号引导用户合理调节和改善用电结构和用电方式, 已有大量文献对此进行了研
9、究, 包括电价决策模型 , 电价对负荷曲线形状 以及电网可靠性 等方面的影响.分时电价(t i m eo f u s e,TOU) 一般在日前或更早时间尺度上制定并发布, 电力用户有充分的时间合理安排用电计划; 实时电价(r e a l t i m ep r i c i n g,R T P) 是基于边际成本理论的 一种动态电价机制, 反映的是各时刻供应与需求的变化关系, 有利于市场风险在供电商与用户之间进行合理分摊 , 但只会对具有快速响应能力或电价敏 感 型 柔 性 负 荷 起 到 引 导 作 用.尖 峰 电 价(c r i t i c a l p e a kp r i c i n g,C
10、P P) 是在TOU基础上叠加 尖峰费率而形成的一种动态电价机制, 可有效降低系统尖峰时段的负荷.总的来说, 响应电价的用户无需向电网调控部门申报自身的个体用电信息, 因而适用于任意大、 中、 小型用户, 但用户自主响应行为的不确定性较大; 此外, 用户响应和动态电价的制定存在一定的相互影响关系, 当大量用户同时响应电价变化时可能导致用户需求同时转移到低电价时段, 从而引起新的用电高峰 , 这是需要电价制定部门进一步关注的问题. 基于合同约定的模式 电力公司与用户签订协议, 事先约定用户的基本负荷消费量和削减负荷量的计算方法、 激励费率的确定方法以及违约的惩罚措施等, 是电力公司引导柔性负荷参
11、与电网调度运行的有效手段.若由用户调整用电量称为可中断负荷(i n t e r r u p t i b l el o a d,I L) , 由电力公司或负荷聚合商(l o a da g g r e g a t o r,L A) 的负 控装置削减 负荷称为直 接负荷控制(d i r e c t l o a dc o n t r o l,D L C) .目前I L 作为调峰的一种重要手段已被美国几乎所有电力公司采用,国内江苏、 河北等省也制定了I L管理方案.D L C通常针对居民或小型商业用户, 简单实用、 可靠性高.文献 提出机组组合和D L C协同的控制策 略以减小峰荷和运行费用.文献 提出
12、从可 控负荷数量、 控制持续时间和连续渐进优化等方面研究D L C方案以增加电力企业的利润和用户的利益, 文献 提出的模糊逻辑D L C中考虑了用 户的意愿, 将用户的需求和满意度作为模糊变量以柔性地控制空调负荷.尽管如此, 由于电力负荷的转移和负荷预测误差,D L C仍无法得到精确的负荷 削减数量. 需求侧竞价的模式 电力负荷以竞价形式与发电侧资源共同参与市场竞争并获得经济利益, 市场运行者通过全局优化取得市场出清.英格兰和威尔士电力市场在 世纪 年 代 开 展 了 需 求 侧 竞 价 (d e m a n d s i d eb i d d i n g,D S B) 的市场竞价模式, 赋予用
13、户通过申报 削减负荷价格和发电侧统一参与电力市场竞争的权 , ( ) 利, 实现了调度中心对机组和负荷资源的统一调配.近年来, 相关研究主要集中于竞价规则 、 负荷响应的多时段特性 以及需求侧资源与可再生能源的联合优化 等方面. 有序用电的模式 国内需求侧管理主要采取以行政引导为主、 经济手段为辅的有序用电模式, 包括错峰、 避峰、 限电、拉路等 , 本质上是在用电高峰期将电网各节点的负荷在时间、 空间上重新安排, 通过时间上的有序移动实现移峰填谷、 平缓系统负荷曲线, 通过空间上的协调配合实现消除阻塞、 降低系统网损 .附录A表A 从时间尺度、 市场发展需求、 适用对象、 响应行为的不确定性
14、、 通信和控制技术需求几方面对上述调度模式进行了比较.总的来说, 电力公司通过制定合理的电价能够引导大多数柔性负荷, 但由于用户自主响应的不确定性, 难以对其进行精确调度, 主要从用户针对电价的响应行为并以此预测负荷曲线形状的变化来体现对调度计划的影响, 可认为是一种引导型预调度; 基于合同的模式可靠性较高, 可作为“ 虚拟发电资源” 直接参与调度计划编制; 需求侧竞价使得电力负荷作为虚拟发电资源能够与发电商平等竞价, 但对电力市场发展程度要求较高; 国内目前采取的有序用电模式对于保障电网的安全运行起到了良好的促进作用, 但对用户的利益还缺乏充分的考虑.此外, 由于负荷响应的不确定性, 如何从计及需求响应资源的多周期响应特性协调优化调度不同时间尺度上的柔性负荷资源, 其调度模型及协调算法仍有待进一步研究. 参与备用计划的模式 作为应对系统小概率高风险的容量事故的优质资源, 柔性负荷参与备用计划备受关注.特别针对I L开展了大量研究.文献 讨论了I L的经 济补偿模型及报价清算规则, 将I L的市场引导方式分为低电价与高补偿种, 提出基于风险观点对这种方式进行协调.文献 介绍了I L参与系统 备用的交易机制, 提出基于帕累托最优的系统备用优化模型.电动汽车普及后, 借助V G(v e h i c l e t o g r i d) 技术可调动电动汽车电能参与备用服务,
