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      负荷聚合商参与电力市场的框架设计
      2018智能电网增刊
      汤庆峰,何成明,董少峤
      国网冀北电力有限公司经济技术研究院,北京 100038
      摘要: 随着市场观念逐渐引入电力系统,系统对需求侧的重视程度和互动程度被提升到新的高度,电力系统的利益主体逐步多元化。负荷聚合商作为电网侧和用户侧中间重要的协调机构,发挥着越来越重要的作用。本文基于负荷分类,给出了负荷聚合商的定义,并就我国电力市场发展现状,对负荷聚合商参与电力市场的框架结构、应用场景、商业模式进行了梳理和分析,分析了负荷聚合商与其他市场主体的关系,对负荷聚合商参与电力市场的关键问题进行了详细论述。
      中图分类号: TM714
      文献标识码: A
      DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.024
      Abstract:
      Key words :

      0  引言

          “十三五”时期,我国能源消费增长换档减速,保供压力明显缓解,供需相对宽松,能源发展进入新阶段。在供求关系缓和的同时,结构性、体制机制性等深层次矛盾进一步凸显,成为制约能源可持续发展的重要因素[1]

          “十二五”期间,我国风电、太阳能装机规模年均增长分别为34.6%、177%,达到13 075万千瓦、4 318万千瓦。风电、光伏发电等可再生能源出力具有波动性、间歇性等特点,当可再生能源并网容量达到一定比重时,将给电网稳定运行带来诸多挑战:增加电网调峰压力[2],增加电网运行方式及备用容量配置难度[3],影响电能质量[4],影响系统安全稳定性[2]

          我国可再生能源发展迅猛,一方面弃风弃光率居高不下,另一方面大量高载能负荷由于生产用电成本过高而停产[5],既要保证大电网的安全性、稳定性,也要提升可再生能源利用水平,制定兼顾经济性和安全性的调度原则和方式[6],进一步优化电力调度运行成为下一阶段电力发展规划的重要内容。

          随着通信设备水平、智能电网技术的不断发展,传统的电网侧集中调度模式面临极大挑战,传统的负荷也随着互联网技术的不断发展,逐渐成为可参与统一调度的新资源。电力发展“十三五”规划(2016-2020年)明确提出大力提高电力需求侧响应能力,建立健全基于价格激励的负荷侧响应措施;完善推广电力需求侧管理,提高负荷侧大数据分析能力,增强负荷侧响应能力。

          2015年3月国务院发布的《进一步深化电力体制改革的若干意见》(9号文)聚焦配电侧和售电侧,揭开了新一轮电力体制改革的序幕。本次电改首个放开即落在售电市场上进行,中国的电力供应商由此开始多元化发展。同时文件提出,通过市场竞争来确定发、售电价,让电价切实反映电力资源价值。电价改革为推进中国电力零售市场化创造了条件。推进电力系统运行模式变革,加快电力市场(现货)、电力辅助服务市场建设,增强用户参与能源供应和平衡调节的灵活性和适应能力,也是新一轮电力体制改革的重要内容。

          随着市场观念逐渐引入电力系统,系统对需求侧的重视程度和互动程度被提升到新的高度。需求侧管理基本的类型包括削峰、填谷、负荷转移、战略性节电、战略性负荷增长[7]。需求响应(demand response,DR)是需求侧管理的重要技术手段,指通过检测用户对价格或者激励信号做出的响应,继而改变正常电力消费模式的过程[8],用户可通过需求响应项目,主动参与电网调度,提高用户侧经济效益的同时,辅助实现削峰填谷。

      1  可聚合负荷

      1.1  负荷分类

          随着全球电力市场的发展,电力系统的利益主体逐步泛化,多类型需求侧资源在电力系统运行等方面的作用正在被重新定义[9]。含负荷、分布式电源以及储能系统的广义需求侧资源[10]能有效提高需求响应的维度和弹性,可控制的负荷改变了传统负荷被动、刚性、静止的特点[11]。负荷不再是电网负担,而成为含潜在收益的新型资源。

          文献[12]从负荷特征的角度,将用户负荷分为趋势负荷、周期负荷及随机负荷,文献[13]将用户负荷分解为习惯相关与气候相关成分。文献[14]将负荷按可计划、可控、可监视和可检测分类,总结出多种用电场景,具有可推广性。文献[15]考虑居民用户温控负荷的差异性,提出了面向多类温控负荷的聚合模型,并分析温控负荷对DR项目的响应效果。文献[16]认为民用负荷可分解为环境类与习惯类负荷,通过聚类和基于代理的分析模型得到HVAC、照明负荷以及4种家用负荷(洗衣烘干类,炉与烤箱类,洗碗机,广播播放器类)的负荷曲线,进而解决家用负荷能耗问题。文献[17]对商业楼宇进行了负荷分类,通过仿真分析获得了商业负荷数量与负荷转移效果之间的联系和影响。

          文献[11]将负荷分为不可平移、可平移和可削减负荷三类,文献[9]将负荷分为三类,与生活密切相关的强制负荷,不可中断但可延迟的可平移负荷,以及可中断可延迟的可计划负荷。文献[18]讨论了面向需求响应的分散和集中负荷控制,分散控制与集中控制有效结合时才能获得更好效果,对市场环境下负荷参与需求响应提供了具体方法。

      1.2  可聚合负荷

          由于负荷侧资源单个容量较小、数量众多、随机性较强,直接参与电力批发市场并不现实[19]。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[20]。大量的中小型动态可控负荷组合成逻辑上的需求侧复合体,形成规模效应,可实现这一过程的负荷统称为可聚合负荷。则负荷聚合可定义为:将数量众多的可调控性负荷资源整合为一个或多个容量大、可控制的逻辑聚合体。

          聚合体在启动时间、持续时间、控制方式上具有相似性,由于容量远超单个用户侧负荷,将提升系统运行的可靠性,适应调峰、调频等多种场景。负荷聚合的目的主要包含三方面[21]:(1)调度潜力巨大;(2)挖掘需求响应潜力,提供多种辅助服务;(3)适应系统需求。其优势在于,不仅能够平抑间歇性能源负荷波动、降低系统峰谷差,而且与增加装机容量相比,投资成本低,具有良好的社会效益和经济效益。

          文献[21]对大量分散、随机性高的负荷进行集中建模,将负荷聚合分为主动聚合、被动聚合两类,系统分析了各自的聚合对象和应用场景。其中,主动负荷聚合的对象主要可分为:可转移负荷、可中断负荷、可平移负荷。

      1.3  负荷聚合商的定义和作用

          发达国家提出一种新的专业化机构,负荷聚合商[22](Load Aggregator,LA),是一个整合用户需求响应并提供给市场购买者的独立组织,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,提供市场需要的辅助服务产品。

      针对LA的定义,文献[23]定义LA为一家公司,在提供需求响应资源的电力终端用户,以及想购买这些资源的电力系统参与者之间充当中间人,使他们更多地有效参与电力市场。文献[24]定义LA可以是“市政当局或其他政府实体、能源服务提供商、调度协调者、配电公司、代表单一或许多负荷的其他实体”。

          文献[21]在每次系统调度之前,LA从上级调度部门获取分配的系统功率缺额并制定负荷增加削减目标。用户侧可控性负荷的逻辑聚合体,以需求侧响应的方式参与系统运行,一方面可降低用户的用电成本,还可以促进间歇性能源消纳,降低弃风弃光率。

          市场环境下,LA作为电网侧和用户侧中间重要的协调机构,可以是电网公司调度部门,也可以是市场环境下独立的第三方机构[21]。LA的作用是:

          (1)LA提供的需求响应整合服务可以延缓电源和输配电线路的投资,降低发电成本[25]和用电成本,辅助系统削峰填谷,改善系统运行经济性;

          (2)LA作为中介机构,可以整合用户需求响应资源并将他们引入市场交易,提高需求侧闲置资源利用率,同时也为其他电力系统参与者带来利益[22];

          (3)传递价格信号,提高基于价格的需求响应效率;

          (4)促进可再生能源消纳,提高系统对可再生能源的接纳能力,降低弃风弃光率。

      2  负荷聚合商参与电力市场的框架设计

          负荷聚合商(LA)可以为具有潜在产品价值的需求响应资源提供参与市场调节的机会,已由产品代理商发展成服务整合者[22]

          文献[26]将LA定位于需求响应市场的参与主体。图1为LA参与电力市场的框架设计

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          LA作为一个重要的市场主体可以有选择地进入各种市场,负荷聚合技术是负荷聚合商的核心竞争力之一[21]。文献[19]作为市场主体之一的负荷聚合商,LA不仅经营电能批发零售等传统业务,还承担着整合负荷侧分布式电源和需求响应资源、引导用户有序用电、代表用户与配电系统运营机构(Distribution System Operator,DSO)通信等多重任务。

          文献[26]在综述中国和美国电力需求响应的实施对象、市场手段和执行方式,以及需求响应效益分析基础上,从参与主体、职责划分等角度阐述了需求响应市场建立初期的商业模式。提出了含两个阶段的适应我国电力市场改革进程的、面向电力需求侧主动响应的市场框架。第一阶段注重厘清需求响应产品的类型、竞价与出清方式,批发市场与零售市场关系等,随着市场改革的深入,市场秩序的逐步理顺;第二阶段的电力价格出现波动,这一阶段将建立日前市场、实时市场,逐步丰富零售市场中的各类型需求响应项目。

          随着电力市场改革的不断推进,9号文明确提出在发电侧和售电侧开展有效竞争,培育独立的市场主体,着力构建主体多元、竞争有序的电力交易格局。随着售电侧主体多元化,文献[27]售电主体将主导售电侧的市场竞争,而LA就是其中一类新兴的独立售电主体。

          售电公司作为新兴主体之一,在拓展用户负荷上具有先天优势,或者说具备负荷聚合技术的第三方机构可以整合升级为售电公司,二者在售电市场开放初期,可以作为共同体进入售电侧竞争市场。

      3  我国负荷聚合商参与电力市场的运营机制

      3.1  负荷聚合商的应用场景

          负荷聚合在满足经济层面要求的基础上,需要在技术层面保证负荷聚合的可行性[21],技术层面的应用体现在调频、调峰、平抑可再生能源波动等方面,此外,LA作为一类市场主体对缓解电网高峰电量需求、减缓发输电容量扩建具有重要的作用[27]

          LA可辅助制定用电计划。文献[19]基于可行性假设,提出了LA电能获取策略的宏观架构,分别对分布式发电出力、日前电力批发市场电价的不确定因素建模,获得LA电能获取策略的不确定性模型。所建鲁棒双层优化模型在支路容量、不确定因素等三种场景中仿真结果显示,在兼顾经济性和风险的情况下,可通过给定不同的鲁棒程度要求,确定用电计划和预期收益。

          LA可提高需求侧用户经济效益。文献[28]以LA实时调度消除或减小用户用电违约风险为首要考虑因素,将微型燃气轮机、储能作为紧急性备用,次要考虑克服储能成本的日前效益最大化,提出了的含宏观层、微观层的微网双层调度结构,微观层将LA设置成总分结构,从设计上提升了LA的整体响应能力和消纳分摊能力。模型设置用电贡献度和用电置信度两个指标表征不同类型负荷中,可中断负荷的重要程度以及违约风险。设置考虑用户经济收入和用电意愿度的消纳分摊权值,通过仿真,分析了总分式LA对不同负荷在不同策略置信度情况下,微网运营成本、LA总成本和LA总收益影响之间的作用关系。

          微观层决策过程显示,各LA与用户签订合同,从而获取用户的可中断负荷用电决策权,从权责上界定各方权利和义务,保证可实施性。各LA以调度命令为目标,根据用户的消纳分摊权由高到低安排调度,以保证用户的经济利益和LA的调度计划可靠性

          LA可提升需求侧响应的激励作用。文献[27]将负荷分为峰荷、腰荷、基荷三类,通过仿真计算,获得了不同的违约电量下的储能配置容量,通过对等级划分标准的影响分析,探讨资源等级划分及相应的补偿价格,进而研究了市场机制设计对LA提升其资源等级的激励引导作用。设置违约百分比分级表征不同LA违约情况,并制定相应的等级化补偿标准,以扶持、培育优质LA主体,体现了培育优质市场主体的改革思维。

      3.2  负荷聚合商的商业模式

          文献[26]将当前中国电力市场架构分为三个参与主体:政府(监管者)、电网公司(电能供应商)需求响应提供商(需求响应聚合商和电力用户)、计入电力其他环节用户。电力市场参与主体可分为:政府、电网公司、售电公司(电能批发商)、综合能源服务公司、负荷聚合商、终端用户。负荷聚合商与各主体关系如图2所示。

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          (1)LA与售电公司:具有配电网运营权的售电公司,可以有自己的配电设备和配电网络,在配电区域内与电网企业享有同等权利和责任,LA则不具备同等条件。LA基于负荷聚合技术,可向售电公司提供辅助服务等增值业务。

          (2)LA与电网公司:LA作为需求侧主体之一,代表聚合后的部分终端用户,可向电网公司提供削峰填谷等具有一定规模的需求侧响应,既辅助服务

          (3)LA与综合能源服务公司:后者主要服务对象为园区、工业企业、大型公共建筑等,以能效诊断、节能改造为重点,LA的服务对象相对具体,为包含工业、商业、居民的可聚合负荷。

          可聚合负荷将决策权交付LA需签订交管合同,合同内容应包括[7](不限于):合同有效期;调配时间;调配容量;补偿费用。

      4  我国负荷聚合商参与电力市场的关键问题

      4.1  负荷聚合的量化模型及调控策略

          传统上的负荷聚合,是将负荷的外部特性聚集后进行集中调配,要想把负荷聚合与需求响应相融合,对电网提供辅助服务,需从需求侧、系统运营商和通信3个方面加以研究[20],同时,需考虑负荷聚合的不确定性[21],目前负荷聚合不确定性的研究成果较少。

          文献[29]分析了居民负荷用电特点,将居民用户负荷分为三类,以相邻时段负荷方差最小为优化目标,建立居民负荷双层调度模型,考虑了居民用户调度可行性,保证负荷削减偏差最小的同时,最大化负荷聚合商的利润。算例仿真分析结果表明,所建立的分层调度模型可有效实现居民负荷的需求响应,并使得电网公司、LA和用户三方均受益。文献[30]对空调系统的建模方法、空调负荷的聚合模型以及控制模式进行了详细综述与分析,在空调负荷的调控策略中未考虑调度空调负荷对用户舒适度的影响,对空调负荷的调度方式、合作方式等问题未加以论述。

          负荷聚合模型的运行控制是一个多变量(大量控制对象)、多目标(如经济指标最优、用户满意度最高等)、非线性的动态随机控制模型[21]。目前聚合模型及其调配策略在实际负荷中的部署实施方面,还需要进一步研究。

      4.2  我国电力市场建设

          我国目前正处于电力市场改革起步阶段,售电侧市场运营机制尚未成熟,需求侧响应所需的智能电网技术、通信技术、高级量测体系等关键技术的应用处于起步阶段。LA作为重要的市场参与主体,在国内尚未出现。LA整合需求侧资源的技术手段和应用尚处在理论研究阶段,但是其应用潜力将对电力系统的运行带来巨大的经济效益和社会效益。在国内推广负荷聚合商,不仅需要理论和技术上的论证,还需要电力市场机制的不断完善。我国应加快售电侧改革进程,加快培育多市场主体,通过市场手段更好的优化需求侧响应资源,建立有效的LA运营机制。

      5  结论

          本文对LA的应用场景、商业模式、关键问题进行了分析,构建了LA参与的市场框架,对各市场主体的区别和业务范畴进行了综述。

          LA作为电力市场的重要市场主体,不仅为中小用户提供参与需求侧响应的机会,改善需求侧资源的经济型,还可以在电网调峰调频、可再生能源消等问题上提供辅助服务,降低电网建设和运营成本。我国这一重要领域目前处于空白期,虽然其潜力巨大,但是从理论研究走向工程实际还要依靠政策支持和我国电力市场大环境建设的不断完善。

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      汤庆峰,何成明,董少峤

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