基于需求響應與光伏不確定性的電力系統經濟調度

國網江蘇省電力有限公司無錫供電分公司 胡曉青 魯玉普 惠 煒 許吉強 許 歡

1 引言

電力系統經濟調度是電力市場中的一個重要環節，其目標是在滿足電力需求的前提下，以最小的成本來調度發電設備和電力負荷。電力市場的運行模式和調度機制對電力系統經濟調度產生了重要影響，隨著分布式能源的快速發展，尤其是光伏發電的廣泛應用，電力系統的不確定性和波動性不斷增加，給電力系統的經濟調度帶來了很大的挑戰。同時，需求響應作為一種新型調度方式，可以通過調整用戶的用電行為來提高電力系統的靈活性和穩定性。

本文從電力系統經濟調度的基礎知識、光伏不確定性對調度的影響、需求響應的應用以及結合需求響應與光伏發電預測的調度模型等方面進行了系統研究。研究結果表明，結合需求響應和光伏發電預測的調度模型可以提高電力系統的經濟效益和穩定性，為電力系統的經濟調度提供了一種新的思路和方法。同時，本文也為電力系統經濟調度的研究提供了一定的參考和借鑒價值。

2 電力系統經濟調度基礎知識

2.1 電力系統經濟調度的基本概念和目標

電力系統經濟調度是電力系統運行中的一個重要環節，其基本目標是在保證電力系統的安全、穩定和可靠運行的前提下，盡可能地降低電力系統的總成本。電力系統經濟調度的核心內容是發電設備和電力負荷的合理安排和調度，通過對發電設備的合理調度，可以保證電力系統的供電能力，同時最小化發電成本；而通過對電力負荷的合理調度，可以平衡電力供需，同時最小化用戶的用電成本。

2.2 電力市場的基本運行機制

電力市場的基本運行機制包括市場化交易、調度和監管等環節。電力市場交易是電力市場的核心環節，是通過市場化的方式進行電力交易的過程。目前主要有競價上網和雙邊協商兩種交易方式。競價上網是指電力市場參與者根據自己的發電成本或用電成本，以電力市場規定的交易方式和價格進行競價，最終確定交易結果的過程。而雙邊協商則是指電力市場參與者在市場機構的撮合下，通過自愿協商確定電力交易的過程。

2.3 電力市場交易的基本類型和方式。

電力市場交易的基本類型和方式見表1。

3 光伏不確定性對電力系統經濟調度的影響

3.1 光伏發電的不確定性產生的原因

3.1.1 光照強度

光照強度是影響光伏發電輸出功率的最主要因素之一。而光照強度會受到天氣、時間、季節以及地理位置等多種因素的影響，因此光伏發電的輸出功率也會隨之變化，從而產生不確定性。

3.1.2 溫度

光伏電池的輸出功率隨溫度的升高而下降。由于光伏電池的工作環境多在室外，其溫度受氣溫、太陽輻射等因素的影響較大，因此光伏發電的輸出功率也會受到溫度變化的影響。

3.1.3 風速

在某些光伏發電系統中，風速也是影響光伏發電輸出功率的因素之一。當風速過大時，光伏組件的溫度會下降，從而提高了輸出功率。而當風速過小或為零時，光伏發電的輸出功率則會降低。

3.2 光伏不確定性對電力系統經濟調度的影響

3.2.1 發電計劃調整

由于光伏發電的不確定性，其實際發電量與預測發電量總是存在一定的偏差[1]，這將對電力系統的發電計劃產生影響。當光伏發電量偏高時，發電系統需要調整其他電源的發電計劃來降低光伏發電量的影響；而當光伏發電量偏低時，電網需要調整其他電源的發電計劃來彌補光伏發電量的缺口。這些調整將對電力系統的經濟性產生影響，因為在調整過程中需要考慮各種電源的發電成本、傳輸成本等因素。

3.2.2 電力市場交易

光伏發電的不確定性將對電力市場交易產生影響。當光伏發電量偏高時，電力市場供過于求，可能會導致電力價格下降；而當光伏發電量偏低時，電力市場需求過剩，可能會導致電力價格上漲。這將對電力市場參與者的收益產生影響，因為電力價格的波動將影響電力市場參與者的收益。

3.2.3 能源調度策略

光伏不確定性對電力系統經濟調度的另一個挑戰是如何設計適應性強、魯棒性好的能源調度策略。在光伏不確定性情況下，如何有效地利用各種電源，以滿足電網的負荷需求，同時盡量減少電網運行成本，是電力系統經濟調度面臨的一個重要問題。

4.需求響應在電力系統經濟調度中的應用

4.1 需求響應的基本概念和技術實現方式

需求響應是指通過調整用戶的用電行為，以適應電力系統的供需平衡和能源效率的要求，從而實現對電力負荷的調節和控制。

需求響應技術的實現方式包括兩種主要類型：一種是基于信息技術的直接控制，例如通過智能電表、智能家居設備等實現對電氣設備的遠程控制；另一種是基于經濟手段的激勵措施，例如通過電價峰谷差異化的設定、電力市場獎懲機制等激勵用戶在高負荷時段減少用電，以及在低負荷時段增加用電。

4.2 需求響應對電力系統經濟調度的影響和作用

需求響應在電力系統經濟調度中具有重要的作用和影響。一方面，通過鼓勵用戶參與到電力調度中來，需求響應可以在一定程度上減輕電力系統的壓力，優化電力供需結構，降低系統運行成本。另一方面，需求響應可以提高電力系統的靈活性和響應速度，有助于應對突發事件和電力系統的不確定性因素，保障電力系統的安全穩定運行。

4.3 需求響應與電力市場交易的關系和調度機制

在電力市場中，需求響應可以通過參與市場交易來實現。在一些電力市場中，參與市場交易的消費者可以獲得相應的獎勵或優惠，以鼓勵居民在高峰期減少用電，從而降低電網壓力，減少對發電機組的需求。

同時，對于電力系統經濟調度來說，需求響應也是一種重要的調度策略。在傳統的電力系統中，電力系統的負荷需求基本是由供給方通過調度發電機組來滿足的。但是，當系統負荷過大或供給不足時，就會出現電力不足的情況，這時需要通過緊急調度或增加發電容量等方式來應對。

而需求響應則是一種能夠降低系統負荷的方法，通過調整負荷曲線來降低電力需求，將用電高峰期部分繁重的工作量轉化至其他時段進行[2]，從而減輕電網壓力，降低電力系統運行成本。因此，在電力系統經濟調度中，需要考慮將需求響應納入調度策略中，以實現更加靈活和高效的電力系統調度。

需要注意的是，需求響應雖然可以幫助降低電力系統的運行成本和改善電網負荷平衡，但其實施也存在一定的難度和風險。一方面，需求響應的實現需要消費者的積極參與和支持，而這往往需要一定的激勵措施。另一方面，需求響應也可能會對一些關鍵領域的用電造成不利影響，如醫療、安全等。

因此，在電力系統經濟調度中，需要權衡需求響應的潛在收益和風險，并制定相應的調度策略，以實現電力系統的高效、穩定和安全運行。

5 結合需求響應與光伏發電預測的電力系統經濟調度模型

案例選取了某地區的電力系統進行分析，具體的數據和模型假設如下。

系統數據：電力系統包含5個節點，分別是A、B、C、D、E；系統中有兩個電力市場，分別為Day-ahead 市場和Real-time 市場；系統中有兩個可再生能源發電設施，分別是光伏發電和風力發電；需求響應參與者有3個，分別是工業用戶、商業用戶和居民用戶。

系統中的負荷數據和發電數據見表2。

表2 系統負荷數據和發電數據（單位：MW）

模型假設：光伏發電和風力發電的預測誤差分別服從正態分布，其均值為0，標準差分別為10%和15%；需求響應的彈性系數分別為0.5、0.3和0.2。

電力市場電價見表3。

表3 電力市場電價（單位：元/MWh）

光伏的預測精度直接關系到電力系統的優化調度[3-4]，建立的結合需求響應與光伏發電預測的電力系統經濟調度模型的優化目標是最小化系統的總成本，其中包括市場交易成本、供需不平衡成本和需求響應成本。模型的約束條件包括能量平衡約束、供需匹配約束、需求響應響應約束、光伏發電容量約束、發電機出力約束等。

模型的求解方法:采用線性規劃或者基于啟發式算法的優化方法。具體而言，可以使用GAMS 或MATLAB 等軟件進行建模和求解。同時，為了加速求解過程，可以采用并行計算等技術。

計算實現方面:通過實時數據監測和預測技術獲取光伏發電量和需求響應量，將其作為模型的輸入數據。然后通過優化算法求解得到最優的電力系統調度方案，即各發電機的出力和需求響應量，從而實現經濟運行目標的最大化。

6 結語

本文主要探討了光伏不確定性和需求響應在電力系統經濟調度中的應用，并建立了結合需求響應與光伏發電預測的電力系統經濟調度模型進行實例分析。光伏發電功率的準確預測對保證系統的安全穩定、促進電網的優化運行具有重要意義，其光伏發電的不確定性對電力系統經濟調度產生了一定的挑戰和影響，

但是光伏發電預測技術的不斷發展和應用可以降低其不確定性，提高經濟調度的準確性和效率。需求響應作為一種能量供需平衡的技術手段，在電力系統經濟調度中發揮了重要作用，可以提高供需匹配的靈活性，減少供需不平衡成本，并為電力市場交易提供更多的機會和靈活性。建立結合需求響應與光伏發電預測的電力系統經濟調度模型可以更加準確地預測電力市場需求和供給情況，提高電力系統的經濟效益。在模型求解和優化分析方面，可以采用現代優化算法和計算機模擬技術，以提高模型的求解速度和精度。