柔性负荷参与系统调峰应用研究

论文总字数：34844字

摘 要

随着电力高峰负荷的持续增长，仅单纯依靠传统优化中发电侧对系统的调节已不能够满足电力系统对调节能力的要求。柔性负荷因其具有可控性和对系统有较为明显的优化调节作用，因此在成为了系统需求侧优化调节的重要手段。

本文从柔性负荷的特性和调峰潜力的角度，将发电成本最小作为系统调节的最优目标，对于基于价格响应的柔性负荷和基于激励的柔性负荷对于系统的调节能力、适用场景及优缺点进行了具体分析，着重对于基于不同价格政策的柔性负荷响应进行对比建模。

在基于价格长期调节的基础上提出将尖峰电价与可中断负荷相结合的措施，在资金流动上形成互补，支持基于尖峰电价和可中断负荷政策相结合的机制长期运行，应用于应对系统中短期及短期的负荷高峰和系统故障，保证系统运行的安全性和经济性。

关键词：柔性负荷；系统调峰；基于价格；基于激励

Abstract：

With the continuous growth of peak-load, relying on traditional optimization way is not able to meet the requirements of power system for the regulating ability. For its controllability and obvious adjustment function, flexible load becomes an important means for demand side optimization adjustment system. In this paper, from the Angle of the flexible load characteristics and potential，set the minimum cost as the optimal target, analyse flexible load that on account of demand respond based on price and incentive system in regulating capacity, adapter and relative merits, especially modeling for flexible load based on different pricing policy. Built on long-term price adjustment, combining CPP with IL forms complementary in cash flow to support the long-term running of mechanism, so as to deal with the medium and short term peak-load or unexpected short-term system failure, ensuring the economy and safety of power system. Finally, this paper summarizes and analyzes the current flexible load in the shortage of the system optimization and the future development direction.

目录

柔性负荷参与系统调峰应用的研究 1

摘要： 1

Abstract： 1

第一章 绪论 3

1.1背景介绍 3

1.2现有研究现状 4

1.3本文文章结构安排 4

第二章 柔性负荷简介 5

2.1 柔性负荷的定义和特点 5

2.2 柔性负荷的分类 5

2.3 柔性负荷调峰的潜力 6

2.4 本章总结 7

第三章 基于价格需求响应的柔性负荷参与系统调峰 8

3.1 基于价格响应的需求响应 8

3.2 场景一模型（无价格优化）和算例 9

3.3 场景二模型（分时电价优化）和算例 17

3.4 场景三模型（小时电价优化）和算例 35

3.5 三个场景算例对比 43

3.6 本章总结 45

第四章 尖峰电价和可中断负荷政策相结合的柔性负荷参与系统调峰方式 45

4.1 尖峰电价和可中断负荷特点 46

4.2 模型 46

4.3 可以达到的优化效果 49

4.4 本章总结 49

第五章 总结 49

5.1 现有研究方法的不足和改进方向 49

5.2 总结 50

第一章 绪论

1.1背景介绍

传统电力系统优化通常仅存在与发电侧，通过发电机组各个发电机发电量的改变，合理安排电源运行模式以达到发电成本最小的优化目标，通常不考虑或较少考虑需求侧的调节作用。随着电力市场化改革的深入，电力市场的发展的愈加完善，需求侧竞价等一系列理念的引入，需求侧资源在电力市场中的竞争能力越来越得到重视。在进行系统优化调节时，引入需求响应（DR——demand response），通过需求响应中的价格响应和激励响应策略等强化需求侧在市场中的作用。

由于需求侧用户用电具有一定的规律性和不平衡性，系统的负荷曲线会呈现为一定规律的具有高峰和低谷的曲线。在用户习惯性的用电高峰期，例如夏季的上午8~10点和下午14~17点，负荷曲线中的最大高峰值可能远高于长期负荷曲线的平均值。发电侧的装机容量必须能够满足全年负荷最高点负荷的需求，若仅通过发电侧调节的手段，通常的传统电力系统运行方式的优化模型有经典的经济调度（CEO）、最优潮流法（OPF）和网流法（NFA），则大部分时间机组大部分容量都闲置，造成资源的浪费，系统发电侧的利用效率低下。

电力系统需求响应可以定义为：电力市场中的需求用户根据市场中市场价格信号或者激励机制做出响应，并改变了正常的电力消费模式的市场参与行为。可根据用户的不同相应方式将电力市场下的需求响应划分为基于价格的需求响应和基于激励的需求响应。其中，基于价格的需求响应指的是用户响应零售电价的变化并且相应地调整用电量需求，价格改变的形式包括分时电价（TOU）、实时电价（RTP）和尖峰电价（CPP）。基于激励的需求响应是指需求响应实施机构通过制定确定性的或者随着时间改变的政策，用来激励用户在电价较高时或者在系统可靠性受到影响时及时响应并且削减负荷，基于激励的需求响应措施包括直接负荷控制（DLC）、可中断负荷（IL）、需求侧竞价（DSB）、紧急需求响应（EDR）和容量/辅助服务计划（CASP）。

若系统需求侧通过需求响应，电力市场中的需求侧用户针对市场给出的价格信号或激励机制做出需求响应，改变正常电力消费模式参与市场的行为，利用柔性负荷参与系统调度优化，可以使得负荷侧主动参与进电网控制运行，可以将部分峰时的负荷转移到谷时或者减少部分高峰时期的负荷使用，使得系统运行在一个更为平稳的状态，发电侧的效率得到提高。

图1.1 DR在电力系统规划运行中的作用

1.2现有研究现状

电力需求侧参与系统调度优化已经成为保证电力供需平衡、促进电力系统可持续发展的一项不可或缺的重要举措。随着我国目前对于需求侧调度研究的重视，我国各级电网企业营销信息系统建设发展迅速，积累了大量的用户用电信息数据，其中包含了丰富的负荷波动规律信息。可以将此类信息的分析应用于电力系统负荷预测之中。目前电力需求侧相关研究中亟待解决的问题是如何正确认识需求侧的作用，准确地描述用户用电行为规律和负荷变化，以及需求侧的分析中各个群体用户的特性和对于不同群体具体的分析方法的研究。

由于我国还处于需求侧柔性负荷参与系统优化的摸索阶段，系统优化主要还是通过优化发电机侧资源配置来实现。通过负荷侧调节的手段比较单一，主要是通过固定时段制定峰谷电价来引导用户改变固有用电习惯和大型工业用户的可中断负荷控制，减少系统高峰时期的负荷，缓解部分系统容量压力。由于技术及实施条件的限制，对于通过价格对需求侧实时调控双向互动的实施条件还不够成熟。由于机制的不完善和配套设施的不齐全，目前直接负荷控制及储能负荷和电网的充放电互动应用较少。综上，我国的需求侧负荷参与系统调度还有很大的进步空间，柔性负荷参与系统调峰还有很大的潜力。

1.3本文文章结构安排

针对柔性负荷参与系统调峰应用研究，对于柔性负荷调峰潜力评估问题，文章分为五章，各章安排如下：

第一章介绍了课题的研究背景，主要是电力系统现有优化方式和国内外现有研究状况的总结，分析了需求侧响应加入了系统优化的优缺点。

第二章介绍了柔性负荷的基本概念和特性，对于柔性负荷从不同角度的分类。介绍了柔性负荷参与需求响应的潜力评估分析的主要方法和不足。

第三章对于基于价格需求响应的柔性负荷参与系统调峰进行了研究。分别给出了无价格改变、分时电价优化和小时电价优化三个场景下的柔性负荷参与系统调峰的模型和算例，并且将三个模型的算例进行对比分析。

第四章对于特殊时段制定的新的调峰政策，通过尖峰电价和可中断负荷政策相结合，激励柔性负荷参与系统调峰。本章分析阐述了尖峰电价和可中断负荷的特点和适用场合，阐述了尖峰电价和可中断负荷政策运作的流程和优化预期所得的结果。以及在不同的突发情况下和不同时间周期的机制设计。

第五章为对于全文的总结，分析了本文提出的方法的不足和可以改进之处，并给出了关于未来研究的一些展望。

第二章 柔性负荷简介

在需求侧参与系统优化调度的资源中目前利用最为广泛的是柔性负荷，柔性负荷参与系统调度优化的效果最为直接显著，具体表现为在时间上可实现削峰填谷促进系统的平稳运行，在空间上可以减少网络阻塞提高系统运行的安全水平。

2.1 柔性负荷的定义和特点

柔性负荷的特点主要表现为具有双向性、不确定性和可控性。一般将能够更改用电时段或者缩短用电时间或者负荷大小，配合电力系统的需求响应策略，从而可达到系统优化目的的负荷，定义为柔性负荷。可理解柔性负荷的“内涵”指用户的用电量可以在指定的区间内变化或者在不同的时间段内转移的负荷或者具备双向调节能力的电动汽车、储能、蓄能以及分布式电源和微网等。

在智能电网的负荷柔性分析中，负荷的柔性不是仅体现在随着电价的变化而变化的，而是应该包括一切可实行的负荷管理手段。在分析智能电网的柔性时，不应该把负荷作为既定参数参与系统运行，而将负荷认定是为具有弹性的可调参数，其柔性化程度也就代表了负荷的柔性，负荷的柔性也可以理解为负荷的弹性，负荷管理则作为电网需求侧管理的一项重要组成部分。负荷的柔性，一方面体现在通过一定的激励机制，引导电力系统负荷削峰填谷，例如工业生产用电和居民生活用电等；另一方面，负荷的柔性体现在对可控负荷的灵活调度上，如储能设备的运行和电动汽车的充放电管理等。

2.2 柔性负荷的分类

柔性负荷可从多种不同的角度分类，不同的分类方式凸显柔性负荷不同属性的特征，在各个场合适用的柔性负荷的分类方式不相同。在进行柔性负荷参与系统调峰的应用研究中，可从柔性负荷的柔性角度、柔性负荷的响应特征等角度进行分类。

若将柔性负荷从负荷柔性的角度分析，可将分为三类：

首先假设场景为基于价格需求响应下的柔性负荷参与系统调峰情景，柔性负荷根据价格的变动而发生响应。

第一类可称为刚性负荷，即其电力的使用时间与数量与电价无关，或者改变幅度微小基本可以忽略不计。

第二类为对电价敏感的可转移负荷，当电价发生改变时，此类负荷出于对于电价的考虑，可以将用电行为从电价较高的时段转移到电价较低的时段，但是该用电行为仍会发生，用电量保持不变。即第二类负荷对电价敏感，但在一定的用电周期内用电总量保持固定。

第三类为对于电价敏感的可削减负荷，此类负荷的用电行为具备较大的灵活性，当电价过高（大于临界心理价格）时即减少直至取消用电行为，用电行为也不转移至其他时段。

综合考虑不同类型的负荷对于电价不同敏感特性的T周期内柔性负荷，可将柔性负荷按照负荷柔性分类建立负荷模型如下式：

s.t.

式中：T表示用电周期；表示t时段的实时电价；，表示用户对电价敏感的临界价格，表示第三类负荷中的最低保障需求，即刚性部分。

对于价格敏感的可削减负荷，当电价低于时，用电行为不受电价影响或者受电价的影响可忽略不计；当电价高于时，仅使用可以维持正常生产和生活的最低保障性能电能，即负荷的刚性部分；而当电能处于和之间时，用户的用电行为是电价的函数，根据电价的变化进行削减。

本文根据建模需要，从柔性负荷的自主响应特性的角度，将柔性负荷分为可转移负荷和可削减负荷两类。

第一类为可转移负荷，其用电特性具有机动性，各时段用电量可在一定的范围内进行灵活调节，但其总用电量不改变。根据可转移负荷的特性可将可转移负荷表示为：

式中：为t时段可转移负荷的响应量；为t时段的基荷；为t时段与其他时段电价差向量；为t时段相对其他时段的互弹性向量；为转移速率；T为调度周期。

第二类为可削减负荷，削减负荷的价格和负荷削减量之间存在一定的函数关系，用户可以根据价格的调整对用电量进行一定的削减，负荷的削减量满足函数关系式。根据可削减负荷的特性可将可削减负荷表示为：

式中：为t时段可削减负荷的响应量；为t时段电价的变化量；为t时段负荷的自弹性系数；为削减速率。

2.3 柔性负荷调峰的潜力

对于不同的用户类型，负荷的柔性程度不相同，负荷参与系统调峰的调度模式不同，所具备的调峰潜力也不相同。一般来说，柔性负荷参与系统调度通常有基于电价模式、基于合同约定模式、需求侧竞争模式、有序用电模式和参与备用计划模式等不同的形式。

对于柔性负荷参与系统调峰潜力的评估，目前根据历史数据有可对于大型工商业用户参与需求响应进行潜力评估，主要的步骤包括确定研究的对象和需求响应的类型、基于用户用电特性的用户群聚类分析、价格弹性矩阵的计算、分类需求响应项目参与度的辨识度和需求响应潜力评估等，重点是建立适用于各个细分类型的用户的价格弹性计算方法。

图2.1 柔性负荷潜力分析流程

表2.1 各地特定研究对象削峰潜力评估

就目前而言，通过柔性负荷基于需求侧对电力系统调峰应用还存在以下不足：柔性负荷的可调度潜力受外界环境变化因素、电力系统运行状况、用户在响应前后的用电状态和相关用户状态及不同类型用户的用电消费心理等因素影响较大。并且针特定针对某类负荷在某一具体运行状态的响应潜力评估的研究还比较少见，现有研究大多是从挖掘电网柔性负荷的削峰潜力的角度研究柔性负荷的向下调节能力，对于向上调节能力的研究比较缺乏。

2.4 本章小结

需求侧柔性负荷参与系统调度优化，具有降低能源损耗、提高发电机侧发电效率、帮助增加新能源发电接入电网发电量的优势，可达到提高电力系统运行水平，提高系统运行效率进而降低系统运行成本的目的。通过引导用户调整用电方式使得柔性负荷主动错开用电高峰时期，减少系统强行切断负荷的情况的发生，减少系统的负荷损失。

由此可看出，柔性负荷对于系统调峰能够发挥举足轻重的作用。若要进一步实现柔性负荷参与系统的调节还面临许多挑战：柔性负荷自主相应的不确定性行为需要进行研究得到合适的建模方法；从柔性负荷特性的各个角度分析描述柔性负荷，将柔性负荷根据不同的响应特性、调节潜力、适用场合等进行分类研究，在不同场合使用最合适的分类研究方式进行优化计算。

第三章 基于价格需求响应的柔性负荷参与系统调峰

3.1 基于价格响应的需求响应

基于价格响应的需求响应较为方便电力系统集中调控管理，且对于电力系统调峰的影响结果显著，易于反映。可以通过基于价格的需求响应政策可以引导用户调整和改善用电结构和用电方式，对系统的负荷曲线形状进行合理调整。

需要注意的是由于柔性负荷分散在各个用户中，以分布式的形式存在，各个用户的用电状况具有随机性，所以用户的自主响应行为有较大的不确定性。而且，用户的用电状况和价格变动情况是双向影响关系，增加了需求响应的不确定性。此外，价格降低可能会导致大量用户同时改变用电行为，将用电行为从价格较高时段转移至价格较低时段，从而引起新的用电高峰。

将发电成本最小作为系统优化的最优目标，在此目标基础上评估柔性负荷参与系统调峰的能力的大小。

为了简化建模，首先假设电力系统发电侧仅有火力发电机，不存在其他能源发电形式接入发电侧，系统经济调度的目标函数由燃料成本和开机成本两部分组成。

目标函数：

约束条件：

约束条件按其作用范围可划分为系统约束条件和机组约束条件两类。系统约束条件包括系统功率约束平衡、备用容量约束等。机组约束包括机组出力约束、爬坡速率约束、最小开停机时间约束等。

系统约束条件：

功率平衡约束：

备用容量约束：

其中：和分别为t时刻系统的上备用和下备用的需求容量。

机组约束条件：

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