提高光伏并網(wǎng)滲透能力的電價(jià)激勵(lì)負(fù)荷轉(zhuǎn)移策略研究

石磊磊，胡建昭，韓勝峰，楊健，白莉研，宮龍威，劉延華

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提高光伏并網(wǎng)滲透能力的電價(jià)激勵(lì)負(fù)荷轉(zhuǎn)移策略研究

石磊磊1,2，胡建昭1，韓勝峰1，楊健1，白莉研1，宮龍威2，劉延華3

(1.國網(wǎng)河北省電力公司邢臺供電分公司，河北 邢臺054001；2.電力電子節(jié)能與傳動控制儀河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院)，河北 秦皇島066004；3.國網(wǎng)山東省電力公司，山東濟(jì)南250001)

提出一種計(jì)及光伏出力的實(shí)時(shí)電價(jià)激勵(lì)機(jī)制以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移、提高光伏并網(wǎng)滲透率。根據(jù)光伏發(fā)電曲線和需求響應(yīng)特性建立了反映光伏出力的實(shí)時(shí)電價(jià)模型和用戶的電價(jià)響應(yīng)模型。結(jié)合實(shí)時(shí)電價(jià)和用戶響應(yīng)模型構(gòu)建了負(fù)荷轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)方法和流程，從而鼓勵(lì)用戶主動將可轉(zhuǎn)移負(fù)荷向光伏出力大的時(shí)段轉(zhuǎn)移，提高光伏出力時(shí)段的凈負(fù)荷值。算例表明所提方法能夠有效削弱光伏出力波動性對電網(wǎng)的不利影響，提高電網(wǎng)接納光伏發(fā)電的能力。

光伏發(fā)電；光伏滲透率；光伏消納能力；負(fù)荷轉(zhuǎn)移機(jī)制；實(shí)時(shí)電價(jià)

0 引言

光伏發(fā)電出力具有周期性和波動性特點(diǎn)，大規(guī)模電站式和分布式光伏并網(wǎng)后，如果負(fù)荷不能有效消納其出力，將會對電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)[1]。探索有效措施提高電力系統(tǒng)對光伏電源的接納能力是目前亟待研究的熱點(diǎn)問題[2-3]。

文獻(xiàn)[4]從光伏容量滲透率角度分析了光伏電源并網(wǎng)對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，提出通過合理降低電網(wǎng)最小允許負(fù)荷水平來提高電網(wǎng)的光伏接納能力。文獻(xiàn)[5]將太陽輻射隨機(jī)序列模型引入到光伏接納能力模型中，運(yùn)用機(jī)會約束規(guī)劃理論建立多目標(biāo)約束的非線性數(shù)學(xué)模型，以遺傳算法和蒙特卡羅法為基礎(chǔ)進(jìn)行求解和驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]提出負(fù)荷聚集商(Load aggregator)概念，通過第三方機(jī)構(gòu)將具有可利用價(jià)值的需求響應(yīng)資源進(jìn)行整合并參與市場調(diào)節(jié)，利用需求響應(yīng)技術(shù)挖掘和利用負(fù)荷資源。

本文從負(fù)荷轉(zhuǎn)移角度出發(fā)，建立利用實(shí)時(shí)電價(jià)和用戶響應(yīng)來轉(zhuǎn)移負(fù)荷的光伏消納策略。通過反映光伏發(fā)電系統(tǒng)出力特征的實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制，激勵(lì)負(fù)荷對電價(jià)進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)，引導(dǎo)用戶積極消納本地光伏出力，提高電網(wǎng)接納光伏的能力。

1 電網(wǎng)接納光伏發(fā)電能力分析

當(dāng)大量光伏電源并網(wǎng)后，通常將光伏發(fā)電系統(tǒng)出力總和當(dāng)成一種負(fù)值的特殊負(fù)荷，與傳統(tǒng)負(fù)荷疊加得到電網(wǎng)實(shí)際供給的凈負(fù)荷(Net Load)[7]。光伏容量滲透率定義如式(1)。

式中：c為光伏容量滲透率；pv,sum為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)總量；max為電網(wǎng)負(fù)荷峰值。

當(dāng)光伏容量滲透率c升高到一定程度，電力系統(tǒng)凈負(fù)荷會變?yōu)樨?fù)值，導(dǎo)致潮流反向，出現(xiàn)功率倒送現(xiàn)象。這將給配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)和繼電保護(hù)造成不利影響[8]。因此，在對傳統(tǒng)電網(wǎng)的電壓調(diào)整和保護(hù)規(guī)則進(jìn)行升級改造前，盡量避免發(fā)生大功率倒送現(xiàn)象。當(dāng)電力系統(tǒng)各饋線的實(shí)際最小負(fù)荷值不小于其最小允許負(fù)荷值時(shí)，電力系統(tǒng)不會發(fā)生功率反送現(xiàn)象。

光伏能量滲透率定義如(2)式所示。

式中，能量滲透率e表示光伏電源年發(fā)電量pv,sum與電力系統(tǒng)年耗電量sum的比值，該值反映了光伏系統(tǒng)在能量方面對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的滲透情況，是衡量不同地區(qū)電力系統(tǒng)利用光伏能源能力的指標(biāo)。

圖1所示為電力系統(tǒng)光伏容量滲透率與能量滲透率關(guān)系曲線。隨著c的上升，光伏能量滲透率e在c較小階段近似成正比關(guān)系；但隨著c的進(jìn)一步增大，e增勢趨于放緩。

圖1光伏容量滲透率與能量滲透率關(guān)系曲線

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)容量和光伏能源利用率之間并不完全成正比關(guān)系。在光伏并網(wǎng)容量較小階段可近似認(rèn)為光伏能源利用率為100%。但隨著c的升高，接入的光伏電源容量接近或達(dá)到光伏容量滲透率極限c,max，此時(shí)光伏滲透率不再與其容量滲透率成正比升高，會有更多的光伏發(fā)電不能被有效利用。

以某地區(qū)24 h負(fù)荷數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。該區(qū)域電力系統(tǒng)的最小允許負(fù)荷為0.1p.u.，當(dāng)光伏容量滲透率c分別是40%和80%時(shí)的電力系統(tǒng)凈負(fù)荷如圖2所示。在負(fù)荷曲線以下，兩條凈負(fù)荷曲線圍成的白色區(qū)域面積代表光伏發(fā)電有效利用量。系統(tǒng)最小負(fù)荷線與兩條凈負(fù)荷曲線圍成的深色陰影區(qū)域面積代表最小負(fù)荷時(shí)無法利用的光伏發(fā)電量。兩側(cè)淺色陰影區(qū)域面積代表電力系統(tǒng)的實(shí)際供電量。從如圖2可以看出，隨著c的增加，不可用光伏發(fā)電量迅速增加，但可用光伏發(fā)電量面積并沒有顯著增加。這表示光伏能源的棄用率隨著光伏滲透率的升高而顯著增加，光伏能源的利用率隨之降低。

圖2某地區(qū)晴天條件下光伏利用情況

以上分析可見，電力系統(tǒng)負(fù)荷特性與凈負(fù)荷特性在時(shí)間尺度上不匹配，是限制光伏滲透率的主要原因之一；采用表征光伏實(shí)時(shí)出力特征的負(fù)荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，增加電網(wǎng)在光伏出力高峰時(shí)段的凈負(fù)荷量，可有效提高電網(wǎng)對光伏發(fā)電的接納能力。

2 考慮光伏出力的實(shí)時(shí)電價(jià)和用戶響應(yīng)特性

負(fù)荷轉(zhuǎn)移是一種需求響應(yīng)方式，針對削峰填谷、環(huán)?；蚬?jié)能減排等目的，利用電力用戶對價(jià)格或激勵(lì)的響應(yīng)引導(dǎo)用戶的用電行為，調(diào)整用電設(shè)備的使用時(shí)間。改變原有的用電時(shí)間分布特征是負(fù)荷轉(zhuǎn)移的基本任務(wù)[9-12]。通過價(jià)格引導(dǎo)用戶的需求響應(yīng)行為能更好的完成負(fù)荷轉(zhuǎn)移任務(wù)。

2.1 計(jì)及光伏系統(tǒng)出力的實(shí)時(shí)電價(jià)模型

光伏出力特征和用戶的用電行為之間不存在必然聯(lián)系，而用戶用電行為受電價(jià)的影響在根本上來源于電力用戶本能的趨利響應(yīng)。因此，通過建立反應(yīng)光伏出力特征的電價(jià)機(jī)制能夠在光伏發(fā)電與用戶用電行為之間建立聯(lián)系。該電價(jià)機(jī)制需要實(shí)時(shí)反應(yīng)光伏發(fā)電的出力特征，并作為負(fù)荷轉(zhuǎn)移的激勵(lì)信號引導(dǎo)用戶改變用電行為，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移。有光伏出力時(shí)段，電價(jià)與光伏出力成比例降低，以引導(dǎo)用戶在該時(shí)段用電；無光伏出力時(shí)段，電價(jià)相對升高，引導(dǎo)用戶減少該時(shí)段的用電。

構(gòu)建電價(jià)模型的輸入變量為光伏出力曲線、負(fù)荷曲線和原始電價(jià)0，有光伏出力階段第時(shí)段期望電價(jià)如式(3)所示。

式中：P為該時(shí)段初始電價(jià)；L為該時(shí)段初始負(fù)荷；Q為該時(shí)段光伏發(fā)電系統(tǒng)出力；定義為光伏補(bǔ)償系數(shù)，等于單位光伏電能補(bǔ)貼金額*與固定電價(jià)0之比。

無光伏出力的第時(shí)段期望電價(jià)如式(4)所示。

式中：sum(non-pv)為無光伏出力時(shí)段的負(fù)荷總量；sum為光伏發(fā)電系統(tǒng)出力總值；其他參量與式(3)相同。

按此原理構(gòu)造的期望電價(jià)曲線示意圖如圖3所示。在有光伏出力時(shí)段的電價(jià)與光伏出力成比例下降，使用戶進(jìn)行合理的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，從而在光伏出力與用戶響應(yīng)之間建立了聯(lián)系。

圖3隨光伏變化的期望電價(jià)曲線

2.2 負(fù)荷價(jià)格彈性

電價(jià)彈性指電價(jià)變化引起的電能需求量的相應(yīng)變化。用戶在某一時(shí)刻的用電意愿同時(shí)受本時(shí)段與其他時(shí)段電價(jià)的影響，因此時(shí)段的期望電價(jià)e對所有時(shí)段負(fù)荷都存在有電價(jià)彈性；時(shí)段負(fù)荷L也是全天所有時(shí)刻期望電價(jià)e的函數(shù)[13]。時(shí)段某類負(fù)荷L是所有時(shí)段實(shí)時(shí)電價(jià)的函數(shù)，即L(1,2,,P)。則負(fù)荷電價(jià)彈性定義如式(5)所示。

式中：e表示時(shí)刻電價(jià)的變化引起類負(fù)荷在時(shí)刻的變化量；ΔL表示類負(fù)荷在時(shí)刻的期望負(fù)荷變化量；L表示類負(fù)荷在時(shí)刻的實(shí)際負(fù)荷；ΔP表示時(shí)刻期望電價(jià)相對原始電價(jià)的變化量；P表示時(shí)刻的原始電價(jià)。當(dāng)=時(shí)，e為類負(fù)荷本時(shí)段的負(fù)荷電價(jià)彈性，即自彈性系數(shù)。當(dāng)≠時(shí)，e為類負(fù)荷跨時(shí)段負(fù)荷電價(jià)彈性，即互彈性系數(shù)。若e<0，表示時(shí)刻價(jià)格上升引起類負(fù)荷時(shí)刻期望負(fù)荷的下降。

設(shè)期望電價(jià)的調(diào)整間隔為小時(shí)，則類型負(fù)荷在24小時(shí)內(nèi)的電價(jià)彈性矩陣定義如式(6)所示。

不同類型負(fù)荷的電價(jià)彈性矩陣的具體數(shù)值需要通過對各類型用電設(shè)備的大量用電轉(zhuǎn)移行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納得到[14-15]。

2.3 用戶響應(yīng)模型

電價(jià)策略變化后，類負(fù)荷在時(shí)刻用電變化量表述如式(7)所示。

式中：e表示類負(fù)荷在時(shí)刻的期望負(fù)荷變化量列向量；e為類負(fù)荷的電價(jià)彈性矩陣E中第行行向量，即時(shí)刻類負(fù)荷對所有時(shí)刻的電價(jià)彈性；L表示類負(fù)荷在時(shí)刻的實(shí)際負(fù)荷列向量；Δ為期望電價(jià)與實(shí)際電價(jià)的電價(jià)差；e為系統(tǒng)期望電價(jià)。

單獨(dú)用戶的用電選擇行為具有隨機(jī)性，無法進(jìn)行準(zhǔn)確描述。但當(dāng)用戶的數(shù)量較大時(shí)，全體用戶的用電轉(zhuǎn)移行為就具有一定的規(guī)律性。泊松分布適用于對單位時(shí)間內(nèi)隨機(jī)事件發(fā)生次數(shù)的描述，單位時(shí)間內(nèi)全體用戶對某類負(fù)荷的用電選擇行為屬于隨機(jī)過程。不同用戶間用電行為互不影響，該過程屬于泊松分布的隨機(jī)過程。因此可將全體用戶針對某類用電設(shè)備期望負(fù)荷的用電選擇行為轉(zhuǎn)化為泊松分布的隨機(jī)抽樣過程。用戶在時(shí)刻使用類負(fù)荷的期望次數(shù)描述如式(8)所示。

式中：e為類負(fù)荷在時(shí)刻的期望負(fù)荷；為用戶總數(shù)；p為單獨(dú)用戶類負(fù)荷的平均功率。通過對全體用戶所有類型負(fù)荷在全時(shí)段范圍內(nèi)的隨機(jī)抽樣，可以得到全體用戶對實(shí)時(shí)電價(jià)產(chǎn)生的隨機(jī)用電響應(yīng)行為的總體結(jié)果，將不同類型負(fù)荷的響應(yīng)結(jié)果求和能得到全體用戶在全時(shí)段的總負(fù)荷響應(yīng)結(jié)果。

3 基于實(shí)時(shí)電價(jià)與用戶響應(yīng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移方法

根據(jù)構(gòu)建的實(shí)時(shí)電價(jià)模型，期望電價(jià)為光伏出力與用戶負(fù)荷兩個(gè)參數(shù)的函數(shù)。當(dāng)用戶對實(shí)時(shí)電價(jià)做出用電響應(yīng)后，用戶負(fù)荷的變化將對電價(jià)產(chǎn)生新的影響。本節(jié)通過建立負(fù)荷轉(zhuǎn)移模型，分析電價(jià)與用戶之間的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系。實(shí)時(shí)電價(jià)與用戶響應(yīng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移模型流程圖如圖4所示。

首先，在光伏出力pv、原始電價(jià)0與c條件下，通過式(3)、式(4)實(shí)時(shí)電價(jià)模型計(jì)算此時(shí)的期望電價(jià)e，則電價(jià)變化率為

設(shè)電價(jià)彈性矩陣為，通過電價(jià)彈性模型得到新的分類期望負(fù)荷矩陣如式(10)所示。

對e進(jìn)行泊松分布隨機(jī)抽樣得到用戶實(shí)際的負(fù)荷響應(yīng)矩陣，則負(fù)荷變化量如式(11)所示。

對負(fù)荷變化量大小進(jìn)行判斷，若|?|>，則對原始電價(jià)0與原負(fù)荷矩陣c重新賦值，如式(12)所示。在原光伏出力與新分類負(fù)荷矩陣c的條件下生成新的分時(shí)電價(jià)，并帶入新的循環(huán)再次進(jìn)行計(jì)算。此情況表示期望電價(jià)變化引起了負(fù)荷較大的變化，并引起電價(jià)繼續(xù)變化，電價(jià)與用戶響應(yīng)之間的相互影響過程并沒有結(jié)束，需要再次進(jìn)行循環(huán)，直到|?|<，表示當(dāng)前電價(jià)幾乎不再引起負(fù)荷變化。

4 算例分析

考慮到用戶對電價(jià)激勵(lì)進(jìn)行用電響應(yīng)的速率較慢，設(shè)電價(jià)調(diào)整間隔為0.5 h，全天共48個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。設(shè)光伏容量滲透率為40%的較高水平，原始電價(jià)為0.5元，光伏補(bǔ)償系數(shù)為0.5，電力用戶總數(shù)為2 800戶，各類用戶負(fù)荷的電價(jià)彈性參數(shù)設(shè)置參見文獻(xiàn)[14-15]，可得到晴天情況下負(fù)荷轉(zhuǎn)移情況如圖5所示。可見，負(fù)荷響應(yīng)結(jié)果在有光伏出力時(shí)段負(fù)荷量上升，在無光伏出力時(shí)段負(fù)荷量下降，宏觀上達(dá)到了按光伏出力特征引導(dǎo)用戶進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移的目標(biāo)。

圖5負(fù)荷轉(zhuǎn)移響應(yīng)曲線

通過計(jì)算得到負(fù)荷響應(yīng)后用戶的用電開支相比響應(yīng)前節(jié)省9.98%，負(fù)荷總轉(zhuǎn)移量為15.12 MW/h。

光伏容量滲透率極限是衡量電力系統(tǒng)在裝機(jī)容量方面接納光伏發(fā)電能力的重要指標(biāo)。進(jìn)一步分析可以得出系統(tǒng)在負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后光伏滲透率極限隨光伏滲透率變化的規(guī)律，如圖6所示。

圖6 光伏容量滲透率極限

可見經(jīng)過負(fù)荷響應(yīng)后電網(wǎng)的光伏容量滲透率極限得到明顯提升；在實(shí)際光伏容量滲透率超過電力系統(tǒng)原始容量滲透率極限值后，光伏容量滲透率極限隨容量滲透率的上升而下降，說明光伏容量滲透率超過其極限后，負(fù)荷轉(zhuǎn)移機(jī)制將不能繼續(xù)提升系統(tǒng)的光伏容量滲透率極限。

5 結(jié)論

本文建立了反映光伏出力的實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制，使用戶能夠通過價(jià)格感知光伏發(fā)電系統(tǒng)出力情況。以電價(jià)彈性與泊松分布隨機(jī)抽樣為基礎(chǔ)模擬用戶在感知到電價(jià)激勵(lì)后改變實(shí)際用電行為的過程，并建立了用戶響應(yīng)模型。以實(shí)時(shí)電價(jià)與用戶響應(yīng)之間動態(tài)關(guān)系為基礎(chǔ)，建立基于實(shí)時(shí)電價(jià)與用戶響應(yīng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移模型。算例結(jié)果表明，負(fù)荷轉(zhuǎn)移機(jī)制能夠有效改善光伏發(fā)電出力波動性對電網(wǎng)的不利影響，提高電網(wǎng)對光伏發(fā)電的接納能力。

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(編輯 張愛琴)

An electricity price excited load transfer strategy for improving PV penetration ability to power systems

SHI Leilei1, 2, HU Jianzhao1, HAN Shengfeng1, YANG Jian1, BAI Liyan1, GONGLongwei2, LIU Yanhua3

(1.Xingtai Power Supply Company, State Grid Hebei Electric Power Company, Xingtai 054001, China; 2. Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province (School of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 3. State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250001, China)

A PV output related real-time electricity price exciting strategy is proposed to achieve load transfer and PV penetration improvement. The PV output based electricity price model and the price response model are established according to PV generating curves and the demand response characteristics. Combined with real time price and demand response model, the implementation as well as the flowchart of load transfer strategy is constructed. Example shows that the proposed method can reduce the adverse impact caused by the PV output fluctuation, and improve PV penetration rate to power systems.

PV generation;PV penetration rate; PV accommodation capacity; load transfer mechanism; real-time electricity price

10.7667/PSPC152082

2015-11-29

石磊磊(1985-)，男，博士研究生，工程師，研究方向?yàn)榉植际焦夥⒕W(wǎng)及其電能質(zhì)量問題；E-mail: ashileilei@ 126.com

胡建昭(1964-)，男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)榉植际焦夥⒕W(wǎng)；

韓勝峰(1977-)，男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)榉植际焦夥⒕W(wǎng)及其電能質(zhì)量問題。E-mail: han.shengfeng@ he.sgcc.com.cn