深度｜需求响应在电力辅助服务市场中的应用

本文总结了市场环境下需求响应的参与形式及研究热点; 深度剖析了需求响应在电力辅助服务市场中的研究现状, 从技术层面和市场建设层面分析了需求响应提供辅助服务的关键问题; 最后提出了中国发展辅助服务市场遇到的问题与障碍, 对需求响应融入辅助服务市场提出了思考。随着辅助服务市场的发展, 未来高比例可再生能源接入对系统辅助服务交易, 尤其是调动需求侧储能资源参与辅助服务提出了更迫切的需求。

摘要：需求响应是智能电网的核心技术之一, 它不仅可以在电力系统面临紧急情况时充当低成本的容量资源以供调度, 还可以影响电力市场定价方式, 起到减小电价波动、遏制市场力的作用。总结了国外市场环境下需求响应的参与形式及研究热点, 从运营机制、调控策略、负荷潜力等方面着重分析了需求响应提供调频和备用辅助服务的技术问题, 以及将需求响应融入辅助服务市场的经验, 最后分析了国内需求响应参与辅助服务市场的障碍, 指出了国内需求响应的发展潜力。

0. 引言

随着间歇性可再生能源及电动汽车的发展, 以及全球能源变革进程的推进, 电力系统面临新的机遇和挑战[1]。打破垄断, 逐步引入竞争机制, 优化电力资源配置, 提高电力市场运行效率是世界各国电力工业市场化改革的方向[2]。

微观经济学中相关理论指出, 当供给者与需求者可以在市场中自由交易, 且价格由供需两侧共同决定时, 市场交易的总收益才最大。如果不能将需求侧和发电侧公平同等对待, 就无法形成一个真正良性运行的电力市场。在众多需求侧负荷中, 需求响应更多地着眼于动态可控负荷。动态可控负荷是在一定的控制策略下或经过简单改造后可以灵活控制、快速调整负荷水平的用户侧负荷的统称。在智能电网环境下, 动态可控负荷控制更加精准、集群作用显著且波动较小, 可以作为需求侧的稳定资源来维持电网功率平衡并提供辅助服务[3-4], 从而为电力系统运营带来显著效益。允许需求侧提供辅助服务可以使发电机运行更高效, 同时也能减少污染。这不仅增加了电力系统灵活性, 还可以鼓励零售用户参与用电管理从而提高整个系统的用电效率。通过提高电力需求对市场价格的响应能力, 可以在满足同样供电可靠性水平下降低总的供电成本, 也可以降低系统高峰需求时段的现货价格水平和价格波动幅度[5], 为整个市场和系统运营带来巨大的综合效益。

2016年11月7日, 国家发展改革委、国家能源局正式发布《电力发展“十三五”规划》(以下简称《规划》)。《规划》明确提出深化电力体制改革, 完善电力市场体系的任务。其中一项重要工作就是增加用户选择权, 鼓励用户参与需求响应。越来越多的地区开始强调需求侧资源在电力市场中的作用[6-9]。引入市场机制可以辅助系统稳定性并降低系统峰荷。在市场中形成对价格有响应的需求可以提高市场的经济效率。当系统处于峰荷时段并且实时批发价格较高时, 用电价值低的用户就会降低其需求; 当系统处于低谷需求时段并且实时批发价格较低时, 用电价值高的用户就会增加其用电。很多学者针对需求响应的潜力及经济性等方面进行了研究[10-13], 需求响应提供辅助服务尤其是在市场环境中的应用受到越来越多的关注。随着中国电力市场改革不断推进, 电力市场发、输、配、售4个环节逐步放开, 有必要建立合理的辅助服务市场, 并且鼓励需求响应参与其中。

近年来, 国内外学者已经意识到负荷提供辅助服务的巨大潜力。通信系统的发展及需求侧管理实施经验的不断累积, 使得负荷提供辅助服务变得更加方便、可行。中国智能电网的快速发展为需求响应提供了重要的技术支撑, 东北电力辅助服务市场专项改革试点也获得了批准。然而, 需求响应在电力辅助服务市场中的应用, 需要克服一系列技术和制度上的难关。挖掘需求响应为电网运行提供稳定服务的潜力离不开市场各参与方的通力合作, 更离不开研究人员尊重市场状态和政策环境的有针对性的研究工作。

综上所述, 本文总结了市场环境下需求响应的参与形式及研究热点; 深度剖析了需求响应在电力辅助服务市场中的研究现状, 从技术层面和市场建设层面分析了需求响应提供辅助服务的关键问题; 最后提出了中国发展辅助服务市场遇到的问题与障碍, 对需求响应融入辅助服务市场提出了思考。

1. 市场环境下的需求响应

1.1 需求响应的基本概念

需求响应的概念是美国电力市场化改革后, 为了充分发挥需求侧管理在竞争市场中的作用以维护系统可靠性并提高系统运行效率而提出的。需求响应是指电力用户根据电网公司发布的价格或者激励信号, 自觉调整其用电行为, 改变其电能需求[14], 达到削峰填谷的一种用电行为。

常见的需求响应分为两类[15]:基于价格的需求响应和基于激励的需求响应。基于价格的需求响应的关键影响因素是需求弹性, 即用户根据价格变化调整自己用电需求的能力[16]。常见的研究热点包括实时需求响应模型[17]、分时电价模型和基于非零交叉价格弹性的动态需求响应模型[18]等方面。基于激励的需求响应一般由系统运营商决定是否实施, 文献[19-21]通过数学建模[19]、息票策略[20]及博弈论[21]等方法建立合理的基于激励的需求响应模型, 从而达到刺激用户、最小化成本等目的。需求响应具体的分类如图 1所示。

图1需求响应项目分类

Figure1.Classification of demand response programs

20世纪90年代初需求响应引入中国, 虽然需求响应在缓解供电紧张方面受到了极大重视, 但是国内需求响应的开展仍然存在运作模式科学论证不足、缺乏实施效果评估, 以及缺少系统的市场交易体系和完善的激励机制等问题[22]。

1.2 传统管制结构下需求响应的缺陷

传统的需求响应主要从系统安全运行角度出发, 以政策性干预的方式影响电力用户的用电时间和用电数量, 特别是在系统出现紧急状况时强制负荷快速削减, 以满足供需平衡, 防止系统崩溃。然而, 这种负荷参与形式主要依赖于人工调度和人工响应[23], 响应可靠性难以保障。同时, 需求侧的各项电能消耗数据也不能及时传输给系统运营商, 也就无法及时调整需求响应的触发信号, 从而降低了需求响应的灵活性和效率[24]。缺乏竞争市场的压力, 传统管制结构下的需求响应仅仅作为电网公司面对紧急情况时的最后手段, 再加上激励机制的不完善, 用户参与的积极性并不高。

由于技术限制, 需求响应的相关量测、通信和控制还不太成熟, 大多数参与需求响应项目的用户都是工业用户, 商业和居民用户占比很少[25]。因此, 传统的需求响应不具备提供辅助服务所需的快速响应能力。随着高级量测系统的发展和普及, 在各国电力行业市场化进程的推动下, 考虑市场环境的需求响应更强调电力用户直接根据市场情况(价格信号)对自身的负荷需求或用电模式作出主动调整, 从而促进电力市场的稳定和电网的可靠性[26]。

1.3 需求响应参与电力市场

尽管传统的需求响应项目取得了一定成效, 但是市场环境下根据价格或激励信息实时调整的动态需求响应是未来的发展趋势[27]。动态需求响应改变了传统的“发电跟踪负荷变化”的运行模式, 引导需求侧资源主动参与电力市场运行各个环节[28], 从而抑制峰荷, 减少价格波动, 增强电网的安全可靠性。例如:在批发市场中, 需求响应既可以作为系统运营商进行有效经济调度的手段, 也可以被视为增加市场灵活性的市场资源, 可以参与辅助服务市场等新兴市场的投标; 在零售市场中, 需求响应可以促进价格产品的创新, 进而为消费者提供更多的价格选择或一定的价格导向。需求响应不但可以帮助用户优化用电模式, 而且能够协助市场运营者在系统紧急状况下快速有效地重新分配能量资源。已有大量的理论和调查研究指出, 需求响应在稳定批发市场电价、遏制发电侧市场力方面发挥了显著作用[29-31]。

市场环境下需求响应项目形式多样, 控制策略灵活, 根据响应信号的类型, 又可以将需求响应分为紧急需求响应、经济型需求响应和需求侧辅助服务[32]。紧急需求响应是当电力系统面临巨大压力时提供低成本的容量资源来帮助预防电力中断。经济型需求响应可以让负荷参与电力市场从而控制电价。需求侧辅助服务则允许需求响应参与辅助服务市场, 如提供频率调节和系统备用。也就是说, 需求响应既可以参与主能量市场, 又可以参与容量市场和辅助服务市场, 如表 1所示。

表1

表1市场环境下的需求响应

Table1.Demand response under market environment

美国各州的需求响应市场参与机制是在其原有电力市场机制的基础上发展而来, 其中PJM的需求响应市场发展迅速, 已形成较为成熟的需求响应市场运作机制[33]。不仅仅是美国, 其他很多国家和地区都十分重视利用负荷在功率出现缺额的情况下响应电价、削减用电量的能力。通过合理设计需求响应项目, 市场运营者可以充分利用需求侧资源提供能量、容量和辅助服务。表 2总结了目前美国、英国和澳大利亚电力市场中具体的需求响应项目所提供的市场产品。

表2

表2不同电力市场中的需求响应

Table2.Demand response in different power markets

将需求响应应用于电力市场在电力系统运行及电力市场规划等领域催生了大量课题。包括:需求侧与发电侧博弈竞价策略、需求响应提供备用辅助服务机制设计、负荷管理和负荷预测及配电网规划等。这些问题涉及电力系统方方面面, 不仅仅是在原有研究基础上新增内容, 还有引入竞争市场环境后新出现的问题[11]。目前看来, 大多数关于市场环境下需求响应的研究都着眼于概念、公式和技术层面。如何将需求响应作为市场交易的一种商品是后续的研究热点[34-35]。有学者提出一种新的概念, 将需求响应作为一种全新的公共商品[34], 设计了一种需求响应交易(DR exchange), 买方和卖方可以在这种基于电力库的市场中交易需求响应。文献[35]改进了这种市场机制, 利用瓦尔拉斯市场来代替基于电力库的市场。从负荷聚合商的角度研究市场环境下开展需求响应工作的经济实用性也是新兴的热点研究问题。负荷聚合商是一个整合用户资源参与电力市场交易的组织, 不仅可以为中小负荷提供参与市场调节的机会, 还可以通过专业的技术手段充分发掘负荷资源, 开展需求响应项目, 提供市场需要的辅助服务产品[36]。文献[37]和文献[38]分别从负荷聚合商和独立系统运行员(ISO)的角度研究了需求响应参与日前能量市场的优化交易机制, 聚合商可以与用户签订合同来提供负荷削减或转移、备用和储能等服务。文献[39]提出了负荷聚合商同时参与日前能量市场、日内需求响应交易市场和辅助服务市场的优化交易策略。需求响应可以帮助零售商增大效益并有效降低风险。