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          深度文章 | 能源互聯網環境下的多能需求響應技術

          2020-10-23 11:20:57 來源:電力需求側管理   點擊量: 評論 (0)
          摘要∶提升清潔能源特別是可再生能源在終端的消費比例,及實現多種能源類型的綜合互補配置,是能源互聯網的發展趨勢。能源互聯網環境下,對

          摘要∶提升清潔能源特別是可再生能源在終端的消費比例,及實現多種能源類型的綜合互補配置,是能源互聯網的發展趨勢。能源互聯網環境下,對需求響應的要求也從傳統方式過渡到多能綜合需求響應。首先概述了國內外能源互聯網的發展及相關項目與政策;其次,對常用的需求響應技術如自動需求響應技術、儲能技術、信息與通信技術、電力計量技術、智能控制技術、負荷聚合技術等進行了梳理介紹與分析。著重分析了能源互聯網環境下的自動需求響應技術、儲能技術、信息與通信技術的發展重點,其中信息物理系統與接口標準是自動需求響應技術的關鍵,儲能技術的重點是降低成本,信息與通信技術側重于區塊鏈及5G等新技術的應用。最后,總結各需求響應技術未來的發展方向及面對的問題,并提出促進多能需求響應技術發展建議。

          (來源:《電力需求側管理》作者:黃 豫,邵 沖,郝 潔,柴明哲,高賜威,陳 濤)

           0 引言 

          我國是能源生產及消費大國,能源的發展借助科技與產業革命進入到升級轉型期。能源產業與互聯網深度融合,多種能源互補發展,能源互聯網以能源為主體、互聯網為手段推動綠色清潔發展滿足電力需求",特別是促進可再生能源消納問題。 近年來,包括中國在內的一些國家對能源互聯網的概念與發展模式及特征、實施環境及技術要求有較多研究》,針對清潔能源、分布式電源、智能電網及互聯開展了儲能技術、信息通信技術、電網技術、電源技術、能源轉型分析及源網荷儲聯合優化技術等方面的研究,為能源互聯網的發展奠定了技術及實施基礎。 各類能源最終都在消費端實現其利用價值,長期以來消費端對于用能沒有選擇權。借助能源互聯網,電、冷、熱、氣等多能互補使用,拓寬消費端用能選擇權,加強各能源體系間耦合程度,進而推動了生產端的能源互聯互通,打破了不同能源體系間壟斷壁壘,提升了能源服務。電力需求響應通過電力消費端與電能生產端互動,有效平衡電力供需",給予電力消費端一定的用電選擇權。而能源互聯網環境下的多能需求響應,能源消費端根據電價機制或激勵機制,改變其使用能源的方式,從而實現能源供需調整。 目前對需求響應技術的研究一方面較多研究了電力需求響應機制,基于電價型的需求響應技術是用戶被動態電價引導,出于經濟性而改變用電方式,其定價機制包括分時電價》、尖峰電價"、實時電價"等?;诩钚偷男枨箜憫夹g是指用戶根據設定的懲罰獎勵機制出于經濟效益最優而改變用電方式,,傳統的負荷控制方式主要有可中斷負荷、直接負荷控制"等,目前多個省份采取了用戶側通過需求側競價方式參與需求響應,逐漸向市場方式過渡。對于多能需求響應的研究主要集中在建模及優化分析方面,文獻【10】分析了自動需求響應技術在能源互聯網中的應用及相關問題,文獻【11】研究了電熱互聯的優化調度,文獻【12】研究了冷熱電聯供的互補優化,文獻【13】利用深度學習模型研究多能系統運行策略,文獻【14】通過柔性負控技術提升用戶參與需求響應意愿,文獻【15】研究了采用儲能系統彌補分布式光伏出力波動的優化問題,文獻【16】從價格機制的角度研究源荷互動的多能系統。本文通過對較為前沿的自動需求響應技術、儲能技術、信息與通信技術、電力計量技術、智能控制技術、負荷聚合技術等在多能領域的應用和發展進行梳理,為需求響應的支撐技術研究工作提供參考,促進需求響應工作順利進行。 

          1 能源互聯網的發展 

          能源互聯網作為能源交易載體,由包括電力網和其它種類能源網絡構成,將分散在各處的多種能源通過網架送至消費端。在能源互聯網的概念中,能源不僅指傳統的化石能源也包括新能源,一次能源與二次能源的相互耦合?;ヂ摼W不僅指能源流通的物理渠道,也包含打通多元能源參與主體及消費終端間連接的信息通道,體現能源流與信息流的聯合,通過信息網的數據挖掘支撐能源網的調度。能源互聯網支持各類能源作為商品通過互聯網平臺進行交易及分配的業務,最終達到資源優化配置能力強、綠色低碳、安全可靠的目的。 在歐美地區,能源互聯網開展得比較早,并通過不同的項目進行研究。美國的the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System項目,開展配電網的能源互聯探索;歐盟的Future Internet ForSmart Energy項目,構建了以信息通信技術為基礎的智能能源系統;德國開展了E-Energy項目,能分 析負荷的需求響應潛力,推動能源高效利用;瑞士的Vision of Future Energy Networks項目側重于多能傳輸系統及分布式能源的轉換和存儲"。 2016年國家發改委及國家能源局的相關部門發布了《關于推進"互聯網+"智慧能源發展的指導意見》,提出能源互聯網是推動我國能源革命的重要戰略支撐。近年來,能源互聯網以促進可再生能源消納推動能源產業變革,借助互聯網平臺拓寬能源服務領域。 在多種能源互聯的大背景下,除了本身必備的物聯網技術及能源網關技術等要求外,在智能電網環境下開展需求響應,對需求響應技術及其實踐應用也提出了新的要求。 

          2多能需求響應技術 

          隨著能源互聯網的發展,可以將冷、熱、電等多種能源納入需求響應范圍內,即多能需求響應。多能需求響應技術可以利用冷、熱、電等不同能源的產能、用能需求在時間以及空間上的特性差異,實現多能互補。也意味著當用戶改變對某一種或多種能源的需求時將會影響到另一種能源的供求關系?;诖?,,用戶可對不同能源的需求進行調整,同樣可以達到相同的削峰填谷、緩解用能緊張的效果,實現多元用戶的多能需求響應。 多能需求響應可以充分考慮多能系統的耦合關系,利用不同能源的時空互補特性,相比傳統的需求響應方案可以進一步充分挖掘用戶的需求響應潛力,提升響應資源能力,優化用戶的用能結構。并且相比傳統的需求響應策略,能夠使得用戶側的損失更小,同時能夠減少能源網的調度費用,提升用電安全性與穩定性,有利于實現能源網與用戶的雙贏,提高多元化用戶參與需求響應的積極性。用戶側綜合能源系統的互動模型如圖1所示。

          深度文章

          而實現能源互聯網下的多能需求響應需要眾多技術作為支撐∶儲能技術可以解耦能量的生產和消耗,在多能需求響應中用戶側的電、熱、冷系統的耦合程度很高.儲能技術的支撐尤為重要;負荷聚 合技術可以將中小用戶的需求響應資源聚合起來參與多能需求響應;多能需求響應下的信息與通信技術能夠支撐交易及結算過程;電力計量技術可以準確計量采集和存儲多能需求響應技術下的用戶數據;智能控制技術可以實現多能需求響應技術下的能源協調控制;自動需求響應技術可以完全不依賴人工操作,靠信號觸發需求響應實施程序自動調度負荷等等。具體的相關技術介紹如下。

          2.1 自動需求響應技術 

          自動需求響應技術是在智能電網的基礎上,靠信號觸發需求響應實施程序自動調度負荷,而完全不依賴人工操作。隨著多能需求響應的發展,自動需求響應技術需要拓展到多能領域,自動需求響應應當包括參與多能需求響應用戶端數據采集、傳輸、分析形成可調資源庫,當出現高電價或需要維護電網穩定性時向用戶端能量管理系統發送觸發信號,當接收到觸發信號后按照預先制定的負荷設備與分布式電源設備控制邏輯方案,實施需求響應完成削峰填谷,并將信息反饋至自動需求響應服務器,觸發條件及執行邏輯均可預定,如果需要修改則將新的策略重新寫入控制程序。 國外自動需求響應技術已開展了系統框架、運行模型及機制等研究,日本已經試驗驗證自動需求響應技術的可行性。國內在這方面剛剛起步,江蘇、上海、山東已展開相關研究。 信息物理系統(cyber physical systems,CPS)能夠支撐網荷間信息交互,支持多能需求響應用戶側設備接入被主動識別的功能,能使網荷側信息快速達到協調共享。目前江蘇、上海已建立CPS并融合了實時仿真平臺,更全面的功能有待進一步開發。另一關鍵技術是網荷接口標準,國際上網荷通信較為主流的協議標準為美國的OpenADR20,國內目前已發布行業標準《DLT1867——2018電力需求響應系統信息交換規范》,有助于統一和規范設備通信接口,提高需求響應效率。 自動需求響應不同于傳統的需求響應,特別是在自動化程度及對觸發響應時間方面,二者的不同如表1所示。 其它各種能源的供需平衡的實時性遠不如電能,自動需求響應從時效性方面來說主要在電力領域中發揮作用。而對于可靠性、自動化等方面來說,多種能源的自動需求響應也有其發展的必要性。 

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          2.2 儲能技術 

          儲能技術是指借助某種儲能介質將能量儲存,提高能源消費在時間上的靈活性的技術。電池儲能屬于電化學儲能技術,因電化學儲能不受地理環境限制、響應快、能夠批量生產等特點,發展空間更為廣闊。國內以磷酸鐵鋰電池為主,隨著鋰電池成本下降,鋰電池的發展潛力巨大。鈉硫電池在國外廣泛用于負荷平衡,國內已有示范項目運營。電動汽車、充電樁等儲能資源可實現源荷雙向互動,是目前電能轉移最好的控制方式,是非常優質的需求響應資源。儲能資源低谷時段充電,高峰時段供電,能平衡電網峰谷負荷,對持有者來說能利用峰谷價差盈利。 隨著用戶的能源需求越來越多元化、綜合化,電、熱、冷系統的耦合程度日益加深,用戶側的儲能配置亟需考慮電熱冷儲能系統的綜合配置,使其可以為多能需求響應作支撐。 抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等屬于物理儲能技術,其中抽水蓄能技術最成熟、機組使用壽命長,利用電能與重力勢能之間的能量轉換,能夠大規模存儲電能,十分適合用來調峰。電容儲能技術是利用超級電容器將電能儲存在電場中,目前在國內由于成本太高,市場占有率比較低。儲熱技術主要是靠儲熱材料的升溫或相變來貯存和釋放熱能,經常與其他能源互補使用。冰蓄冷技術利用低谷電制冰蓄冷,在空調負荷高峰時冰融水供冷,能夠調節峰谷負荷。 電容儲能與飛輪儲能的放電時間短但系統功率小,抽水蓄能與壓縮空氣儲能系統的功率大但放電時間長,鋰電池、鈉硫電池系統的功率和放電時間范圍較廣。每種技術各有其優缺點,在目前的儲能市場中仍保持多種技術共存的發展格局,未來高安全性、低成本、長壽命、易回收等相關技術的發展是儲能領域的共同追求。

          2.3 信息與通信技術 

          在多能需求響應中,用戶端除了原有的可調節負荷外,另外會配置儲能、電動汽車等分布式能源,具有源荷雙向調節功能。 與傳統的信息技術相比,區塊鏈技術通過智能合約及加密手段等技術,記錄所有交互信息并進行可靠共享,適應分散的多元能源系統結構。在用戶端的能量管理系統中,通過區塊鏈技術收錄可交易的需求響應資源特征及風、光、儲等能源市場的價格信號,能夠在減少信息傳遞的同時促進資源整合,其強大的查詢與統計功能通過大數據技術實現更高級的管理服務。P2P的去中心化交易方式也能夠降低需求響應交易準入門檻,從而提高參與主體的多元性和積極性。已有研究表明分布式電源與用電設備信息傳遞后,整個需求響應過程能夠實現自動交易和結算1"。 目前5G技術以其高可靠、低延遲、高網速、大容量以及能夠可靠支撐大規模數據信息交互的特點,開啟了互聯網通信加控制的新時代,為能源的傳輸分配帶來了創新的解決方案。在多能需求響應中,用戶設備側安裝的終端,可通過5G技術通信,將設備數據發送到管理中心主站或者云端,并將云端的下發指令傳輸到終端。國網青島供電局聯合華為與中國電信開發建成的5G智慧電網試驗網項目,一期工程已于2020年7月交付投產,是目前國內5G技術在電力系統中應用的嘗試。 通信標準的統一制定,不僅能提升需求響應終端設備的兼容性,而且也有利于需求響應項目的推廣。目前全國智能電網用戶接口標準化技術委員會(SAC/TC549)承擔著標準體系建設工作,于2014 年啟動電力需求響應標準體系制定,相應的國家標準、行業標準等都在統籌制定中。較早使用的OpenADR標準因涉及付費授權與網絡安全等問題,在行業標準《DLT1867——2018電力需求響應系統信息交換規范》發布后,將逐步被取代。

          2.4 能源計量技術 

          區別于傳統的需求響應,多能需求響應使用計量技術采集存儲并分析多元用戶端數據時,對采集數據的及時性、有效性和傳輸數據的快速性、可靠性要求更高。 在電力領域電力計量技術采集存儲并分析用戶端數據,采集數據的及時性、有效性和傳輸數據的快速性、可靠性關系著需求響應結果認定的精確度。量測體系實現網荷信息互動,為需求響應提供硬件支持,是部署需求響應的技術前提。我國從2019年起正式實施國家標準《GB/T37016——2018 電力用戶需求側響應節約電力測量與驗證技術要求》,該標準規定了參與需求響應的用戶節約電力的測量與驗證方案等。在多能領域的需求響應測量和驗證技術還有待發展。 電力計量在應用中堅持穩定、成熟的技術路線,隨著自控技術與通信技術的發展而不斷進步,在應用中更高效安全,自動化智能化程度更高。

          2.5 智能控制技術 

          多能需求響應需要對多種能源進行協調控制。智能控制技術是指在無人為干涉情況下,具有一定的自主驅動實現目標控制的技術,是控制理論的高級發展階段。自動控制技術在使用時,在設備控制中內置算法,被觸發時實現控制功能,常用的算法有模糊控制、遺傳算法、神經網絡算法等。 目前在能量管理系統、智能電器及電網友好型設備等方面應用廣泛,以滿足智能電網及需求響應的要求。發展最快的是家庭能量管理系統,將整個家庭的電器連接成一個局部網,可實現遠方遙控功能。此外,對分布式電源如儲能、光伏、電動汽車等的協調控制也是智能控制的重要研究內容。

          2.6 負荷聚合技術 

          區別于傳統的需求響應,多能需求響應的負荷聚合對小容量的居民和商業用戶的電、熱、冷等多種能源進行聚合,其數量龐大但單個容量小,參與需求響應意愿較強且對社會經濟影響小,但參與途徑不暢,而負荷聚合技術將數量龐大且分散的中小用戶的可調負荷與分布式能源,運用數學方法進行整合,形成具有一定規模的資源庫,從而參與需求響應項目。 目前雖然負荷聚合技術方法較多,其中對于負荷的建模不易,建模的好壞直接影響聚合的效果。另外聚合結果多為總體資源潛力水平,分解至用戶的方案不唯一。 

          3 多能需求響應技術發展方向與挑戰 

          (1)自動需求響應技術使電網運行更可靠穩定和經濟,其發展以來通信技術、接口標準等一系列技術都在不斷地進步,目前雖然受限于需求響應的運行機制限制及自動化的發展水平,但在未來是需求響應功能優化升級的大方向,從提升自動化水平和可靠性水平考慮,自動需求響應也可推廣至多能系統。

          (2)儲能技術雖然存在高成本、有技術瓶頸等問題,但近年來成本降低和性能提升較快,,未來儲能技術將在多能需求響應領域扮演更重要的角色。

          (3)區塊鏈技術在多能交易研究方面有較大的應用前景,鑒于其對于分布式交易的重要支撐作用,可以預期其在多能交易方面將提供重要的技術支持。特別是在5G通信的普及和應用下,區塊鏈將成為需求響應商業模式的基礎應用技術。 

          (4)在智能控制技術方面,未來將配合自動需求響應,依托人工智能算法,實現對于用戶用能特性的準確感知和精準控制,提升多能需求響應品質。 

          (5)負荷聚合商是規?;枨髠荣Y源應用的關鍵主體,通過準確把握負荷特性,將單個散布的需求側資源聚合為體量客觀的需求側單元參與批發市場應用,可探索云儲能、共享儲能、虛擬電廠、虛擬能源站等多種商業模式,實現負荷聚合在多能領域的應用和發展。 

          4 結束語 

          電、熱、氣等多元能源的綜合配置將提高能源利用效率,本文從能源互聯網下多能需求響應的角度,介紹了多能需求響應視角下的自動需求響應技術、儲能技術、信息與通信技術、電力計量技術、智能控制技術、負荷聚合技術的發展與應用,并對各技術的發展方向及面對的問題進行了總結分析。隨著未來多能需求響應被廣泛地接受,其發展空間將不斷擴大,更深入地研究相關支撐技術也將變得越來越重要。

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          責任編輯:張桂庭

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