德国需求侧资源利用模式及其对我国的启示

王军龙，阮力，徐斌

（国网六安供电公司，安徽六安237006）

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德国需求侧资源利用模式及其对我国的启示

王军龙，阮力，徐斌

（国网六安供电公司，安徽六安237006）

电力需求侧管理指在政府法规和政策支持下,采取有效的激励和引导措施以及适宜的运作方式,通过电网企业、能源服务企业、电力用户等共同协力,提高终端用电效率和改变用电方式,在满足同样用电功能的同时减少电力消耗和电力需求,为达到节约资源和保护环境,实现社会效益最优、各方受益、成本最低的能源服务所进行的管理活动[1]。德国能源转型政策的实施使得传统的发电结构从化石能源向可再生能源转变,风力发电、光伏等可再生能源的功率输出极易受到天气变化的影响,增大了电力系统预测和调度的难度,发电和负荷的双向不确定性对电网的安全稳定运行带来了挑战[2]。随着德国光伏和风力发电装机规模的不断增长,负荷和发电之间的矛盾越来越突出,而能源转型的目标中,可再生能源发电的占比是一个影响指标,因此,如何通过合理的调度控制手段,对负荷进行管理成为德国电力系统未来发展的一个热点。在德国电力市场2.0的环境下,对负荷需求侧的控制可由不同的角色完成,由于控制目标的差异化,各个角色对需求侧资源的利用手段也不尽相同,对于电网公司而言,对需求侧资源进行调度的目的可以分为3个方面[3]：①降低系统的高峰负荷,减小电网的基础设施投资;②进行实时跟踪负荷变化,减少电网阻塞,维持电网安全稳定运行;③实现负荷和清洁能源之间的互动,最大限度的消纳可再生能源;对于用户而言,其目标可以较为单一,就是在尽量不影响用电习惯和生活质量的前提下,降低电费的支出[4]。在此背景下,本文首先分析了德国需求侧资源的分类情况,然后从输电运营商、配电运行商和用户3个方面分析了需求侧资源的典型应用,最后结合中国的电改,对中国电力需求侧管理资源的开发利用进行了展望分析。

1 德国需求侧资源的分类

德国需求侧资源的控制手段分为3类：手动,半自动和全自动。手动调节多用于日常的家庭电器,用户可根据电价信息,对家用电器的工作时间进行相应的调整;半自动调节是基于不同的电价信息,用过设定标准的用电模式对用电设备进行预先编程;全自动模式则不需要任何的人为干涉,相应用电设备会根据电价信息自动响应。德国典型的需求侧资源的分类如下[3—4]。

(1）储热加热器。由于储热的成本较低,且技术相对比较成熟,因此,储热加热器的基本原理就是将电量转化为热量并进行存储,其可以充分利用电价的波动,优化储能的利用方式,把供电和供热进行结合。目前储热加热器是德国建筑中应用范围最广的储热设备,随着各种分布式电源的建设,利用储热加热器也可以吸收新能源的剩余电能,是提高新能源消纳的重要手段,在德国建筑中,储热热水器消耗的电能大约为27 TWh。

(2）电热水器。主要应用于制备热水,利用电能使冷水升温用来淋浴、洗手、洗碗等。通过需求侧响应可以使得负荷曲线更加均匀化。如果电热水器中内置一个热储能设备,则可以在负荷较低的时候提高负荷用电给水加热,并把其储存起来,即起到了“填谷”的效果。没有内置储能设备的电热水器也可以通过错开使用高峰来达到均匀负荷的作用。

(3）水暖供暖的循环泵。水暖供暖系统的热量主要由燃烧油气来获得,在循环泵中可以实现需求侧响应的电能则被称为辅助能源,其用来驱动泵的运行,管路中的热水则有泵驱动,并且分配到建筑的不同区域。在德国,循环泵每年的耗电量约为15 TWh,占据德国总电耗的3.5%,相当于德国铁路和城市有轨电车耗电量的总和。

(4）空气调节系统。尽管在空气调节系统中不存在储能设备,但是一个需要进行空气处理的房间或者一栋楼却可以当作一个储电设备来分析,空气则是储能设备的媒介,空气质量可以看作是电池充放电状态的指示器。当室内空气良好的时候,可以认为电池处于充满状态,此时,人们可以关闭空调系统或者让其处于低功率运行状态,直到室内空气状态处于允许的临界值以下,该过程可以被认为是电池的放电过程,当空气状态达到临界值时,电池处于放空状态,此时则需要开启空调设备,对“电池”进行“充电”,来提高室内空气质量。

(5）家电设备。家电设备的需求侧响应不通过使用储能设备来影响负荷曲线,而是基于用户侧的个体行为,通过改变其使用电器设备的方式使得削峰填谷或者其他目的得以实现。德国典型家电设备主要有洗衣机、烘干机、洗碗机、冰箱、烤箱等,这些电器的功率都比较小,即使把所有电器聚合起来,因为这些电器设备的使用的同时性不高,平均每用户可调的潜力很小。德国典型家用电器的调节能力如图1所示。

图1 德国典型家用电器的功率调节能力

(6）热电联产装置。由于储热的价格优势,将热电联产设备与储热设备耦合可以有效的平衡新能源发电带来的功率波动。热电联产装置既可以作为电源,又可以作为负荷进行控制,是德国电力市场中最重要的需求侧资源。与欧洲其他国家相比,德国热电联产设备发电比例仍然比较低,但其潜力相当巨大,德国已经安装的发电设备,根据不同的季节能够提供最高14 GW的余热发电功率。此外,德国将分布式电源和可控负荷进行整合,提出的“虚拟电厂”,已成为当前保持电网平衡的重要手段。

2 德国需求侧资源的典型应用

2.1 德国需求侧资源应用场景

在不同的市场架构条件下,需求侧资源的利用领域也具有较大的差异,在能源转型和电力市场2.0政策的引导下,当前德国需求侧资源的典型应用在3个方面[5]。

(1）对于输电网运营商而言,需求侧资源可以通过电力辅助市场,给输电网运营商提供调频服务,也可以通过签订协商的需求侧响应合同,参与系统运行商的阻塞管理,当电力供应不足时,执行签订的需求侧响应合同。德国电力市场中需求侧资源的竞价平台的内容简要如图2所示。

图2 竞价平台上需求侧资源的内容分析

通过对图2的分析可以得出,需求侧资源作为一个整体,可以参与到调频市场中,德国对需求侧资源参与调频市场和可切断负荷市场的竞价提出和明确的规定。对于可关断负荷市场,德国四大输电网运营商每月招标3 000 MW(即时可关断1 500 MW+快速可中断1 500 MW）,给所有大负荷企业平等竞标机会,具体的竞标要求和在时间尺度下的关断要求分别如表1和图3所示。

表1 需求侧资源在可关断负荷市场的竞标要求

图3 可关断负荷在不同时间尺度下的响应要求

(2）对于配电网运营商而言,鉴于需求侧资源的不确定性,会影响电网的潮流分布,这不仅体现在需求侧资源所在的电压等级,对上一层级的电网也会产生影响,因此通过需求侧资源的合理利用,减少配电运营商的投资成本。然而需要引入一个合理的管理系统,实现市场导向的需求侧资源和电网导向的需求侧资源进行有序协调管理,基于用户和配电网运营商签定的双边合同,用户可以通过调节需求侧资源减少支付的配电网过网费。

(3）对于工商业用户而言,负荷需求侧资源的传统利用体现在削峰方面,通过在用电高峰时段,切除部分负荷,进而获得相应的补偿。不同企业的用电特性不同,只有采取合理的切负荷策略,才能获得最有的经济效益。此外,目前工商业用户的需求侧资源在数据分析、数据挖掘、参与市场调节等方面也取得了一定的应用,取得了较好效果,一些大型的工业企业(独自拥有平衡结算单元）通过有效的需求侧资源平衡结算管理,减少购电成本。德国需求侧资源在配电网运营商及用户系统的功能如图4所示。

图4 需求侧资源在用户和配电网运营商之间的内在联系

2.2 德国需求侧资源潜力分析

德国已经开启了不少项目对德国需求侧资源潜力进行了研究,一般而言,需求侧资源的潜力分为4个层次[5]。

(1）理论潜力：不考虑实现需求侧响应的约束条件,通过理论分析计算得出来的响应能力。

(2）技术潜力：考虑当前技术限制的角度来计算需求侧响应的时间和能力,不涉及经济性和电网稳定性等约束条件。

(3）经济潜力：以经济性作为需求侧资源利用的目标函数,当通过需求侧响应获利超过实际投资时,可以认为是有潜力的。

(4）实际潜力：在实际操作过程当中,因为管理上的缺陷,信息的缺失等各种原因,即使需求侧响应经济可行,但不一定会在企业当中进行实施。

3 对我国需求侧资源利用的启示

当前,我国的需求侧管理工作已经取得了较大的成就,建立了国家电力需求侧管理平台,选择北京、苏州、佛山和唐山4个地区作为试点城市,并结合地区电力供给和用电特征的情况,进行相应的需求侧管理的工作。然而,我国电力需求侧资源的利用只是集中在削峰阶段,即通过负荷关断,降低高峰时段的用电负荷,保持电网的安全稳定运行[6—7]。借鉴德国需求侧资源的开发和利用情况,对我国需求侧资源利用的启示总结如下。

(1）需求侧资源的开发应该和国家政策紧密结合。德国的需求侧资源开发也是一个循序渐进的过程,伴随着能源转型和电力市场改革的不断推进,我国正处于电力体制改革的深化阶段,应将需求侧资源的利用作为电力体制改革的重要内容,进行集中式推进。

(2）需求侧资源需要和电力市场建设紧密结合。电力回归商品属性是本次电力市场改革的核心,当前我国的电力市场建设与管理远远落后于我国电网设备水平、运行水平以及管理水平,只有构建成熟的电力市场体系,才能将需求侧资源的优势发挥到最大。

(3）需求侧资源需要和清洁能源发电紧密结合。需求侧资源的可控性和清洁能源发电的不可控性具有良好的耦合关系,在多时间尺度下,清洁能源之间的多能互补和需求侧资源之间的友好互动,实现源-网-荷之间的多层次调度和控制,提高清洁能源的消纳能力[8]。

(4）需求侧资源需要和新技术以及新装备的应用相结合。大数据分析技术,云计算技术、“互联网+”技术、信息通信平台建设、竞价平台建设和智能电能表以及智能传感量测装置的广泛应用,显著提高综合能源使用效率,实现用户和电网之间的友好互动[8]。

基于德国在需求侧资源利用方面的经验,提出的我国开发需求侧资源的路径图如图5所示[8—9]。

图5 我国需求侧资源资源利用路径示意图

4 结束语

本文在介绍德国需求侧资源种类和实际应用的基础上,结合我国电力体制改革和能源转型的时代背景,总结归纳了德国需求侧资源利用模式对我国的启示。事实上,需求侧资源的活力与电力市场的结构特征紧密相关,因此我国应将包含清洁能源和可调控负荷当作广义的虚拟需求侧资源,通过引入辅助服务市场,提高清洁能源的消纳能力和电网的可调控能力,保证电网的安全稳定运行。D

[1]曾鸣.电力需求侧管理[M].北京：中国电力出版社,2001.

[2]张秀容.德国能源效率政策措施[J].电力需求侧管理,2014(3）:62-64.

[3]陈政,王丽华,曾鸣,等.国内外售电侧改革背景下的电力需求侧管理[J].电力需求侧管理,2016(3）:62-64.

[4]孙建龙,诸晓俊,归三荣,等.主动配电网DSM技术在德国的发展[J].电力需求侧管理, 2015(1）:59-61.

[5]王健,宋述停,兰俊美,等.电力需求侧大数据应用模型的建立[J].电力与能源,2014(3）：283-286.

[6]黄惠.电力市场环境下用电大户的电力需求侧管理探讨[D].广州：华南理工大学,2013.

[7]刘俊,罗凡,刘人镜,等.大数据背景下电力需求侧管理的应用策略研究[J].电力需求侧管理,2016(2）:5-10.

[8]周伏秋,王娟.我国电力需求侧管理工作面临的形势及建议[J].电力需求侧管理,2015(3）:1-4.

（本栏责任编辑 孙晶）

Application mode of demand resources in Germany and its highlights to China

WANG Jun⁃long,RUAN Li,XU Bin
(StateGridLu’anPowerSupplyCompany,Lu’an237006,China）

在德国能源转型和电力市场2.0的背景下,需求侧响应作为电力系统中的可控资源,能够有效降低峰值负荷、平滑负荷曲线,提高电力系统运行的经济性和灵活性。首先介绍德国电力系统中典型的需求侧响应设备,分析德国需求侧资源的典型应用场景,最后结合我国电力体制改革的背景,总结归纳了德国电力体制改革的经验对我国的启示,并进一步提出了我国需求侧资源利用的路径。

需求侧资源;可中断负载;竞价平台,应用场景

Under the circumstance of the energy conversation and power market 2.0,as the controllable resources in the power sys⁃tem,the demand response can be utilized to reduce the peaking load,smooth the load curve and improve the operating flexibility and economic.In this paper,the typical demand response products in Germany are introduced.Then,the application scenarios of the de⁃mand resources are summarized based on the tender platform.Final⁃ly,the experiences and highlights to China from Germany are pro⁃posed by combining the power market reform and the implementa⁃tion roadmap of demand resources in China are listed from energy policy,key technology,platform and corresponding equipment as⁃pects.

demand side resource;interruptible loads;ten⁃der platform;application scenario

1009-1831（2017）02-0061-04

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.02.016

F416.61

C

2016-09-06