清洁能源接入的智能电网需求响应综述

王智琦，冷 月，吴倩红

(四川大学电气信息学院，四川成都610065)

清洁能源接入的智能电网需求响应综述

王智琦，冷 月，吴倩红

(四川大学电气信息学院，四川成都610065)

智能电网拓展了清洁能源的接纳能力，使电网负荷端与清洁能源进行合理匹配消纳，实现社会效益最大化，是能源领域需要解决的科学问题。将可中断负荷应用于含风电接入的电力系统，研究可中断负荷的意义，总结国内外开展的清洁能源研究与实践，考虑风机入网后对电网的影响，通过对需求响应技术方法的分析，提出了供电套餐。

清洁能源；可中断负荷；需求响应；供电套餐；社会效益最大化

近年来，智能电网、清洁能源等已成为全球关注的热点。清洁能源在我国可持续发展战略中具有日益重要的地位，政府、企业、学术界均在清洁能源技术及其评价上做了大量工作[1]。但清洁能源发电机组具有功率输出不稳定、大量吸收无功、控制调节手段单一等特点，大量投运会给电网运行带来很多问题[2]。另一方面，从需求侧管理到需求侧响应，不是一个简单的概念变换，而是一个质的拓展，它对提高电力市场的稳定性和运行效率有重要意义[3]。在电力市场的推动下，清洁能源的接入可作为传统供电模式的有力补充，而引入可中断负荷的需求侧响应有利于降低系统运行成本，使社会效益最大化。本文旨在找到两者的结合点，在促进智能电网技术条件下利用可中断负荷的绿色电能合理匹配消纳，促进源-网-荷协调发展，实现合理、优化用电的战略性措施，实现节能、环保、经济协调发展。

1 可中断负荷的意义

在传统电力系统中，负载常被当作物理负荷，出现电力不足时，调度员会强制切除负荷来保证系统的安全运行，这种方式未将用电方的有关因素考虑在内，会给用户造成损失。电力市场的引入，使得用电方不再是物理负荷，而是作为消费者的用户，终止服务不是单纯的拉闸限电而需要给予用户一定的补偿。可中断负荷管理就是由电力公司与用户签订可中断负荷合同，在系统紧急情况下电力公司中断对用户的电力供应，但给予用户一定的经济补偿[4]。

近年来，各地供电紧张，有关拉闸限电的报道很多。市场环境下，依靠行政命令拉闸限电已不能适应电力市场的要求[4]。可中断负荷就是利用用户用电灵活性，来缓解负荷高峰时的供电紧张[5]，有利于电力系统安全经济运行，削弱市场势力，抑制价格尖峰。

另外，可中断负荷管理响应速度快，能有效调动用户的互动积极性，它参与到含清洁能源调控中，可实现以较小的经济代价维持有功供需平衡。而清洁能源的加入，扩充了负荷的概念，某些载体在时间或空间上具备了可中断的性质，这种新型的可中断负荷成为一种经济节能的调度手段，深化了能源结构，同时也促进了电力市场建设[5]。

2 关于清洁能源的研究与实践

2.1 清洁能源概述

清洁能源从理论上来说是一种在生产与使用环节均不会产生并排放有害物质的能源。从电力应用技术角度对清洁能源进行分类，可将其分为水力发电、风力发电、太阳能光伏发电等。多数清洁能源具有发电随机性、间歇性强、可调节能力弱等特点，因此，清洁能源的并入会导致电网电压水平波动、线路传输功率超出极限、系统短路容量增加和系统暂态稳定性改变等问题[6]。研究如何提高我国电网对清洁能源接入的适应性、运行控制的灵活性和安全稳定的可控性，具有重要的意义。

2.2 清洁能源的研究及应用现状

2.2.1 国外清洁能源研究及应用现状

美国于2009年6月通过了《美国清洁能源与安全法案》，目的是发展清洁能源以减少化石能源的使用。美国现有运营中的风力发电总量是28 206 MW，居全球第一。2006年开始美国实施了“总统太阳能美国计划”，目标是在10年内使太阳能发电的价格降低到能与常规电力相竞争，预计到2015年累计光伏容量达到5～10 GW。美国的小水电数居世界第二，总装机容量达3.5 GW[7]。

到2010年为止，日本累计安装太阳电池组件容量为4.82 GW，预计到2030年达到100 GW，大约占全部电力供应的10%。截至2007年底，日本已经在普通家庭中安装了超过2 000台家用燃料电池发电系统。日本岩手县的一座牛粪发电站已投入商业使用，成为日本第一家生物发电站[8]。

2006年，欧洲光伏产量达到2 529 MW，预计到2040年可再生能源在总能源结构中将占50%以上，其中太阳能发电将占20%以上。2009年多家欧洲企业签订协议，将共同开发撒哈拉沙漠地区的太阳能发电，预期到2050年利用沙漠太阳能开发的清洁电力能满足欧洲地区15%的用电需求。该项太阳能发电工程是目前全球最大的发电工程[7]。

2007年，德国的风电装机容量已经突破21 GW，占到德国总装机容量的20%[9]。

法国的清洁能源主要集中在核能上，法国电力公司在法国有58座核电站，提供国家用电量的65%。该公司计划于2020年前在海外建成10座核反应堆，其中4座在英国、4座在中国、2座在美国。并且法国电力公司在天然气、清洁煤、水电和可再生能源上的开发也卓有成果[10]。

2.2.2 国内清洁能源研究及应用现状

2005—2008年，我国风电装机连续3年实现翻番式增长；仅2009年上半年，我国已完成吊装的新增风电装机容量达460万千瓦。西北部地区将建设大规模太阳能发电基地。2009年4月，13家太阳能光伏企业共同签署了《洛阳宣言》，明确了在2012年实现光伏发电上网电价1元/kWh的目标。目前我国建成和在建的核电站总装机容量为870万千瓦，预计到2020年中国核电装机容量约为4 000万千瓦[7]。

可再生能源发展“十一五”规划中，提出到2010年可再生能源在能源消费中的比例要达到10%，约为3亿吨标准煤[7]。预计到2020年，我国清洁能源装机将达到5.7亿千瓦，占总装机容量的35%，每年可减少CO2排放13.8亿吨[9]。在《可再生能源中长期发展规划》中提出，到2020年，中国的可再生能源消费量将达到能源消费总量的15%，其中电力的20%将来自于可再生能源[11]。

3 风机入网后对电网的影响

3.1 风电并网对电能质量的影响

风电运行特点有[12]：风电出力随机性强、间歇性明显；风电年利用小时数偏低；风电功率调节能力差。

根据国际规定，电力系统的电能质量指标主要包括电压偏差、频率偏差、电压波动和电压闪变及谐波问题。风速的变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风力发电功率的波动和风电机组的频繁启停。转矩的周期变化导致异步电机输出功率的变化，使电网频率在一定范围波动，影响电网中频率敏感负荷的正常工作。风电功率的波动会引起电压的变化：电压波动、电压闪变、电压跌落及周期性脉动等。另外，风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当，将向电网注入谐波电流，引起电压波形发生不可接受的畸变，并可能引发由谐振带来的潜在问题[12]。

3.2 风电并网对电网稳定的影响

风力发电具有间歇性、利用小时数低等缺点，对电网稳定运行有一定影响。输电线路的输电功率受功率稳定极限的限制，而线路的静态稳定功率极限近似与线路的电压平方成正比。系统运行电压偏低，输电线路的功率极限大幅度降低，可能产生系统频率不稳定，甚至导致电力系统频率崩溃、系统解列。如果电力系统缺乏无功电源，也可能产生系统电压不稳导致电压崩溃。频率稳定和电压稳定的破坏都会造成严重的灾难，给电力系统及各行各业的生产以及人民生活带来重大的损失。系统运行电压过高又可能使系统中各种电器设备的绝缘受损，带铁心的设备饱和产生谐波，并可能引发铁磁谐振，同样威胁电力系统的安全和稳定运行[13]。

3.3 对发电计划制定的影响和对调度的压力

由于风的不可控性，对风电不可能像对其他传统电源一样进行可靠的负荷预测，也难以制定和实施正确的发电计划[14]。如果把风电场看成负的负荷，则它不具有可预测性；如果把风电场看成一个电源，则其有效性无法得到保证[13]。随着风电容量比例的增加，给地方电网调度带来了不少压力。如在包头地区，由于内蒙煤电供应及时，再加上金融危机使得电力需求有所下降，现在包头地区基本的电力供应还是依靠火电，国家对风电等可再生能源的政策规定电网要全数接收风电，所以包头电网调度中心要求风电场于凌晨零点至早晨七点时段风电机组停机，以此来协调。但是电力减扣会造成资源的浪费和风电企业自身的经济损失[15-16]，所以提高风电的供电质量十分重要。提高风电的供电质量，既需要提高风电的管理水平，尽可能准确地预测风电的供电能力，便于电网调度，又要通过一定的措施稳定输出电力。

4 供电套餐

国内现有的电价机制是：对于每个用户而言，电价没有选择，只能被动地接受电网制定的唯一价格，这个价格可以按时段不同而设置不同的值，而在同一时段，只能接受一种电价。这样的定价机制不够灵活，同时用户的利益不能保证最大化。

再观察国内移动、联通公司的定价机制：设有不同的定价套餐，每个用户每月可以选择适合自己的不同的套餐。这种定价机制有足够的灵活性，同时用户能保证自己的利益最大化。借鉴于移动、联通公司的定价机制，本项目提出了“电价套餐”，从电网两方面考虑有三种套餐，而在每种套餐中从用户方面考虑，又有四种套餐。表1是用户可选择的套餐。

表1 用户可选电价套餐

从电网方面考虑的电价套餐以如下3点为侧重点：

(1)发电成本

假设电价与发电成本呈正比关系，成本越高则电价越高，有A＞C＞B＞D。当电网使用这种套餐供给用户时，用户可以有表1中的四种选择。而实际情况中，风机的接入与否只能由电网决定，故用户只能在情况1、3中选一种，或在情况2、4中选一种。

(2)供电可靠性

从供电可靠性方面考虑电价，可靠性越高，电价越高。所以，不可有中断的区域的电价大于可以有中断的区域的电价(不可有中断的供电可靠性高于可中断的供电可靠性)，接入风机的电价大于不接入风机的电价(此处为单时段讨论，不考虑风机的间歇性，只从风机接入补充了容量方面考虑)。由此得出：D＞A＞C＞B。当电网使用这种套餐供给用户时，用户可以有表1中的四种选择。而实际情况中，风机的接入与否只能由电网决定，故用户只能在情况1、3中选一种，或在情况2、4中选一种。

(3)综合考虑发电成本和供电可靠性

当综合考虑发电成本和供电可靠性时，采用加权系数。设发电成本方面的电价为h1，供电可靠性方面的电价为h2，综合考虑时的电价为h3，则：

式中：λ1和λ2为加权系数，范围是(0，1)。

电网可以根据实际情况来确定两个加权系数的大小，从而设定A、B、C、D的大小。当电网使用这种套餐供给用户时，用户可以有表1中的四种选择。而实际情况中，风机的接入与否只能由电网决定，故用户只能在情况1、3中选一种，或在情况2、4中选一种。

5 结束语

随着清洁能源发电比例的大幅增加，安全、经济和环保已成为电力发展关注的焦点。通过以上分析可知，清洁能源的接入在降低社会投入总成本上效果突出，而需求侧响应中的可中断负荷机制在缓解阻塞上收益显著，将清洁能源引入需求侧响应管理后，两者可相辅相成共同作用于系统，相较各自单独作用时社会总效益更大，阻塞费用更低；清洁能源接入后，部分原已中断的负荷恢复运行，这使系统拥有更大的备用容量，从而增强了需求侧响应的可操作性。同时，可中断负荷被切除的时间减少，使用户用电更加稳定、可靠，供需双方均从中受益。

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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，黑龙江省人，硕士研究生，主要研究方向为电能质量与电力市场。