需求響應在電力輔助服務市場中的應用

2019-07-26 14:08:20 電力系統自動化　點擊量：評論 (0)

本文總結了市場環境下需求響應的參與形式及研究熱點; 深度剖析了需求響應在電力輔助服務市場中的研究現狀, 從技術層面和市場建設層面分析

本文總結了市場環境下需求響應的參與形式及研究熱點; 深度剖析了需求響應在電力輔助服務市場中的研究現狀, 從技術層面和市場建設層面分析了需求響應提供輔助服務的關鍵問題; 最后提出了中國發展輔助服務市場遇到的問題與障礙, 對需求響應融入輔助服務市場提出了思考。隨著輔助服務市場的發展, 未來高比例可再生能源接入對系統輔助服務交易, 尤其是調動需求側儲能資源參與輔助服務提出了更迫切的需求。

摘要：需求響應是智能電網的核心技術之一, 它不僅可以在電力系統面臨緊急情況時充當低成本的容量資源以供調度, 還可以影響電力市場定價方式, 起到減小電價波動、遏制市場力的作用。總結了國外市場環境下需求響應的參與形式及研究熱點, 從運營機制、調控策略、負荷潛力等方面著重分析了需求響應提供調頻和備用輔助服務的技術問題, 以及將需求響應融入輔助服務市場的經驗, 最后分析了國內需求響應參與輔助服務市場的障礙, 指出了國內需求響應的發展潛力。

0. 引言

隨著間歇性可再生能源及電動汽車的發展, 以及全球能源變革進程的推進, 電力系統面臨新的機遇和挑戰[1]。打破壟斷, 逐步引入競爭機制, 優化電力資源配置, 提高電力市場運行效率是世界各國電力工業市場化改革的方向[2]。

微觀經濟學中相關理論指出, 當供給者與需求者可以在市場中自由交易, 且價格由供需兩側共同決定時, 市場交易的總收益才最大。如果不能將需求側和發電側公平同等對待, 就無法形成一個真正良性運行的電力市場。在眾多需求側負荷中, 需求響應更多地著眼于動態可控負荷。動態可控負荷是在一定的控制策略下或經過簡單改造后可以靈活控制、快速調整負荷水平的用戶側負荷的統稱。在智能電網環境下, 動態可控負荷控制更加精準、集群作用顯著且波動較小, 可以作為需求側的穩定資源來維持電網功率平衡并提供輔助服務[3-4], 從而為電力系統運營帶來顯著效益。允許需求側提供輔助服務可以使發電機運行更高效, 同時也能減少污染。這不僅增加了電力系統靈活性, 還可以鼓勵零售用戶參與用電管理從而提高整個系統的用電效率。通過提高電力需求對市場價格的響應能力, 可以在滿足同樣供電可靠性水平下降低總的供電成本, 也可以降低系統高峰需求時段的現貨價格水平和價格波動幅度[5], 為整個市場和系統運營帶來巨大的綜合效益。

2016年11月7日, 國家發展改革委、國家能源局正式發布《電力發展“十三五”規劃》(以下簡稱《規劃》)。《規劃》明確提出深化電力體制改革, 完善電力市場體系的任務。其中一項重要工作就是增加用戶選擇權, 鼓勵用戶參與需求響應。越來越多的地區開始強調需求側資源在電力市場中的作用[6-9]。引入市場機制可以輔助系統穩定性并降低系統峰荷。在市場中形成對價格有響應的需求可以提高市場的經濟效率。當系統處于峰荷時段并且實時批發價格較高時, 用電價值低的用戶就會降低其需求; 當系統處于低谷需求時段并且實時批發價格較低時, 用電價值高的用戶就會增加其用電。很多學者針對需求響應的潛力及經濟性等方面進行了研究[10-13], 需求響應提供輔助服務尤其是在市場環境中的應用受到越來越多的關注。隨著中國電力市場改革不斷推進, 電力市場發、輸、配、售4個環節逐步放開, 有必要建立合理的輔助服務市場, 并且鼓勵需求響應參與其中。

近年來, 國內外學者已經意識到負荷提供輔助服務的巨大潛力。通信系統的發展及需求側管理實施經驗的不斷累積, 使得負荷提供輔助服務變得更加方便、可行。中國智能電網的快速發展為需求響應提供了重要的技術支撐, 東北電力輔助服務市場專項改革試點也獲得了批準。然而, 需求響應在電力輔助服務市場中的應用, 需要克服一系列技術和制度上的難關。挖掘需求響應為電網運行提供穩定服務的潛力離不開市場各參與方的通力合作, 更離不開研究人員尊重市場狀態和政策環境的有針對性的研究工作。

綜上所述, 本文總結了市場環境下需求響應的參與形式及研究熱點; 深度剖析了需求響應在電力輔助服務市場中的研究現狀, 從技術層面和市場建設層面分析了需求響應提供輔助服務的關鍵問題; 最后提出了中國發展輔助服務市場遇到的問題與障礙, 對需求響應融入輔助服務市場提出了思考。

1. 市場環境下的需求響應

1.1 需求響應的基本概念

需求響應的概念是美國電力市場化改革后, 為了充分發揮需求側管理在競爭市場中的作用以維護系統可靠性并提高系統運行效率而提出的。需求響應是指電力用戶根據電網公司發布的價格或者激勵信號, 自覺調整其用電行為, 改變其電能需求[14], 達到削峰填谷的一種用電行為。

常見的需求響應分為兩類[15]:基于價格的需求響應和基于激勵的需求響應。基于價格的需求響應的關鍵影響因素是需求彈性, 即用戶根據價格變化調整自己用電需求的能力[16]。常見的研究熱點包括實時需求響應模型[17]、分時電價模型和基于非零交叉價格彈性的動態需求響應模型[18]等方面。基于激勵的需求響應一般由系統運營商決定是否實施, 文獻[19-21]通過數學建模[19]、息票策略[20]及博弈論[21]等方法建立合理的基于激勵的需求響應模型, 從而達到刺激用戶、最小化成本等目的。需求響應具體的分類如圖 1所示。

圖1需求響應項目分類

Figure1.Classification of demand response programs

20世紀90年代初需求響應引入中國, 雖然需求響應在緩解供電緊張方面受到了極大重視, 但是國內需求響應的開展仍然存在運作模式科學論證不足、缺乏實施效果評估, 以及缺少系統的市場交易體系和完善的激勵機制等問題[22]。

1.2 傳統管制結構下需求響應的缺陷

傳統的需求響應主要從系統安全運行角度出發, 以政策性干預的方式影響電力用戶的用電時間和用電數量, 特別是在系統出現緊急狀況時強制負荷快速削減, 以滿足供需平衡, 防止系統崩潰。然而, 這種負荷參與形式主要依賴于人工調度和人工響應[23], 響應可靠性難以保障。同時, 需求側的各項電能消耗數據也不能及時傳輸給系統運營商, 也就無法及時調整需求響應的觸發信號, 從而降低了需求響應的靈活性和效率[24]。缺乏競爭市場的壓力, 傳統管制結構下的需求響應僅僅作為電網公司面對緊急情況時的最后手段, 再加上激勵機制的不完善, 用戶參與的積極性并不高。

由于技術限制, 需求響應的相關量測、通信和控制還不太成熟, 大多數參與需求響應項目的用戶都是工業用戶, 商業和居民用戶占比很少[25]。因此, 傳統的需求響應不具備提供輔助服務所需的快速響應能力。隨著高級量測系統的發展和普及, 在各國電力行業市場化進程的推動下, 考慮市場環境的需求響應更強調電力用戶直接根據市場情況(價格信號)對自身的負荷需求或用電模式作出主動調整, 從而促進電力市場的穩定和電網的可靠性[26]。

1.3 需求響應參與電力市場

盡管傳統的需求響應項目取得了一定成效, 但是市場環境下根據價格或激勵信息實時調整的動態需求響應是未來的發展趨勢[27]。動態需求響應改變了傳統的“發電跟蹤負荷變化”的運行模式, 引導需求側資源主動參與電力市場運行各個環節[28], 從而抑制峰荷, 減少價格波動, 增強電網的安全可靠性。例如:在批發市場中, 需求響應既可以作為系統運營商進行有效經濟調度的手段, 也可以被視為增加市場靈活性的市場資源, 可以參與輔助服務市場等新興市場的投標; 在零售市場中, 需求響應可以促進價格產品的創新, 進而為消費者提供更多的價格選擇或一定的價格導向。需求響應不但可以幫助用戶優化用電模式, 而且能夠協助市場運營者在系統緊急狀況下快速有效地重新分配能量資源。已有大量的理論和調查研究指出, 需求響應在穩定批發市場電價、遏制發電側市場力方面發揮了顯著作用[29-31]。

市場環境下需求響應項目形式多樣, 控制策略靈活, 根據響應信號的類型, 又可以將需求響應分為緊急需求響應、經濟型需求響應和需求側輔助服務[32]。緊急需求響應是當電力系統面臨巨大壓力時提供低成本的容量資源來幫助預防電力中斷。經濟型需求響應可以讓負荷參與電力市場從而控制電價。需求側輔助服務則允許需求響應參與輔助服務市場, 如提供頻率調節和系統備用。也就是說, 需求響應既可以參與主能量市場, 又可以參與容量市場和輔助服務市場, 如表 1所示。

2.png

表1市場環境下的需求響應

Table1.Demand response under market environment

美國各州的需求響應市場參與機制是在其原有電力市場機制的基礎上發展而來, 其中PJM的需求響應市場發展迅速, 已形成較為成熟的需求響應市場運作機制[33]。不僅僅是美國, 其他很多國家和地區都十分重視利用負荷在功率出現缺額的情況下響應電價、削減用電量的能力。通過合理設計需求響應項目, 市場運營者可以充分利用需求側資源提供能量、容量和輔助服務。表 2總結了目前美國、英國和澳大利亞電力市場中具體的需求響應項目所提供的市場產品。

表2

表2不同電力市場中的需求響應

Table2.Demand response in different power markets

將需求響應應用于電力市場在電力系統運行及電力市場規劃等領域催生了大量課題。包括:需求側與發電側博弈競價策略、需求響應提供備用輔助服務機制設計、負荷管理和負荷預測及配電網規劃等。這些問題涉及電力系統方方面面, 不僅僅是在原有研究基礎上新增內容, 還有引入競爭市場環境后新出現的問題[11]。目前看來, 大多數關于市場環境下需求響應的研究都著眼于概念、公式和技術層面。如何將需求響應作為市場交易的一種商品是后續的研究熱點[34-35]。有學者提出一種新的概念, 將需求響應作為一種全新的公共商品[34], 設計了一種需求響應交易(DR exchange), 買方和賣方可以在這種基于電力庫的市場中交易需求響應。文獻[35]改進了這種市場機制, 利用瓦爾拉斯市場來代替基于電力庫的市場。從負荷聚合商的角度研究市場環境下開展需求響應工作的經濟實用性也是新興的熱點研究問題。負荷聚合商是一個整合用戶資源參與電力市場交易的組織, 不僅可以為中小負荷提供參與市場調節的機會, 還可以通過專業的技術手段充分發掘負荷資源, 開展需求響應項目, 提供市場需要的輔助服務產品[36]。文獻[37]和文獻[38]分別從負荷聚合商和獨立系統運行員(ISO)的角度研究了需求響應參與日前能量市場的優化交易機制, 聚合商可以與用戶簽訂合同來提供負荷削減或轉移、備用和儲能等服務。文獻[39]提出了負荷聚合商同時參與日前能量市場、日內需求響應交易市場和輔助服務市場的優化交易策略。需求響應可以幫助零售商增大效益并有效降低風險。

2. 需求響應提供輔助服務應用

2.1 輔助服務的基本概念

輔助服務通常定義為除了電能以外為了保證電網安全、可靠所必須提供的服務。但是目前輔助服務并沒有一個統一的定義。有學者認為輔助服務是由于一些不可預測的因素, 如氣溫波動、交易變動等引起的負荷隨機波動、機組被迫停機等突發事件, 為保證電網有功無功實時平衡及系統穩定運行而必須提供的服務[40]。也有學者認為輔助服務是發電廠為了保證電力系統安全可靠運行必須采取的措施[41]。文獻[42]全面介紹了穩定系統運營所需的輔助服務。文獻[43]和文獻[44]總結了11種電力系統輔助服務機制, 并強調了它們的經濟性特征。根據聯邦能源管制委員會(FERC)的有關規定, 輔助服務有利于電能從供應側到需求側的穩定傳輸, 保證輸電系統能夠安全、可靠地運行。FERC在開放的準入輸電服務價目表中定義了6種輔助服務[45], 分別是調度和系統控制、無功備用和電壓調整、調節和頻率響應、能量不平衡出力、旋轉備用和非旋轉備用。

電力系統必須時刻保證發電和用電的平衡。但是突然出現的發電缺額或者主要輸電線路損壞需要輔助服務在最短時間內保證供需平衡[46]。一旦系統頻率出現較大偏差, 發電機組就會脫機從而引發一系列錯誤, 嚴重的將會導致系統崩潰和大面積停電。輔助服務最大的價值就體現在備用容量及快速可靠響應系統不平衡的能力。隨著中國電力系統的不斷發展, 需要更多靈活的資源提供快速、可靠的響應以維持系統平衡。

2.2 需求響應提供輔助服務的潛力

智能電網的迅速發展使得傳統的集中式發電廠向不可調度的分布式新能源發電機轉變, 給電力系統運營帶來了很多困難。其中一個就是如何在可再生能源隨機分布的情況下保持電力系統平衡。目前國內電力系統主要依靠集中式的化石燃料發電廠來提供輔助服務。但是, 隨著可再生能源機組逐漸增多, 系統不確定性增加, 傳統的發電廠難以通過提供轉動慣量來穩定系統頻率[47]。需要更靈活的資源一起提供輔助服務。智能電網的快速發展為需求響應提供了技術支撐。在需求側應用信息通信技術及高級量測體系, 可以通過雙向互動智能用電實現負荷優化調度, 為電力系統提供調峰、調頻、備用等服務[23]。

利用需求響應提供輔助服務, 對中國電力系統的運行與發展具有重要作用。發電機提供輔助服務受爬坡速率約束, 反應較慢且成本較高。如果由常規機組承擔新增的輔助服務需求, 會帶來巨大的建設投入, 降低了系統運行效率, 并且難以滿足國內部分地區高受電比例電網安全運行的要求。除此之外, 一旦參與提供輔助服務的發電機響應延遲或不啟動, 就會造成大量旋轉備用容量缺失, 從而引發系統崩潰。相反, 需求響應資源一般較為廉價, 也更容易克服通信和控制延時的問題。隨著批發市場中動態可控負荷數目逐漸增多, 系統運行成本逐漸減少[48]。在保證通信基礎的情況下, 無論是針對調度系統的指令還是價格信號, 大部分需求側資源的響應速度都比發電機更快。同時, 需求側資源由大量小型負荷集合而成, 極個別需求響應資源不響應對整體的影響很小, 使得負荷聚合商提供輔助服務更加可靠。因此, 負荷聚合商更容易完成與系統運營商簽訂的合同任務。綜上所述, 研究響應快、成本低的需求側輔助服務資源對于中國電力市場建設具有積極意義。

近年來越來越多的學者發現需求響應提供輔助服務的巨大潛力。需求側資源既可以用于電力資源調度[49], 也可以提供不同的輔助服務[50-51]。溫度控制負荷可以在幾分鐘內提供輔助服務[52-55], 尤其是空調負荷具有熱存儲性能, 調度潛力很大[54]。電動汽車充放電可以在小時級時間尺度上提供輔助服務[56-57]。有學者重點總結了利用熱水器和電池儲能系統提供輔助服務的示范項目[58]。這些需求響應資源都表現出隨機循環開關的特性, 因此可以通過控制算法的設計加以利用, 讓它們在合適的時間, 以適當的方式連接電網[59], 提供輔助服務。文獻[60]詳細介紹了各種參與提供輔助服務的需求響應, 并分別建模, 提出了需求響應參與輔助服務市場的框架, 為系統運營商提供了寶貴的借鑒經驗。

根據FERC對輔助服務的定義, 考慮到負荷控制策略的靈活性及快速響應的特性,表 3總結了適合需求側資源提供的輔助服務, 分別為運行備用(旋轉和非旋轉)、頻率調節和負荷跟蹤。

表3

表3需求響應提供輔助服務

Table3.Ancillary services with demand response

2.3 需求響應提供備用輔助服務

隨著可再生能源逐漸增多, 發電側不確定性增大, 系統備用容量的需求增大。同時, 用戶對電能質量的要求逐漸增高, 渴望獲得更加可靠的電能, 因此系統運營商必須綜合考慮各種靈活資源來優化運行備用。需求響應技術的發展讓負荷控制策略更具靈活性, 并且在備用市場中推廣[61-70]。提供運行備用的需求響應資源必須在10 min或更短時間內達到預期響應量。因此可以通過直接負荷控制, 讓需求側資源, 例如帶有貯熱水箱的電熱水器, 快速響應系統擾動, 提供非旋轉備用[71-73]。通用電氣和夏威夷州自然能源研究所對夏威夷州的輔助服務進行了合作研究[74]。研究表明, 應該合理利用儲能和需求響應的快速響應能力來提供一定比例的旋轉備用。在需求響應與發電機協調控制方面, 有學者在計及環境因素的動態調度中考慮需求響應資源提供旋轉備用, 并且通過優化模型最小化社會成本, 從而達到環境友好型經濟調度的目的[75]。還有學者建立了需求響應隨機安全約束機組組合模型來提供短期備用[68]。小型負荷可以通過負荷聚合商的形式參與提供備用服務, 在市場中與傳統發電機組公平競爭[76-78]。然而, 響應時長的局限性限制了需求響應資源提供系統備用。供應側的發電量和需求側的用電量同時具有隨機波動性, 很難確定可以在市場中交易的備用容量[79]。除此之外, 雖然需求側資源可以提供快速備用, 但是由于有限的容量約束, 它們不能真正提供電能傳輸。例如:電池系統可以給用戶提供一定量的電能, 但是不能超過電池總容量; 熱質量一定的需求側設備也只能在熱舒適度范圍內轉移有限的電能。未來隨著中國需求響應技術的發展, 需要更深入地研究備用輔助服務的控制模型, 讓需求側資源的調控模式更精確、更有效。

2.4 需求響應提供頻率調節和負荷跟蹤

能源變革趨勢下, 世界各國開始逐步淘汰火電機組等傳統高污染發電機組, 取而代之的是清潔高效的間歇性可再生能源機組。隨機性的增加使得電力系統頻率波動增多, 幅度加大, 對提供頻率控制輔助服務提出了高要求。需求響應可以讓負荷靈活參與系統頻率調節而不受環境因素制約[4]。需求側許多電力設備都有一定的工作周期, 例如電冰箱、制熱通風和空調系統(HVAC)、電熱水器等。這些靈活的需求響應資源可以響應頻率調整信號, 通過改變工作周期來提供頻率調節服務。研究表明:商業樓宇中的制熱、通風和空調系統調頻潛力巨大[80-85]。它們數量眾多, 可以通過聚合表現出很大的熱慣性, 從而抵消短期波動。不同的控制策略可以利用物理變量實現直接控制風扇速度, 或者操控空氣質量流量、供氣壓力和恒溫器設定值以達到間接調頻的目的。文獻[86]提出了線性控制和預設形狀控制這兩種家用冰箱控制策略, 可以在沒有實時通信的情況下快速地提供無擾動的頻率調節服務。文獻[87]針對微電網提出了一種基于適應爬山法的需求響應控制策略, 從配電網的角度提供一次調頻, 利用步進式控制器來減少被控制負荷數量, 并通過優化得到最小值。考慮到需求側頻率調節資源與發電機組共同參與頻率控制, 文獻[79]研究了需求響應資源的運行模式, 并且同時優化發電機組和需求響應資源提供緊急需求響應。在輔助服務市場模式下, 需求響應聚合商根據緊急情況下的價格信號, 利用動態規劃法優化資源來實現頻率調節。文獻[88]利用分散式牽制控制策略來協調大量發電機組和大量負荷聚合商的運行, 從而讓發電機組和溫控負荷同時提供負荷跟蹤服務。發電機組通過反饋控制調節機組轉速來響應指令, 分布式溫控負荷聚合商調節溫度設定點來改變聚合的總功率。

3. 需求響應參與輔助服務市場

隨著各國電力體制改革的深入, 市場機制逐步完善, 輔助服務市場的建立可以鼓勵需求響應參與電力系統控制, 并且可以補償提供需求響應的用戶。美國基于電力庫的市場機制針對遠期和實時市場、聯合優化的能源和輔助服務市場、節點邊際電價和金融輸電權市場都采用雙結算系統[89]。當前的輔助服務市場主要包括旋轉備用、非旋轉備用和頻率調節[90-92]。隨著智能電網及可再生能源的發展, 規范這些新興市場的規則仍在不斷變化, 但是必須要保證需求響應資源可以得到公平的補償。為了衡量需求響應的參與效果從而確定補償量, 負荷資源需要通過基準測試, 并且在長期運行下保持良好的表現[93]。美國ERCOT, MISO, PJM和NYISO通過引入需求響應資源提供輔助服務, 除此之外, ISO-NE, BPA和CAISO開展了一些試點項目, 傳統電力市場正逐步向需求側的靈活資源開放。但是目前看來這些需求響應項目的參與度很低[5]。隨著通信設施變得更可靠, 應用更廣泛, 智能設備間的互動越來越便捷。大量智能設備可以協調動作完成電力系統所需的調節量。電網公司和用戶之間雙向的信息流和電力流, 促進了需求響應提供輔助服務, 例如削峰、削負荷和旋轉備用等。因此, 有效開展需求響應可以提高電力市場效率和系統運行穩定性[7]。

中國電力輔助服務市場建設與電力市場化進程相伴相隨。2009年5月, 京津唐電網根據華北區域輔助服務與并網考核實施細則, 率先在全國建立了基于成本加合理收益的輔助服務交易機制, 隨后輔助服務交易陸續在華東地區等地開展。2015年3月《進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發〔2015〕9號)發布后, 將輔助服務市場建設視為一大重點, 同時也對需求響應工作產生深遠影響。自2013年國家開展電力需求側管理城市綜合試點建設以來, 北京、上海、蘇州、佛山分別建立了可服務城市運行保障工作的需求響應調峰資源庫。經過多年的試點培育, 中國需求響應試點工作形成了政府主導、電網企業支持、新型負荷聚合商和電力用戶參與的需求響應工作體系。對于需求側資源參與輔助服務, 2016年5月國家能源局發布《國家能源局關于促進電儲能參與“三北”地區電力輔助服務補償(市場)機制試點工作的通知》。提出用戶側建設一定規模的電儲能設施, 作為獨立市場主體或與發電企業聯合參與調頻、深度調峰和啟停調峰等輔助服務。

2016年11月發布的《規劃》對大力提高需求響應能力作了部署, 將需求響應作為提升電力系統調峰能力的重要手段予以提出, 明確了需求響應的作用和價值, 對今后推廣需求響應應用具有極其重要的意義。隨著輔助服務市場的發展, 未來高比例可再生能源接入對系統輔助服務交易, 尤其是調動需求側儲能資源參與輔助服務提出了更迫切的需求。構建完善的輔助服務市場是中國電力市場建設工作中的重要環節, 未來電力輔助服務市場化還有很長一段路要走, 需要借鑒國外需求響應的實施及市場設計的經驗, 建設適應中國國情的需求響應提供輔助服務的市場機制。

目前, 對于需求響應提供輔助服務的商業化的研究很少, 還無法準確計算需求響應供應商的潛在收益[94]。有學者對工商業需求響應進行了經濟性分析[9,95], 可以發現雖然不同地區的市場機制存在差異, 但是這些需求響應資源很快將會在現有的輔助服務市場出清機制下具有較大的競爭力。文獻[96]比較了3種需求響應參與備用市場的合同設計方法:基準點分析法、集中式合約設計和分散式合約設計。仿真結果表明, 3種方法各有利弊, 用戶隱私和成本等因素都會影響需求響應效果和負荷聚合商的收益。對于用戶來說, 與傳統的緊急需求響應項目相比, 參與輔助服務響應頻率低, 年削減負荷小時數要小得多[97-98]。對于零售用戶和終端負荷來說, 其更傾向于參與輔助服務項目。值得注意的是, 雖然需求響應提供輔助服務具有成本低、響應快、安全可靠的特點, 但是對于那些需要長時間響應、必須具有大量能源儲備的服務, 更適合讓發電機來提供。因此, 不能盲目追求需求響應規模的擴大。電力系統對輔助服務的需求量是有限的, 負荷的過度參與可能會提供超過系統需求的輔助服務[5], 這對于電力系統穩定是不利的。負荷聚合商需要考察負荷參與輔助服務的投資價值, 不能盲目跟風。

4. 中國需求響應參與輔助服務市場的障礙

4.1 觀念的轉變

需求響應在市場環節的應用, 受到傳統觀念的限制。目前中國尚未實現真正的市場化競爭, 主要是通過政策引導, 當系統突發擾動或容量缺額時采取的強制性手段。同時傳統觀念上認為輔助服務應該由發電側提供, 發電側必須時刻滿足用戶需求。為了優化資源配置, 提高用電效率, 應該挖掘負荷參與提供輔助服務的能力, 使用戶自愿參與到輔助服務市場中, 自覺改善其用電特性, 實現系統優化運行。

4.2 技術的支持

雖然世界各國的學者們已經意識到負荷可以被用來提供輔助服務, 但是要想把負荷和傳統的發電側資源同等對待需要克服技術上的難關。可以從需求側、系統運營商和通信3個方面加以分析[5]。

1) 需求側。參與輔助服務的需求側資源可能會同時參與能源市場和容量市場。因此, 需求側的技術要能夠成熟、有效地克服負荷參與多種市場交易的約束。另一方面, 輔助服務市場對參與用戶的要求非常嚴格, 比如要求具有一定的上下調節容量、提供的輔助服務容量能夠保持特定的時間等[99]。即使在電力市場和需求響應機制建設較早、商業及金融環境成熟的美國, 需求側參與輔助服務市場的數量也十分有限。寬泛地說, 負荷必須要能夠提供具體的響應信息以確定在不同狀況、不同響應時間和運行狀況下的響應等級。負荷根據信號響應的速度、爬坡速率、響應范圍，以及頻率變化的影響都可以決定負荷響應等級。

2) 系統運營商。由于負荷特性受到季節、節假日、峰谷時刻等不同因素的影響, 系統運營商需要對需求響應資源進行建模, 而不僅僅用和發電機相同的參數來表示提供輔助服務的需求響應資源。同時需要考慮需求響應資源的不確定性, 鼓勵小用戶通過聚合商或其他形式參與到輔助服務市場中。

3) 通信。通信網絡的發展使得通信安全標準的缺乏問題日益突出。由于通信安全問題導致大型負荷聚合商運作偏離預期會影響系統穩定性。通信的安全可以降低運行成本, 也包括負荷參與成本。

4.3 輔助服務的合理定價

根據國外的以發電側為主的輔助服務市場定價機制, 輔助服務價格透明且包括兩方面內容:有效投標和機會成本[100]。輔助服務供應商通過有效投標回收邊際成本, 如由于耗熱率降低引起的損耗增加和燃料消費的增長。如果供應商為了提供輔助服務放棄了能量交易, 就會產生機會成本。同理, 如果負荷為了響應調度指令而時刻準備著削減用電量, 也會產生機會成本。不同于發電機響應特性, 通常負荷響應時間過長會產生巨大的成本。因為對許多負荷來說, 無法長時間減少用電量, 一旦響應時間增長, 響應成本會急劇升高。除了機會成本, 負荷參與提供輔助服務的成本還有投資成本, 包括通信和控制設備的投資成本、實時遙測技術的成本等[5]。然而, 如今的以發電側為主的輔助服務市場定價機制都是基于機會成本。在這樣的市場規則下, 機會成本計算復雜并且受投資成本影響很大的需求側資源很難準確評估提供輔助服務的成本效益, 也就難以建立一個公平公正的市場競爭環境。

理論上通過需求響應獲得輔助服務與發電側提供相比成本更低, 需求側資源的報價應該偏低。在輔助服務市場建立初期, 為了吸引投資, 需求側的輔助服務供應商會竭力縮減成本、降低報價。為了鼓勵金融市場穩定發展, 防止發生惡性競爭, 政府應該給予提供輔助服務的需求側資源一定的經濟補償。例如：給予購置特定智能可控設備的電力用戶適當比例的折讓[101], 應對分布式電源、儲能、電動汽車等新興需求側資源給予一定的政策扶持, 對分布式能源對電網供電提供電價補償, 對電動汽車用戶實行電價折扣等獎勵機制[102], 以鼓勵需求側資源積極參與輔助服務市場。要建設科學、合理和權威的輔助服務價格體系, 還需完善相應的監管手段和法律法規[103]。中國應在建設能量市場的同時構建合理的輔助服務定價機制, 促進需求響應資源在提供輔助服務方面的發展。

5. 結語

中國現階段還處于電力市場發展探索階段, 市場建設尚未完善, 還有許多亟待解決的問題。因此, 對于輔助服務市場及需求響應參與機制的研究與實踐, 應該結合中國電能市場的現狀及世界能源改革的發展趨勢。需求側資源的市場化應用還需要長時間的實踐和檢驗, 除了需要排除技術上的障礙外, 還需要理清體制和觀念問題。

1) 需求響應資源參與電力輔助服務市場, 可以提高系統可靠性、靈活性, 優化資源配置, 提高用電效率, 具有重要的社會效益。充分利用負荷的實時可調節能力, 發揮其響應速度快、響應效果可靠、響應成本低的優勢, 可以極大地提高系統的間歇性新能源接入能力和系統安全穩定性, 考慮需求響應的電力輔助服務市場設計已成為當前研究的熱點領域之一。

2) 主要發達國家都開展了輔助服務市場設計的研究, 提供了多種輔助服務市場運作模式。大量的實踐經驗及示范工程都表明:需求響應參與輔助服務市場具有可操作性和實際應用價值。

3) 中國新一輪電力體制改革提出的“三放開、一推進、三強化”正是圍繞電力市場建設而展開。對于輔助服務市場化建設的研究還非常初步, 需要相關政策協調及相關技術標準的支持, 如市場準入標準、獎懲機制等。中國應加快設施建設、相關研究和用電側市場化進程, 推進輔助服務合理定價和相關規則、標準制定進程, 促進需求響應在中國輔助服務市場的應用和發展。

參考文獻略

作者：沈運帷,李揚,高賜威,周磊

原標題:需求響應在電力輔助服務市場中的應用