面向新型電力系統(tǒng)電量平衡的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)潛力分析

韓凝暉，周 穎，石 坤，李德智，陳宋宋

（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

隨著碳達(dá)峰、碳中和與新型電力系統(tǒng)目標(biāo)的提出，以新能源為主體的現(xiàn)代能源體系逐步建立，傳統(tǒng)化石能源在終端用能的占比隨之逐步減少［1—2］。未來(lái)，清潔能源占比不斷提升和終端能源消費(fèi)節(jié)能減排將是長(zhǎng)期重點(diǎn)工作，電力系統(tǒng)運(yùn)行模式也將向源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)轉(zhuǎn)變。電力負(fù)荷需求響應(yīng)深度契合我國(guó)能源綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略。2020年，國(guó)家電網(wǎng)有限公司在《電力需求響應(yīng)工作兩年行動(dòng)計(jì)劃（2020—2021年）》文件中提出了構(gòu)建占年度最大用電負(fù)荷5%的可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源庫(kù)的目標(biāo)。2021年7月13日，國(guó)家電網(wǎng)有限公司印發(fā)《構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)行動(dòng)方案（2021—2030）》，進(jìn)一步提出加強(qiáng)調(diào)節(jié)能力建設(shè)，提升系統(tǒng)靈活性水平，到2025、2030年，可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量分別達(dá)到5 900萬(wàn)kW、7 000萬(wàn)kW。

國(guó)外在工商業(yè)用戶可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力評(píng)估研究方面做了許多工作。有學(xué)者考慮工業(yè)負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度的可調(diào)容量和參與時(shí)間等因素，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和斷面潮流確定的條件下，通過(guò)離線仿真方法，計(jì)算工業(yè)負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度前后風(fēng)、光電的出力上限值，繼而提出了工業(yè)負(fù)荷對(duì)提升電網(wǎng)可再生能源消納能力的評(píng)估方法［3］。有文獻(xiàn)分析了美國(guó)電解鋁行業(yè)的情況，總結(jié)了電解鋁工業(yè)提供輔助服務(wù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成果，提出可通過(guò)直接功率控制實(shí)現(xiàn)電解鋁負(fù)荷的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并具備提供調(diào)頻服務(wù)的能力［4］。部分學(xué)者提出利用基于改進(jìn)灰靶法針對(duì)大用戶在檢修、輪休、錯(cuò)時(shí)和避峰等業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的負(fù)荷調(diào)控潛力進(jìn)行量化分析，可得到各場(chǎng)景下的量化需求響應(yīng)潛力［5］。有學(xué)者對(duì)荷蘭地區(qū)建筑熱泵的靈活需求響應(yīng)潛力進(jìn)行仿真，通過(guò)電力市場(chǎng)的價(jià)格信息引導(dǎo)終端用能設(shè)備熱泵進(jìn)行用能調(diào)節(jié)，研究證明聚合熱泵進(jìn)行需求響應(yīng)對(duì)電網(wǎng)供需平衡調(diào)節(jié)有較大作用［6］。有學(xué)者對(duì)中央空調(diào)的集群降負(fù)荷潛力進(jìn)行建模分析，針對(duì)需求響應(yīng)溫度設(shè)定、持續(xù)時(shí)間、提前通知時(shí)間、復(fù)合增長(zhǎng)幅度、室外氣溫等5個(gè)因素影響下可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力變化規(guī)律進(jìn)行建模，研究證明中央空調(diào)參與需求響應(yīng)潛力巨大［7］。文獻(xiàn)［8］構(gòu)建壓縮機(jī)熱動(dòng)態(tài)、熱電池等模型，并基于參數(shù)辨識(shí)、蒙特卡洛模擬或馬爾可夫鏈等方法對(duì)大量分散空調(diào)聚合特性的分析，實(shí)現(xiàn)空調(diào)群組可調(diào)節(jié)潛力評(píng)估。

為充分考慮不同類型用戶用電行為對(duì)于負(fù)荷可調(diào)節(jié)潛力的影響，有學(xué)者提出采用基于MED的識(shí)別方法，提高用戶用電行為分類精度［9］。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［10］針對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)荷數(shù)據(jù)量大、用戶行為影響因素復(fù)雜的情況，提出了一種用電行為綜合分類方法，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)一次聚類和二次聚類結(jié)果進(jìn)行反向調(diào)整修正，最終得到充分考慮用戶負(fù)荷特性和可調(diào)節(jié)潛力的綜合聚類結(jié)果，提高了潛力預(yù)測(cè)的質(zhì)量與精度。對(duì)于需求響應(yīng)項(xiàng)目初期潛力評(píng)估的研究，由于終端用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)采集精度限制，導(dǎo)致需求響應(yīng)歷史數(shù)據(jù)缺失，難以支撐可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力的精細(xì)化評(píng)估。對(duì)此，文獻(xiàn)［11］提出一種深度子領(lǐng)域自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法，實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)潛力概率分布的分析。在此基礎(chǔ)上，國(guó)網(wǎng)公司組織中國(guó)電科院等單位完成了建筑、工業(yè)、居民、新興負(fù)荷等領(lǐng)域典型行業(yè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力評(píng)估方法研究。

整體而言，對(duì)于可調(diào)節(jié)負(fù)荷單體特性、聚合潛力及容量核證方式，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已有較為詳盡的研究成果，但對(duì)于可調(diào)節(jié)負(fù)荷對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的影響分析仍缺乏系統(tǒng)性的研究。目前，我國(guó)新型電力系統(tǒng)規(guī)劃中，仍未考慮可調(diào)節(jié)負(fù)荷對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電力電量平衡的影響。本文在前期可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力評(píng)估的基礎(chǔ)上，提出面向電力電量平衡的可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力計(jì)算方法，分析不同調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)對(duì)電力系統(tǒng)電力平衡與電量平衡的支撐作用，進(jìn)一步驗(yàn)證可調(diào)節(jié)負(fù)荷在新型電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)中的應(yīng)用效果。

1 用電負(fù)荷特性及趨勢(shì)分析

1.1 新型電力系統(tǒng)負(fù)荷特性及發(fā)展趨勢(shì)分析

本節(jié)所進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)均來(lái)源于國(guó)網(wǎng)公司的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。總體來(lái)看，我國(guó)最高負(fù)荷持續(xù)攀升，夏冬兩季“雙峰”特征明顯，隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，我國(guó)供需形勢(shì)嚴(yán)峻。2021年1月7日，國(guó)網(wǎng)公司經(jīng)營(yíng)區(qū)夏季最高負(fù)荷達(dá)9.6億kW，同比增長(zhǎng)27.7%，已超過(guò)2020年同期最高負(fù)荷8.75億kW。預(yù)計(jì)2025、2030年公司經(jīng)營(yíng)區(qū)最高負(fù)荷將達(dá)到12.8億、14.1億kW，區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷最大日峰谷差率將達(dá)到36%、40%，最大日峰谷差達(dá)到4億kW，電網(wǎng)調(diào)峰壓力持續(xù)增加［12］。負(fù)荷特性發(fā)展趨勢(shì)如下：

一是我國(guó)新能源裝機(jī)比例將快速提升，新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性和反調(diào)峰特性，將對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成沖擊。同時(shí)分布式新能源的大量接入，將導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)呈現(xiàn)源-荷隨機(jī)性。

二是用戶側(cè)波動(dòng)性、沖擊性新興負(fù)荷規(guī)模不斷增長(zhǎng)。截至2021年底，中國(guó)新能源汽車保有量達(dá)到784萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)汽車保有量640萬(wàn)輛，占新能源汽車總量的81.63%。預(yù)計(jì)2025年電動(dòng)汽車數(shù)量將達(dá)到2 000萬(wàn)輛，新增充電負(fù)荷將達(dá)2.4億kW。除此之外，數(shù)據(jù)中心、5G基站、邊緣計(jì)算設(shè)備等數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施將新增電力負(fù)荷1.87億kW。

三是終端電氣化水平的不斷提升。雙碳目標(biāo)下，其他行業(yè)有通過(guò)電能替代轉(zhuǎn)移碳排放的需求，增量用電需求將進(jìn)一步推高尖峰負(fù)荷，為電力系統(tǒng)平衡帶來(lái)挑戰(zhàn)。據(jù)分析，2021—2030年用電量增速區(qū)間為3.6%～5.5%，至2030年，電能占終端能源消費(fèi)占比預(yù)計(jì)將達(dá)32%～38%。

1.2 極端天氣對(duì)負(fù)荷影響分析

近年來(lái)，溫室效應(yīng)導(dǎo)致極端天氣出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高，進(jìn)而導(dǎo)致尖峰負(fù)荷加速攀升。以冬季為例，由于受寒潮天氣影響，供暖負(fù)荷占比增速明顯。從2021年1月部分省份最大負(fù)荷和電采暖負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)看出，北方集中供暖區(qū)域電采暖負(fù)荷占比在10%以下，而南方非集中供暖省份，尤其是江蘇、浙江長(zhǎng)三角一帶，在寒潮天氣下，電采暖負(fù)荷占比為29%～38%，已經(jīng)占到1/3，供暖負(fù)荷需求較高。

“十四五”和“十五五”期間，用戶電采暖需求將進(jìn)一步增加，帶來(lái)電采暖負(fù)荷持續(xù)攀升，預(yù)計(jì)高峰時(shí)段電采暖負(fù)荷占比為50%～60%，夏季降溫負(fù)荷占比為30%～35%。

分行業(yè)看，大工業(yè)、一般工商業(yè)用電負(fù)荷相對(duì)比較穩(wěn)定，基荷約占總負(fù)荷的50%，而居民生活用電占比很大。冬季受寒潮天氣影響，全月取暖負(fù)荷波動(dòng)較大，如圖1所示。

圖1 2021年1月典型行業(yè)日負(fù)荷構(gòu)成情況Fig.1 Daily load composition of typical occupations in January 2021

綜上所述，新型電力系統(tǒng)背景下，在通過(guò)傳統(tǒng)手段對(duì)大工業(yè)負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步挖掘居民制冷采暖負(fù)荷、電動(dòng)汽車等新興負(fù)荷資源的可調(diào)節(jié)潛力，可以有效降低電網(wǎng)峰谷差，提升源荷互動(dòng)效果。

2 新型電力系統(tǒng)平衡問(wèn)題分析

隨著碳中和與新型電力系統(tǒng)目標(biāo)的提出，我國(guó)新能源裝機(jī)規(guī)模將不斷提高［13］。截至2021年，我國(guó)新能源累計(jì)裝機(jī)達(dá)6.4億kW，占總裝機(jī)比重達(dá)26.7%。其中，我國(guó)風(fēng)電和光伏并網(wǎng)容量分別為3.3億和3億kW，分別占總發(fā)電并網(wǎng)容量的14%和13%?！半p碳”目標(biāo)下，我國(guó)新能源將呈現(xiàn)跨越式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)新能源裝機(jī)和發(fā)電量占比將分別增長(zhǎng)至41%和22%［14］。

2.1 高比例新能源電網(wǎng)負(fù)荷特性

根據(jù)國(guó)內(nèi)不同區(qū)域特點(diǎn)，在華東、華中、西北、東北、西南區(qū)域分別選取典型省份，開展用電負(fù)荷與新能源出力適配性分析，可以得出新能源占比高的地區(qū)夏冬兩季反調(diào)峰特性明顯，其中冬季的匹配性最差。冬季典型日源荷匹配特性如圖2所示。

圖2 冬季典型日源荷特性曲線Fig.2 Supply and demand characteristics of typical day in winter

2.2 新型電力系統(tǒng)電量平衡問(wèn)題分析

新能源占比的不斷提升，將對(duì)新型電力系統(tǒng)不同時(shí)間尺度下電力電量平衡造成沖擊［15］。

2.2.1 日平衡分析

（1）新能源出力波動(dòng)性較大，最小出力處于較低水平。2020年日內(nèi)新能源出力波動(dòng)占平均負(fù)荷比例超過(guò)45%，各省、區(qū)域、公司經(jīng)營(yíng)區(qū)新能源最小日平均出力水平分別為3.6%、8.0%和10.7%，新能源最小瞬時(shí)出力水平分別為0.2%、1.1%和5.0%，且區(qū)域間互補(bǔ)效果不明顯，對(duì)電力電量平衡的支撐能力較弱，高比例新能源電力系統(tǒng)的供電可靠性難以保障。不同范圍內(nèi)新能源最小日平均出力如圖3所示。

圖3 不同范圍內(nèi)新能源最小日平均出力Fig.3 Minimum daily average output of new energy in different areas

（2）系統(tǒng)調(diào)峰能力存在缺額，不足以支撐高比例新能源消納。新型電力系統(tǒng)中能源消費(fèi)側(cè)含高比例分布式電源與可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源，終端用戶源-荷角色轉(zhuǎn)換隨機(jī)性大。新能源電量滲透率與利用率之間相互制約，2030年若保證新能源利用率95%，國(guó)網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區(qū)的調(diào)峰能力缺額為1.96億kW。若以新能源電量最大為目標(biāo)，可增加新能源消納電量約1 600億kWh，但新能源利用率將降低2%。

2.2.2 長(zhǎng)周期平衡分析

（1）新能源與負(fù)荷匹配性較差，對(duì)電力平衡支撐能力較差。由于受到夏冬兩季制冷與采暖負(fù)荷影響，目前我國(guó)負(fù)荷夏、冬季節(jié)性尖峰負(fù)荷快速增長(zhǎng)，尤其冬季受寒潮天氣影響，供暖負(fù)荷占比增速明顯。而我國(guó)風(fēng)電為春、秋高峰，光伏發(fā)電為夏季高峰。新能源月度電量分布與負(fù)荷需求不匹配，存在季節(jié)性電量平衡難題。

（2）系統(tǒng)長(zhǎng)周期調(diào)節(jié)能力不足。目前電網(wǎng)主要的調(diào)節(jié)手段，如電化學(xué)儲(chǔ)能、抽水蓄能等，調(diào)節(jié)周期均較短，通常為日（周）級(jí)。電制氫及氫燃料技術(shù)具備較長(zhǎng)周期的調(diào)節(jié)能力，但目前尚處于初期示范階段，難以應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)建設(shè)帶來(lái)的季節(jié)性電力電量平衡問(wèn)題。

3 不同行業(yè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力分析模型

根據(jù)用戶行業(yè)類別的不同，其負(fù)荷特性與調(diào)節(jié)方式差異較大?？傮w來(lái)說(shuō)，工業(yè)用戶整體具有較大的可調(diào)節(jié)潛力，商業(yè)樓宇用戶可調(diào)節(jié)資源主要包括制冷、采暖等溫控負(fù)荷，居民用戶主要可調(diào)節(jié)資源包括制冷、制熱設(shè)備。除此之外，電動(dòng)汽車等新興負(fù)荷也具有一定的負(fù)荷調(diào)節(jié)潛力。

3.1 工業(yè)負(fù)荷可調(diào)節(jié)潛力分析模型

大工業(yè)用戶負(fù)荷整體較穩(wěn)定，均為典型的高耗能行業(yè)，一般采用三班24 h連續(xù)工作制，除檢修時(shí)間和節(jié)假日外通常滿負(fù)荷運(yùn)行，全年波動(dòng)不大。根據(jù)行業(yè)類型與生產(chǎn)工藝不同，可調(diào)節(jié)潛力差異較大，本文以鋼鐵和電解鋁行業(yè)為例進(jìn)行分析。

3.1.1 鋼鐵

鋼鐵主要生產(chǎn)性負(fù)荷設(shè)備包括電爐、軋鋼機(jī)等，在煉鋼流程中，高爐經(jīng)還原冶煉得到的鐵水，經(jīng)鐵水預(yù)處理兌入頂?shù)讖?fù)吹氧氣轉(zhuǎn)爐，經(jīng)吹煉去除雜質(zhì)，將鋼水倒入鋼包中，經(jīng)二次精煉使鋼水純凈化，然后鋼水經(jīng)凝固成型連鑄成為鋼坯，在經(jīng)軋制工序最后成為鋼材。目前大多使用超高功率電弧爐，其負(fù)荷模型如下所示

式中：ton為電爐通電起弧時(shí)刻；toff為電爐徹底斷電時(shí)刻；Δtup為電爐從起弧到達(dá)穩(wěn)定額定功率所需的時(shí)長(zhǎng)，通常為5～10 s；Δtdown為關(guān)停電爐到電弧爐功率為0所需的時(shí)長(zhǎng)，通常不大于10 s；Pe為電爐運(yùn)行時(shí)的額定功率；δ(t)為(-δmax,δmax)之間的隨機(jī)值，表示電爐在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的隨機(jī)功率波動(dòng)，根據(jù)實(shí)際工況，δmax通?？稍O(shè)為5%～20%。

3.1.2 電解鋁

電解鋁行業(yè)一般為三班24 h連續(xù)工作制，全天負(fù)荷小幅波動(dòng)。在生產(chǎn)條件允許的情況下，電解鋁行業(yè)可調(diào)節(jié)設(shè)備主要為鑄造爐、鑄造機(jī)等生產(chǎn)性負(fù)荷。電解鋁的生產(chǎn)過(guò)程為：在電解槽中，電解氧化鋁加入熔融冰晶石為溶劑，碳素體作為陽(yáng)極，鋁液為陰極，通入強(qiáng)大的直流電流，在電解槽兩極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。

綜合典型用戶生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，行業(yè)可調(diào)節(jié)潛力約占總負(fù)荷的22%，響應(yīng)時(shí)間通常小于2 h。

3.2 商業(yè)樓宇可調(diào)節(jié)潛力分析模型

對(duì)于商業(yè)樓宇用戶與居民用戶，大部分可調(diào)節(jié)潛力來(lái)自于制冷和采暖等溫控負(fù)荷［16—17］。

空調(diào)制冷和采暖負(fù)荷，其可調(diào)節(jié)潛力計(jì)算模型如下式

式中：tDB為需求響應(yīng)持續(xù)時(shí)間；PDR,decreased為集中式空調(diào)系統(tǒng)可削減有功功率；EER為集中式空調(diào)系統(tǒng)制冷能效比；c為空氣的比熱容，一般選取溫度為300 K時(shí)空氣的定壓比熱容，值為1.005 kJ/（kg·K）；S為建筑物的制冷面積；H為建筑物的平均層高；ρ為空氣的密度，一般選取溫度為300 K時(shí)的干空氣密度，值為1.177 kg/m3；Tlimit為用戶設(shè)置的制冷溫度，室溫24℃時(shí)，人體感覺最舒適；Tset為建筑物用戶可承受的室內(nèi)最高溫度。

空調(diào)、直熱式電采暖設(shè)備屬于溫控負(fù)荷，其調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)主要受到用戶室內(nèi)溫度約束；綜合考慮各類設(shè)備，居民負(fù)荷可調(diào)節(jié)潛力約占居民總負(fù)荷的10%～20%，調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)為0.5～2 h。

3.3 電動(dòng)汽車可調(diào)節(jié)潛力分析模型

電動(dòng)汽車無(wú)序充電時(shí)充電負(fù)荷隨機(jī)性較大，充電具有高頻次波動(dòng)、高容量占用和低電量貢獻(xiàn)等特征。文獻(xiàn)［18］介紹了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的剩余可用電量即電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）定義和影響因素，探討了常見SOC的估算方法，提出了卡爾曼濾波的在線評(píng)估和智能評(píng)估神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是主流。文獻(xiàn)［19］提出了一種基于CSOC的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷概率數(shù)值計(jì)算建模方法，確定車輛單次出行起始的SOC概率密度函數(shù)，實(shí)現(xiàn)充電功率概率密度函數(shù)的數(shù)值計(jì)算。常見的電池剩余可用電量SOC的計(jì)算方法包括安時(shí)積分法、等效電路法、卡爾曼濾波法等，但以上方法均未考慮電池隨循環(huán)次數(shù)增長(zhǎng)造成電池衰減、電池內(nèi)阻變化等，電池剩余可用電量的計(jì)算誤差較大。

由于電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，呈現(xiàn)出高度的非線性，導(dǎo)致SOC值不可直接測(cè)量獲取，只能通過(guò)測(cè)量參數(shù)并結(jié)合一些算法間接得到。電池剩余SOC隨循環(huán)次數(shù)增長(zhǎng)電池的衰減加快，所以需要依據(jù)健康狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整。環(huán)境溫度對(duì)鋰電池的容量，也有很大的影響。例如，在-20℃的環(huán)境下，鋰電池的充電效率以及容量與常溫時(shí)有較大的差別，此時(shí)電池容量下降到只有45℃時(shí)的60%。

基于主要品牌電動(dòng)汽車近一年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的剩余可用電量SOC。對(duì)單次充電過(guò)程采用安時(shí)積分法計(jì)算充電容量，用健康指數(shù)進(jìn)行修正。

式中：SOC0為電動(dòng)汽車起始時(shí)的電池荷電率；ηc為電池充電能效；I為充電電流；t為電動(dòng)汽車在正常功率下充電時(shí)間；QN電動(dòng)汽車電池容量。

電動(dòng)汽車充電樁接入車聯(lián)網(wǎng)后，可以看做可中斷負(fù)荷，其調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)可由電池容量與充放電功率進(jìn)行計(jì)算，可調(diào)節(jié)潛力計(jì)算模型如下所示

式中：PDR,decreased為電動(dòng)汽車可削減有功功率；SOCmax為電動(dòng)汽車充電完成時(shí)的電池荷電率。

隨著電動(dòng)汽車并網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)推廣，電動(dòng)汽車充電樁具有雙向充放電能力，其最大可調(diào)節(jié)潛力可達(dá)200%，是優(yōu)質(zhì)的可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源。

3.4 可調(diào)節(jié)負(fù)荷效益分析

自2014年上海正式啟動(dòng)國(guó)內(nèi)首次需求響應(yīng)試點(diǎn)，我國(guó)各地區(qū)持續(xù)推進(jìn)需求響應(yīng)實(shí)施工作，通過(guò)市場(chǎng)化的手段解決電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題，促進(jìn)新能源消納［20］。需求響應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景主要包括削峰和填谷，其中削峰響應(yīng)實(shí)施時(shí)間大多集中在制冷、采暖負(fù)荷需求較大的夏、冬負(fù)荷尖峰期，填谷響應(yīng)實(shí)施時(shí)間主要集中在全社會(huì)用電負(fù)荷較低、新能源棄電嚴(yán)重的節(jié)假日期間。

根據(jù)相關(guān)試點(diǎn)案例，可調(diào)節(jié)負(fù)荷經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［21—22］：

一是節(jié)約發(fā)輸配電投資效益。相較于新建發(fā)輸配電設(shè)施的高額投資和較低利用率，開展需求響應(yīng)以提升系統(tǒng)運(yùn)行靈活性更具經(jīng)濟(jì)性和實(shí)操性。

二是促進(jìn)新能源消納效益。通過(guò)可調(diào)節(jié)負(fù)荷可以實(shí)現(xiàn)與新能源的反調(diào)峰特性形成互補(bǔ)，有效提升電網(wǎng)運(yùn)行安全性。通過(guò)新能源發(fā)電企業(yè)合理讓利，促進(jìn)客戶在新能源大發(fā)時(shí)段多用電，降低用電客戶成本，增加新能源消納，同時(shí)起到改善負(fù)荷特性、提高電網(wǎng)負(fù)荷率的作用。

三是節(jié)能減排效益。可調(diào)節(jié)負(fù)荷具有較好的節(jié)能減排效益，可以有力支撐雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。主要體現(xiàn)在兩方面：一是通過(guò)提高需求響應(yīng)能力所節(jié)約的發(fā)輸配電投資建設(shè)帶來(lái)的節(jié)能減排收益；二是通過(guò)需求響應(yīng)能力所促進(jìn)的新能源消納等效的節(jié)能減排收益。

4 面向電量平衡的可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力分析方法

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，近年來(lái)我國(guó)95%以上尖峰負(fù)荷最大單次持續(xù)時(shí)間為7～8 h，97%以上尖峰負(fù)荷最大單次持續(xù)時(shí)間為5～7 h［23］。然而，可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)通常僅為0.5～2 h，難以在時(shí)間尺度上充分滿足系統(tǒng)需求。目前，我國(guó)新型電力系統(tǒng)規(guī)劃中，仍未考慮可調(diào)節(jié)負(fù)荷對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電力電量平衡的影響。因此，亟待開展可調(diào)節(jié)負(fù)荷對(duì)電力電量平衡支撐能力的可信性計(jì)算，從而支撐新型電力系統(tǒng)的示范建設(shè)。

4.1 考慮電量平衡的可調(diào)節(jié)潛力評(píng)估方法

電量平衡指在進(jìn)行電力平衡后，對(duì)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)各類發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量與預(yù)測(cè)用電量的平衡。面向電量平衡的削峰填谷響應(yīng)，應(yīng)考慮在高峰（低谷）負(fù)荷持續(xù)時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)整體電量的盈余（缺額），通過(guò)可調(diào)節(jié)負(fù)荷設(shè)備的調(diào)節(jié)，削減（增加）電量，使得系統(tǒng)電量整體平衡。如圖4所示，陰影部分面積為負(fù)荷高峰（低谷）期通過(guò)需求響應(yīng)削峰（填谷）所需電量。

圖4 可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)對(duì)電量平衡的影響Fig.4 Effect of adjustable load interaction on power balance

實(shí)現(xiàn)占最大負(fù)荷x%可調(diào)節(jié)潛力的容量平衡計(jì)算公式如下

式中：Pi為第i個(gè)負(fù)荷的可調(diào)節(jié)潛力；Pmax-Px%,max為最大負(fù)荷與最大負(fù)荷x%之間的差值。

考慮電量平衡的計(jì)算公式如下

式中：ti,max為第i個(gè)負(fù)荷最大調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)；t0為x%最大負(fù)荷的開始時(shí)間；t為x%最大負(fù)荷的結(jié)束時(shí)間；為t0到t時(shí)間段內(nèi)區(qū)域總用電量。

4.2 算例分析

以南方某省份為例，該區(qū)域2020年全年最大負(fù)荷11 700萬(wàn)kW，全年平均負(fù)荷7 000萬(wàn)kW，新能源總裝機(jī)3 230萬(wàn)kW，其中光伏裝機(jī)1 683萬(wàn)kW，風(fēng)電裝機(jī)1 547萬(wàn)kW。以該區(qū)域夏季最大負(fù)荷日和新能源大發(fā)典型日為例進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下。

（1）夏季最大負(fù)荷日

根據(jù)前述方法，選擇該區(qū)域夏季最大負(fù)荷日作為典型日，以滿足區(qū)域電網(wǎng)90%～97%以上最大負(fù)荷的削峰能力，可調(diào)節(jié)負(fù)荷平均調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)為1～3 h的情況為例，對(duì)比考慮電量平衡約束時(shí)不同調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)所需可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量的差異，如圖5所示。圖5中橫軸為調(diào)節(jié)能力滿足區(qū)域電網(wǎng)的最大負(fù)荷占比，縱軸為所需的可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量。

圖5 不同調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)下所需可調(diào)節(jié)容量對(duì)比Fig.5 Comparison of adjustable capacity requirements in different adjustment periods

根據(jù)迭代計(jì)算可知，在考慮電量平衡情況下，系統(tǒng)所需的可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量隨著最大負(fù)荷占比的增加而快速增加。

（2）新能源最大出力日

選擇該區(qū)域夏季新能源最大出力日作為典型日，同樣以滿足區(qū)域電網(wǎng)90%～97%的最大負(fù)荷的削峰能力，可調(diào)節(jié)負(fù)荷平均調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)為1～3 h的情況為例，對(duì)比不同調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)對(duì)于電量平衡的支撐效果，如圖6所示。圖6中縱軸為考慮電量平衡約束時(shí)與不考慮電量平衡約束時(shí)的負(fù)荷可調(diào)節(jié)能力的比例。

圖6 不同調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)下電量支撐能力對(duì)比Fig.6 Comparison of power quantity supporting capacity under different regulating periods

采用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比該區(qū)域2020年冬季最大負(fù)荷日可調(diào)節(jié)負(fù)荷與電量的差異。該日尖峰負(fù)荷的95%(P95%,max)以上時(shí)間段為17:30—21:30，持續(xù)時(shí)間為4 h，尖峰負(fù)荷的90%(P90%,max)以上時(shí)間段為16:00—22:00，持續(xù)時(shí)間為6 h。

僅考慮電力平衡約束時(shí)，該區(qū)域可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源最大削峰潛力為1 937.9萬(wàn)kW，約占最大負(fù)荷11 700萬(wàn)kW的16.6%。在考慮電量平衡約束時(shí)，根據(jù)不同類型可調(diào)節(jié)負(fù)荷對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間段及負(fù)荷同時(shí)率，計(jì)算可得該區(qū)域?qū)嶋H削峰潛力約占最大負(fù)荷的8.5%，僅約為不考慮電量平衡時(shí)調(diào)節(jié)潛力的50%。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)需要充分挖掘能源消費(fèi)側(cè)靈活資源，通過(guò)“源荷互動(dòng)”解決系統(tǒng)平衡問(wèn)題。本文在前期可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力評(píng)估的基礎(chǔ)上，提出了面向電力電量平衡的可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力計(jì)算方法。由于各行業(yè)靈活資源調(diào)節(jié)市場(chǎng)不同，在尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，電量平衡是通過(guò)可調(diào)節(jié)負(fù)荷削峰填谷的主要制約因素。本文以典型省數(shù)據(jù)為例，分析了不同調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)對(duì)電力系統(tǒng)電力平衡與電量平衡的支撐作用，并以典型日數(shù)據(jù)為例，對(duì)比了傳統(tǒng)可調(diào)節(jié)潛力評(píng)估結(jié)果在考慮系統(tǒng)電量平衡時(shí)的實(shí)際效果差異。研究結(jié)果表明，在考慮電量平衡約束時(shí)，當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)而削峰需求較小時(shí)，可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量基本可以覆蓋全部缺口。但隨著削峰需求增加，系統(tǒng)尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間將快速增長(zhǎng)，負(fù)荷可調(diào)節(jié)能力將嚴(yán)重不足。

因此，在新型電力系統(tǒng)示范區(qū)規(guī)劃建設(shè)中，一是要充分考慮可調(diào)節(jié)負(fù)荷對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電力電量平衡的支撐能力，適當(dāng)減少火電備用容量，實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)荷互動(dòng)減少碳排放；二是在后續(xù)需求響應(yīng)策略制定與執(zhí)行中，要考慮不同行業(yè)在不同時(shí)間段內(nèi)的負(fù)荷同時(shí)率，分批有序開展調(diào)節(jié)；三是要進(jìn)一步挖掘響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源，以更好的支撐系統(tǒng)電量平衡；四是應(yīng)構(gòu)建可調(diào)節(jié)負(fù)荷廣泛參與的常態(tài)化市場(chǎng)運(yùn)行體系，并探索更多的商業(yè)模式，引導(dǎo)用戶參與積極性。D