[科普中国]-电力柔性负荷

简介

目前我国电力增长态势趋缓，很多地区出现电力富余的情况，但从长远来看，仍有可能出现局部性和阶段性的紧张状态。需求侧逐渐成为电力系统领域关注和研究的重点，通过需求侧的改变，可以改善供需矛盾，提高电力系统运行效率。我国建设和完善智能电网的整体思路也给用户侧的负荷创造新的发展契机2:

近年来，柔性负荷成为了学术研究的重点，柔性负荷的调度和调节是缓解供需侧矛盾的重要手段之一。柔性负荷的柔性调节能力改变了原本负荷单向、被动接受调节的历史，也使负荷参数的刚性、不确定性等特征发生了变化。另外电动汽车、分布式电源的接入使负荷具有了一定电源的作用。这些都对传统电力系统格局产生了影响。空调是典型的柔性荷，在夏季负荷高峰期时，空调负荷在电网中已占尖峰负荷的30%-40%，并呈现逐年上升的趋势.另一方面，空调具有两个重要特征:1)空调与所属的房间构成了具有热储存能力的系统，一定意义上相当于蓄电池等储能设备;2)人体有一定舒适度范围，在此范围内空调负荷的功率也随之有了调节的空间。这两点是空调负荷参与双向互动的前提条件。

柔性负荷的定义目前还没有对于柔性负荷的统一定义，一般认为柔性负荷是指可通过主动参与电网运行控制，能够与电网进行能量互动，具有柔性特征的负荷。负荷柔性表现为在一定时间段内灵活可变。

柔性负荷分类柔性负荷包含具备需求弹性的可调节负荷或可转移负荷、具备双向调节能力的电动汽车、储能、蓄能以及分布式电源、微电网等。其广泛的外延让我们在研究柔性负荷的时需要将其进行分类3。

柔性负荷的常见分类有三种:按照其能量互动性分类、按照管理方式分类和按照负荷特性分类。

(1)按照其能量互动性可分为2类:一类是双向互动性柔性负荷，以电动汽车、储能、微电网为典型;一类是单向柔性负荷，以需求响应资源为典型。

(2)按照不同管理方式可以分为可激励负荷和可中断负荷。激励负荷出于对电价的考虑，可以将用电行为从电价较高时刻转移到电价较低时刻。可中断负荷是用户与电力公司签订可中断负荷协议，在电网峰时的固定时间内减少其用电需求。

(3)按照负荷特性分类:柔性负荷既包括电力用户中的工业负荷、商业负荷以及居民生活负荷中的空调、冰箱等传统负荷。

柔性负荷的分类为其建模及调控研究提供了便利，便于在电力系统不同场景下应用不同特征的柔性负荷。

柔性负荷的调控从柔性负荷调控模式上来说，柔性负荷可参与电力系统多种调度计划模式:基于电价的模式、基于合同约定的模式、基于需求侧竞价的模式、基于有序用电的模式、基于参与备用计划的模式、基于参与频率控制的模式}。不同的模式对应不同的电力系统环境，则柔性负荷的控制方式和目标函数也有所区别。以节点际电价为求解对象，研究了柔性负荷参与备用的安全约束调度策略;将激励负荷的售电收益、可中断负荷的补偿成本纳入考虑，以调用利益最大化为目标函数，研究了柔性负荷参与负荷调峰的内容;以电力系统频率控制为目标，研究通过需求响应手段，控制柔性负荷的启停，平衡用电需求和电网运行状态;考虑分布式电源与单向型柔性负荷的联合调度，以提高电力系统运行效率4。

从柔性负荷调控方式上来说，柔性负荷可分为集中调控、分布式调控和基于负荷聚合商的分层调控。采用了类似发电机组的集中控制方式，柔性负荷由调度中心集中控制，电力系统向大用户直接发布调控命令。利用智能电表实现分布式控制，并分析了基于不同地理位置的分布式架构具有投资小、通信和控制灵活等优点，通过包含电动汽车、可控家用电器、分散式热电联产机组的柔性负荷聚合，参与电力系统二次调频，负荷聚合商使用模型预测控制策略来分配控制行为。

典型柔性负荷从柔性负荷综述中不难发现柔性负荷种类繁多，并很难得到具有普适性或通用型的柔性负荷模型和控制策略。为了更深入的挖掘柔性负荷，抓住重点柔性负荷特征，论文选取中央空调作为典型柔性负荷代表，并开展其参与电力系统运行的模型和控制策略研究3。

(1)中央空调负荷具有柔性负荷典型特征。柔性负荷的主要特征是负荷在一定时间内灵活可变，因为人体有一定舒适度范围，中央空调负荷的功率在舒适度范围有了调节的空间。以夏季为例，当用户对电价做出响应时，在电网高峰时可通过调高设定温度、降低风机转速等方式降低中央空调负荷，以获得效益回报;在电网低谷时期，利用中央空调所属房间储热能力，增加空调负荷，提前储存一部分冷量，使电力系统利用率增高。

(2)中央空调负荷在尖峰负荷中占比大。在北京、上海等发达地区空调负荷在高峰时负荷占比接近一半。而中央空调在工商业用户、居民用户等其它用户中己经广泛应用，是空调集群中较常见的种类，而与分体式空调相比，中央空调的额定功率要大得多，另外相对于分体式空调，中央空调的负荷比较集中，更有利于集群控制，国内多地己开展了中央空调负荷调控的示范工程，积累了较为丰富运行经验。

(3)中央空调负荷可控性强。与其他柔性负荷相比中央空调系统的可控量多，理论上包括:设定温度、送风量、新风量、冷冻水泵流量、冷冻水进水温度等几十个特性参数。对任意决策变量的控制都能达到调节中央空调负荷的目标。另外在特定情况下，短时中央空调可通过关闭机组达到极限调节量，即使在不停机的前提下，中央空调的负荷调节能力也十分可观。

在柔性负荷响应潜力方面，提出针对大型工商业用户参与需求响应的潜力评估方法，主要步骤包括确定研究对象和需求响应项目类型、基于用电特性的用户群聚类分析、分类需求响应项目参与率辨识、价格弹性计算和需求响应潜力评估，重点是适用于细分用户群的价格弹性计算方法。基于上述评估方法，美国联邦能源管理委员会从常规业务、扩展业务、可实现参与和全而参与4种场景评估了美国2010-2020年的需求响应潜力，一般来说，需求响应潜力评估可分为电力负荷调研、数据整理和分析、回归模型建立及响应潜力预测等步骤。表1给出了各国柔性负荷响应潜力分析结果。但现有研究还存在以下不足:①负荷可调度潜力与电网运行工况、外界环境变化、用户用电消费心理、响应前用户用电状态等因密切相关，针对负荷在某一具体运行工况下的响应潜力评估研究还较为少见;②多从挖掘电网柔性负荷削峰潜力的角度研究负荷的向下调节潜力，缺乏对向上调节潜力的相关研究。