基于需求側(cè)競(jìng)價(jià)的安徽省激勵(lì)型電力需求響應(yīng)機(jī)制研究及應(yīng)用

郝 潔，高賜威

（東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210096）

0 引言

電力需求響應(yīng)（demand response，DR）通過(guò)電價(jià)或激勵(lì)等信號(hào)，引導(dǎo)負(fù)荷側(cè)資源移峰填谷優(yōu)化電力供需平衡，提高源網(wǎng)荷互動(dòng)水平，所以在國(guó)內(nèi)外得到廣泛認(rèn)同和應(yīng)用。隨著我國(guó)清潔低碳新能源體系的建設(shè)，電力需求響應(yīng)被賦予新能源消納及為用戶(hù)提供多樣化增值服務(wù)的新使命，并面臨從緊急態(tài)向常態(tài)化轉(zhuǎn)變。

新一輪電力體制改革將需求側(cè)資源提高到與電源側(cè)資源幾乎同等重要的地位，需求響應(yīng)業(yè)務(wù)［1］、行為研究［2］、各類(lèi)型用戶(hù)用電需求響應(yīng)潛力分析［3］、需求響應(yīng)技術(shù)［4］等方面不斷增強(qiáng)。隨著江蘇、上海、山東等地激勵(lì)型需求響應(yīng)的成功嘗試，需求側(cè)競(jìng)價(jià)模式［5］作為一種市場(chǎng)化機(jī)制因其更能激發(fā)電力用戶(hù)參與積極性而廣受關(guān)注，并提出需求側(cè)能量共享［6］概念。歐洲、美國(guó)、新加坡等國(guó)的電力市場(chǎng)中需求響應(yīng)項(xiàng)目種類(lèi)繁多，國(guó)外先進(jìn)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)為需求響應(yīng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的發(fā)展提供借鑒。

安徽省電力供需已發(fā)生深刻變化，出現(xiàn)電源側(cè)煤電裝機(jī)放緩、新能源大規(guī)模并網(wǎng)，電網(wǎng)側(cè)進(jìn)入特高壓交直流混聯(lián)時(shí)代，負(fù)荷特性變差等情況，安徽電力發(fā)展面臨新形勢(shì)。

本文針對(duì)安徽面臨的電力發(fā)展新形勢(shì)，將電力需求響應(yīng)理論與其具體實(shí)際相結(jié)合，先分析安徽省實(shí)施激勵(lì)型需求響應(yīng)的契機(jī)，再結(jié)合需求響應(yīng)理論研究適合的實(shí)施機(jī)制，并設(shè)計(jì)實(shí)施方案，為其開(kāi)展需求響應(yīng)工作提供理論和實(shí)踐支撐。

1 安徽省開(kāi)展激勵(lì)型需求響應(yīng)契機(jī)

在電力供需方面，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)是嚴(yán)控煤炭消耗，結(jié)合2015 年和2018 年的電源裝機(jī)及全社會(huì)最大負(fù)荷情況如表1所示。所以煤電裝機(jī)增幅僅20.23%，不僅遠(yuǎn)低于光伏裝機(jī)的8 倍及風(fēng)電的81.85%，也小于全社會(huì)最大負(fù)荷增幅29.52%。

表1 電力負(fù)荷供需情況對(duì)比Table 1 Comparison of power supply and load demand

電源結(jié)構(gòu)調(diào)整過(guò)快給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了明顯的挑戰(zhàn)。在風(fēng)電、光伏大發(fā)的月份，會(huì)在并非負(fù)荷低谷時(shí)段午間形成新的火電機(jī)組出力低谷，由此造成調(diào)峰問(wèn)題。在夏季晚高峰時(shí)段，風(fēng)電出力不確定、光伏無(wú)出力的情況下，造成局部用電缺口問(wèn)題，隨著中長(zhǎng)期負(fù)荷增長(zhǎng)需求而穩(wěn)定出力的電源尚未落實(shí)。

在電力需求方面，安徽“十三五”前3 年期間全社會(huì)最大負(fù)荷年均增長(zhǎng)率為9%，年平均日負(fù)荷率卻下降，夏季最大峰谷差拉大。

面對(duì)電力供需新形勢(shì)，特別是出現(xiàn)的午間低谷調(diào)峰困難及夏季晚高峰問(wèn)題，實(shí)施激勵(lì)型需求響應(yīng)是符合實(shí)際的解決思路。同時(shí)，江蘇、上海、山東等地成功開(kāi)展激勵(lì)型需求響應(yīng)積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，為安徽提供很好的學(xué)習(xí)樣本。

2 安徽省激勵(lì)型需求響應(yīng)機(jī)制研究

2.1 激勵(lì)型需求響應(yīng)機(jī)制設(shè)計(jì)

以“需求響應(yīng)優(yōu)先，有序用電保底”原則組織激勵(lì)型需求響應(yīng)，其機(jī)制設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

用戶(hù)篩選方面，設(shè)置主體參與條件，確保形成上年度最大負(fù)荷5%負(fù)荷量的儲(chǔ)備庫(kù)，并按照提前通知時(shí)間進(jìn)行分檔；在組織方式上，統(tǒng)籌安排響應(yīng)實(shí)施；在啟動(dòng)條件上，按實(shí)際需求適時(shí)啟動(dòng)需求響應(yīng)；在補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上，考慮用戶(hù)參與積極性及資金池容量；在資金來(lái)源上，考慮資金充裕度及穩(wěn)定性。最后，通過(guò)實(shí)際實(shí)施效果調(diào)整啟動(dòng)條件、補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)等條件。本文以這幾個(gè)方面為主要研究方向，設(shè)計(jì)適應(yīng)安徽電力供需新形勢(shì)的激勵(lì)型需求響應(yīng)機(jī)制方案。

圖1 激勵(lì)型需求響應(yīng)機(jī)制設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of incentive demand response mechanism design

2.2 激勵(lì)型需求響應(yīng)機(jī)制分析

激勵(lì)型需求響應(yīng)按照功能可分為削峰式需求響應(yīng)和填谷式需求響應(yīng)。鑒于功能有區(qū)別，分別討論削峰式和填谷式需求響應(yīng)機(jī)制，最終目的均是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.1 需求響應(yīng)組織方式

目前可行性較高的需求響應(yīng)組織方式主要為年度集中申報(bào)，按需響應(yīng)。響應(yīng)模式分為需求側(cè)競(jìng)價(jià)模式和約定補(bǔ)償模式，需求側(cè)競(jìng)價(jià)又可分為設(shè)置補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限和不設(shè)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限兩種方式。

需求側(cè)競(jìng)價(jià)由計(jì)劃參與的負(fù)荷集成商及用戶(hù)自主申報(bào)參與的負(fù)荷量和所需激勵(lì)價(jià)格。在同等條件下，優(yōu)先選擇申報(bào)激勵(lì)價(jià)格低、負(fù)荷量大的負(fù)荷集成商和用戶(hù)參與響應(yīng)。需求側(cè)競(jìng)價(jià)能更好激發(fā)參與用戶(hù)積極性，特別是參與用戶(hù)越來(lái)越多時(shí)，競(jìng)價(jià)模式能夠降低補(bǔ)償成本，更容易與電力市場(chǎng)接軌。

2.2.2 需求響應(yīng)啟動(dòng)條件設(shè)計(jì)

（1）削峰式需求響應(yīng)

在電網(wǎng)出現(xiàn)備用容量不足、各因素造成的電力供應(yīng)缺口，電力系統(tǒng)峰谷差過(guò)大，以及其他不確定因素造成的電力供需失衡時(shí)需要減少用電負(fù)荷。

（2）填谷式需求響應(yīng)

電力系統(tǒng)峰谷差過(guò)大，或風(fēng)光等可再生能源間歇性、波動(dòng)性上網(wǎng)引起調(diào)峰需求，以及其他不確定因素造成的電力供需失衡時(shí)需要增加用電負(fù)荷。

2.2.3 補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)建模

2.2.3.1 削峰式需求響應(yīng)

采用相關(guān)試點(diǎn)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法，及采用增加頂峰電源計(jì)算補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限，完成相關(guān)研究。

（1）相關(guān)試點(diǎn)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法

參考與本省經(jīng)濟(jì)水平和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似地區(qū)的平均補(bǔ)償水平，計(jì)算如下

式中:pi為參考地區(qū)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)；N為參考地區(qū)總數(shù)。

（2）補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限計(jì)算模型

增加頂峰電源以代替削減電力負(fù)荷，從電源側(cè)解決電力供需平衡問(wèn)題，則頂峰電源的發(fā)電成本可作為削峰式DR 的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限。長(zhǎng)期來(lái)看，補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)高于此上限時(shí)，建設(shè)頂峰電源更加經(jīng)濟(jì)。頂峰電源在負(fù)荷高峰時(shí)能增加電能供應(yīng)，應(yīng)具備靈活、啟動(dòng)快等特點(diǎn)，選擇抽水蓄能電站為頂峰電源。

抽水蓄能電站的成本為

式中:Cf,ves為投資功率成本；Cf,elc為發(fā)電的度電成本；Cc,r為容量費(fèi)用。

投資成本計(jì)算為

式中:Cp為單位功率投資成本，元/kW；Pf為電源功率，kW。

以投資期內(nèi)總發(fā)電量計(jì)算發(fā)電的度電成本，即

式中:pelc為電價(jià)，元/kWh；Qf,n為年發(fā)電量，kWh；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

容量費(fèi)用計(jì)算為

式中:pc,r為容量電價(jià)。

所以，新增抽水蓄能電站平均度電成本可作為削峰式DR補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限，即

式中:Qf為累計(jì)發(fā)電量。

2.2.3.2 填谷式需求響應(yīng)

采用相關(guān)試點(diǎn)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法、調(diào)峰市場(chǎng)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)分析法，及采用增加調(diào)峰電源計(jì)算補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限，完成相關(guān)研究。

（1）相關(guān)試點(diǎn)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法

參考與本省經(jīng)濟(jì)水平和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相似地區(qū)的平均補(bǔ)償水平，計(jì)算如下

式中:pi為參考地區(qū)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)；N為參考地區(qū)總數(shù)。

（2）調(diào)峰市場(chǎng)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)分析法

根據(jù)開(kāi)展地區(qū)具體的調(diào)峰市場(chǎng)交易運(yùn)行規(guī)則，火電機(jī)組的報(bào)價(jià)上限可作為填谷式DR補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的一種參考。則補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算式為

式中:pb為燃煤機(jī)組調(diào)峰報(bào)價(jià)上限，元/MWh；D為報(bào)價(jià)檔位數(shù)。

鑒于源側(cè)調(diào)峰成本普遍較低，所求的的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)也較低，但仍不失一種負(fù)荷側(cè)參與調(diào)峰的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)參考。

（3）補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限計(jì)算模型

增加調(diào)峰電源代替增加負(fù)荷用電，從電源側(cè)解決電力供需平衡問(wèn)題。則調(diào)峰電源的用電成本可作為填谷式DR的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限。長(zhǎng)期來(lái)看，補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)高于此上限時(shí)，建設(shè)調(diào)峰電源更加經(jīng)濟(jì)。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，抽水蓄能的儲(chǔ)能成本是目前不同類(lèi)型儲(chǔ)能中最低的，所以選擇抽水蓄能電站為調(diào)峰電源。

抽水蓄能電站的成本為

式中:Cg,ves為投資功率成本；Cg,elc為調(diào)峰的度電成本；Cg,r為容量電費(fèi)。

投資成本計(jì)算為

式中:Cp為單位功率投資成本，元/kW；Pg為用電功率，kW。

以投資期內(nèi)總用電量計(jì)算調(diào)峰度電成本，即

式中:pg,elc為電價(jià)，元/kWh；Qg,n為年用電量，kWh；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

容量費(fèi)用計(jì)算為

式中:pg,r為容量電價(jià)。

所以，新增抽水蓄能電站平均度電成本可作為填谷式DR補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限，即

式中:Qg為累計(jì)用電量。

2.2.4 資金來(lái)源

按照“誰(shuí)受益，誰(shuí)付費(fèi)”原則，且電力公司在需求響應(yīng)工作中保持收支平衡，將削峰式和填谷式需求響應(yīng)資金來(lái)源進(jìn)行區(qū)別分析。

削峰式需求響應(yīng):削峰需求是因用電負(fù)荷過(guò)多，電力供不應(yīng)求導(dǎo)致。所以對(duì)在削峰式需求響應(yīng)期間繼續(xù)保持用電的電力用戶(hù)收取資金，以補(bǔ)償此時(shí)段犧牲用電需求的電力用戶(hù)。

填谷式需求響應(yīng):填谷需求是因電源側(cè)負(fù)荷率過(guò)低，電力供過(guò)于求導(dǎo)致。鑒于目前執(zhí)行的新能源優(yōu)先上網(wǎng)政策，從填谷時(shí)段各類(lèi)電源企業(yè)上網(wǎng)電量征收資金，并增大新能源發(fā)電企業(yè)度電資金增收系數(shù)，以補(bǔ)償此時(shí)段增加用電負(fù)荷的用戶(hù)。

另外，為使資金使用更加規(guī)范，設(shè)置專(zhuān)款專(zhuān)用支撐政策，確保每筆支出服務(wù)于需求響應(yīng)工作。

3 安徽省激勵(lì)型需求響應(yīng)實(shí)踐設(shè)計(jì)

3.1 組織方式選擇

參考各試點(diǎn)激勵(lì)型需求響應(yīng)工作經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合安徽電力供需實(shí)際情況，適宜選擇年度集中申報(bào)按需實(shí)施，并設(shè)定報(bào)價(jià)上限的需求側(cè)競(jìng)價(jià)模式。

3.2 補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

以安徽省“十四五”整個(gè)5 年為計(jì)算周期，利用所提建模方法計(jì)算補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，各建模方法運(yùn)用如下。

3.2.1 削峰式需求響應(yīng)

（1）相關(guān)試點(diǎn)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法

試點(diǎn)中除江蘇補(bǔ)償價(jià)格較高外，河南、山東、浙江、天津和上?？傮w較為接近，約定需求響應(yīng)補(bǔ)償情況如表2、表3所示。由式（1）求得，采用電量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，求得約定需求響應(yīng)的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為2.8 元/kWh；采用容量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，求得約定需求響應(yīng)的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為25.6元/（kW·年）。實(shí)時(shí)需求響應(yīng)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)一般為約定式的3倍。

表2 試點(diǎn)削峰式需求響應(yīng)電量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)折算Table 2 The electricity compensation standard of peak-clipping DR in some areas

表3 試點(diǎn)削峰式需求響應(yīng)容量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)折算Table 3 The capacity compensation standard of peak-clipping DR in some areas

（2）補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限計(jì)算模型

根據(jù)安徽負(fù)荷增長(zhǎng)情況，預(yù)計(jì)2025 年全社會(huì)最大負(fù)荷達(dá)6 500 萬(wàn)kW，以年最大負(fù)荷97%以上的尖峰負(fù)荷 195 萬(wàn) kW 為目標(biāo)，通過(guò)新建 200 萬(wàn) kW 的抽水蓄能電站滿(mǎn)足尖峰負(fù)荷需求。2016 年—2018年抽水蓄能電站年均發(fā)電量約為24 億kWh，若“十四五”新建抽蓄承擔(dān)50%發(fā)電任務(wù)，則2021年—2025年累計(jì)發(fā)電量為60億kWh。設(shè)置各參數(shù)如下:單位功率投資成本7 000 元/kW；發(fā)電成本0.25 元/kWh；年容量電價(jià)760 元/kW；新建容量200 kW；發(fā)電量60 億kWh。運(yùn)用式（6）求得計(jì)算結(jié)果可以看出，補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限宜設(shè)置為2.8元/kWh。

3.2.2 填谷式需求響應(yīng)

（1）相關(guān)試點(diǎn)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法

選擇山東、浙江、天津和上海為參考試點(diǎn)地區(qū)，約定需求響應(yīng)補(bǔ)償情況如表4、表5所示。由式（7）求得，采用電量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，求得約定需求響應(yīng)的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為1.6元/kWh；采用容量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，參考天津和上海，求得約定需求響應(yīng)的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為7.8元（/kW·年）。實(shí)時(shí)需求響應(yīng)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)一般為約定式的3倍。

表4 試點(diǎn)填谷式需求響應(yīng)電量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)折算Table 4 The electricity compensation standard of valley-filling DR in some areas

表5 試點(diǎn)填谷式需求響應(yīng)容量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)折算Table 5 The capacity compensation standard of valley-filling DR in some areas

（2）調(diào)峰市場(chǎng)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)分析法

根據(jù)安徽調(diào)峰市場(chǎng)交易運(yùn)行規(guī)則，煤電機(jī)組參與調(diào)峰時(shí)的報(bào)價(jià)上限如表6 所示，電源側(cè)調(diào)峰補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)在0.1～1.0元/kWh 范圍，由式（7）求得電量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為0.5 元/kWh；啟停調(diào)峰報(bào)價(jià)上限如表7 所示，求得容量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為1.1元/（kW·次）。

（3）補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限計(jì)算模型

依然通過(guò)新建200 萬(wàn)kW 的抽水蓄能電站滿(mǎn)足調(diào)峰需求。依據(jù)削峰時(shí)發(fā)電60億kWh，根據(jù)抽水蓄能75%的電能轉(zhuǎn)換效率，則2021年—2025年累計(jì)用電量80億kWh。設(shè)置各參數(shù)如下:單位功率投資成本7 000元/kW；發(fā)電成本0.062元/kWh；年容量電價(jià)760元/kW；新建容量400 kW；發(fā)電量80億kWh。運(yùn)用式（6）求得計(jì)算結(jié)果為，補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限宜設(shè)置為2元/kWh。

表6 安徽省深度調(diào)峰交易分檔報(bào)價(jià)上限Table 6 Depth peak trading offer in Anhui province

表7 安徽省應(yīng)急停機(jī)調(diào)峰交易報(bào)價(jià)上限Table 7 Emergency shutdown peak regulation trading offer in Anhui province萬(wàn)元/（臺(tái)·次）

3.3 資金來(lái)源探討

安徽削峰式DR資金來(lái)源:依據(jù)削峰式DR資金來(lái)源分析，設(shè)置“削峰臨時(shí)電價(jià)”，此電價(jià)應(yīng)高于此時(shí)段所定銷(xiāo)售電價(jià)50%，以對(duì)削峰響應(yīng)時(shí)段用電的全體用戶(hù)（或工商業(yè)用戶(hù)）進(jìn)行資金收取。這既是對(duì)現(xiàn)有電價(jià)體系的補(bǔ)充，又具有靈活性以電價(jià)調(diào)節(jié)電力供需。

安徽填谷式DR 資金來(lái)源:分析安徽目前的填谷需求原因，一方面節(jié)假日用電負(fù)荷較低，另一方面新能源優(yōu)先上網(wǎng)政策擠壓火電出力空間，所以暫可由填谷時(shí)段各類(lèi)電源企業(yè)按上網(wǎng)電量平均分?jǐn)偺罟刃枨箜憫?yīng)補(bǔ)償資金。

若理論資金來(lái)源存在困難，可根據(jù)實(shí)際情況如納入輸配電價(jià)、跨省區(qū)可再生能源電力現(xiàn)貨交易市場(chǎng)結(jié)余等途徑擴(kuò)展資金來(lái)源。

4 結(jié)束語(yǔ)

在安徽電力發(fā)展新形勢(shì)下，運(yùn)用市場(chǎng)機(jī)制和經(jīng)濟(jì)杠桿，設(shè)計(jì)符合安徽實(shí)際情況的激勵(lì)型需求響應(yīng)機(jī)制，調(diào)節(jié)負(fù)荷側(cè)資源時(shí)空價(jià)值，進(jìn)一步提升安徽電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力。

對(duì)于安徽省激勵(lì)型需求形影機(jī)制設(shè)計(jì)，在組織方式上，選擇年度集中申報(bào)，按需響應(yīng)，并選擇設(shè)定報(bào)價(jià)上限的需求側(cè)競(jìng)價(jià)模式；通過(guò)相關(guān)試點(diǎn)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法、調(diào)峰市場(chǎng)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)分析法、補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)上限計(jì)算模型3 種方法計(jì)算削峰填谷的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)；區(qū)分削峰式和填谷式資金來(lái)源，削峰式選擇高于此時(shí)段所定銷(xiāo)售電價(jià)50%的削峰臨時(shí)電價(jià)，填谷式選擇填谷時(shí)段各類(lèi)電源企業(yè)按上網(wǎng)電量平均分?jǐn)偺罟刃枨箜憫?yīng)補(bǔ)償資金。各切入角度得出的結(jié)論對(duì)安徽實(shí)施激勵(lì)型需求響應(yīng)具有指導(dǎo)意義。