電力柔性負(fù)荷簡介

目前我國電力增長態(tài)勢趨緩，很多地區(qū)出現(xiàn)電力富余的情況，但從長遠(yuǎn)來看，仍有可能出現(xiàn)局部性和階段性的緊張狀態(tài)。需求側(cè)逐漸成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域關(guān)注和研究的重點(diǎn)，通過需求側(cè)的改變，可以改善供需矛盾，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率。我國建設(shè)和完善智能電網(wǎng)的整體思路也給用戶側(cè)的負(fù)荷創(chuàng)造新的發(fā)展契機(jī) :

近年來，柔性負(fù)荷成為了學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)，柔性負(fù)荷的調(diào)度和調(diào)節(jié)是緩解供需側(cè)矛盾的重要手段之一。柔性負(fù)荷的柔性調(diào)節(jié)能力改變了原本負(fù)荷單向、被動接受調(diào)節(jié)的歷史，也使負(fù)荷參數(shù)的剛性、不確定性等特征發(fā)生了變化。另外電動汽車、分布式電源的接入使負(fù)荷具有了一定電源的作用。這些都對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)格局產(chǎn)生了影響?？照{(diào)是典型的柔性荷，在夏季負(fù)荷高峰期時，空調(diào)負(fù)荷在電網(wǎng)中已占尖峰負(fù)荷的30%-40%，并呈現(xiàn)逐年上升的趨勢.另一方面，空調(diào)具有兩個重要特征:1)空調(diào)與所屬的房間構(gòu)成了具有熱儲存能力的系統(tǒng)，一定意義上相當(dāng)于蓄電池等儲能設(shè)備;2)人體有一定舒適度范圍，在此范圍內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的功率也隨之有了調(diào)節(jié)的空間。這兩點(diǎn)是空調(diào)負(fù)荷參與雙向互動的前提條件。

目前還沒有對于柔性負(fù)荷的統(tǒng)一定義，一般認(rèn)為柔性負(fù)荷是指可通過主動參與電網(wǎng)運(yùn)行控制，能夠與電網(wǎng)進(jìn)行能量互動，具有柔性特征的負(fù)荷。負(fù)荷柔性表現(xiàn)為在一定時間段內(nèi)靈活可變。

柔性負(fù)荷包含具備需求彈性的可調(diào)節(jié)負(fù)荷或可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、具備雙向調(diào)節(jié)能力的電動汽車、儲能、蓄能以及分布式電源、微電網(wǎng)等。其廣泛的外延讓我們在研究柔性負(fù)荷的時需要將其進(jìn)行分類 。

柔性負(fù)荷的常見分類有三種:按照其能量互動性分類、按照管理方式分類和按照負(fù)荷特性分類。

(1)按照其能量互動性可分為2類:一類是雙向互動性柔性負(fù)荷，以電動汽車、儲能、微電網(wǎng)為典型;一類是單向柔性負(fù)荷，以需求響應(yīng)資源為典型。

(2)按照不同管理方式可以分為可激勵負(fù)荷和可中斷負(fù)荷。激勵負(fù)荷出于對電價的考慮，可以將用電行為從電價較高時刻轉(zhuǎn)移到電價較低時刻?？芍袛嘭?fù)荷是用戶與電力公司簽訂可中斷負(fù)荷協(xié)議，在電網(wǎng)峰時的固定時間內(nèi)減少其用電需求。

(3)按照負(fù)荷特性分類:柔性負(fù)荷既包括電力用戶中的工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷以及居民生活負(fù)荷中的空調(diào)、冰箱等傳統(tǒng)負(fù)荷。

柔性負(fù)荷的分類為其建模及調(diào)控研究提供了便利，便于在電力系統(tǒng)不同場景下應(yīng)用不同特征的柔性負(fù)荷。

從柔性負(fù)荷調(diào)控模式上來說，柔性負(fù)荷可參與電力系統(tǒng)多種調(diào)度計劃模式:基于電價的模式、基于合同約定的模式、基于需求側(cè)競價的模式、基于有序用電的模式、基于參與備用計劃的模式、基于參與頻率控制的模式}。不同的模式對應(yīng)不同的電力系統(tǒng)環(huán)境，則柔性負(fù)荷的控制方式和目標(biāo)函數(shù)也有所區(qū)別。以節(jié)點(diǎn)際電價為求解對象，研究了柔性負(fù)荷參與備用的安全約束調(diào)度策略;將激勵負(fù)荷的售電收益、可中斷負(fù)荷的補(bǔ)償成本納入考慮，以調(diào)用利益最大化為目標(biāo)函數(shù)，研究了柔性負(fù)荷參與負(fù)荷調(diào)峰的內(nèi)容;以電力系統(tǒng)頻率控制為目標(biāo)，研究通過需求響應(yīng)手段，控制柔性負(fù)荷的啟停，平衡用電需求和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài);考慮分布式電源與單向型柔性負(fù)荷的聯(lián)合調(diào)度，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率 。

從柔性負(fù)荷調(diào)控方式上來說，柔性負(fù)荷可分為集中調(diào)控、分布式調(diào)控和基于負(fù)荷聚合商的分層調(diào)控。采用了類似發(fā)電機(jī)組的集中控制方式，柔性負(fù)荷由調(diào)度中心集中控制，電力系統(tǒng)向大用戶直接發(fā)布調(diào)控命令。利用智能電表實現(xiàn)分布式控制，并分析了基于不同地理位置的分布式架構(gòu)具有投資小、通信和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，通過包含電動汽車、可控家用電器、分散式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的柔性負(fù)荷聚合，參與電力系統(tǒng)二次調(diào)頻，負(fù)荷聚合商使用模型預(yù)測控制策略來分配控制行為。

從柔性負(fù)荷綜述中不難發(fā)現(xiàn)柔性負(fù)荷種類繁多，并很難得到具有普適性或通用型的柔性負(fù)荷模型和控制策略。為了更深入的挖掘柔性負(fù)荷，抓住重點(diǎn)柔性負(fù)荷特征，論文選取中央空調(diào)作為典型柔性負(fù)荷代表，并開展其參與電力系統(tǒng)運(yùn)行的模型和控制策略研究 。

(1)中央空調(diào)負(fù)荷具有柔性負(fù)荷典型特征。柔性負(fù)荷的主要特征是負(fù)荷在一定時間內(nèi)靈活可變，因為人體有一定舒適度范圍，中央空調(diào)負(fù)荷的功率在舒適度范圍有了調(diào)節(jié)的空間。以夏季為例，當(dāng)用戶對電價做出響應(yīng)時，在電網(wǎng)高峰時可通過調(diào)高設(shè)定溫度、降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等方式降低中央空調(diào)負(fù)荷，以獲得效益回報;在電網(wǎng)低谷時期，利用中央空調(diào)所屬房間儲熱能力，增加空調(diào)負(fù)荷，提前儲存一部分冷量，使電力系統(tǒng)利用率增高。

(2)中央空調(diào)負(fù)荷在尖峰負(fù)荷中占比大。在北京、上海等發(fā)達(dá)地區(qū)空調(diào)負(fù)荷在高峰時負(fù)荷占比接近一半。而中央空調(diào)在工商業(yè)用戶、居民用戶等其它用戶中己經(jīng)廣泛應(yīng)用，是空調(diào)集群中較常見的種類，而與分體式空調(diào)相比，中央空調(diào)的額定功率要大得多，另外相對于分體式空調(diào)，中央空調(diào)的負(fù)荷比較集中，更有利于集群控制，國內(nèi)多地己開展了中央空調(diào)負(fù)荷調(diào)控的示范工程，積累了較為豐富運(yùn)行經(jīng)驗。

(3)中央空調(diào)負(fù)荷可控性強(qiáng)。與其他柔性負(fù)荷相比中央空調(diào)系統(tǒng)的可控量多，理論上包括:設(shè)定溫度、送風(fēng)量、新風(fēng)量、冷凍水泵流量、冷凍水進(jìn)水溫度等幾十個特性參數(shù)。對任意決策變量的控制都能達(dá)到調(diào)節(jié)中央空調(diào)負(fù)荷的目標(biāo)。另外在特定情況下，短時中央空調(diào)可通過關(guān)閉機(jī)組達(dá)到極限調(diào)節(jié)量，即使在不停機(jī)的前提下，中央空調(diào)的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力也十分可觀。

在柔性負(fù)荷響應(yīng)潛力方面，提出針對大型工商業(yè)用戶參與需求響應(yīng)的潛力評估方法，主要步驟包括確定研究對象和需求響應(yīng)項目類型、基于用電特性的用戶群聚類分析、分類需求響應(yīng)項目參與率辨識、價格彈性計算和需求響應(yīng)潛力評估，重點(diǎn)是適用于細(xì)分用戶群的價格彈性計算方法。基于上述評估方法，美國聯(lián)邦能源管理委員會從常規(guī)業(yè)務(wù)、擴(kuò)展業(yè)務(wù)、可實現(xiàn)參與和全而參與4種場景評估了美國2010-2020年的需求響應(yīng)潛力，一般來說，需求響應(yīng)潛力評估可分為電力負(fù)荷調(diào)研、數(shù)據(jù)整理和分析、回歸模型建立及響應(yīng)潛力預(yù)測等步驟。表1給出了各國柔性負(fù)荷響應(yīng)潛力分析結(jié)果。但現(xiàn)有研究還存在以下不足:①負(fù)荷可調(diào)度潛力與電網(wǎng)運(yùn)行工況、外界環(huán)境變化、用戶用電消費(fèi)心理、響應(yīng)前用戶用電狀態(tài)等因密切相關(guān)，針對負(fù)荷在某一具體運(yùn)行工況下的響應(yīng)潛力評估研究還較為少見;②多從挖掘電網(wǎng)柔性負(fù)荷削峰潛力的角度研究負(fù)荷的向下調(diào)節(jié)潛力，缺乏對向上調(diào)節(jié)潛力的相關(guān)研究。2100433B

柔性負(fù)荷調(diào)度技術(shù)改變了傳統(tǒng)的發(fā)電跟蹤負(fù)荷變化”的運(yùn)行模式，通過引導(dǎo)柔性負(fù)荷主動參與電網(wǎng)的運(yùn)行控制，可有效解決電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足等問題，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性?？紤]到中國目前的電價政策、營銷模式、發(fā)展需求等現(xiàn)狀，在柔性負(fù)荷調(diào)度方面提出以下幾點(diǎn)建議與設(shè)想。

1）從安全經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排等角度對電力公司和電力用戶加強(qiáng)引導(dǎo)，使其認(rèn)識到柔性負(fù)荷能夠和發(fā)電機(jī)組一樣參與電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行并具有充分的優(yōu)越。

2）根據(jù)各地發(fā)電資源享賦和柔性負(fù)荷構(gòu)成，制定合理的調(diào)度模式。如在“三北”地區(qū)，風(fēng)力資源和太陽能資源非常豐富，棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，而其高耗能負(fù)荷容量大且多數(shù)具備一定調(diào)節(jié)能力，可考慮采用動態(tài)電價、簽訂合同等方式引導(dǎo)高耗能負(fù)荷消納可再生能源；在華東、華南負(fù)荷中心，大中型商業(yè)、公共設(shè)施以及居民負(fù)荷比重普遍較高，可采用直接負(fù)荷控制或自動需求響應(yīng)模式進(jìn)行負(fù)荷控制，以實現(xiàn)削峰填谷。

3）在發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)能力不足的區(qū)域電網(wǎng)，盡快完善柔性負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度的激勵補(bǔ)償機(jī)制，并建設(shè)柔性負(fù)荷調(diào)度示范工程。2100433B

電力柔性負(fù)荷調(diào)度柔性負(fù)荷綜合響應(yīng)建模技術(shù)

電力系統(tǒng)中存在物理形態(tài)、用電特性迥異的多種負(fù)荷類型，同一類型柔性負(fù)荷可能會對應(yīng)多種不同的響應(yīng)，而多個響應(yīng)之間存在一定的約束。對于輸電網(wǎng)調(diào)度中心來講，更為關(guān)心的是以配電網(wǎng)、專變用戶、負(fù)荷聚合商為單位的整體負(fù)荷的綜合響應(yīng)潛力，如何建立有效的柔性負(fù)荷多形態(tài)多響應(yīng)綜合預(yù)測模型是柔性負(fù)荷調(diào)度技術(shù)推廣的基礎(chǔ)。

這種方法通常需利用歷史需求響應(yīng)事件信息并進(jìn)行回歸分析，受制于歷史數(shù)據(jù)的完整性和對歷史事件樣本數(shù)量的要求，其響應(yīng)模型的準(zhǔn)確度以及響應(yīng)行為的不確定性如何表征還需進(jìn)一步研究。

電力柔性負(fù)荷調(diào)度多時間尺度互動交易模式設(shè)計

不同類型柔性負(fù)荷的用電方式、調(diào)度模式、提前通知時間、可調(diào)節(jié)量、對電價和激勵信號的敏感程度都有很大差異，合理的互動交易模式是直接影響柔性負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度可操作性、運(yùn)轉(zhuǎn)效率和效益的關(guān)鍵影響因素。一般情況下，在中長期時間尺度內(nèi)，無法知曉電網(wǎng)的確切運(yùn)行狀態(tài)，互動機(jī)制設(shè)計應(yīng)當(dāng)以價格引導(dǎo)作用為主；短期及實時時間尺度內(nèi)，電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)已能夠準(zhǔn)確獲知，不確定因素較少，需要深入調(diào)研、分析、整理不同類型柔性負(fù)荷的特點(diǎn)并將其適當(dāng)分類，制定更加精細(xì)化的互動交易機(jī)制。

電力柔性負(fù)荷調(diào)度多時間尺度負(fù)荷協(xié)調(diào)控制技術(shù)

日前系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測存在一定誤差，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)實際運(yùn)行狀況也可能發(fā)生變化，特別是間歇式能源大規(guī)模接入的地區(qū)，日前調(diào)度計劃的準(zhǔn)確性和實用性更加難以保證。此外，柔性負(fù)荷響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度本身也具有一定的不確定性，且隨著參與調(diào)度的負(fù)荷數(shù)量的增加，其響應(yīng)不確定性對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的潛在影響將日漸凸顯。因此，有必要在日內(nèi)、實時時間尺度上根據(jù)滾動刷新的負(fù)荷和風(fēng)電預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度計劃的滾動修正，建立計及需求響應(yīng)資源多周期響應(yīng)特性的日內(nèi)調(diào)度模型和實時調(diào)度模型，這是柔性負(fù)荷調(diào)度技術(shù)研究的重點(diǎn)。

電力柔性負(fù)荷調(diào)度集中式和分布式協(xié)調(diào)控制技術(shù)

現(xiàn)階段電網(wǎng)調(diào)度的模式主要是集中調(diào)控的模式，而柔性負(fù)荷更多地以配電網(wǎng)、專變用戶、負(fù)荷聚合商等分布式調(diào)度單元的形式出現(xiàn)，如何實現(xiàn)各控制單元分布自治與電網(wǎng)控制中心整體決策的協(xié)調(diào)是柔性負(fù)荷調(diào)度技術(shù)研究的關(guān)鍵，主要需要研究分布式控制單元的在線動態(tài)等效建模與參數(shù)擬合技術(shù)、支持分布式單元與輸電網(wǎng)調(diào)度中心交互的快速分布式計算技術(shù)、分布式控制單元與調(diào)度中心協(xié)調(diào)優(yōu)化決策模型和方法。

電力柔性負(fù)荷調(diào)度互動效益評估技術(shù)

柔性負(fù)荷調(diào)度具有優(yōu)化用戶負(fù)荷曲線、改善電網(wǎng)峰谷差、減少新增裝機(jī)容量及備用容量、支撐可再生能源消納等多方而效果，如何合理設(shè)計評估指標(biāo)并對其參與電網(wǎng)調(diào)度的效果進(jìn)行量化評估是重要研究方向之一。需要從時間、空間、考核對象等多層次對評估指標(biāo)進(jìn)行分解；從響應(yīng)特性、響應(yīng)過程、響應(yīng)效果、響應(yīng)履約度等方面構(gòu)建多維度量化指標(biāo)，最終形成適合于柔性負(fù)荷調(diào)度的綜合評估指標(biāo)體系 。

電力柔性負(fù)荷調(diào)度集中式架構(gòu)

集中式負(fù)荷控制類似于目前發(fā)電機(jī)組的控制模式，由輸電網(wǎng)調(diào)度中心集中調(diào)度和控制，電力系統(tǒng)運(yùn)行人員直接給每個負(fù)荷發(fā)布調(diào)控命令。顯而易見，大系統(tǒng)中負(fù)荷數(shù)目眾多，集中式架構(gòu)需要針對大量用電設(shè)備產(chǎn)生控制信號，這在實際系統(tǒng)調(diào)度中是不可行的。

電力柔性負(fù)荷調(diào)度分布式架構(gòu)

有文獻(xiàn)利用智能電表實時監(jiān)視系統(tǒng)頻率并相應(yīng)地調(diào)節(jié)用電設(shè)備都是一種典型的分布式控制模式，圖《以智能家居為代表的分布式控制》給出了以智能家居為代表的分布式控制架構(gòu)示意圖。

基于不同地理位置或負(fù)荷類型的分布式架構(gòu)具有投資小、通信和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，但完全分散的分布式架構(gòu)也面臨著如下挑戰(zhàn)：①由于只反饋本地可觀測量，可能出現(xiàn)過度控制或控制量不足的情況，難以實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度的系統(tǒng)級控制目標(biāo)；②各局部控制器為達(dá)到自身的預(yù)期目標(biāo)，可能使得不同控制器間相互沖突，惡化控制的整體效果。

電力柔性負(fù)荷調(diào)度基于負(fù)荷聚合商的分層架構(gòu)

負(fù)荷聚合商作為協(xié)調(diào)大量中小規(guī)模用戶和電網(wǎng)控制中心的中間機(jī)構(gòu)，可以是傳統(tǒng)意義上的配電公司、政府實體或電網(wǎng)公司自身的負(fù)荷管理中心，也可是代表單一類型或多種類型負(fù)荷的第三方機(jī)構(gòu)，其共同點(diǎn)是將大量電力終端用戶聚合在一起參與電網(wǎng)調(diào)度，并努力實現(xiàn)電網(wǎng)公司、負(fù)荷聚合商和電力終端用戶各方的既定目標(biāo)?；谪?fù)荷聚合商的分層負(fù)荷控制分為控制層、協(xié)調(diào)層和本地響應(yīng)層。