用户侧可调资源分类与特性分析研究

2022-12-27郑庆荣陆颖杰向佳霓陈宇扬宫飞翔袁金斗吴英俊

综合智慧能源 2022年11期

郑庆荣，陆颖杰*，向佳霓，陈宇扬，宫飞翔，袁金斗，吴英俊

（1.国网上海市电力公司，上海 200030；2.上海市智能电网需求响应重点实验室，上海 200030；3.河海大学能源与电气学院，南京 211100；4.需求侧多能互补优化与供需互动技术北京市重点实验室（中国电力科学研究院有限公司），北京 100192）

0 引言

近年来，随着电力负荷不断增长，供需不平衡已经成为电力系统中日益突出的矛盾［1］。传统“源随荷动”调度模式下的电网控制手段已几乎用尽，加之中国“双碳”目标对节能减排的要求［2］，使电源侧的调控能力越来越捉襟见肘，因此，需求响应作为用户侧参与电力调控缓解供需不平衡的手段被愈发重视［3］。

需求响应资源具有鲜明的特点，它作为电力能源的消耗者，不仅分散不均，数量也很庞大，因此需要对其进行详细严格的分类［4］。只有将需求响应资源合理分类，才能计算出足够的发电备用容量，以满足峰荷需求。当前对需求响应资源的分类依据响应对象不同，具体将需求响应资源分为居民用户资源、商业用户资源和工业用户资源［5］，但这样的分类方法并不细致，同一类资源中的单个资源特性可能相差很大，进行需求响应分析时无法将其同时考虑，使用户侧资源在参与需求响应时无法最大程度发挥其调节潜力。

负荷可以根据多个因素进行分类。文献［6］将住宅负荷分为行为负荷和物理负荷。行为负荷与居住在房子里的人的生活习惯高度相关，物理负荷则高度依赖于气候条件。行为负荷（如烹饪、洗碗、洗涤、烘干和电脑等）不受温度、日光和风速等外部因素的影响，而物理负荷（如照明、冷电、空间和热水等）与人们的习惯相关性较低。并且，每种依赖关系又可分为连续依赖关系和并发依赖关系。并发依赖是指可以同时执行的操作（例如烹饪、照明等），连续依赖指的是不能同时执行的操作，例如烘干衣服和清洗衣服2种负荷操作无法同时进行。

文献［7］根据能源管理的可能性，将负荷分类为可推迟负荷和不可推迟负荷。可推迟负荷指只需要在一天中的部分时间内供电并且在时间上推迟用电的电力负荷，即需要在某个时间段内消耗一定的电能，但确切的用电时间并不重要，一般而言，储能类的负荷都可以归类为可推迟负荷，而诸如照明、电视、计算机等负荷则一般被视为不可推迟负荷。

文献［8］使用柔性和非柔性概念对负荷进行分类。柔性负荷对于任何需求响应计划都是必不可少的，因为只有柔性负荷才能重新安排负荷使用，从而实现负荷转移；非柔性负荷是指运行不能转移或中断到其他时间使用的负荷。其中，非柔性负荷又分为“Always On”和“Stand-by”，互联网网关、调制解调器、传感器和电话等可视为“Always On”负荷，而个人计算机、电视、照明和大多数厨房电器可以作为“Stand-by”负荷。

文献［9］根据本地或远程控制设备的能力将负荷分为可控负荷和不可控负荷。热水器、热泵、电动汽车、空调、热水浴缸等负荷可以远程控制，以减少高峰需求从而提高能源效率，并且可以在不影响整体舒适性或便利性的情况下关闭一小段时间；而照明、电视和计算机等负荷一般被视为不可控负荷。

文献［10］根据负荷的优先顺序对其进行分类。一些负荷不能推迟到其他时段使用，因此这类负荷被视为第一优先级负荷，如电灯、电视和冰箱等。一些负荷可以推迟较短时间，这类负荷被视为次要负荷，如热水器和空调等蓄热式负荷。一些负荷则可以推迟较长时间使用，大多数用户并不需要立刻使用它们，因此这类负荷被视为第三优先级负荷，如洗碗机和洗衣机等。

本文基于负荷的供用能属性对常见负荷进行分类，并针对不同类型的负荷建立了相应的资源库，为解决因为需求响应资源分类不合理引起的发电成本较高、市场电价波动较大、系统安全可靠性较低等问题提供了基础。

1 供用能属性分类

本节基于可调用户侧资源的供用能属性进行归类和划分，并详细阐述了不同属性的用户侧可调资源的优势与特征。

1.1 供能资源

供能资源指的是向电网或其他需供电力的需求响应资源。目前，用户侧常见的可调供能资源主要为分布式发电资源，包括分布式光伏发电、分散式风力发电、小水电、燃料电池发电、生物质能发电等。本文主要对以上多种供能资源的现状、优势、建设周期、装机规模等多个方面进行分析［11］。

（1）分布式光伏发电。与常用的火力发电系统相比，光伏发电的优点主要体现于无枯竭危险；安全可靠，无污染排放外；不受资源分布地域的限制。光伏发电可分为集中式和分布式，其中分布式光伏发电一般并入35 kV 及以下的配电网系统，与集中式相比灵活性高，应用场景更广，是我国实现“双碳”目标的重要技术支撑。

（2）分散式风力发电。风力发电的优点在于清洁，环境效益好；可再生，永不枯竭；基建周期短；装机规模灵活。风力发电也可分为集中式和分散式，目前集中式风力发电规模大于分散式风力发电，但集中式风力发电由于风能分布特点，与负荷中心距离远，导致消纳困难。相对应的，分散式风力发电能够就地消纳，同时可以在负荷端提供一定的电压支撑，提高电能质量，因此近年来愈发受到重视。

（3）小水电。水力发电效率高，发电成本低，机组启动快，调节容易。由于利用自然水流，受自然条件的影响较大。我国小水电资源丰富，技术可开发量居于世界首位。小水电相较于大水电而言，其体积小，更容易建设在偏远农村地区，有利于当地百姓的生产生活，是我国电力供应，尤其是农村用电的重要组成部分。

（4）燃料电池发电。燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲，只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。

（5）其他可调供能资源。生物质能发电、潮汐能发电以及地热能发电在我国都未得到有效应用［12］。

1.2 用能资源

用能资源即需求侧存在着的大量能与电网互动的负荷［13］，这些负荷占需求资源很大比重。在智能电网中，通过分析这些负荷的相关用电信息，可让其更好地配合电网的优化运行。

用户侧的可调用能资源按照行业性质可分为居民负荷、商业负荷与工业负荷，3 类负荷的用电模式具有差异性。

（1）居民用电负荷主要是居民的家用负荷，它长期保持增长态势，并且具有明显的季节性波动。居民用电负荷的特点在于其用电规律与居民的日常生活和工作的规律紧密相关，在一日内有明显的峰谷差异，在工作日与非工作日也存在用电行为的差异性。居民负荷的季节性变化在很多情况下直接导致了系统峰值负荷的季节性变化，但其影响程度则取决于居民用电负荷在系统总负荷中所占的比例。

（2）商业负荷，主要是指商业部门里的照明、空调、动力等用电负荷。商业负荷覆盖面积大，且用电增长平稳。随着季节的变化，商业负荷同样存在较大的波动。虽然商业负荷在电力负荷中所占比重不及工业负荷和民用负荷，但商业负荷中的照明类负荷一般出现于电力系统用电高峰时段，会提高用电峰值。此外，由于节假日会增加营业时间，从而节假日成为影响电力负荷的重要因素之一。

（3）工业负荷与居民负荷和商业负荷不同，其单个负荷的用电量和负荷远大于其他类型的负荷，其整体的电能消耗在电能总消耗中所占比例也较大，因此其存在着巨大的节能潜力，是需求响应实施的良好对象。但由于工业负荷行业众多，各行业中的主要用电设备、生产流程、用电特点等都不尽相同，因此不同行业的负荷其可调特性需要针对各行业的生产流程和生产特性做具体研究。

1.3 供用能资源

供用能资源表示既有供能特性又有用能特性的资源［14-18］。

常见的供用能资源包括锂电池、压缩空气储能、抽水蓄能、储热罐、飞轮储能、超导储能等储能资源。此外，以电动汽车、5G 基站和数据中心为代表的新型负荷也具备供能、用能的双重特性。这类供用能资源具有负荷与电源的双重角色，当电网电力过剩时，可以用这些供用能资源蓄电或用电，作为用能资源；电网电力不够时，这些资源又可以向电网提供电力，作为供能资源。供用能资源可以提高资源利用率和平衡点网负荷，使得电网运行更加经济、安全和稳定。

在众多储能资源中，各个储能资源由于其储能原理不同，可调能力有所区别。锂电池凭借体积小、工作电压高、能量密度高、循环寿命长、环境友好、工作温度范围宽的特点，在可充电电池领域占据了主要地位。抽水蓄能是电力系统应用最广、技术最为成熟的储能方式，存储能量最大、功率最高，主要用于电力系统的削峰填谷、紧急事故备用、调频等，响应时间为分钟级。与抽水蓄能相比，压缩空气储能具有成本低、建设周期短的特点，可以有效减少用于调峰的燃气轮机装机容量，响应时间也为分钟级。但是，压缩空气储能同样需要特殊地理位置，对岩层、空间等条件要求苛刻，因此压缩空气储能在我国的应用尚属空白。热电厂配置储热可显著提高热电厂的调峰能力，但我国目前没有实时电价引导热电企业主动配置储热装置，因此尚无应用案例。

飞轮储能技术是一种机械储能方式，其突出优点是几乎不需要维护且设备寿命长，可以瞬时大功率充放电，可以有效解决新能源发电的随机性和波动性问题。超导储能具有长期无损存储能量的优点，能快速释放储存能量，易于实现电网电压、频率、有功和无功的调节。但是超导储能并未获得广泛应用，主要由于高温超导材料技术没有取得突破进展，若利用低温实现超导储能，将大大增加储能系统成本。

以电动汽车、5G 基站和数据中心为代表的新型负荷的出现，给负荷侧的供用能资源参与电网调节注入了新的活力。新型负荷由于其工作特性，都配备了储能设备，因此可以在电能紧缺时向电网提供一定量的电能，但新型负荷之间的供用能特性又是不同的。

电动汽车是未来汽车产业的支柱，相较于燃油车，电动汽车有着能耗小、污染小、噪音小等优势。就充电模式而言，电动汽车的充电模式可分为快充和慢充，快充模式充电功率大，充电时间短，对电动汽车电池有一定损耗；慢充模式充电时间长，充电电流小，对电池损耗小，对电网冲击程度也较小。充电模式的选择一般取决于用户的时间紧张程度。就时间分布而言，电动汽车充电地点集中于家或公司，充电时间集中于午高峰和晚高峰时段，其中，工作日较休息日有着更显著的峰谷差异。电动汽车起始充电时刻一般描述为正态分布形式［19］

式中：σe，st为电动汽车起始充电时刻的标准差；te，st为电动汽车起始充电时刻；μe，st为电动汽车起始充电时刻的均值。

5G 基站是一类随着人们对于通信质量要求的提高而数量迅速增加的负荷类型。5G 基站能耗设备主要为通信主设备和空调，主设备又可分为有源天线处理单元（Active Antenna Unit，AAU）和基带处理单元（Base Band Unit，BBU）。其中，AAU 为5G基站能耗最大的设备，能耗最高可占单个基站总能耗的80%，其具体能耗水平随接入移动设备数量变化。空调用电量则与气温变化相关。因此，5G基站的用电模式也存在着显著的时间特性和季节性变化。由于AAU 设备能耗受连接移动设备数量影响，且AAU 能耗占比较大，因此可以通过控制5G 基站接入移动设备数量调节基站能耗。

数据中心与5G基站类似，是“数字基建”浪潮中的重要负荷设备，其用电规模呈现日渐上升的态势。针对数据中心能耗迅猛增长的态势，如何控制数据中心的高能耗，降低数据中心碳排放，目前存在2种调节方法。其一为通过降低数据中心设备功率达成调节的目的，可调设备包括数据中心服务器、制冷设备、IT 负载和储能设备等。这一方式对单一数据中心的能耗调节有较好效果，但忽视了目前数据中心集群可以协同调节以降低能耗的潜力，因此出现了第2 种调节方式：多数据中心协作调节方式。这一方式利用计算任务可以被延时的特性，调整服务器用电时间，同时利用现代通信技术将计算任务转移至可再生能源丰富的地区，利用分布式的可再生能源减少从电网获得的电能，进而减小碳排放。

2 基于供用能属性分类的可调资源库

本节依据上一节的分类方法和特性分析，构建了基于供用能属性分类方式下的用户侧可调资源库。

2.1 功能资源分类情况

用户侧供能资源的分类情况见表1，表中标注了各个资源的容量范围。总体来说，供能资源可以分为2类。

表1 用户侧供能资源分类情况Table 1 Classification of user-side resources

（1）弱可调资源，这类资源受限于自然因素或当前技术手段，无法调整其发电效率，所以其调节能力较弱，例如表1 中的光伏发电、风力发电、生物质能发电。

（2）强可调资源，这类资源可以根据负荷侧情况，有效调整期发电效率、发电出力等，具有较强的调节能力，例如表1中的燃料电池发电。

此外，从资源地理位置分布来看，我国能源资源分布极不均衡，总体上是西多东少、北多南少，其中约80%的煤炭资源和70%以上的清洁能源都集中在西部和北部地区。但是，我国西部和北部大型能源基地的电力在本地消纳空间有限，负荷中也位于人口密度高、经济相对发达的东中部地区。因此，需要根据空间特点建设相应的功能资源，例如，西北地区地广人稀，适合风电厂的大量投建，同时由于西北地势较高，光伏资源也十分充足，适合建立大规模集中式的光伏发电厂；而东南部地区由于人口密集，则适合投建家庭屋顶光伏设备。

2.2 用能资源分类情况

用能资源的分类情况见表2，并将各类资源进一步具体细分，描述了不同类型资源的资源特性。

表2 用能资源分类情况Table 2 Classification of energy-supply resources

用能资源除了按照行业性质划分，还可以从其可调特性出发，进行进一步的分类，主要分为可转移负荷、可中断负荷和刚性负荷。可转移负荷指具有一定用电时间灵活性的负荷，可根据电价信息或电网运行调度的需要，灵活安排其用电时段，以达到改善负荷曲线、提高电网运行的经济性等目的，如蓄冷空调、热水器、电动自行车等。可中断负荷是指在电力系统出现紧急情况的时候可以直接切断的负荷。如电网高峰时段急需削减负荷，根据供需双方事先的合同约定，由负荷控制机构向用户发送一个中断负荷的请求信号，用户收到信号后削减或中断响应负荷并获得一个电价折扣或电费补偿的回报。可中断负荷项目主要适用于三级负荷的电力用户，这些负荷对用电可靠性要求不高，突然的断电不会对用户造成影响或损失。大型工业用户和大型商业用户一般利用可中断负荷控制来实现错峰。刚性负荷是指必须在特定的时间段内供电的负荷，如照明、电梯等。

此外，从时间分布来看，各类负荷差异较大。工业负荷全天负荷率都较高；居民住宅负荷在晨间和晚上呈现双峰段，与人们的工作时间和生活习惯相关；商业负荷在午间、晚间出现双峰段，04：00 左右出现负荷低谷，与人们消费和生活习惯相关；行政办公负荷在09：00左右出现全天负荷峰值，17：00负荷显著减小，与该行业的上班时间相关。

值得注意的是，总结供能资源和用能资源时间分布情况可以发现，能源供给和能源需求在时间维度上也存在一次能源的分布规律与负荷需求变化趋势相反的情况。以风能为例，风能资源的季节变化和昼夜交替都与太阳辐射的波动有关。由于太阳辐射具有不同的季节性循环和日内循环，因此风电出力也具有季节循环和日内循环的特性。从风电季节性功率波动特性上看，夏季负荷高峰期，日负荷峰谷差较大，风电出力较小（6—8月）；冬季（12—次年2 月）风电处于大发期，出力较大；从风电的日内功率波动特性上看，负荷的高峰期主要集中在正午和上半夜时段，低谷期位于午夜凌晨；相反，风电在午夜时分位于大发期，正午时段处于低谷期。风电资源分布与负荷需求在时间尺度上呈逆向分布，这种与负荷需求“唱反调”的特性也被称之为“反调峰”特性，“反调峰”特性会拉大等效负荷峰谷差。

2.3 供用能资源分类情况

表3为供用能资源的分类情况，表中标注了各个资源的功率范围并简单描述了资源的特性。

表3 供用能资源分类情况Table 3 Classification of energy supply and consumption resources

将供用能资源进一步分析，可以发现抽水蓄能、压缩空气储能和储热罐3 种供用能资源属于大功率大容量资源，调节能力最强；蓄电池、飞轮储能和超导储能3 种资源调节能力略差，但蓄电池的优势在于其能量密度高，一般同等功率下体积最小；电动汽车、5G基站和数据中心属于最为灵活的一种供用能资源，随着其数量的急剧增加，将成为未来调节电网供需平衡中很有潜力的一种可调资源。