區域電-氣互聯綜合能源系統的需求響應研究綜述

章佳瑩

(國網紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

近年來，隨著世界能源、環境危機的日益加劇，由此引發的附加災害也不斷增加。為此，中國政府于2020年在“十四五”規劃建議中提出“2030年前碳達峰，2060年前碳中和”的行動方案[1]，深化能源改革思路，著力推動我國清潔能源利用向低碳經濟高效消納方向的發展。然而，由于受風、光能強間歇性、強波動性的影響，我國風能僅在確保電網安全運行前提下適量消納，或轉由中東部地區進行低風速發電，從而造成我國“三北”及中東部地區出現大規模棄風限電、風電投資成本高等問題，極大阻礙了我國可再生能源的規模化發展。

此外，在傳統微網系統中，為緩解可再生能源波動引起的短時供能不足及過剩問題，常通過設計凈負荷量-電價的電價激勵機制，或提前與工業用戶簽訂負荷調整協議，在必要時有選擇性地剪切、平移全部或部分負荷形式對負荷進行優化管理。然而，此類負荷需求側管理大多僅從用戶端出發，以犧牲用戶用能便捷性為代價，采取負荷削減或平移方式來緩解系統凈負荷波動問題，忽略了供能系統可基于能量轉換來發揮主觀能動性的問題。隨著人民生活水平提高，用戶對負荷削減的忍耐度不斷降低，如何切實降低用戶負荷響應依賴，發揮系統供能主動調節性已成為現今綜合供能系統亟待解決的突出問題。

隨著用戶生活方式的日益多樣，設備用能種類也得以豐富，多種能源的交互供能為清潔能源的大量消納提供了一條新途徑。2005年，Martin Geidl博士基于P2G可通過與CCHP系統配合實現天然氣與電能靈活轉換，提出基于P2G的電-氣能雙向交互EH樞紐集成器模型[2-3]，進一步將熱電能與天然氣能的結合優化推向研究前沿。國內學者又相繼對此模型進行拓展研究，考慮系統運行經濟性、環保性，將研究對象由樓宇系統拓展至社區供能領域[4]、園區綜合供能領域[5]，由于系統能源交互不再以電能為中心、研究范圍不斷擴展，越來越多的天然氣管網參與儲能，系統清潔能源的消納能力也日益提高。此外，基于電-氣能綜合系統能量轉換的高靈活性，也為能量在供能側轉換，解決能量供應短缺問題提供可能。因此，選擇區域范圍更廣的區域級綜合能源系統開展優化研究，對實現清潔能源更大規模消納、構建環境友好型社會有重要意義。

1 RIEGS的基本概念及結構

RIEGS是區域電-氣綜合能源系統，是一種利用電力-煤氣技術協調運行的區域綜合能源系統，包括多個能量樞紐(energy hub,EH)，其在EH就地協調調度基礎上，通過上層管理層的統一協調，可在計及運營成本基礎在各EH之間進行能量互通，有效打破傳統能源系統與清潔能源間、傳統單一EH與多個能源系統間的能量流通壁壘，實現區域范圍內的能源高效經濟應用[6]。

運行結構分3層：EH間協調層，EH內部協調層，基于需求響應的能源協調層。根據EH的實際應用環境不同，可將EH分為家居型EH、工業型EH 2種，如圖1所示。

雖2種模式下的EH內包含的設備有所差異，但都通過CHP系統的氣轉電與P2G電轉氣的能量雙向循環實現能量交互，在此模式下系統的主要運行優勢可歸納如下。

a.促進能量的靈活轉換、高效利用。通過在傳統含CHP的能源系統中引入P2G，將原有的能量單向轉換模式調整為雙向轉換，提高了供給側資源在不同能量形式之間轉換的頻率，同時也提升了能量在系統中的綜合利用效率。

b.增加清潔能源的使用率[7-8]。通過引入的P2G將原本用戶無法及時使用及儲能元件無法大規模儲存的清潔能源，與化石燃料燃燒產生的CO2結合轉換為天然氣，儲存到無需即發即用的天然氣管網中，從而提高了清潔能源消納率，同時也減少了煤炭燃燒對全球溫室效應的影響。

c.增強極端條件下的系統復原力。由于存在多種能源的運行互補，當某種能源短時供給出現異常時，可快速采用其他能源彌補短時的供應短缺。

2 P2G裝置和建模方法

P2G裝置作為一種能量轉換設備，可通過電解水技術，將部分地區由于強間歇性清潔能源接入導致的過量電能經聚合物電解質膜(PEM)電解槽轉換為H2。通過將H2與化石燃料燃燒所得的溫室氣體CO2進行甲烷化處理，得到可直接注入天然氣管道的富氫天然氣。上述反應的化學反應式如下：

2H2O→2H2↑+O2↑

CO2+4H2→CH4↑+2H2O

由于P2G裝置可利用包含可再生能源在內的剩余電力產生的氫與CO2進行化學反應，在環境友好性、可持續發展性及儲存持久性方面，相對于傳統的抽水蓄能、壓縮空氣儲能有極大優勢。此外，由于可將過量吸納的清潔電能轉化為CH4存入天然氣管網，利用天然氣輸送的延遲性可將天然氣管道作為氣能緩存裝置存入大量清潔電能，而不對天然氣基礎設施進行任何改變，大大降低了系統儲能裝置的安裝配置成本，并提高了全壽命周期內供能系統的供能經濟性。綜上可知，P2G在RIEGS的主要應用優勢主要有2點：可將能源儲存任務分配給現有的天然氣管網，從而降低儲能設備的投資成本；可促進工業部門清潔技術的使用，減少清潔能源的浪費，大大改善城市空氣質量。

3 電力需求側管理在RIEGS的應用

3.1 傳統微網的電力需求側管理

傳統微網系統中，由于能量供應種類單一，僅根據電能儲存容量大小、響應速率配備不同規格的電能儲存系統。雖然大規模風電接入可以有效降低系統綜合運行成本，但其與用戶用能習慣之間存在較大差距，導致峰谷時段供受方負荷的峰谷差加劇。此外，儲能設備配置的容量即使足夠充足，與清潔能源接入引起的能量間歇性相比始終占比較小。為此，文獻[9]提出利用價格激勵的需求側響應方式促進用戶調整用能習慣，一方面可以提高能源供需側波動性造成的系統動蕩問題，另一方面也可以更大程度地消納清潔能源，緩解化石能源緊缺的危機。

依據需求側響應方式的不同，可將響應負荷分為可平移負荷、可削減負荷與可中斷負荷3類。

a.可剪切負荷(可中斷負荷)

可剪切負荷是供電部門為滿足系統調度經濟、安全要求，通過與用戶簽訂同意供能單位在一定時段內終止一切用能負荷，而以賠償電價的形式進行補償的負荷響應模式，其數學表達式為

(1)

式中：Lcut(t)為優化周期內各時段可剪切負荷響應后的負荷需求量;G為優化周期內參與負荷中斷響應的時段集合。

b.可壓縮負荷(可削減負荷)

可壓縮負荷是用戶與供電部門簽訂協議，在系統的優化周期內，一定時段內部分削減負荷需求量，以電費適當賠償的形式滿足系統優化要求的需求響應形式。其相對于可剪切負荷，不再直接將某用戶某一時段內的負荷一刀切切除，而是考慮系統負荷要求，以設備類型、數量為單位的適量削減負荷，從而將對應時段內的總負荷需求量進行壓縮，其數學表達式如下：

(2)

式中:Lcompress(t)為優化周期內各時段可壓縮負荷響應后的負荷需求量;Lp(t)表示需求響應前的負荷量;Pk為第k種設備的單位功率;J為單位用戶內包含的設備種類數量;Ik(t)為第t時段內第k種設備的切除數量。

c.可延遲負荷(可平移負荷)

可延遲負荷是指遵循單位周期內總負荷水平不改變的前提下，對部分時段的部分負荷設備使用時間前后平移調整的負荷響應形式。在微網系統總應用中一般包含洗衣機、電動汽車等負荷設備，由于其在單位周期內負荷水平不變，故可延遲負荷在該周期內的平移表達約束式可寫為

Lmove(t)=Lp(t)+Lmove_in(t)-Lmove_out(t)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Lmove(t)為優化周期內各時段進行負荷響應后的負荷需求量；Lmove_in、Lmove_out為各時段內參與延遲負荷響應的總負荷量；Ik_out(t)為第k種設備在第t時段參與調整的數量。式(6)表示在優化周期內各時段的總協調進出負荷量應維持平衡，減少對用戶利益的影響。

3.2 RIEGS中的DSM

在RIEGS含氣網與電網協調優化的綜合能源系統中，由于能源種類的增多、應用環境的轉變，負荷響應的方法也更為多樣。

如文獻[10-11]中考慮傳統綜合能源系統中忽視熱能可調度性問題，提出在電能激勵響應模式的前提下，引入基于熱能傳輸滯緩性與人類熱能感觸模糊性特點而構建的熱能負荷響應，先后建立含電熱能IDR的園區綜合能源系統經濟優化及儲能配置模型。

然而，基于RIEGS的IDR均是電、熱、氣負荷為兩對立優化對象而開展的協調規劃，忽視多種能量間在不同時空下的關聯性與統一性。因而，文獻[12-15]考慮在時空隧道中摒棄三者能量交換壁壘，從系統內部設備最佳運行狀態能量比、系統終端購能種類變換、系統終端購能量時空平移等角度出發，構建為提高系統經濟性、環保性而計及IDR的RIEGS模型。

文獻[12]從系統內部設備最佳運行狀態出發，提出CHP最優系統供需側電熱負荷匹配度的概念，并由此出發，在考慮電負荷電價響應的機制下，根據CHP最佳工作狀態的供需側電熱能比對熱負荷進行響應平移，從而構建了考慮系統運維、購能、環境處理費用的多能互補模型，以提高能源系統的利用效率。

文獻[13]在DR方案中提出涉及能源需求轉移和能源載體轉換的綜合需求響應，構建了從需求側購能及購能種類2方面出發的含IEEE118節點的電力系統和比利時20節點總線天然氣系統的能源負荷響應模型，通過調整用戶側最終的負荷需求量及市場經濟激勵來改變消耗能源的形式[14]，從而提高系統的綜合經濟效率及可再生能源的發電容納能力。

然而，上述采用的需求響應雖結合RIEGS多能交互的特性實現了多能的協調響應，但其在響應尺度上依然固化于負荷的時空尺度內，將電能與氣能劃分為2種能量單獨進行負荷響應的考慮，較少在需求側考慮能量在時間尺度與能源種類方面結合的負荷響應，但如今隨著負荷種類的增多，需求側能量種類變換響應正日益成為可能，且由文獻[15]研究可知，結合RIEGS內部多能種類轉換與負荷時空平移所綜合的混合需求響應在能源互聯網高速發展的環境下，可產生相較于單能源負荷響應更加有效，顯著提高了系統運行的經濟性與可靠性，這為未來區域綜合能源系統中儲能設備的規劃與設計提供了強有力的技術支撐。

此外，還有學者應用演化博弈對區域用戶需求響應行為進行模擬演算，從而準確分析出用戶在實時電價模式下的行為趨勢，為未來RIEGS的供應側供能模式調整提供有效依據[16]。

4 研究展望

4.1 基于大數據的需求響應展望

大數據技術是近年來在區域多能互補領域內廣泛提及的技術，其核心是通過引入包含不同能源類型之間、同一能源不同時空階段間的數據集，從而對未來能源協調優化應用進行適當分析和決策的方法。在RIEGS中的應用可包括基于大數據對于可再生能源出力[17]、用戶負荷需求預測等幾類。基于上述數據的預測，可對用戶負荷峰谷時段進行預測，從而預算出下一階段供能價格的實時數據。通過提前將供能價格共享給用戶，促使用戶基于價格激勵機制調整負荷響應。該模式下的需求響應相對于過去負荷預測準確性不高，僅能通過對負荷的超短期預測共享實時電價數據造成的負荷響應滯緩等問題，在用戶需求響應方面表現得更為主動、及時。

4.2 市場機制的展望

在一個開放和競爭的市場，結合統一的網絡協調策略與國家能源管理政策，建立一個安全、高效的綜合能源系統平臺對于能源市場的長期穩定運作至關重要。在未來含電能、天然氣能在內的多種能源類型接入的能源系統，如何在有效協調各供能單位能量交易的前提下，提高系統能源的綜合利用效率、降低供能經濟性；如何結合區塊鏈技術構建可保障各供能單位利益、安全地向上一級的能源市場交換平臺，實現平臺供能資源的統一協調優化將成為未來綜合能源市場亟須解決的研究問題。

5 結語

本文梳理總結了RIEGS最新的研究成果和實踐經驗；基于對綜合能源系統中天然氣能傳輸延遲特性和P2G設備應用實例的分析，各項核心技術的問題識別；結合國網公司對于高彈性電網的發展要求，對DR在綜合能源系統中的應用場景、影響作用和待解決的技術難點進行總結，并對DR在RIEGS中電、氣、熱能拓展的發展趨勢進行展望，對未來我國RIEGS的市場化發展提供一定參考。