新能源电力系统源荷互动关键问题的研究

苗雪冬

【摘 要】可再生能源开发利用规模的增加及其在电源结构中占比的日益上升，使得电力系统的形态结构以及运行控制方式发生了根本性变化，逐步形成了新能源电力系统。如何安全高效地消纳间歇性可再生能源已成为新能源电力系统面临的重大现实问题，当前国内外研究成果主要集中在供给侧电源的优化设计、电网侧的优化调度策略以及需求侧的响应机制及规划管理等方面。涉及电力系统运行稳定性和经济性、源荷资源联合规划等方面的研究还处于初级阶段。因此，建立新能源电力系统能量平衡、经济性以及源荷联合规划模型，对国家推进供给侧结构性改革，制定阶段性节能减排目标，可再生能源电源建设标准以及电价补贴等相关政策提供理论依据具有十分重要的意义。

【关键词】新能源；电力系统；源荷互动

1引言

随着工业革命以来数百年的大规模开发利用，传统的化石能源正面临资源枯竭、污染排放严重等现实问题，同时带来环境污染、气候变化等问题也严重影响着人类可持续发展。建立在化石能源基础上的能源生产和消费方式鱼待转变。同时，世界以风能、太阳能为代表的可再生能源发电总体处于加快发展阶段，但在技术创新、设备研制、工程应用及系统安全性、经济性上仍然面临较大的挑战。

2源荷互动经济效益研究现状

源荷互动的目标之一是提高新能源电力系统对可再生能源的利用率，实现源荷协同增效。在智能电网框架下，DR负荷作为“虚拟发电资源”与电源联合参与调度计划，负荷响应的快速性与多样性不仅极大地丰富了新能源电力系统运行调节控制手段，还在提升可再生能源消纳经济性和电力资产利用效率等方面发挥重要作用。目前有关源荷互动经济性方面的研究主要集中在源荷一体化调度策略和需求响应效益评价两个方面。

现有的研究主要涉及互动模式下发用电资源的日前及实时调度或广义机组组合等问题。常用的目标包括系统综合运行成本最低、可再生能源最大化消纳以及网损最小等。由于调度过程中受控目标众多，因此源荷协调调度通常为分层模型，并根据不同层次决策变量的不同采用不用的算法求解。一些文献引入多智能体技术，建立需求响应多代理结构进行分布式分散决策，提高决策效率和区域内部资源的协调。源荷协调优化调度通常要建立在分析电源出力和负荷需求分布规律的基础上进行，在可再生能源消纳和系统整体运行成本之间做出平衡，才能达到源荷互动协调增效的目的。

实施DR能够为电力系统的各个环节带来可观的效益：对于政府和全社会而言，源荷互动可以促进可再生能源并网消纳，推动电能低碳化，提高环境效益；对于用户来说，参与需求响应能够减少用电成本，甚至获得额外的收益；对于常规发电厂，能够降低机组调节成本和废气排放；对于电网公司，能够降低可再生能源大规模接入对电力系统的不利影响。评估需求响应资源的综合价值有利于掌握需求响应项目的实施效果，以及各参与者的成本及收益。目前对于新能源申力系统DR效益的分析主要集中在DR对整个电力系统带来的经济效益评估，以及根据各参与方的成本与效益对收益进行合理分配等方面。研究表明源荷互动有利于提升外部效益，而外部效益内部化又有利于提升综合结果。各参与方的成本及收益也是源荷互动重要研究内容，只有通过构建了各参与方的成本效益模型，合理的分配通过合作获得的利润，才有利于提高各方参与可再生能源消纳的积极性，维护电力市场的公平与稳定。

3源荷互动消纳途径研究

电动汽车消纳途径主要是利用电动汽车的储能电池在闲置时通过充电基础设施直接接入电网，既可以在一段时间内作为电力系统的负荷充电，也可以在另外一些时间作为储能设备向电网反向放电。电动汽车的蓄电池配置在用电侧，能够有效的平抑可再生能源和负荷出力的波动，减少其随机波动对电网调度的影响。当前研究成果主要集中在电动汽车充电设施与可再生能源的集成模式、电动汽车与可再生能源的协同调度、电动汽车换电站的容量配置等方面。电动汽车的发展将使得换电站需求的增加，组件的容量变化趋势、大规模充电功率对电力系统的影响都将对城市基础设施建设带来更高的挑战。

大用户参与可再生能源消纳是指电力用户与发电企业直接交易，通过经济措施激励电力大用户调整生产班制及用电需求，积极参与可再生能源消纳。大用户直购电交易通常是基于电力市场的双边交易模式，交易的关键因素包括各时段的合约电量、合约电价以及能源波动时所需电网提供的辅助服务。市场环境下，大用户直购电的类型不一定是可再生能源，因此，有一些文献在可再生能源配额制的基础上，提出的绿色证书交易机制，要求大用户消费一定的绿色电能。由于常规发电机组调节能力有限，作为电力市场改革进程中开放售电侧竞争的重要环节，不同场景下大用户直购电对电网调度运行稳定性和经济性的影响也需决策者权衡。市场中参与可再生能源消纳的交易申报、交易出清、交易结算及市场组织也需要制定合理的规则，才能维护市场的公平与稳定。

价格型需求响应消纳策略是指通过价格信号（如分时电价、实时电价）引导用户合理调节和改善用电结构和用电方式。目前在我国应用较多的是分时电价和阶梯电价，实时电价是下一步的研究热点。由于是价格驱动型，因此经济性是电价类需求响应必须考虑的因素，调度成本与电价和电量互动响应量有关，通常是采用负荷的价格弹性系数这一概念来表示。可中断负荷常被视为一种虚拟的备用发电资源，为系统提供备用支持，可中断负荷能够根据系统的调度指令，减少负荷需求量。当风电出力迅速下降时，切除可中断负荷能够有效缓解系统的调频压力，变相增加系统旋转备用容量。可中断负荷可以作为一种备用支持配合传统备用使用，主要满足风电并网后系统增加的备用需求。目前研究重点是可中断负荷再系统增加备用中的最佳比例以及可中断負荷参与系统运行的成本、中断量、时长、次数及提前通知时间等。

4源荷互动消纳策略研究

清洁和互动是智能电网两大主要特征。源荷互动是智能电网发展背景下诞生的，为了最大化利用清洁能源，调整优化能源结构，构建安全、经济、清洁的现代能源产业体系。源荷互动并不是凭空出现的概念，而是以往调度思想的继承和发展。在早期电网调度过程中，当供需平衡不能被满足时，通常采取拉闸限电或者切负荷的控制措施，实际上就是源荷互动的雏形。在这种调度模式中，用户并非主动参与，而是被动接受；后来随着可中断负荷、直接负荷控制等措施的发展，用户能够得到较为科学的经济补偿，源荷互动的意义也有所增强；智能电网的建设使得需求侧出现了海量可控负荷和分布式发电设备，传统电力系统“发输配售用”的功能界限逐渐趋于模糊，一定程度上也提高了用户主动参与电网调度的意愿，同时也将基于需求响应的源荷互动理论推到了前所未有的高度。

结束语

综上所述，大力发展清洁能源，实施能源结构从化石能源为主向清洁能源为主的转变，是我国可持续发展的必由之路。可以预见，未来源荷联合调度过程中控制单元的数量将呈几何倍数增长，随着分布式电源、智能电表等设备的接入，实时电价的广泛应用将使得调度决策的时间更为短暂。若要满足在线实时控制的需要，寻求分布式、高效、快速的建模和寻优算法将是下一步研究工作的重点和难点。

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