新能源電力系統源荷互動關鍵問題的研究

苗雪冬

【摘 要】可再生能源開發利用規模的增加及其在電源結構中占比的日益上升，使得電力系統的形態結構以及運行控制方式發生了根本性變化，逐步形成了新能源電力系統。如何安全高效地消納間歇性可再生能源已成為新能源電力系統面臨的重大現實問題，當前國內外研究成果主要集中在供給側電源的優化設計、電網側的優化調度策略以及需求側的響應機制及規劃管理等方面。涉及電力系統運行穩定性和經濟性、源荷資源聯合規劃等方面的研究還處于初級階段。因此，建立新能源電力系統能量平衡、經濟性以及源荷聯合規劃模型，對國家推進供給側結構性改革，制定階段性節能減排目標，可再生能源電源建設標準以及電價補貼等相關政策提供理論依據具有十分重要的意義。

【關鍵詞】新能源；電力系統；源荷互動

1引言

隨著工業革命以來數百年的大規模開發利用，傳統的化石能源正面臨資源枯竭、污染排放嚴重等現實問題，同時帶來環境污染、氣候變化等問題也嚴重影響著人類可持續發展。建立在化石能源基礎上的能源生產和消費方式魚待轉變。同時，世界以風能、太陽能為代表的可再生能源發電總體處于加快發展階段，但在技術創新、設備研制、工程應用及系統安全性、經濟性上仍然面臨較大的挑戰。

2源荷互動經濟效益研究現狀

源荷互動的目標之一是提高新能源電力系統對可再生能源的利用率，實現源荷協同增效。在智能電網框架下，DR負荷作為“虛擬發電資源”與電源聯合參與調度計劃，負荷響應的快速性與多樣性不僅極大地豐富了新能源電力系統運行調節控制手段，還在提升可再生能源消納經濟性和電力資產利用效率等方面發揮重要作用。目前有關源荷互動經濟性方面的研究主要集中在源荷一體化調度策略和需求響應效益評價兩個方面。

現有的研究主要涉及互動模式下發用電資源的日前及實時調度或廣義機組組合等問題。常用的目標包括系統綜合運行成本最低、可再生能源最大化消納以及網損最小等。由于調度過程中受控目標眾多，因此源荷協調調度通常為分層模型，并根據不同層次決策變量的不同采用不用的算法求解。一些文獻引入多智能體技術，建立需求響應多代理結構進行分布式分散決策，提高決策效率和區域內部資源的協調。源荷協調優化調度通常要建立在分析電源出力和負荷需求分布規律的基礎上進行，在可再生能源消納和系統整體運行成本之間做出平衡，才能達到源荷互動協調增效的目的。

實施DR能夠為電力系統的各個環節帶來可觀的效益：對于政府和全社會而言，源荷互動可以促進可再生能源并網消納，推動電能低碳化，提高環境效益；對于用戶來說，參與需求響應能夠減少用電成本，甚至獲得額外的收益；對于常規發電廠，能夠降低機組調節成本和廢氣排放；對于電網公司，能夠降低可再生能源大規模接入對電力系統的不利影響。評估需求響應資源的綜合價值有利于掌握需求響應項目的實施效果，以及各參與者的成本及收益。目前對于新能源申力系統DR效益的分析主要集中在DR對整個電力系統帶來的經濟效益評估，以及根據各參與方的成本與效益對收益進行合理分配等方面。研究表明源荷互動有利于提升外部效益，而外部效益內部化又有利于提升綜合結果。各參與方的成本及收益也是源荷互動重要研究內容，只有通過構建了各參與方的成本效益模型，合理的分配通過合作獲得的利潤，才有利于提高各方參與可再生能源消納的積極性，維護電力市場的公平與穩定。

3源荷互動消納途徑研究

電動汽車消納途徑主要是利用電動汽車的儲能電池在閑置時通過充電基礎設施直接接入電網，既可以在一段時間內作為電力系統的負荷充電，也可以在另外一些時間作為儲能設備向電網反向放電。電動汽車的蓄電池配置在用電側，能夠有效的平抑可再生能源和負荷出力的波動，減少其隨機波動對電網調度的影響。當前研究成果主要集中在電動汽車充電設施與可再生能源的集成模式、電動汽車與可再生能源的協同調度、電動汽車換電站的容量配置等方面。電動汽車的發展將使得換電站需求的增加，組件的容量變化趨勢、大規模充電功率對電力系統的影響都將對城市基礎設施建設帶來更高的挑戰。

大用戶參與可再生能源消納是指電力用戶與發電企業直接交易，通過經濟措施激勵電力大用戶調整生產班制及用電需求，積極參與可再生能源消納。大用戶直購電交易通常是基于電力市場的雙邊交易模式，交易的關鍵因素包括各時段的合約電量、合約電價以及能源波動時所需電網提供的輔助服務。市場環境下，大用戶直購電的類型不一定是可再生能源，因此，有一些文獻在可再生能源配額制的基礎上，提出的綠色證書交易機制，要求大用戶消費一定的綠色電能。由于常規發電機組調節能力有限，作為電力市場改革進程中開放售電側競爭的重要環節，不同場景下大用戶直購電對電網調度運行穩定性和經濟性的影響也需決策者權衡。市場中參與可再生能源消納的交易申報、交易出清、交易結算及市場組織也需要制定合理的規則，才能維護市場的公平與穩定。

價格型需求響應消納策略是指通過價格信號（如分時電價、實時電價）引導用戶合理調節和改善用電結構和用電方式。目前在我國應用較多的是分時電價和階梯電價，實時電價是下一步的研究熱點。由于是價格驅動型，因此經濟性是電價類需求響應必須考慮的因素，調度成本與電價和電量互動響應量有關，通常是采用負荷的價格彈性系數這一概念來表示。可中斷負荷常被視為一種虛擬的備用發電資源，為系統提供備用支持，可中斷負荷能夠根據系統的調度指令，減少負荷需求量。當風電出力迅速下降時，切除可中斷負荷能夠有效緩解系統的調頻壓力，變相增加系統旋轉備用容量。可中斷負荷可以作為一種備用支持配合傳統備用使用，主要滿足風電并網后系統增加的備用需求。目前研究重點是可中斷負荷再系統增加備用中的最佳比例以及可中斷負荷參與系統運行的成本、中斷量、時長、次數及提前通知時間等。

4源荷互動消納策略研究

清潔和互動是智能電網兩大主要特征。源荷互動是智能電網發展背景下誕生的，為了最大化利用清潔能源，調整優化能源結構，構建安全、經濟、清潔的現代能源產業體系。源荷互動并不是憑空出現的概念，而是以往調度思想的繼承和發展。在早期電網調度過程中，當供需平衡不能被滿足時，通常采取拉閘限電或者切負荷的控制措施，實際上就是源荷互動的雛形。在這種調度模式中，用戶并非主動參與，而是被動接受；后來隨著可中斷負荷、直接負荷控制等措施的發展，用戶能夠得到較為科學的經濟補償，源荷互動的意義也有所增強；智能電網的建設使得需求側出現了海量可控負荷和分布式發電設備，傳統電力系統“發輸配售用”的功能界限逐漸趨于模糊，一定程度上也提高了用戶主動參與電網調度的意愿，同時也將基于需求響應的源荷互動理論推到了前所未有的高度。

結束語

綜上所述，大力發展清潔能源，實施能源結構從化石能源為主向清潔能源為主的轉變，是我國可持續發展的必由之路。可以預見，未來源荷聯合調度過程中控制單元的數量將呈幾何倍數增長，隨著分布式電源、智能電表等設備的接入，實時電價的廣泛應用將使得調度決策的時間更為短暫。若要滿足在線實時控制的需要，尋求分布式、高效、快速的建模和尋優算法將是下一步研究工作的重點和難點。

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