毛曉波 顧麗玲 鄭旭

摘 要：為建立考慮碳排放最優(yōu)的小區(qū)廣義負(fù)荷分析模型，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷節(jié)能減排，對居民常用家用電器的負(fù)荷可調(diào)節(jié)潛力進(jìn)行了分析建模。研究了電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能系統(tǒng)有序充放電的響應(yīng)模型，充分考慮用戶的調(diào)節(jié)意愿，對電動(dòng)汽車及儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行量化。在此基礎(chǔ)上，對居民小區(qū)需求側(cè)響應(yīng)進(jìn)行分析，提出相應(yīng)指標(biāo)以量化居民側(cè)需求響應(yīng)策略的優(yōu)劣，為需求側(cè)響應(yīng)策略設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：居民用電；廣義負(fù)荷；電動(dòng)汽車；需求側(cè)響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TM73? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）10-0020-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.006

0? ? 引言

2020年9月，中國在聯(lián)合國大會(huì)上提出了“雙碳”目標(biāo)：二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。作為“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵落腳點(diǎn)，用戶側(cè)節(jié)能減排、清潔消納成為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要抓手之一。深度挖掘用戶側(cè)用能特性，評估用戶側(cè)低碳化潛力，協(xié)同多元資源形成負(fù)荷協(xié)同互動(dòng)低碳創(chuàng)新模式，成為“雙碳”目標(biāo)下能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵[1]。

在國家“雙碳”戰(zhàn)略路徑的指導(dǎo)下，居民小區(qū)將成為“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的生力軍，分布替代、電動(dòng)汽車的推廣將不斷改變小區(qū)能源消費(fèi)模式，探索居民小區(qū)的低碳化潛力日趨重要。為建立考慮光伏、電能碳排放最優(yōu)的小區(qū)廣義負(fù)荷分析模型，本文將對居民用電負(fù)荷與需求側(cè)響應(yīng)進(jìn)行研究。

1? ? 居民電器負(fù)荷特性

1.1? ? 家庭典型用電負(fù)荷

對居民負(fù)荷根據(jù)可調(diào)潛力和特性進(jìn)行分類和分析，為居民家庭靈活性資源的策略優(yōu)化研究做鋪墊，對提高用電側(cè)的靈活性具有重要意義。

圖1展示了普通家庭中常見的用電負(fù)荷，包括空調(diào)、熱水器等溫控設(shè)備，電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等娛樂設(shè)備，以及照明和冰箱等生活必需電氣設(shè)備[2]。

1.2? ? 家用電器的可調(diào)特性研究

首先，按照設(shè)備可調(diào)整用電時(shí)間還是用電功率，可將空調(diào)、熱水器、洗烘一體機(jī)、洗碗機(jī)、電動(dòng)自行車、電熱油汀等六種電器分為三類：一是功率可調(diào)節(jié)型電器，指使用溫度可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，因此輸出功率可變的電器，例如變頻空調(diào)；二是時(shí)間可轉(zhuǎn)移型電器，指使用時(shí)間或充電時(shí)間不完全受生活習(xí)慣限制、可靈活調(diào)整的電器，例如定頻空調(diào)、電熱水器、洗烘一體機(jī)、洗碗機(jī)、電動(dòng)自行車等；三是功率可調(diào)且時(shí)間可轉(zhuǎn)移型電器，例如變頻空調(diào)、電熱水器、電熱油汀等。

1）變頻空調(diào)功率的可調(diào)潛力。

變頻空調(diào)是功率可調(diào)且時(shí)間可轉(zhuǎn)移型電器。在房間面積、保溫性能等條件一定的情況下，變頻空調(diào)的運(yùn)行功率大小基本取決于室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度之差。只考慮空調(diào)的設(shè)定溫度變化對空調(diào)功率影響時(shí)，空調(diào)負(fù)荷調(diào)節(jié)模型可簡化如下：

ΔP=fkΔT? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：ΔP為空調(diào)功率變化值；fk為考慮建筑物采暖面積、平均層高等因素的基礎(chǔ)參數(shù)；ΔT為室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度之差。

考慮到變頻空調(diào)頻繁啟停反而耗電，空調(diào)負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)間不宜過短，建議將轉(zhuǎn)移時(shí)間，即變頻空調(diào)停止運(yùn)行的時(shí)間，控制在30 min到1 h之間。最終的空調(diào)轉(zhuǎn)移時(shí)長需綜合考慮空調(diào)性能、天氣情況、房間情況、用戶感受及臺(tái)區(qū)整體運(yùn)行情況。考慮到用戶的舒適度要求，除非出現(xiàn)電力負(fù)荷極其緊張、急需快速調(diào)節(jié)負(fù)荷的情況，一般不采用完全關(guān)?？照{(diào)的調(diào)節(jié)方式。

2）電熱水器可調(diào)潛力分析。

對電熱水器的調(diào)節(jié)方式主要為加熱時(shí)間轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移時(shí)長與電熱水器的保溫性能相關(guān)。因此，適當(dāng)調(diào)節(jié)電熱水器的設(shè)定水溫，綜合考慮用戶用水行為習(xí)慣、季節(jié)溫度、臺(tái)區(qū)負(fù)荷曲線等，可得出最優(yōu)的轉(zhuǎn)移時(shí)長，夏季可達(dá)12 h，冬季建議不超過1 h。

當(dāng)將電熱水器作為功率可調(diào)節(jié)的負(fù)荷時(shí)，可能的應(yīng)用場景為臺(tái)區(qū)負(fù)荷運(yùn)行超載或臨界超載，需要全臺(tái)區(qū)即時(shí)限定功率。此時(shí)，若熱水器正在使用，可考慮將其降檔運(yùn)行或停止運(yùn)行，則可調(diào)負(fù)荷為調(diào)節(jié)前后檔位對應(yīng)功率之差。

3）洗烘一體機(jī)可調(diào)潛力分析。

根據(jù)用戶習(xí)慣，洗烘一體機(jī)一般屬于時(shí)間可轉(zhuǎn)移型負(fù)荷，有兩種控制方式：一是避峰運(yùn)行，二是負(fù)荷高峰時(shí)暫停運(yùn)行。避峰運(yùn)行時(shí)，可在用戶能接受的時(shí)間范圍內(nèi)靈活調(diào)整運(yùn)行時(shí)間，因此洗烘一體機(jī)的可調(diào)負(fù)荷潛力為12 h。若在負(fù)荷高峰暫停運(yùn)行，當(dāng)處于洗衣環(huán)節(jié)時(shí)，暫停時(shí)長不宜超出1 h。

2? ? 電動(dòng)汽車及光儲(chǔ)的互動(dòng)調(diào)節(jié)特性

2.1? ? 電動(dòng)汽車模型

電動(dòng)汽車的內(nèi)置儲(chǔ)能電池電量對用戶出行安排至關(guān)重要。由于其續(xù)航里程相對有限，儲(chǔ)能電池電量的高低直接影響用戶能否完成所需行程，因此駕駛員期望確保電量足夠高以滿足日常通勤需求。同時(shí)，儲(chǔ)能電池電量還直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的充電需求和成本[3]。

電動(dòng)汽車儲(chǔ)能電池的基本充放電模型由以下公式描述[4]：

SOCt+1=SOCt+ηcptΔt，? ? ?pt≥0，

SOCt+（pt/ηd）Δt，pt<0? ? ? ? ? （2）

-pmax≤pt≤pmax? ? ? ? ? ? ? ? （3）

SOCmin≤SOCt≤SOCmax? ? ? ? ? ?（4）

Etotal=SOCtβ-SOCtα? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：SOCt是電動(dòng)汽車電池在t時(shí)刻的充放電狀態(tài)；SOCmin和SOCmax是指電動(dòng)汽車電池容量的上下限；ηc和ηd分別是電池充電和放電的能量轉(zhuǎn)換效率系數(shù)；pt是電動(dòng)汽車t時(shí)刻的充放電功率；pmax是最大充電或放電功率；Δt為充放電時(shí)間；Etotal為充電樁充放電的電量；SOCtβ和SOCtα分別表示電動(dòng)汽車儲(chǔ)能電池在離開和到達(dá)充電樁時(shí)的電量。

公式（5）是為了保證電動(dòng)汽車在出發(fā)時(shí)具有充足的電量水平。

2.2? ? 電動(dòng)汽車充電滿意度

針對不同用戶對電動(dòng)汽車的使用習(xí)慣和充電要求存在差異的情況，以及駕駛員的經(jīng)驗(yàn)、充電偏好、充電焦慮等因素對用車行為和充電偏好的影響，本文在研究電動(dòng)汽車調(diào)節(jié)特性時(shí)，考慮了用戶行為的差異。為更符合實(shí)際場景，建立了充電滿意度模型，并引入“充電焦慮”的概念來描述駕駛員對于行駛里程不足和未來不確定事件的擔(dān)心，旨在通過定量描述駕駛員的充電焦慮，更準(zhǔn)確地反映用戶的充電行為。

1）里程焦慮。

里程焦慮是指駕駛員在使用電動(dòng)汽車時(shí)由于擔(dān)心剩余電量不能滿足行駛需求或充電樁不易尋找而產(chǎn)生的情緒反應(yīng)，其受多種因素影響，其中包括里程評估和駕駛經(jīng)驗(yàn)等。在實(shí)際應(yīng)用中，電池衰減速度受環(huán)境溫度等因素影響。

保持電池較高的電量是減少里程焦慮最有效的方法。因此，在離開充電樁前達(dá)到駕駛員滿意的電量，有助于緩解因電量不足而產(chǎn)生的焦慮情緒。

2）時(shí)間焦慮。

與里程焦慮類似，時(shí)間焦慮也是駕駛員由于擔(dān)心電動(dòng)汽車電量不足而在心理上產(chǎn)生的一種焦慮情緒。具體而言，在電動(dòng)汽車充電過程中，駕駛者會(huì)由于擔(dān)心未來時(shí)間段內(nèi)可能發(fā)生的計(jì)劃外行程中斷充電過程，導(dǎo)致充電電量不足而產(chǎn)生焦慮情緒?？梢酝ㄟ^充電策略的優(yōu)化使得電池在焦慮時(shí)段內(nèi)盡快到達(dá)較高電量來緩解。

3）充電焦慮模型。

本文將充電焦慮定義為一個(gè)表征充電焦慮的綜合評估模型，以表征不同時(shí)刻下電動(dòng)汽車充電滿意度：

cat，k=，? tα，k≤t≤tβ，k，

0，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?其他? （6）

式中：cat，k為充電滿意度，取值范圍為[0，1]；la，k和lb，k指權(quán)重估計(jì)；tα，k表示充電焦慮的初始時(shí)間；t表示當(dāng)前時(shí)刻；tβ，k表示電動(dòng)汽車達(dá)到預(yù)期SOC水平的時(shí)間。

在評估過程中，充電焦慮可以通過t時(shí)刻的預(yù)期SOC水平和當(dāng)前SOC水平之間的差異來量化。充電焦慮的評估模型如下：

CAk=max（SOCβ，k·cat，k-SOCt，0）? ? ?（7）

式中：CAk表示充電焦慮的量化值；tα表示充電焦慮的初始時(shí)間；tβ表示電動(dòng)汽車達(dá)到預(yù)期SOC水平的時(shí)間；SOCβ，k表示電動(dòng)汽車k在出發(fā)時(shí)的預(yù)期SOC水平。

2.3? ? 家庭光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)

在配備光伏和儲(chǔ)能裝置的家庭中，用戶可作為消費(fèi)者或生產(chǎn)者參與能源交易。儲(chǔ)能系統(tǒng)模型中的電池SOC模型及約束可以由如下公式描述：

SOCess（t+1）=SOCess（t）+ηessPess（t）Δt，

t∈[tessα，tessβ-1]（8）

SOCess，min≤SOCess（t）≤SOCess，max，

t∈[tessα，tessβ] （9）

式中：SOCess（t）指家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的剩余電量，需要滿足儲(chǔ)能電池容量的上下限約束；SOCess，min、SOCess，max分別表示家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)電量的下限值與上限值；ηess指儲(chǔ)能電池充放電能量轉(zhuǎn)換效率；Pess（t）表示家用儲(chǔ)能在t時(shí)刻的充放電功率；tess α 、tess β 分別表示家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)開始充電和結(jié)束充電的時(shí)刻。

儲(chǔ)能充放電功率也需要滿足上下限約束：

Pess（t）∈[-Pessdis，max，Pessch，max]? ? ? ? ? ? ? （10）

式中：Pessch，max和Pessdis，max分別是儲(chǔ)能電池在t時(shí)刻的最大充電和放電功率。

通過對電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)有序充放電的研究，并考慮用戶的調(diào)節(jié)意愿，可有效實(shí)現(xiàn)削峰填谷，這對居民社區(qū)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義。

3? ? 居民小區(qū)需求側(cè)響應(yīng)研究

3.1? ? 居民小區(qū)需求響應(yīng)作用及分類

需求響應(yīng)，即電力需求響應(yīng)的簡稱，是指當(dāng)電力批發(fā)市場價(jià)格升高或電力系統(tǒng)的有效性和可靠性受到威脅時(shí)，電力用戶在接收到供電商發(fā)出的誘導(dǎo)性減少負(fù)荷的直接補(bǔ)償通知或者電力價(jià)格上升信號(hào)后，改變其固有的用電行為模式，從而減少或推移某時(shí)段的用電負(fù)荷而響應(yīng)電力供應(yīng)，保障電網(wǎng)穩(wěn)定，并抑制電價(jià)上升的短期行為[5]。其在以下幾個(gè)方面具有積極作用：

1）用戶受到電價(jià)激勵(lì)，能夠配合調(diào)度計(jì)劃改善用電，同時(shí)降低用電成本。

2）用戶主動(dòng)參與削峰填谷，減輕電網(wǎng)運(yùn)行壓力，減少相關(guān)設(shè)備投資，節(jié)約成本。

3）充分發(fā)揮市場經(jīng)濟(jì)作用，自動(dòng)調(diào)節(jié)電能資源分配，促進(jìn)相關(guān)市場服務(wù)完善，改善電網(wǎng)運(yùn)行安全。

4）能夠降低線損率，帶來節(jié)能減排效益。

需求響應(yīng)分為兩種類型：激勵(lì)型需求響應(yīng)與價(jià)格型需求響應(yīng)。激勵(lì)型即相關(guān)部門或廠商通過一定的激勵(lì)政策和補(bǔ)貼促進(jìn)居民用戶配合改變用電習(xí)慣，較為直接；價(jià)格型即市場自身作用，通過調(diào)整電價(jià)使得用戶自發(fā)選擇用電成本更小的用電方式，從而無形中實(shí)現(xiàn)削峰填谷，較為間接。

3.2? ? 居民小區(qū)需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制

居民小區(qū)中，需求響應(yīng)一般在社區(qū)內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，需求響應(yīng)策略設(shè)置各家庭可從社區(qū)內(nèi)的集中式儲(chǔ)能點(diǎn)認(rèn)購一定量的能源儲(chǔ)備。

需求側(cè)響應(yīng)的效果主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：任務(wù)完成度、用戶滿意度、經(jīng)濟(jì)效益。為此，本文設(shè)計(jì)了三項(xiàng)對應(yīng)指標(biāo)以對需求響應(yīng)效果進(jìn)行量化。

1）任務(wù)完成度：完成度指該居民小區(qū)對相關(guān)需求響應(yīng)指令的完成程度。

完成度γ為：

γ=Qf/Qtask，

Qf=∑

Pdt，

Qtask=Ptask（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式中：Qf為小區(qū)的總下調(diào)容量；Qtask為需求響應(yīng)容量；t1、t2分別為需求響應(yīng)起止時(shí)間；P為小區(qū)中單戶家庭的下調(diào)功率；Ptask為需求響應(yīng)需要的總下調(diào)功率。

2）用戶滿意度：設(shè)計(jì)用戶滿意度來衡量用戶在相關(guān)需求響應(yīng)下的適應(yīng)程度，其與用戶對電器的依賴程度相關(guān)。

設(shè)置滿意度φ為：

φ=δk+εlSl? ? ? ? ? ? ? ? （12）

式中：s為可下調(diào)負(fù)荷；L為負(fù)荷總數(shù)；δk、εl分別為負(fù)荷的優(yōu)先級系數(shù)；ΔPck為負(fù)荷k的下調(diào)量；Pck為額定功率；Sl為負(fù)荷l的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)。

3）經(jīng)濟(jì)效益：經(jīng)濟(jì)效益主要由兩方面組成，其一是電費(fèi)下調(diào)，主要通過調(diào)節(jié)負(fù)荷或儲(chǔ)能供電代替電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)；其二是激勵(lì)獎(jiǎng)勵(lì)，主要通過完成需求響應(yīng)實(shí)現(xiàn)。

設(shè)置經(jīng)濟(jì)效益ω為：

ω=ω1+ω2，

ω1=Price（t）ΔQ-Price，lowΔQS1-Price，SΔQS2，

ω2=ρΔQ? （13）

式中：ω1為電費(fèi)下調(diào)的經(jīng)濟(jì)效益；ω2為完成需求響應(yīng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益；Price（t）為t時(shí)刻的分時(shí)電價(jià)；Price，low為在峰谷電價(jià)下的低谷電價(jià)；Price，S為儲(chǔ)能點(diǎn)供電時(shí)的電價(jià)；ΔQ為實(shí)際負(fù)荷下調(diào)量；ΔQS1為實(shí)際負(fù)荷轉(zhuǎn)移量；ΔQS2為實(shí)際儲(chǔ)能供電量；ρ為獎(jiǎng)勵(lì)系數(shù)。

4? ? 結(jié)束語

本文首先分析了居民家用典型電器的負(fù)荷特性，量化了相應(yīng)電器的可調(diào)潛力；之后研究了電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)特性，在考慮用戶意愿的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行建模分析；最后研究了居民需求側(cè)響應(yīng)，并提出了對應(yīng)指標(biāo)對需求側(cè)響應(yīng)策略進(jìn)行評價(jià)。

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收稿日期：2024-01-05

作者簡介：毛曉波（1989—），男，江蘇江陰人，碩士，工程師，研究方向：需求側(cè)管理、用電能效。

顧麗玲（1992—），女，江蘇無錫人，碩士，工程師，研究方向：電力負(fù)荷管理。

鄭旭（1982—），女，江蘇鎮(zhèn)江人，高級工程師，研究方向：電力負(fù)荷管理。