需求響應(yīng)技術(shù)原理及建模綜述

王鵬,劉敏

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 520025）

0 引言

需求響應(yīng)（Demand Response,DR）是電力需求側(cè)響應(yīng)的簡(jiǎn)稱，是指由于用戶負(fù)荷是具有波動(dòng)性，具有高峰與低谷的特征，當(dāng)用戶負(fù)荷達(dá)到高峰時(shí)，此時(shí)發(fā)電廠的發(fā)電成本會(huì)增加，輸電網(wǎng)的負(fù)載率也會(huì)增大，整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性受到威脅，當(dāng)用戶負(fù)荷達(dá)到低谷時(shí)，電力系統(tǒng)的發(fā)電剩余電量較多，資源未優(yōu)化配置，電力公司通過(guò)調(diào)整電價(jià)并將電價(jià)告知電力電力用戶或者通過(guò)直接控制的方式來(lái)調(diào)整負(fù)荷，用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況來(lái)調(diào)整自己的用電計(jì)劃使之用電成本降低，對(duì)于電力系統(tǒng)具有削峰填谷的作用以及系統(tǒng)電力資源的優(yōu)化配置。

實(shí)時(shí)的減少供需不匹配，是能夠提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，但是要實(shí)現(xiàn)供需的完美平衡是很困難的，因?yàn)樵诠┬鑳蓚?cè)都有不可以預(yù)見(jiàn)的變化，需求側(cè)響應(yīng)所要解決的問(wèn)題就是盡力的解決供需的平衡問(wèn)題[1]，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)都是單向調(diào)節(jié)的，都在發(fā)電側(cè)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在隨著新型的分布式能源的滲透率越來(lái)越高的前提下，智能電網(wǎng)與需求側(cè)響應(yīng)就顯得尤為重要。

需求響應(yīng)根據(jù)調(diào)節(jié)的手段不同，可以分為兩種類型：一種是基于價(jià)格的DR，一種是基于激勵(lì)的DR[2]。

基于價(jià)格的DR，就是電力公司利用定價(jià)策略來(lái)調(diào)節(jié)用戶的用電方式，所有的基于價(jià)格型的DR都會(huì)遵循一個(gè)規(guī)律：該DR的負(fù)荷值與電價(jià)成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即電價(jià)升高，用戶會(huì)降低該時(shí)段的負(fù)荷值，電價(jià)降低，用戶會(huì)增加該時(shí)段的負(fù)荷值以期達(dá)到用電費(fèi)用較低的目的。在目前的應(yīng)用中價(jià)格型DR根據(jù)價(jià)格調(diào)整的策略不同又可以分為以下幾種：① 分時(shí)電價(jià)（Time of Use Pricing,TOU）：即將一天的時(shí)間根據(jù)用電高峰低谷分為若干的時(shí)段，在用電高峰時(shí)調(diào)高電價(jià)，在用電低谷時(shí)降低電價(jià)，來(lái)達(dá)到削峰填谷的作用。② 尖峰電價(jià)（Critical Peak Pricing, CPP）是一種改良的分時(shí)電價(jià)，是一種比較激進(jìn)對(duì)的分時(shí)電價(jià)，在尖峰電價(jià)的制定中，尖峰時(shí)刻的價(jià)格是高峰時(shí)刻的5倍左右，使用戶在尖峰時(shí)刻的用電成本大大增加，正因?yàn)榇?，尖峰電價(jià)只有在極端情況下使用，比如部分大城市在夏季負(fù)荷較高的時(shí)段實(shí)施尖峰電價(jià)。③ 實(shí)時(shí)電價(jià)（Real Time Pricing, RTP）是電力價(jià)格隨著時(shí)間一直變化，能夠?qū)崟r(shí)的反應(yīng)出生產(chǎn)電力的邊際成本，相比與分時(shí)電價(jià)，實(shí)時(shí)電價(jià)的更新周期更短，而且實(shí)時(shí)電價(jià)的制定也與分時(shí)電價(jià)有所不同。

基于激勵(lì)的DR是指電力企業(yè)與電力用戶事先簽訂合同，合同中制定DR的相關(guān)指標(biāo)，比如時(shí)間與負(fù)荷量?；诩?lì)的DR主要包括：① 直接負(fù)荷控制（Direct Load Control, DLC）；②可中斷負(fù)荷（Ιnterruptible Load, ΙL）；③ 需求側(cè)競(jìng)價(jià)(Demand Side Bidding, DSB)；④ 緊急需求響應(yīng)（Emergency Demand Response, EDR）等。

1 需求響應(yīng)的作用

1.1 在負(fù)荷側(cè)的優(yōu)化配置

電力企業(yè)主要是給用戶提供電能，在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，電能只能由發(fā)電側(cè)提供，在電力系統(tǒng)發(fā)展的今天，通過(guò)需求響應(yīng)項(xiàng)目也可以提供“電能”，在電力市場(chǎng)中，如果發(fā)電側(cè)與需求側(cè)的用電量不匹配，可通過(guò)需求響應(yīng)來(lái)直接控制負(fù)荷或者通過(guò)價(jià)格來(lái)引導(dǎo)用戶的用電行為，來(lái)達(dá)到電能資源的優(yōu)化配置。

文獻(xiàn)[3]將每小時(shí)的需求響應(yīng)納入機(jī)組組合的模型之中，達(dá)到了調(diào)度計(jì)劃的經(jīng)濟(jì)性和安全性，研究表明，DR可以縮短峰值負(fù)荷，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，減少碳排放。文獻(xiàn)[4]提出一種在日前電力市場(chǎng)中考慮需求響應(yīng)的邊際電價(jià)確定方法，算例表明該方法對(duì)于減少電力分銷公司或者大用電客戶的能源消費(fèi)很有幫助。文獻(xiàn)[5]在西班牙電力市場(chǎng)中，分別考慮日前和小時(shí)的需求響應(yīng)資源參與，建立了仿真模型，該模型表明需求響應(yīng)對(duì)于電網(wǎng)穩(wěn)定性和緊急性的積極作用。文獻(xiàn)[6-7]將需求側(cè)資源和發(fā)電側(cè)資源同等對(duì)待，以虛擬電廠的概念更方便的來(lái)解決需求響應(yīng)問(wèn)題。文獻(xiàn)[8-9]在電力零售商的角度建立了考慮需求響應(yīng)的實(shí)時(shí)電價(jià)確定模型。

1.2 提供輔助服務(wù)

電力系統(tǒng)為了更安全可靠的向用戶供應(yīng)電力資源，就需要輔助服務(wù)來(lái)保持正常的電力供應(yīng)，相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)，需求側(cè)響應(yīng)資源也可以提供電力系統(tǒng)輔助服務(wù)，作為電力系統(tǒng)的調(diào)頻備用、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用等。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于直接負(fù)荷控制的策略，將可中斷負(fù)荷引入輔助服務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)中。文獻(xiàn)[11-12]中，在安全約束機(jī)組的組合模型中，將需求側(cè)資源作為系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。

2 需求響應(yīng)的響應(yīng)方式

2.1 電價(jià)型需求響應(yīng)方式

根據(jù)電價(jià)措施的作用機(jī)理不同，一般對(duì)于響應(yīng)后的負(fù)荷曲線有以下三種描述方式[13]：第一種是基于消費(fèi)者彈性理論。文獻(xiàn)[14]系統(tǒng)的給出了電量電價(jià)彈性矩陣建立的過(guò)程，并且分析了各種用戶和各種電價(jià)引起的彈性矩陣的不同結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用表明該方法能夠反映電力系統(tǒng)的需求規(guī)律。第二種是消費(fèi)者心理學(xué)原理，文獻(xiàn)[15]基于消費(fèi)者心理學(xué)原理，建立了用戶響應(yīng)度的參數(shù)辨識(shí)模型，能夠較好的反映實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)后的用戶響應(yīng)行為。第三是統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，文獻(xiàn)[16]通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)某地區(qū)的典型行業(yè)用戶需求響應(yīng)行為的調(diào)查，利用因子分析法找到影響需求響應(yīng)的主要因素，來(lái)得到需求響應(yīng)后的負(fù)荷曲線。

2.2 激勵(lì)型需求響應(yīng)方式

激勵(lì)型需求響應(yīng)對(duì)于響應(yīng)后的負(fù)荷狀況是一個(gè)確定的值，故對(duì)于該類型的響應(yīng)研究主要集中在該響應(yīng)負(fù)荷的持續(xù)時(shí)間、響應(yīng)速率、反彈性質(zhì)的約束下，解決一個(gè)如何進(jìn)行激勵(lì)型響應(yīng)負(fù)荷的最優(yōu)的調(diào)度決策問(wèn)題。

2.3 響應(yīng)的自動(dòng)化程度

需求響應(yīng)技術(shù)從誕生之日起，經(jīng)歷了三個(gè)階段[17]：第一階段：人工需求響應(yīng)階段，在最初的需求響應(yīng)過(guò)程都是通過(guò)人工調(diào)度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，在自動(dòng)化水平不高的時(shí)代，人工響應(yīng)是必須采用的方式，但人工需求響應(yīng)呈現(xiàn)響應(yīng)速度慢、可靠性低、靈活性差且效率低下。第二階段：半自動(dòng)需求響應(yīng)，指的是通過(guò)工作人員觸發(fā)相應(yīng)的需求響應(yīng)程序，該方法相較于人工方法在可靠性以及效率上有所提高。第三階段：自動(dòng)需求響應(yīng)，基于智能電網(wǎng)技術(shù)所提出的，自動(dòng)根據(jù)各種自動(dòng)化設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行需求響應(yīng)的過(guò)程，自動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)是智能電網(wǎng)的重要內(nèi)容以及發(fā)展方向。

2.4 不同時(shí)間尺度下的響應(yīng)

需求響應(yīng)根據(jù)時(shí)間響應(yīng)的尺度不一樣可分為：① 針對(duì)年度月度的中長(zhǎng)期市場(chǎng)；② 日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度市場(chǎng)；③ 日內(nèi)經(jīng)濟(jì)調(diào)度市場(chǎng)，包括現(xiàn)貨、實(shí)時(shí)市場(chǎng)。在目前的研究中，特別是在配電網(wǎng)的需求響應(yīng)調(diào)度中，會(huì)考慮多時(shí)間尺度，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上利用分時(shí)電價(jià)來(lái)調(diào)整負(fù)荷，在短時(shí)間尺度上利用直接負(fù)荷控制、可中斷負(fù)荷或者利用自動(dòng)需求響應(yīng)來(lái)達(dá)到需求響應(yīng)的目的。文獻(xiàn)[18]構(gòu)建了考慮需求響應(yīng)的日前-日內(nèi)時(shí)間尺度的源荷互動(dòng)決策模型，通過(guò)不同資源種類的以及不同時(shí)間尺度的決策優(yōu)化，增強(qiáng)了源荷互動(dòng)效果。

3 需求響應(yīng)建模

3.1 單一用戶

由于負(fù)荷的特征具有行業(yè)特性，對(duì)于不同的行業(yè)有不同的建模方法，文獻(xiàn)[19-20]對(duì)于不同類型的需求響應(yīng)在工業(yè)負(fù)荷之中的應(yīng)用，通過(guò)需求響應(yīng)的方式來(lái)達(dá)到節(jié)省經(jīng)濟(jì)的目的，文獻(xiàn)[21-22]建立了普通居民用戶的習(xí)慣模型，以此來(lái)評(píng)估需求響應(yīng)對(duì)于用戶的影響。

3.2 虛擬電廠

虛擬電廠是指在能量管理系統(tǒng)及其下屬的各種分布式電源的集成電廠，能夠?qū)⒐夥?、風(fēng)電的不確定性在廠內(nèi)解決[23-25],虛擬電廠是提高可再生能源發(fā)電可靠性的一種重要方法。

3.3 溫控負(fù)荷

在電力系統(tǒng)中，溫控負(fù)荷是一類特殊的負(fù)荷，比如熱水器、電冰箱等，溫控負(fù)荷具備較大的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，成為需求響應(yīng)控制的研究熱點(diǎn)，文獻(xiàn)[26-28]研究了溫控負(fù)荷的物理模型、空調(diào)調(diào)峰、聚合控制模型，文獻(xiàn)[29]通過(guò)回歸分析法從歷史數(shù)據(jù)的角度分析出空調(diào)負(fù)荷的變化趨勢(shì)。

3.4 具有儲(chǔ)能功能的電動(dòng)汽車建模

在電動(dòng)汽車發(fā)展的今天，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)雙向互動(dòng)（vehicle to grid，V2G）技術(shù)發(fā)展很快。

電動(dòng)汽車的模型主要涉及的基本參數(shù)：電池特性、用戶出行規(guī)律、充電方式等。文獻(xiàn)[30]通過(guò)出行需求的確定性分析方法來(lái)確定充電負(fù)荷，文獻(xiàn)[31]通過(guò)蒙特卡洛模擬法來(lái)確定，文獻(xiàn)[32]通過(guò)充電負(fù)荷的概率分析法，同時(shí)考慮公共交通時(shí)段、平均行車能量消耗、電池容量等因素，取得了不錯(cuò)的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在目前的電力系統(tǒng)朝著智能電網(wǎng)的方面發(fā)展背景下，需求側(cè)是研究的核心內(nèi)容，需求響應(yīng)對(duì)于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性都有很大的提升，對(duì)于電力用戶來(lái)說(shuō)，積極的實(shí)行需求響應(yīng)，電量支出費(fèi)用也會(huì)有所降低。自動(dòng)需求響應(yīng)會(huì)是未來(lái)發(fā)展的方向，中國(guó)電力系統(tǒng)實(shí)行更開(kāi)放更智能的需求響應(yīng)勢(shì)在必行，在2015年發(fā)改委所發(fā)的《做好電力需求側(cè)管理城市綜合試點(diǎn)工作的通知》中，也明確了發(fā)展需求側(cè)管理的作用及試點(diǎn)安排，對(duì)于中國(guó)發(fā)展自動(dòng)需求響應(yīng)主要存在以下幾點(diǎn)的挑戰(zhàn)：首先是用戶的觀念改變，現(xiàn)在用戶還未認(rèn)識(shí)到需求響應(yīng)能夠減少自身電費(fèi)支出，自愿參與到需求響應(yīng)的積極性還不高，電力部門應(yīng)該多宣傳多普及自愿參與需求響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。其次是相關(guān)的電力需求響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制定，目前的需求響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，還需要有關(guān)部門制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，做到有標(biāo)準(zhǔn)可依。最后是輔助服務(wù)的合理定價(jià)：需求響應(yīng)提供輔助服務(wù)的定價(jià)現(xiàn)在還沒(méi)有相應(yīng)實(shí)施定價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)也是未來(lái)應(yīng)該考慮的實(shí)際問(wèn)題。