需求響應(yīng)參與電力平衡的成本效益評(píng)估方法

代賢忠，韓新陽(yáng)，靳曉凌

(國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

“十四五”期間，中國(guó)新能源將進(jìn)入跨越式發(fā)展階段，初步預(yù)計(jì)新能源裝機(jī)容量年均新增將達(dá)到1.0 億～1.2 億kW。受政策、環(huán)境、碳排放等因素影響，煤電裝機(jī)增長(zhǎng)空間具有較大不確定性且總體有限[1]。隨著第三產(chǎn)業(yè)用電負(fù)荷快速增長(zhǎng)，取暖降溫等季節(jié)性負(fù)荷增加，5 G、數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車(chē)等新興負(fù)荷不斷增加，用電負(fù)荷夏季冬季雙高峰特征更加明顯，負(fù)荷峰谷差也將進(jìn)一步加大[2-3]。隨著這些電力供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的形勢(shì)變化，中國(guó)“十四五”時(shí)期電力供需平衡將面臨新的挑戰(zhàn)，亟須應(yīng)對(duì)煤電裝機(jī)比例下降、大規(guī)模新能源在峰荷期間有效出力有限、電力平衡緊張等問(wèn)題[4-5]。近年來(lái)，中國(guó)需求響應(yīng)試點(diǎn)工作表明，需求響應(yīng)能夠在一定程度上緩解電力供應(yīng)緊張問(wèn)題，是一種有效的電力平衡資源。因此，鑒于未來(lái)電力系統(tǒng)的電力平衡特點(diǎn)，在規(guī)劃階段超前謀劃，考慮需求響應(yīng)參與電力平衡的可行性，采取有力措施確保運(yùn)行階段需求響應(yīng)參與電力平衡的實(shí)用性，既能解決電力安全供應(yīng)問(wèn)題，又能提高電力規(guī)劃投資效益。

當(dāng)前需求響應(yīng)的研究主要集中在政策措施[6-7]，價(jià)格、市場(chǎng)機(jī)制[8-16]，運(yùn)行優(yōu)化策略[17-25]等方面。針對(duì)電力規(guī)劃中如何考慮需求響應(yīng)參與電力平衡的作用，發(fā)揮需求響應(yīng)對(duì)電力規(guī)劃投資的積極作用，鮮少見(jiàn)到研究報(bào)道。此外，現(xiàn)有研究對(duì)需求響應(yīng)參與電力平衡的成本效益關(guān)注不夠，尚未深入開(kāi)展需求響應(yīng)參與電力平衡與傳統(tǒng)電力平衡方法的經(jīng)濟(jì)性差異分析，進(jìn)而難以評(píng)估參與電力平衡的需求響應(yīng)最佳規(guī)模，依此為配套支撐政策提供依據(jù)。

本文首先闡述電力系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)評(píng)估需求響應(yīng)參與電力平衡的總體框架，然后介紹需求響應(yīng)參與電力平衡的基本方法，提出了一種需求響應(yīng)參與電力平衡的成本效益評(píng)估方法，最后結(jié)合案例系統(tǒng)，通過(guò)需求響應(yīng)參與電力平衡計(jì)算，給出了需求響應(yīng)參與電力平衡的成本效益評(píng)估，并開(kāi)展了基于不同需求響應(yīng)比例和補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)下的成本效益分析。

1 需求響應(yīng)參與電力平衡的評(píng)估框架

對(duì)需求響應(yīng)資源進(jìn)行建設(shè)改造，使其具備參與電力平衡的技術(shù)條件，在需求響應(yīng)補(bǔ)貼政策的激勵(lì)下，電力系統(tǒng)運(yùn)行階段需求側(cè)資源能夠參與電力平衡。因此，電力系統(tǒng)規(guī)劃階段需要考慮需求響應(yīng)參與電力平衡的作用，進(jìn)而可減少該階段的電源裝機(jī)和配套電網(wǎng)建設(shè)投資，再結(jié)合需求響應(yīng)的改造成本和補(bǔ)貼成本，可以評(píng)估不同補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)和需求響應(yīng)比例下的需求響應(yīng)成本效益。評(píng)估框架如圖1 所示。

圖1 需求響應(yīng)參與電力平衡的評(píng)估框架Fig. 1 Framework for assessment of demand response participating in power balance

2 需求響應(yīng)參與電力平衡的方法

2.1 傳統(tǒng)電力平衡方法

傳統(tǒng)電力平衡方法分為2 個(gè)步驟：計(jì)算目標(biāo)電力市場(chǎng)空間和確定新增電源裝機(jī)規(guī)模及結(jié)構(gòu)。

（1）預(yù)測(cè)目標(biāo)年的最大負(fù)荷，增加適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)備用，扣除基準(zhǔn)年各類(lèi)電源可用容量以及輸電通道的凈受入電力，得到目標(biāo)年的電力市場(chǎng)空間為

式中：Lmax為目標(biāo)年最大負(fù)荷；KL為備用率；PG,i為 基 準(zhǔn) 年 第i類(lèi) 電 源 裝 機(jī) 容量； αi為 第i類(lèi) 電 源參與電力平衡的可用系數(shù)；Ti為 目標(biāo)年第i條輸電通道的凈受入電力，其中正數(shù)表示受入電力，負(fù)數(shù)表示外送電力；NG、NT分別為電源的類(lèi)型數(shù)、輸電通道總數(shù)。

（2）以滿足目標(biāo)年電力市場(chǎng)空間為目標(biāo)，考慮目標(biāo)年已確定的電源裝機(jī)計(jì)劃、現(xiàn)有輸電通道受入電力增長(zhǎng)以及新增輸電通道受入電力，最后確定各類(lèi)電源的新增裝機(jī)容量為

2.2 考慮需求響應(yīng)參與電力平衡的方法

考慮需求響應(yīng)的電力平衡方法分為3 個(gè)步驟：評(píng)估需求響應(yīng)潛力規(guī)模、計(jì)算電力市場(chǎng)空間和確定新增電源規(guī)模及結(jié)構(gòu)。

（1）根據(jù)不同負(fù)荷的可調(diào)節(jié)能力，評(píng)估需求響應(yīng)潛力的總規(guī)模為

式中：Li為 第i類(lèi) 負(fù)荷的總規(guī)模； βi為第i類(lèi)負(fù)荷的可調(diào)節(jié)比例；NL為可調(diào)節(jié)負(fù)荷的種類(lèi)數(shù)。

（2）傳統(tǒng)電力平衡方法確定的電力市場(chǎng)空間中扣除需求響應(yīng)參與容量，得到需求響應(yīng)參與電力平衡后的電力市場(chǎng)空間為

（3）以滿足目標(biāo)年電力市場(chǎng)空間為目標(biāo)，考慮目標(biāo)年已確定的電源裝機(jī)計(jì)劃、現(xiàn)有輸電通道受入電力增長(zhǎng)、新增輸電通道受入電力、計(jì)劃開(kāi)展需求響應(yīng)規(guī)模，最后確定各類(lèi)電源的新增裝機(jī)容量為

3 需求響應(yīng)參與電力平衡的成本效益評(píng)估方法

3.1 需求響應(yīng)成本計(jì)算

需求響應(yīng)參與電力平衡的成本評(píng)估分為4 個(gè)步驟：預(yù)測(cè)目標(biāo)年8 760 h 時(shí)序負(fù)荷曲線、生成年持續(xù)負(fù)荷曲線、確定所需需求響應(yīng)次數(shù)和計(jì)算需求響應(yīng)的年度成本。

（1）根據(jù)目標(biāo)年規(guī)劃對(duì)象所在地域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)及特性，預(yù)測(cè)目標(biāo)年的8 760 h 時(shí)序負(fù)荷曲線L為

式中：L(n)為 第n小時(shí)的負(fù)荷預(yù)測(cè)值。

（2）基于時(shí)序負(fù)荷曲線L，生成年持續(xù)負(fù)荷曲線，得到全年超過(guò)一定負(fù)荷l的負(fù)荷持續(xù)小時(shí)數(shù)H(l)為

式中：HD為單次需求響應(yīng)平均持續(xù)時(shí)間，根據(jù)中國(guó)東部某省網(wǎng)需求響應(yīng)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的持續(xù)時(shí)間中間檔位，可取為2 h。

（4）計(jì)算需求響應(yīng)改造成本和需求響應(yīng)補(bǔ)貼成本計(jì)算需求響應(yīng)年度總成本C為

式中：Cinv、Copr分別為需求響應(yīng)改造成本和補(bǔ)貼成本；cinv、copr分別為需求響應(yīng)單位容量的改造成本和單次參與響應(yīng)的補(bǔ)貼成本；cyear為需求響應(yīng)單位容量年激勵(lì)成本；Ylife為設(shè)備壽命周期年數(shù)；H-1(N)為H(l)的反函數(shù)。

3.2 需求響應(yīng)效益計(jì)算

需求響應(yīng)的成本效益評(píng)估為

4 需求響應(yīng)參與電力平衡的案例分析

本文結(jié)合中國(guó)東部負(fù)荷中心受端電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)和負(fù)荷特性情況，構(gòu)建與大型省級(jí)電網(wǎng)規(guī)模相當(dāng)?shù)陌咐到y(tǒng)。分別按照傳統(tǒng)方法、考慮需求響應(yīng)的方法進(jìn)行電力平衡，通過(guò)這2 種方法的結(jié)果對(duì)比，進(jìn)行需求響應(yīng)措施的成本效益評(píng)估，并開(kāi)展相關(guān)敏感性分析。

4.1 兩種電力平衡方法的比較

4.1.1 傳統(tǒng)方法的電力平衡結(jié)果

案例系統(tǒng)2020 年（基準(zhǔn)年）的負(fù)荷規(guī)模、裝機(jī)容量、受入電力如表1 所示。參照中國(guó)東部地區(qū)實(shí)際情況，選取水電、抽蓄、煤電、氣電、核電、風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)及其他等各類(lèi)電源的可用系數(shù)分別為0.60、1.00、0.95、0.75、1.00、0.10、0、1.00。根據(jù)預(yù)測(cè)，2025 年（目標(biāo)年）案例系統(tǒng)最大負(fù)荷增長(zhǎng)至120 GW，外受電力增加11.18 GW后，可用裝機(jī)容量需要增加20 180 MW，可以通過(guò)新增本地電源予以解決。

表1 傳統(tǒng)電力平衡方法的結(jié)果Table 1 Results obtained with the traditional power balance method

按照傳統(tǒng)電力平衡方法，考慮各類(lèi)電源核準(zhǔn)、在建項(xiàng)目情況和未來(lái)建設(shè)意向，2025 年各類(lèi)電源的實(shí)際裝機(jī)容量如表2 所示，各類(lèi)電源總裝機(jī)容量增加33.96 GW，其中，煤電裝機(jī)容量增加18.03 GW，對(duì)應(yīng)可用裝機(jī)容量增加17.13 GW。

表2 傳統(tǒng)電力平衡方法下各類(lèi)電源裝機(jī)容量Table 2 Installed capacity of various generation sources obtained with the traditional power balance method MW

4.1.2 考慮需求響應(yīng)的電力平衡結(jié)果

若考慮參與電力平衡的需求響應(yīng)容量為5%最大負(fù)荷，則需要新增煤電裝機(jī)容量為11 720 MW，如表3 和表4 所示，比傳統(tǒng)電力平衡結(jié)果下的煤電容量減少6 310 MW。

表3 需求響應(yīng)參與下的電力平衡結(jié)果Table 3 Power balance results with demand response participation

表4 需求響應(yīng)參與下的裝機(jī)容量變化Table 4 Variation of installed capacity of various generation sources with demand response participation

4.2 需求響應(yīng)參與電力平衡的成本效益分析

4.2.1 需求響應(yīng)占比對(duì)啟動(dòng)頻次的影響

參考中國(guó)東部負(fù)荷中心某省級(jí)電網(wǎng)的歷史負(fù)荷曲線，設(shè)定案例系統(tǒng)的2025 年負(fù)荷曲線（標(biāo)幺值），8 760 h 時(shí)序負(fù)荷曲線如圖2 所示?？梢钥闯?，案例系統(tǒng)夏季負(fù)荷的尖峰特性突出，具備需求響應(yīng)的客觀需求。

圖2 案例系統(tǒng)年度8 760 h 時(shí)序負(fù)荷曲線Fig. 2 Sequential load curve of the example system in 8 760 hours

根據(jù)式（7），得到案例系統(tǒng)年負(fù)荷持續(xù)曲線如圖3 所示。對(duì)圖2 對(duì)應(yīng)負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到1%～10%最大負(fù)荷對(duì)應(yīng)的年持續(xù)時(shí)間小時(shí)數(shù)如表5 所示。可以看出，負(fù)荷尖峰特性十分明顯。

表5 不同比例峰荷持續(xù)時(shí)間及所需需求響應(yīng)次數(shù)Table 5 Duration of the peak load of different proportions and needed times for demand response activation

圖3 案例系統(tǒng)年持續(xù)負(fù)荷曲線Fig. 3 Annual sustained load curve of the example system

4.2.2 需求響應(yīng)占比對(duì)成本效益的影響

參照案例系統(tǒng)省級(jí)電力公司的需求響應(yīng)改造實(shí)際數(shù)據(jù)，設(shè)需求響應(yīng)單位容量改造成本為20 元/kW。參照中國(guó)試點(diǎn)省份需求響應(yīng)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，需求響應(yīng)單位容量補(bǔ)貼為6 元/kW，且每年給予單位容量需求響應(yīng)激勵(lì)10 元/kW。參照中國(guó)當(dāng)前煤電裝機(jī)成本，煤電單位容量投資選取為4 200 元/kW。需求響應(yīng)改造設(shè)備和煤電機(jī)組的生命周期均取30 年。根據(jù)式（8）～（11）計(jì)算，在單位容量需求響應(yīng)補(bǔ)貼6 元/kW 時(shí)，不同需求響應(yīng)比例下需要開(kāi)展需求響應(yīng)的次數(shù)、改造成本、補(bǔ)貼成本、經(jīng)濟(jì)效益、凈經(jīng)濟(jì)效益如表6 所示。

表6 容量補(bǔ)貼為6 元/kW 時(shí)需求響應(yīng)的成本和效益Table 6 Cost and benefit of demand response with a capacity subsidy 6 yuan/kW億元

通過(guò)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：需求響應(yīng)年度總成本主要由補(bǔ)貼成本構(gòu)成，改造成本占總成本比重較??；隨著需求響應(yīng)比例的增加，總成本指數(shù)增加，經(jīng)濟(jì)效益線性增加，凈經(jīng)濟(jì)效益先增加后下降。其原因在于，式（3）～（5）和式（10）決定了因節(jié)省煤電建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益線性增加，表5 中需求響應(yīng)次數(shù)與需求響應(yīng)比例的指數(shù)關(guān)系決定了需求響應(yīng)年度總成本是指數(shù)增加的，剛開(kāi)始總成本及其增速小于經(jīng)濟(jì)效益，凈經(jīng)濟(jì)效益為正且不斷增加；然后總成本增速逐步增加，當(dāng)總成本增速等于經(jīng)濟(jì)效益增速時(shí)，凈經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大值；隨著總成本增速超過(guò)經(jīng)濟(jì)效益增速，凈經(jīng)濟(jì)效益開(kāi)始下降（仍然大于零），當(dāng)總成本超過(guò)經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，凈效益開(kāi)始變?yōu)樨?fù)值。本案例中，需求響應(yīng)比例為5%時(shí)，總成本增速追上經(jīng)濟(jì)效益增速，凈經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大值。需求響應(yīng)比例超過(guò)9% 時(shí)，總成本超過(guò)經(jīng)濟(jì)效益，凈經(jīng)濟(jì)效益由正轉(zhuǎn)負(fù)，詳見(jiàn)表6。這說(shuō)明，需求響應(yīng)參與電力平衡的經(jīng)濟(jì)性與其比例相關(guān)，一定的需求響應(yīng)比例能使凈經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大，且需求響應(yīng)比例超過(guò)一定數(shù)值后，其經(jīng)濟(jì)性就不如傳統(tǒng)電力平衡方法。

4.2.3 需求響應(yīng)參與電力平衡的成本效益敏感性分析

隨著需求響應(yīng)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)的提高，需求響應(yīng)參與電力平衡的凈經(jīng)濟(jì)效益將逐步下降，如圖4 所示。當(dāng)需求響應(yīng)單位容量補(bǔ)貼分別為6、8、10、12 元/kW 時(shí)，需求響應(yīng)參與電力平衡經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)電力平衡方法的臨界點(diǎn)（凈經(jīng)濟(jì)效益為零）對(duì)應(yīng)的需求響應(yīng)比例分別約為9%、7.5%、6.4%、5.6%，即補(bǔ)貼成本越高，具有經(jīng)濟(jì)性的需求響應(yīng)比例越低。

圖4 不同補(bǔ)貼成本下不同比例需求響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性Fig. 4 Economy of demand response with different proportions under various subsidy costs

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了需求響應(yīng)參與電力平衡的成本效益評(píng)估方法，建立了需求響應(yīng)參與電力平衡的經(jīng)濟(jì)性、需求響應(yīng)比例、需求響應(yīng)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)之間的量化關(guān)系，可用于分析不同補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)下需求響應(yīng)參與的最佳比例，為因地制宜決策參與電力平衡的需求響應(yīng)比例提供了科學(xué)方法依據(jù)。本文方法具有通用性和可操作性，能夠?yàn)橹袊?guó)電力規(guī)劃階段確定需求響應(yīng)參與電力平衡的規(guī)模和制定相關(guān)支撐政策提供理論方法支撐。后續(xù)需進(jìn)一步研究協(xié)同考慮需求響應(yīng)、煤電機(jī)組靈活性改造、抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能等靈活性調(diào)節(jié)手段參與電力平衡綜合成本效益評(píng)估方法，確定需求響應(yīng)規(guī)模，提供更為系統(tǒng)科學(xué)的理論支撐。