清潔能源接入的智能電網需求響應綜述

王智琦，冷 月，吳倩紅

(四川大學電氣信息學院，四川成都610065)

清潔能源接入的智能電網需求響應綜述

王智琦，冷 月，吳倩紅

(四川大學電氣信息學院，四川成都610065)

智能電網拓展了清潔能源的接納能力，使電網負荷端與清潔能源進行合理匹配消納，實現社會效益最大化，是能源領域需要解決的科學問題。將可中斷負荷應用于含風電接入的電力系統，研究可中斷負荷的意義，總結國內外開展的清潔能源研究與實踐，考慮風機入網后對電網的影響，通過對需求響應技術方法的分析，提出了供電套餐。

清潔能源；可中斷負荷；需求響應；供電套餐；社會效益最大化

近年來，智能電網、清潔能源等已成為全球關注的熱點。清潔能源在我國可持續發展戰略中具有日益重要的地位，政府、企業、學術界均在清潔能源技術及其評價上做了大量工作[1]。但清潔能源發電機組具有功率輸出不穩定、大量吸收無功、控制調節手段單一等特點，大量投運會給電網運行帶來很多問題[2]。另一方面，從需求側管理到需求側響應，不是一個簡單的概念變換，而是一個質的拓展，它對提高電力市場的穩定性和運行效率有重要意義[3]。在電力市場的推動下，清潔能源的接入可作為傳統供電模式的有力補充，而引入可中斷負荷的需求側響應有利于降低系統運行成本，使社會效益最大化。本文旨在找到兩者的結合點，在促進智能電網技術條件下利用可中斷負荷的綠色電能合理匹配消納，促進源-網-荷協調發展，實現合理、優化用電的戰略性措施，實現節能、環保、經濟協調發展。

1 可中斷負荷的意義

在傳統電力系統中，負載常被當作物理負荷，出現電力不足時，調度員會強制切除負荷來保證系統的安全運行，這種方式未將用電方的有關因素考慮在內，會給用戶造成損失。電力市場的引入，使得用電方不再是物理負荷，而是作為消費者的用戶，終止服務不是單純的拉閘限電而需要給予用戶一定的補償。可中斷負荷管理就是由電力公司與用戶簽訂可中斷負荷合同，在系統緊急情況下電力公司中斷對用戶的電力供應，但給予用戶一定的經濟補償[4]。

近年來，各地供電緊張，有關拉閘限電的報道很多。市場環境下，依靠行政命令拉閘限電已不能適應電力市場的要求[4]。可中斷負荷就是利用用戶用電靈活性，來緩解負荷高峰時的供電緊張[5]，有利于電力系統安全經濟運行，削弱市場勢力，抑制價格尖峰。

另外，可中斷負荷管理響應速度快，能有效調動用戶的互動積極性，它參與到含清潔能源調控中，可實現以較小的經濟代價維持有功供需平衡。而清潔能源的加入，擴充了負荷的概念，某些載體在時間或空間上具備了可中斷的性質，這種新型的可中斷負荷成為一種經濟節能的調度手段，深化了能源結構，同時也促進了電力市場建設[5]。

2 關于清潔能源的研究與實踐

2.1 清潔能源概述

清潔能源從理論上來說是一種在生產與使用環節均不會產生并排放有害物質的能源。從電力應用技術角度對清潔能源進行分類，可將其分為水力發電、風力發電、太陽能光伏發電等。多數清潔能源具有發電隨機性、間歇性強、可調節能力弱等特點，因此，清潔能源的并入會導致電網電壓水平波動、線路傳輸功率超出極限、系統短路容量增加和系統暫態穩定性改變等問題[6]。研究如何提高我國電網對清潔能源接入的適應性、運行控制的靈活性和安全穩定的可控性，具有重要的意義。

2.2 清潔能源的研究及應用現狀

2.2.1 國外清潔能源研究及應用現狀

美國于2009年6月通過了《美國清潔能源與安全法案》，目的是發展清潔能源以減少化石能源的使用。美國現有運營中的風力發電總量是28 206 MW，居全球第一。2006年開始美國實施了“總統太陽能美國計劃”，目標是在10年內使太陽能發電的價格降低到能與常規電力相競爭，預計到2015年累計光伏容量達到5～10 GW。美國的小水電數居世界第二，總裝機容量達3.5 GW[7]。

到2010年為止，日本累計安裝太陽電池組件容量為4.82 GW，預計到2030年達到100 GW，大約占全部電力供應的10%。截至2007年底，日本已經在普通家庭中安裝了超過2 000臺家用燃料電池發電系統。日本巖手縣的一座牛糞發電站已投入商業使用，成為日本第一家生物發電站[8]。

2006年，歐洲光伏產量達到2 529 MW，預計到2040年可再生能源在總能源結構中將占50%以上，其中太陽能發電將占20%以上。2009年多家歐洲企業簽訂協議，將共同開發撒哈拉沙漠地區的太陽能發電，預期到2050年利用沙漠太陽能開發的清潔電力能滿足歐洲地區15%的用電需求。該項太陽能發電工程是目前全球最大的發電工程[7]。

2007年，德國的風電裝機容量已經突破21 GW，占到德國總裝機容量的20%[9]。

法國的清潔能源主要集中在核能上，法國電力公司在法國有58座核電站，提供國家用電量的65%。該公司計劃于2020年前在海外建成10座核反應堆，其中4座在英國、4座在中國、2座在美國。并且法國電力公司在天然氣、清潔煤、水電和可再生能源上的開發也卓有成果[10]。

2.2.2 國內清潔能源研究及應用現狀

2005—2008年，我國風電裝機連續3年實現翻番式增長；僅2009年上半年，我國已完成吊裝的新增風電裝機容量達460萬千瓦。西北部地區將建設大規模太陽能發電基地。2009年4月，13家太陽能光伏企業共同簽署了《洛陽宣言》，明確了在2012年實現光伏發電上網電價1元/kWh的目標。目前我國建成和在建的核電站總裝機容量為870萬千瓦，預計到2020年中國核電裝機容量約為4 000萬千瓦[7]。

可再生能源發展“十一五”規劃中，提出到2010年可再生能源在能源消費中的比例要達到10%，約為3億噸標準煤[7]。預計到2020年，我國清潔能源裝機將達到5.7億千瓦，占總裝機容量的35%，每年可減少CO2排放13.8億噸[9]。在《可再生能源中長期發展規劃》中提出，到2020年，中國的可再生能源消費量將達到能源消費總量的15%，其中電力的20%將來自于可再生能源[11]。

3 風機入網后對電網的影響

3.1 風電并網對電能質量的影響

風電運行特點有[12]：風電出力隨機性強、間歇性明顯；風電年利用小時數偏低；風電功率調節能力差。

根據國際規定，電力系統的電能質量指標主要包括電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和電壓閃變及諧波問題。風速的變化、湍流以及風力機尾流效應造成的紊流會引起風力發電功率的波動和風電機組的頻繁啟停。轉矩的周期變化導致異步電機輸出功率的變化，使電網頻率在一定范圍波動，影響電網中頻率敏感負荷的正常工作。風電功率的波動會引起電壓的變化：電壓波動、電壓閃變、電壓跌落及周期性脈動等。另外，風電機組中的電力電子控制裝置如果設計不當，將向電網注入諧波電流，引起電壓波形發生不可接受的畸變，并可能引發由諧振帶來的潛在問題[12]。

3.2 風電并網對電網穩定的影響

風力發電具有間歇性、利用小時數低等缺點，對電網穩定運行有一定影響。輸電線路的輸電功率受功率穩定極限的限制，而線路的靜態穩定功率極限近似與線路的電壓平方成正比。系統運行電壓偏低，輸電線路的功率極限大幅度降低，可能產生系統頻率不穩定，甚至導致電力系統頻率崩潰、系統解列。如果電力系統缺乏無功電源，也可能產生系統電壓不穩導致電壓崩潰。頻率穩定和電壓穩定的破壞都會造成嚴重的災難，給電力系統及各行各業的生產以及人民生活帶來重大的損失。系統運行電壓過高又可能使系統中各種電器設備的絕緣受損，帶鐵心的設備飽和產生諧波，并可能引發鐵磁諧振，同樣威脅電力系統的安全和穩定運行[13]。

3.3 對發電計劃制定的影響和對調度的壓力

由于風的不可控性，對風電不可能像對其他傳統電源一樣進行可靠的負荷預測，也難以制定和實施正確的發電計劃[14]。如果把風電場看成負的負荷，則它不具有可預測性；如果把風電場看成一個電源，則其有效性無法得到保證[13]。隨著風電容量比例的增加，給地方電網調度帶來了不少壓力。如在包頭地區，由于內蒙煤電供應及時，再加上金融危機使得電力需求有所下降，現在包頭地區基本的電力供應還是依靠火電，國家對風電等可再生能源的政策規定電網要全數接收風電，所以包頭電網調度中心要求風電場于凌晨零點至早晨七點時段風電機組停機，以此來協調。但是電力減扣會造成資源的浪費和風電企業自身的經濟損失[15-16]，所以提高風電的供電質量十分重要。提高風電的供電質量，既需要提高風電的管理水平，盡可能準確地預測風電的供電能力，便于電網調度，又要通過一定的措施穩定輸出電力。

4 供電套餐

國內現有的電價機制是：對于每個用戶而言，電價沒有選擇，只能被動地接受電網制定的唯一價格，這個價格可以按時段不同而設置不同的值，而在同一時段，只能接受一種電價。這樣的定價機制不夠靈活，同時用戶的利益不能保證最大化。

再觀察國內移動、聯通公司的定價機制：設有不同的定價套餐，每個用戶每月可以選擇適合自己的不同的套餐。這種定價機制有足夠的靈活性，同時用戶能保證自己的利益最大化。借鑒于移動、聯通公司的定價機制，本項目提出了“電價套餐”，從電網兩方面考慮有三種套餐，而在每種套餐中從用戶方面考慮，又有四種套餐。表1是用戶可選擇的套餐。

表1 用戶可選電價套餐

從電網方面考慮的電價套餐以如下3點為側重點：

(1)發電成本

假設電價與發電成本呈正比關系，成本越高則電價越高，有A＞C＞B＞D。當電網使用這種套餐供給用戶時，用戶可以有表1中的四種選擇。而實際情況中，風機的接入與否只能由電網決定，故用戶只能在情況1、3中選一種，或在情況2、4中選一種。

(2)供電可靠性

從供電可靠性方面考慮電價，可靠性越高，電價越高。所以，不可有中斷的區域的電價大于可以有中斷的區域的電價(不可有中斷的供電可靠性高于可中斷的供電可靠性)，接入風機的電價大于不接入風機的電價(此處為單時段討論，不考慮風機的間歇性，只從風機接入補充了容量方面考慮)。由此得出：D＞A＞C＞B。當電網使用這種套餐供給用戶時，用戶可以有表1中的四種選擇。而實際情況中，風機的接入與否只能由電網決定，故用戶只能在情況1、3中選一種，或在情況2、4中選一種。

(3)綜合考慮發電成本和供電可靠性

當綜合考慮發電成本和供電可靠性時，采用加權系數。設發電成本方面的電價為h1，供電可靠性方面的電價為h2，綜合考慮時的電價為h3，則：

式中：λ1和λ2為加權系數，范圍是(0，1)。

電網可以根據實際情況來確定兩個加權系數的大小，從而設定A、B、C、D的大小。當電網使用這種套餐供給用戶時，用戶可以有表1中的四種選擇。而實際情況中，風機的接入與否只能由電網決定，故用戶只能在情況1、3中選一種，或在情況2、4中選一種。

5 結束語

隨著清潔能源發電比例的大幅增加，安全、經濟和環保已成為電力發展關注的焦點。通過以上分析可知，清潔能源的接入在降低社會投入總成本上效果突出，而需求側響應中的可中斷負荷機制在緩解阻塞上收益顯著，將清潔能源引入需求側響應管理后，兩者可相輔相成共同作用于系統，相較各自單獨作用時社會總效益更大，阻塞費用更低；清潔能源接入后，部分原已中斷的負荷恢復運行，這使系統擁有更大的備用容量，從而增強了需求側響應的可操作性。同時，可中斷負荷被切除的時間減少，使用戶用電更加穩定、可靠，供需雙方均從中受益。

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Review of smart grid demand response with clean energy access

WANG Zhi-qi,LENG Yue,WU Qian-hong
(School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu Sichuan 610065,China)

The smart grid has expanded the accepting ability of clean energy,and has made the grid load consume clean energy reasonably,realizing the maximization of social benefit,so it is a scientific problem to be resolved in the field of energy.The interruptible load was applied to the power system with wind power access.The significance of interruptible load was studied;the research and practice of clean energy at home and abroad were summarized;the impact of the wind machine on power grid was considered after it was connected to the grid;the power package was put forward by analyzing the method of the demand response.

clean energy;interruptible load;demand response;power package;maximization of social benefit

TM 727

A

1002-087 X(2015)08-1798-03

2015-01-22

王智琦(1991—)，男，黑龍江省人，碩士研究生，主要研究方向為電能質量與電力市場。