王軍龍，阮力，徐斌

（國網(wǎng)六安供電公司，安徽六安237006）

◆環(huán)球攬萃◆

德國需求側資源利用模式及其對我國的啟示

王軍龍，阮力，徐斌

（國網(wǎng)六安供電公司，安徽六安237006）

電力需求側管理指在政府法規(guī)和政策支持下,采取有效的激勵和引導措施以及適宜的運作方式,通過電網(wǎng)企業(yè)、能源服務企業(yè)、電力用戶等共同協(xié)力,提高終端用電效率和改變用電方式,在滿足同樣用電功能的同時減少電力消耗和電力需求,為達到節(jié)約資源和保護環(huán)境,實現(xiàn)社會效益最優(yōu)、各方受益、成本最低的能源服務所進行的管理活動[1]。德國能源轉型政策的實施使得傳統(tǒng)的發(fā)電結構從化石能源向可再生能源轉變,風力發(fā)電、光伏等可再生能源的功率輸出極易受到天氣變化的影響,增大了電力系統(tǒng)預測和調度的難度,發(fā)電和負荷的雙向不確定性對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了挑戰(zhàn)[2]。隨著德國光伏和風力發(fā)電裝機規(guī)模的不斷增長,負荷和發(fā)電之間的矛盾越來越突出,而能源轉型的目標中,可再生能源發(fā)電的占比是一個影響指標,因此,如何通過合理的調度控制手段,對負荷進行管理成為德國電力系統(tǒng)未來發(fā)展的一個熱點。在德國電力市場2.0的環(huán)境下,對負荷需求側的控制可由不同的角色完成,由于控制目標的差異化,各個角色對需求側資源的利用手段也不盡相同,對于電網(wǎng)公司而言,對需求側資源進行調度的目的可以分為3個方面[3]：①降低系統(tǒng)的高峰負荷,減小電網(wǎng)的基礎設施投資;②進行實時跟蹤負荷變化,減少電網(wǎng)阻塞,維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行;③實現(xiàn)負荷和清潔能源之間的互動,最大限度的消納可再生能源;對于用戶而言,其目標可以較為單一,就是在盡量不影響用電習慣和生活質量的前提下,降低電費的支出[4]。在此背景下,本文首先分析了德國需求側資源的分類情況,然后從輸電運營商、配電運行商和用戶3個方面分析了需求側資源的典型應用,最后結合中國的電改,對中國電力需求側管理資源的開發(fā)利用進行了展望分析。

1 德國需求側資源的分類

德國需求側資源的控制手段分為3類：手動,半自動和全自動。手動調節(jié)多用于日常的家庭電器,用戶可根據(jù)電價信息,對家用電器的工作時間進行相應的調整;半自動調節(jié)是基于不同的電價信息,用過設定標準的用電模式對用電設備進行預先編程;全自動模式則不需要任何的人為干涉,相應用電設備會根據(jù)電價信息自動響應。德國典型的需求側資源的分類如下[3—4]。

(1）儲熱加熱器。由于儲熱的成本較低,且技術相對比較成熟,因此,儲熱加熱器的基本原理就是將電量轉化為熱量并進行存儲,其可以充分利用電價的波動,優(yōu)化儲能的利用方式,把供電和供熱進行結合。目前儲熱加熱器是德國建筑中應用范圍最廣的儲熱設備,隨著各種分布式電源的建設,利用儲熱加熱器也可以吸收新能源的剩余電能,是提高新能源消納的重要手段,在德國建筑中,儲熱熱水器消耗的電能大約為27 TWh。

(2）電熱水器。主要應用于制備熱水,利用電能使冷水升溫用來淋浴、洗手、洗碗等。通過需求側響應可以使得負荷曲線更加均勻化。如果電熱水器中內(nèi)置一個熱儲能設備,則可以在負荷較低的時候提高負荷用電給水加熱,并把其儲存起來,即起到了“填谷”的效果。沒有內(nèi)置儲能設備的電熱水器也可以通過錯開使用高峰來達到均勻負荷的作用。

(3）水暖供暖的循環(huán)泵。水暖供暖系統(tǒng)的熱量主要由燃燒油氣來獲得,在循環(huán)泵中可以實現(xiàn)需求側響應的電能則被稱為輔助能源,其用來驅動泵的運行,管路中的熱水則有泵驅動,并且分配到建筑的不同區(qū)域。在德國,循環(huán)泵每年的耗電量約為15 TWh,占據(jù)德國總電耗的3.5%,相當于德國鐵路和城市有軌電車耗電量的總和。

(4）空氣調節(jié)系統(tǒng)。盡管在空氣調節(jié)系統(tǒng)中不存在儲能設備,但是一個需要進行空氣處理的房間或者一棟樓卻可以當作一個儲電設備來分析,空氣則是儲能設備的媒介,空氣質量可以看作是電池充放電狀態(tài)的指示器。當室內(nèi)空氣良好的時候,可以認為電池處于充滿狀態(tài),此時,人們可以關閉空調系統(tǒng)或者讓其處于低功率運行狀態(tài),直到室內(nèi)空氣狀態(tài)處于允許的臨界值以下,該過程可以被認為是電池的放電過程,當空氣狀態(tài)達到臨界值時,電池處于放空狀態(tài),此時則需要開啟空調設備,對“電池”進行“充電”,來提高室內(nèi)空氣質量。

(5）家電設備。家電設備的需求側響應不通過使用儲能設備來影響負荷曲線,而是基于用戶側的個體行為,通過改變其使用電器設備的方式使得削峰填谷或者其他目的得以實現(xiàn)。德國典型家電設備主要有洗衣機、烘干機、洗碗機、冰箱、烤箱等,這些電器的功率都比較小,即使把所有電器聚合起來,因為這些電器設備的使用的同時性不高,平均每用戶可調的潛力很小。德國典型家用電器的調節(jié)能力如圖1所示。

圖1 德國典型家用電器的功率調節(jié)能力

(6）熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。由于儲熱的價格優(yōu)勢,將熱電聯(lián)產(chǎn)設備與儲熱設備耦合可以有效的平衡新能源發(fā)電帶來的功率波動。熱電聯(lián)產(chǎn)裝置既可以作為電源,又可以作為負荷進行控制,是德國電力市場中最重要的需求側資源。與歐洲其他國家相比,德國熱電聯(lián)產(chǎn)設備發(fā)電比例仍然比較低,但其潛力相當巨大,德國已經(jīng)安裝的發(fā)電設備,根據(jù)不同的季節(jié)能夠提供最高14 GW的余熱發(fā)電功率。此外,德國將分布式電源和可控負荷進行整合,提出的“虛擬電廠”,已成為當前保持電網(wǎng)平衡的重要手段。

2 德國需求側資源的典型應用

2.1 德國需求側資源應用場景

在不同的市場架構條件下,需求側資源的利用領域也具有較大的差異,在能源轉型和電力市場2.0政策的引導下,當前德國需求側資源的典型應用在3個方面[5]。

(1）對于輸電網(wǎng)運營商而言,需求側資源可以通過電力輔助市場,給輸電網(wǎng)運營商提供調頻服務,也可以通過簽訂協(xié)商的需求側響應合同,參與系統(tǒng)運行商的阻塞管理,當電力供應不足時,執(zhí)行簽訂的需求側響應合同。德國電力市場中需求側資源的競價平臺的內(nèi)容簡要如圖2所示。

圖2 競價平臺上需求側資源的內(nèi)容分析

通過對圖2的分析可以得出,需求側資源作為一個整體,可以參與到調頻市場中,德國對需求側資源參與調頻市場和可切斷負荷市場的競價提出和明確的規(guī)定。對于可關斷負荷市場,德國四大輸電網(wǎng)運營商每月招標3 000 MW(即時可關斷1 500 MW+快速可中斷1 500 MW）,給所有大負荷企業(yè)平等競標機會,具體的競標要求和在時間尺度下的關斷要求分別如表1和圖3所示。

表1 需求側資源在可關斷負荷市場的競標要求

圖3 可關斷負荷在不同時間尺度下的響應要求

(2）對于配電網(wǎng)運營商而言,鑒于需求側資源的不確定性,會影響電網(wǎng)的潮流分布,這不僅體現(xiàn)在需求側資源所在的電壓等級,對上一層級的電網(wǎng)也會產(chǎn)生影響,因此通過需求側資源的合理利用,減少配電運營商的投資成本。然而需要引入一個合理的管理系統(tǒng),實現(xiàn)市場導向的需求側資源和電網(wǎng)導向的需求側資源進行有序協(xié)調管理,基于用戶和配電網(wǎng)運營商簽定的雙邊合同,用戶可以通過調節(jié)需求側資源減少支付的配電網(wǎng)過網(wǎng)費。

(3）對于工商業(yè)用戶而言,負荷需求側資源的傳統(tǒng)利用體現(xiàn)在削峰方面,通過在用電高峰時段,切除部分負荷,進而獲得相應的補償。不同企業(yè)的用電特性不同,只有采取合理的切負荷策略,才能獲得最有的經(jīng)濟效益。此外,目前工商業(yè)用戶的需求側資源在數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、參與市場調節(jié)等方面也取得了一定的應用,取得了較好效果,一些大型的工業(yè)企業(yè)(獨自擁有平衡結算單元）通過有效的需求側資源平衡結算管理,減少購電成本。德國需求側資源在配電網(wǎng)運營商及用戶系統(tǒng)的功能如圖4所示。

圖4 需求側資源在用戶和配電網(wǎng)運營商之間的內(nèi)在聯(lián)系

2.2 德國需求側資源潛力分析

德國已經(jīng)開啟了不少項目對德國需求側資源潛力進行了研究,一般而言,需求側資源的潛力分為4個層次[5]。

(1）理論潛力：不考慮實現(xiàn)需求側響應的約束條件,通過理論分析計算得出來的響應能力。

(2）技術潛力：考慮當前技術限制的角度來計算需求側響應的時間和能力,不涉及經(jīng)濟性和電網(wǎng)穩(wěn)定性等約束條件。

(3）經(jīng)濟潛力：以經(jīng)濟性作為需求側資源利用的目標函數(shù),當通過需求側響應獲利超過實際投資時,可以認為是有潛力的。

(4）實際潛力：在實際操作過程當中,因為管理上的缺陷,信息的缺失等各種原因,即使需求側響應經(jīng)濟可行,但不一定會在企業(yè)當中進行實施。

3 對我國需求側資源利用的啟示

當前,我國的需求側管理工作已經(jīng)取得了較大的成就,建立了國家電力需求側管理平臺,選擇北京、蘇州、佛山和唐山4個地區(qū)作為試點城市,并結合地區(qū)電力供給和用電特征的情況,進行相應的需求側管理的工作。然而,我國電力需求側資源的利用只是集中在削峰階段,即通過負荷關斷,降低高峰時段的用電負荷,保持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[6—7]。借鑒德國需求側資源的開發(fā)和利用情況,對我國需求側資源利用的啟示總結如下。

(1）需求側資源的開發(fā)應該和國家政策緊密結合。德國的需求側資源開發(fā)也是一個循序漸進的過程,伴隨著能源轉型和電力市場改革的不斷推進,我國正處于電力體制改革的深化階段,應將需求側資源的利用作為電力體制改革的重要內(nèi)容,進行集中式推進。

(2）需求側資源需要和電力市場建設緊密結合。電力回歸商品屬性是本次電力市場改革的核心,當前我國的電力市場建設與管理遠遠落后于我國電網(wǎng)設備水平、運行水平以及管理水平,只有構建成熟的電力市場體系,才能將需求側資源的優(yōu)勢發(fā)揮到最大。

(3）需求側資源需要和清潔能源發(fā)電緊密結合。需求側資源的可控性和清潔能源發(fā)電的不可控性具有良好的耦合關系,在多時間尺度下,清潔能源之間的多能互補和需求側資源之間的友好互動,實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷之間的多層次調度和控制,提高清潔能源的消納能力[8]。

(4）需求側資源需要和新技術以及新裝備的應用相結合。大數(shù)據(jù)分析技術,云計算技術、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術、信息通信平臺建設、競價平臺建設和智能電能表以及智能傳感量測裝置的廣泛應用,顯著提高綜合能源使用效率,實現(xiàn)用戶和電網(wǎng)之間的友好互動[8]。

基于德國在需求側資源利用方面的經(jīng)驗,提出的我國開發(fā)需求側資源的路徑圖如圖5所示[8—9]。

圖5 我國需求側資源資源利用路徑示意圖

4 結束語

本文在介紹德國需求側資源種類和實際應用的基礎上,結合我國電力體制改革和能源轉型的時代背景,總結歸納了德國需求側資源利用模式對我國的啟示。事實上,需求側資源的活力與電力市場的結構特征緊密相關,因此我國應將包含清潔能源和可調控負荷當作廣義的虛擬需求側資源,通過引入輔助服務市場,提高清潔能源的消納能力和電網(wǎng)的可調控能力,保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。D

[1]曾鳴.電力需求側管理[M].北京：中國電力出版社,2001.

[2]張秀容.德國能源效率政策措施[J].電力需求側管理,2014(3）:62-64.

[3]陳政,王麗華,曾鳴,等.國內(nèi)外售電側改革背景下的電力需求側管理[J].電力需求側管理,2016(3）:62-64.

[4]孫建龍,諸曉俊,歸三榮,等.主動配電網(wǎng)DSM技術在德國的發(fā)展[J].電力需求側管理, 2015(1）:59-61.

[5]王健,宋述停,蘭俊美,等.電力需求側大數(shù)據(jù)應用模型的建立[J].電力與能源,2014(3）：283-286.

[6]黃惠.電力市場環(huán)境下用電大戶的電力需求側管理探討[D].廣州：華南理工大學,2013.

[7]劉俊,羅凡,劉人鏡,等.大數(shù)據(jù)背景下電力需求側管理的應用策略研究[J].電力需求側管理,2016(2）:5-10.

[8]周伏秋,王娟.我國電力需求側管理工作面臨的形勢及建議[J].電力需求側管理,2015(3）:1-4.

（本欄責任編輯 孫晶）

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

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

在德國能源轉型和電力市場2.0的背景下,需求側響應作為電力系統(tǒng)中的可控資源,能夠有效降低峰值負荷、平滑負荷曲線,提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和靈活性。首先介紹德國電力系統(tǒng)中典型的需求側響應設備,分析德國需求側資源的典型應用場景,最后結合我國電力體制改革的背景,總結歸納了德國電力體制改革的經(jīng)驗對我國的啟示,并進一步提出了我國需求側資源利用的路徑。

需求側資源;可中斷負載;競價平臺,應用場景

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