清潔能源接入的智能電網(wǎng)需求響應(yīng)綜述

王智琦，冷 月，吳倩紅

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065)

清潔能源接入的智能電網(wǎng)需求響應(yīng)綜述

王智琦，冷 月，吳倩紅

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065)

智能電網(wǎng)拓展了清潔能源的接納能力，使電網(wǎng)負(fù)荷端與清潔能源進(jìn)行合理匹配消納，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益最大化，是能源領(lǐng)域需要解決的科學(xué)問題。將可中斷負(fù)荷應(yīng)用于含風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)，研究可中斷負(fù)荷的意義，總結(jié)國內(nèi)外開展的清潔能源研究與實(shí)踐，考慮風(fēng)機(jī)入網(wǎng)后對電網(wǎng)的影響，通過對需求響應(yīng)技術(shù)方法的分析，提出了供電套餐。

清潔能源；可中斷負(fù)荷；需求響應(yīng)；供電套餐；社會(huì)效益最大化

近年來，智能電網(wǎng)、清潔能源等已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。清潔能源在我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中具有日益重要的地位，政府、企業(yè)、學(xué)術(shù)界均在清潔能源技術(shù)及其評價(jià)上做了大量工作[1]。但清潔能源發(fā)電機(jī)組具有功率輸出不穩(wěn)定、大量吸收無功、控制調(diào)節(jié)手段單一等特點(diǎn)，大量投運(yùn)會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來很多問題[2]。另一方面，從需求側(cè)管理到需求側(cè)響應(yīng)，不是一個(gè)簡單的概念變換，而是一個(gè)質(zhì)的拓展，它對提高電力市場的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率有重要意義[3]。在電力市場的推動(dòng)下，清潔能源的接入可作為傳統(tǒng)供電模式的有力補(bǔ)充，而引入可中斷負(fù)荷的需求側(cè)響應(yīng)有利于降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，使社會(huì)效益最大化。本文旨在找到兩者的結(jié)合點(diǎn)，在促進(jìn)智能電網(wǎng)技術(shù)條件下利用可中斷負(fù)荷的綠色電能合理匹配消納，促進(jìn)源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)合理、優(yōu)化用電的戰(zhàn)略性措施，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 可中斷負(fù)荷的意義

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，負(fù)載常被當(dāng)作物理負(fù)荷，出現(xiàn)電力不足時(shí)，調(diào)度員會(huì)強(qiáng)制切除負(fù)荷來保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，這種方式未將用電方的有關(guān)因素考慮在內(nèi)，會(huì)給用戶造成損失。電力市場的引入，使得用電方不再是物理負(fù)荷，而是作為消費(fèi)者的用戶，終止服務(wù)不是單純的拉閘限電而需要給予用戶一定的補(bǔ)償?？芍袛嘭?fù)荷管理就是由電力公司與用戶簽訂可中斷負(fù)荷合同，在系統(tǒng)緊急情況下電力公司中斷對用戶的電力供應(yīng)，但給予用戶一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償[4]。

近年來，各地供電緊張，有關(guān)拉閘限電的報(bào)道很多。市場環(huán)境下，依靠行政命令拉閘限電已不能適應(yīng)電力市場的要求[4]。可中斷負(fù)荷就是利用用戶用電靈活性，來緩解負(fù)荷高峰時(shí)的供電緊張[5]，有利于電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，削弱市場勢力，抑制價(jià)格尖峰。

另外，可中斷負(fù)荷管理響應(yīng)速度快，能有效調(diào)動(dòng)用戶的互動(dòng)積極性，它參與到含清潔能源調(diào)控中，可實(shí)現(xiàn)以較小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)維持有功供需平衡。而清潔能源的加入，擴(kuò)充了負(fù)荷的概念，某些載體在時(shí)間或空間上具備了可中斷的性質(zhì)，這種新型的可中斷負(fù)荷成為一種經(jīng)濟(jì)節(jié)能的調(diào)度手段，深化了能源結(jié)構(gòu)，同時(shí)也促進(jìn)了電力市場建設(shè)[5]。

2 關(guān)于清潔能源的研究與實(shí)踐

2.1 清潔能源概述

清潔能源從理論上來說是一種在生產(chǎn)與使用環(huán)節(jié)均不會(huì)產(chǎn)生并排放有害物質(zhì)的能源。從電力應(yīng)用技術(shù)角度對清潔能源進(jìn)行分類，可將其分為水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等。多數(shù)清潔能源具有發(fā)電隨機(jī)性、間歇性強(qiáng)、可調(diào)節(jié)能力弱等特點(diǎn)，因此，清潔能源的并入會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓水平波動(dòng)、線路傳輸功率超出極限、系統(tǒng)短路容量增加和系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改變等問題[6]。研究如何提高我國電網(wǎng)對清潔能源接入的適應(yīng)性、運(yùn)行控制的靈活性和安全穩(wěn)定的可控性，具有重要的意義。

2.2 清潔能源的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2.1 國外清潔能源研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

美國于2009年6月通過了《美國清潔能源與安全法案》，目的是發(fā)展清潔能源以減少化石能源的使用。美國現(xiàn)有運(yùn)營中的風(fēng)力發(fā)電總量是28 206 MW，居全球第一。2006年開始美國實(shí)施了“總統(tǒng)太陽能美國計(jì)劃”，目標(biāo)是在10年內(nèi)使太陽能發(fā)電的價(jià)格降低到能與常規(guī)電力相競爭，預(yù)計(jì)到2015年累計(jì)光伏容量達(dá)到5～10 GW。美國的小水電數(shù)居世界第二，總裝機(jī)容量達(dá)3.5 GW[7]。

到2010年為止，日本累計(jì)安裝太陽電池組件容量為4.82 GW，預(yù)計(jì)到2030年達(dá)到100 GW，大約占全部電力供應(yīng)的10%。截至2007年底，日本已經(jīng)在普通家庭中安裝了超過2 000臺(tái)家用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。日本巖手縣的一座牛糞發(fā)電站已投入商業(yè)使用，成為日本第一家生物發(fā)電站[8]。

2006年，歐洲光伏產(chǎn)量達(dá)到2 529 MW，預(yù)計(jì)到2040年可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占50%以上，其中太陽能發(fā)電將占20%以上。2009年多家歐洲企業(yè)簽訂協(xié)議，將共同開發(fā)撒哈拉沙漠地區(qū)的太陽能發(fā)電，預(yù)期到2050年利用沙漠太陽能開發(fā)的清潔電力能滿足歐洲地區(qū)15%的用電需求。該項(xiàng)太陽能發(fā)電工程是目前全球最大的發(fā)電工程[7]。

2007年，德國的風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)突破21 GW，占到德國總裝機(jī)容量的20%[9]。

法國的清潔能源主要集中在核能上，法國電力公司在法國有58座核電站，提供國家用電量的65%。該公司計(jì)劃于2020年前在海外建成10座核反應(yīng)堆，其中4座在英國、4座在中國、2座在美國。并且法國電力公司在天然氣、清潔煤、水電和可再生能源上的開發(fā)也卓有成果[10]。

2.2.2 國內(nèi)清潔能源研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

2005—2008年，我國風(fēng)電裝機(jī)連續(xù)3年實(shí)現(xiàn)翻番式增長；僅2009年上半年，我國已完成吊裝的新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)460萬千瓦。西北部地區(qū)將建設(shè)大規(guī)模太陽能發(fā)電基地。2009年4月，13家太陽能光伏企業(yè)共同簽署了《洛陽宣言》，明確了在2012年實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)1元/kWh的目標(biāo)。目前我國建成和在建的核電站總裝機(jī)容量為870萬千瓦，預(yù)計(jì)到2020年中國核電裝機(jī)容量約為4 000萬千瓦[7]。

可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃中，提出到2010年可再生能源在能源消費(fèi)中的比例要達(dá)到10%，約為3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[7]。預(yù)計(jì)到2020年，我國清潔能源裝機(jī)將達(dá)到5.7億千瓦，占總裝機(jī)容量的35%，每年可減少CO2排放13.8億噸[9]。在《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中提出，到2020年，中國的可再生能源消費(fèi)量將達(dá)到能源消費(fèi)總量的15%，其中電力的20%將來自于可再生能源[11]。

3 風(fēng)機(jī)入網(wǎng)后對電網(wǎng)的影響

3.1 風(fēng)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響

風(fēng)電運(yùn)行特點(diǎn)有[12]：風(fēng)電出力隨機(jī)性強(qiáng)、間歇性明顯；風(fēng)電年利用小時(shí)數(shù)偏低；風(fēng)電功率調(diào)節(jié)能力差。

根據(jù)國際規(guī)定，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)主要包括電壓偏差、頻率偏差、電壓波動(dòng)和電壓閃變及諧波問題。風(fēng)速的變化、湍流以及風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)造成的紊流會(huì)引起風(fēng)力發(fā)電功率的波動(dòng)和風(fēng)電機(jī)組的頻繁啟停。轉(zhuǎn)矩的周期變化導(dǎo)致異步電機(jī)輸出功率的變化，使電網(wǎng)頻率在一定范圍波動(dòng)，影響電網(wǎng)中頻率敏感負(fù)荷的正常工作。風(fēng)電功率的波動(dòng)會(huì)引起電壓的變化：電壓波動(dòng)、電壓閃變、電壓跌落及周期性脈動(dòng)等。另外，風(fēng)電機(jī)組中的電力電子控制裝置如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，將向電網(wǎng)注入諧波電流，引起電壓波形發(fā)生不可接受的畸變，并可能引發(fā)由諧振帶來的潛在問題[12]。

3.2 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響

風(fēng)力發(fā)電具有間歇性、利用小時(shí)數(shù)低等缺點(diǎn)，對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行有一定影響。輸電線路的輸電功率受功率穩(wěn)定極限的限制，而線路的靜態(tài)穩(wěn)定功率極限近似與線路的電壓平方成正比。系統(tǒng)運(yùn)行電壓偏低，輸電線路的功率極限大幅度降低，可能產(chǎn)生系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率崩潰、系統(tǒng)解列。如果電力系統(tǒng)缺乏無功電源，也可能產(chǎn)生系統(tǒng)電壓不穩(wěn)導(dǎo)致電壓崩潰。頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定的破壞都會(huì)造成嚴(yán)重的災(zāi)難，給電力系統(tǒng)及各行各業(yè)的生產(chǎn)以及人民生活帶來重大的損失。系統(tǒng)運(yùn)行電壓過高又可能使系統(tǒng)中各種電器設(shè)備的絕緣受損，帶鐵心的設(shè)備飽和產(chǎn)生諧波，并可能引發(fā)鐵磁諧振，同樣威脅電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行[13]。

3.3 對發(fā)電計(jì)劃制定的影響和對調(diào)度的壓力

由于風(fēng)的不可控性，對風(fēng)電不可能像對其他傳統(tǒng)電源一樣進(jìn)行可靠的負(fù)荷預(yù)測，也難以制定和實(shí)施正確的發(fā)電計(jì)劃[14]。如果把風(fēng)電場看成負(fù)的負(fù)荷，則它不具有可預(yù)測性；如果把風(fēng)電場看成一個(gè)電源，則其有效性無法得到保證[13]。隨著風(fēng)電容量比例的增加，給地方電網(wǎng)調(diào)度帶來了不少壓力。如在包頭地區(qū)，由于內(nèi)蒙煤電供應(yīng)及時(shí)，再加上金融危機(jī)使得電力需求有所下降，現(xiàn)在包頭地區(qū)基本的電力供應(yīng)還是依靠火電，國家對風(fēng)電等可再生能源的政策規(guī)定電網(wǎng)要全數(shù)接收風(fēng)電，所以包頭電網(wǎng)調(diào)度中心要求風(fēng)電場于凌晨零點(diǎn)至早晨七點(diǎn)時(shí)段風(fēng)電機(jī)組停機(jī)，以此來協(xié)調(diào)。但是電力減扣會(huì)造成資源的浪費(fèi)和風(fēng)電企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)損失[15-16]，所以提高風(fēng)電的供電質(zhì)量十分重要。提高風(fēng)電的供電質(zhì)量，既需要提高風(fēng)電的管理水平，盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)電的供電能力，便于電網(wǎng)調(diào)度，又要通過一定的措施穩(wěn)定輸出電力。

4 供電套餐

國內(nèi)現(xiàn)有的電價(jià)機(jī)制是：對于每個(gè)用戶而言，電價(jià)沒有選擇，只能被動(dòng)地接受電網(wǎng)制定的唯一價(jià)格，這個(gè)價(jià)格可以按時(shí)段不同而設(shè)置不同的值，而在同一時(shí)段，只能接受一種電價(jià)。這樣的定價(jià)機(jī)制不夠靈活，同時(shí)用戶的利益不能保證最大化。

再觀察國內(nèi)移動(dòng)、聯(lián)通公司的定價(jià)機(jī)制：設(shè)有不同的定價(jià)套餐，每個(gè)用戶每月可以選擇適合自己的不同的套餐。這種定價(jià)機(jī)制有足夠的靈活性，同時(shí)用戶能保證自己的利益最大化。借鑒于移動(dòng)、聯(lián)通公司的定價(jià)機(jī)制，本項(xiàng)目提出了“電價(jià)套餐”，從電網(wǎng)兩方面考慮有三種套餐，而在每種套餐中從用戶方面考慮，又有四種套餐。表1是用戶可選擇的套餐。

表1 用戶可選電價(jià)套餐

從電網(wǎng)方面考慮的電價(jià)套餐以如下3點(diǎn)為側(cè)重點(diǎn)：

(1)發(fā)電成本

假設(shè)電價(jià)與發(fā)電成本呈正比關(guān)系，成本越高則電價(jià)越高，有A＞C＞B＞D。當(dāng)電網(wǎng)使用這種套餐供給用戶時(shí)，用戶可以有表1中的四種選擇。而實(shí)際情況中，風(fēng)機(jī)的接入與否只能由電網(wǎng)決定，故用戶只能在情況1、3中選一種，或在情況2、4中選一種。

(2)供電可靠性

從供電可靠性方面考慮電價(jià)，可靠性越高，電價(jià)越高。所以，不可有中斷的區(qū)域的電價(jià)大于可以有中斷的區(qū)域的電價(jià)(不可有中斷的供電可靠性高于可中斷的供電可靠性)，接入風(fēng)機(jī)的電價(jià)大于不接入風(fēng)機(jī)的電價(jià)(此處為單時(shí)段討論，不考慮風(fēng)機(jī)的間歇性，只從風(fēng)機(jī)接入補(bǔ)充了容量方面考慮)。由此得出：D＞A＞C＞B。當(dāng)電網(wǎng)使用這種套餐供給用戶時(shí)，用戶可以有表1中的四種選擇。而實(shí)際情況中，風(fēng)機(jī)的接入與否只能由電網(wǎng)決定，故用戶只能在情況1、3中選一種，或在情況2、4中選一種。

(3)綜合考慮發(fā)電成本和供電可靠性

當(dāng)綜合考慮發(fā)電成本和供電可靠性時(shí)，采用加權(quán)系數(shù)。設(shè)發(fā)電成本方面的電價(jià)為h1，供電可靠性方面的電價(jià)為h2，綜合考慮時(shí)的電價(jià)為h3，則：

式中：λ1和λ2為加權(quán)系數(shù)，范圍是(0，1)。

電網(wǎng)可以根據(jù)實(shí)際情況來確定兩個(gè)加權(quán)系數(shù)的大小，從而設(shè)定A、B、C、D的大小。當(dāng)電網(wǎng)使用這種套餐供給用戶時(shí)，用戶可以有表1中的四種選擇。而實(shí)際情況中，風(fēng)機(jī)的接入與否只能由電網(wǎng)決定，故用戶只能在情況1、3中選一種，或在情況2、4中選一種。

5 結(jié)束語

隨著清潔能源發(fā)電比例的大幅增加，安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保已成為電力發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)。通過以上分析可知，清潔能源的接入在降低社會(huì)投入總成本上效果突出，而需求側(cè)響應(yīng)中的可中斷負(fù)荷機(jī)制在緩解阻塞上收益顯著，將清潔能源引入需求側(cè)響應(yīng)管理后，兩者可相輔相成共同作用于系統(tǒng)，相較各自單獨(dú)作用時(shí)社會(huì)總效益更大，阻塞費(fèi)用更低；清潔能源接入后，部分原已中斷的負(fù)荷恢復(fù)運(yùn)行，這使系統(tǒng)擁有更大的備用容量，從而增強(qiáng)了需求側(cè)響應(yīng)的可操作性。同時(shí)，可中斷負(fù)荷被切除的時(shí)間減少，使用戶用電更加穩(wěn)定、可靠，供需雙方均從中受益。

[1]趙中華．中國城市清潔能源評價(jià)方法研究[D]．北京：北京化工大學(xué)，2007．

[2]張力，劉俊勇，劉友波，等.清潔能源發(fā)電集群對電網(wǎng)的影響分析與市場機(jī)制探索[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，28(5)：32-35，44．

[3]劉寶華，王冬容，曾鳴．從需求側(cè)管理到需求側(cè)響應(yīng)[J]．電力需求側(cè)管理，2005，7(5)：10-13．

[4]王建學(xué)，王錫凡，王秀麗.電力市場可中斷負(fù)荷合同模型研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(9)：11-16．

[5]張濤，宋家驊，程曉磊.可中斷負(fù)荷研究綜述[J].東北電力技術(shù)，2007，6：46-49．

[6]吳集光，劉俊勇，段登偉，等．電力市場下實(shí)用可中斷負(fù)荷補(bǔ)償機(jī)制研究[J]．四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2005，37(1)：90-95．

[7]季陽，艾芊，解大．基于智能電網(wǎng)的清潔能源并網(wǎng)技術(shù)[J]．低壓電器，2010，1(4)：20-25，51．

[8]向月，劉俊勇，魏震波，等．可再生能源接入下新型可中斷負(fù)荷發(fā)展研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(5)：148-155．

[9]李亞樓，周孝信，林集明，等．2008年IEEE PES學(xué)術(shù)會(huì)議新能源發(fā)電部分綜述[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(20)：1-7．

[10]馬衛(wèi)華，董佳．法國電力公司清潔能源發(fā)展戰(zhàn)略探析[J]．電力建設(shè)，2009，30(10)：40-43．

[11]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì).可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃[EB/OL].[2011-04-01].http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/ 2007tngzhi/W020070904607346044110.pdf.

[12]田妍,王潔,田松.淺談風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響[J].中國電力教育,2009,8(1):21-25.

[13]張麗英，葉廷路，辛耀中，等．大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的相關(guān)問題及措施[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(25)：1-9．

[14]高陽，歐陽群，關(guān)慧敏．風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J]．東北電力技術(shù)，2010(2)：14-17．

[15]TUAN L A.BHATTACHARYA K.Interruptible load management within secondary reserve ancillary service market[C]//Proceedings of IEEE Porto Power Tech Conference.Porto,Portugal:IEEE Porto Power Tech Conference,2001:1-6．

[16]田紅，陳興隆，王蕾，等．風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)企業(yè)的外部成本影響分析[J]．財(cái)經(jīng)視點(diǎn)，2010，6：131-132．

Review of smart grid demand response with clean energy access

WANG Zhi-qi,LENG Yue,WU Qian-hong
(School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu Sichuan 610065,China)

The smart grid has expanded the accepting ability of clean energy,and has made the grid load consume clean energy reasonably,realizing the maximization of social benefit,so it is a scientific problem to be resolved in the field of energy.The interruptible load was applied to the power system with wind power access.The significance of interruptible load was studied;the research and practice of clean energy at home and abroad were summarized;the impact of the wind machine on power grid was considered after it was connected to the grid;the power package was put forward by analyzing the method of the demand response.

clean energy;interruptible load;demand response;power package;maximization of social benefit

TM 727

A

1002-087 X(2015)08-1798-03

2015-01-22

王智琦(1991—)，男，黑龍江省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量與電力市場。