美国电力需求侧调频实践及其对我国的启示

2016-01-16陈大宇,张粒子

现代电力 2015年5期

关键词：需求侧电力市场

文献标志码：A

美国电力需求侧调频实践及其对我国的启示

陈大宇，张粒子

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206)

Frequency Regulation Practice at Demand Side in USA and Its Enlightenment to ChinaCHEN Dayu, ZHANG Lizi

(School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

摘要：近年来，在美国出现了应用需求侧电力资源进行电网AGC调频的新技术。本文系统地分析了需求侧调频的概念、可用于调频的负荷类型及特性、需求侧调频对各个环节的关键技术要求和商业模式等。最后，结合中国电力辅助服务市场的发展情况，提出了需求侧调频的推广建议。

关键词：需求侧；AGC调频；电力市场；负荷特性

文章编号：1007-2322(2015)05-0021-06

中图分类号：TM732

收稿日期：2015-03-17

作者简介：

Abstract：In recent years, a new technology of AGC frequency regulating for power grid by applying power resource at demand side is proposed in the United State. In this paper, concept of frequency regulation at demand side, load category and its characteristic applied in frequency regulation, key technology requirements of each link needed in frequency regulation and commercial modes are systematically analyzed. In the end, promotion suggestions on frequency regulation at demand side are proposed by combining with the development of power ancillary service market in China.

Keywords：demand side; AGC frequency regulation; electricity market; load characteristic

0引言

传统的自动发电控制(AGC)是电网调度自动化系统一项重要和基础的功能，是指发电机组根据调度中心AGC系统发出的有功调节命令，自动调节机组的出力使电网的频率和联络线净交换功率维持在计划值的闭环调节过程。普遍来讲，负荷不具备调度层面的可控性，只以自身需求为目标完成电力的使用，电网调度以被动跟踪完成调频运行。

自20世纪70年代以来，对电力负荷的有效管理和利用一直是全球电力行业探索和努力的重要方向之一。近年来，通信技术、监控技术以及工业控制自动化等技术的快速发展，为调度中心对负荷进行一定的控制提供了技术基础。同时，在市场化较为发达的美国，相关新政策和价格机制为新技术的应用和商业模式提供了基础，逐步出现了应用电力负荷进行电网AGC调节的示范项目以及商业化运营的项目。

1需求侧调频的概念

在当前的电力系统中，可控资源主要为常规发电机组，包括火电、水电、燃气以及抽水蓄能等机组，这些可控资源可以由电网调度中心控制其出力状态和水平达到跟踪负荷变化的目的。例如，当电网频率升高，调度中心下发功率下调指令至区域内可用发电机组；相反，频率降低，机组会接受到上调功率的指令，以维持频率平衡。同理，调节负荷的变化也可以实现频率控制的目的，如图1。

图1　电力系统功率平衡原理图

当负荷接受调度中心直接控制，频率升高时，电网可以同时下发指令到可控负荷，提升负荷的使用功率，反之亦然。调度中心可以通过控制发电机组和大量的可控负荷资源进行频率的控制，从而使电网的控制能力以及灵活程度大幅度增加。

电力用户参与电力系统平衡目前主要有两种方式，一是需求侧管理，二是需求侧响应[1]。需求侧管理(DSM)是指通过采取有效措施，引导电力用户优化用电方式，提高终端用电效率，优化资源配置，改善和保护环境，实现最小成本电力服务所进行的用电管理活动的总称。需求响应(DR)是指当电力批发市场价格升高或系统可靠性受威胁时，电力用户接收到供电方发出的诱导性减少负荷的直接补偿通知或者电力价格上升信号后，改变其固有的习惯用电模式，达到减少或者推移某时段的用电负荷而响应电力供应。

需求侧调频属于需求侧管理的一部分。需求侧调频是指将电力负荷作为电网的可控有功调节设备，根据电力系统的频率以及联络线平衡状况，由电网调度中心实时下发有功调节指令到特定负荷，负荷自动根据指令要求进行功率调节的过程。但与常规需求侧管理的节能、能效以及需求响应等技术有着显著的差别。首先，需求侧调频不会根据实时电价进行响应，在不影响需求侧的正常使用的前提下，需求侧调频只对电网的调频指令进行响应，并应尽可能地做到及时、快速、精确的功率调节。其次，需求侧用于电网调频不会直接使负荷产生节能的效果，由于调频指令为功率上调和下调交替进行，并不增加或减少电量的正常使用。再者，需求侧调频功能需要可调电力负荷每天24h随时接受调度指令，并进行相应的功率调节，该类负荷可能每天要进行上百次或更多的功率调节动作。然而，常规需求响应技术通常是在年度或者季度的负荷高峰辅助电网调峰，缓解发电容量紧张的状况，需求响应在一年中通常只发生有限的几次。

2调频负荷特性

2.1负荷的分类及特性

应用需求侧的用电设备为电网提供调频服务，首先要保证需求侧负荷设备能够完成其自身的正常功能，如工业负荷设备需要保证工业企业的正常生产，商业负荷设备需要满足商业的正常运营[2]。根据调频过程对负荷的控制动作，可将参与调频服务的负荷分为下面两大类。一类是“调节负荷”，通过在一定范围内调节负荷的某个参数，控制负荷从电网中吸收的功率，实现调频，如电解铝、空调、冷库等。这类负荷参与调频服务有如下特性：①影响正常生产运行的关键因素有较大的惯性或一定的可变范围；②电力负荷可短时变化，但要保持平均值的长期稳定。另一类是“开关负荷”，通过远程控制负荷的投入或切除，实现调频，如电动汽车充电站、洗衣机、洗碗机等。这类负荷参与调频服务有如下特性：①负荷可利用闲散时间(slack time)运行，从系统吸收功率；②负荷对开启和关闭的时间要求不严格。

应用需求侧资源进行调频，对电力负荷来讲，由于需要根据电网的AGC调节需求来调整负荷使用的功率，因此在短时间尺度内，例如以分钟为单位，负荷使用功率的方式与不受电网控制调频的情况相比，发生了一定的变化。然而，为保证用电设备正常发挥功效，在一定的范围内，AGC调节并没有改变负荷的总消耗电量(kWh)。如图2，某电力负荷最大使用功率为1 000kW，最小使用功率为500kW，当负荷处于自然使用状态，其在26min内的功率变化如不受控功率曲线所示。当该负荷在执行正常功能的同时接受电网控制，其功率变化如受控功率曲线所示。但不受控与受控功率曲线的面积是相同的，只是该负荷的使用高峰从前者的第3min移动到后者的第9min。

图2　负荷运行功率比较

参与调频服务的负荷分布于工业、商业以及居民日常生活等各个方面。表1列举出了部分可用于参与调频服务的负荷示例。

表1　可提供调频服务的负荷示例

2.2实例分析

2.2.1电解铝

电解铝是将强大的直流电通过以氧化铝为溶质、熔融冰晶石为溶剂的电解质，在电解槽中使氧化铝分解还原成金属铝的电解反应。单个电解槽的工作电流高达数十万安培，工作电压低至几个伏特。实际生产中，常将数百个电解槽串联形成电解槽组，其耗电量和用电功率可以通过调整工作电压进行控制。

电解铝的生产主要通过控制电解槽的温度来确保冰晶石和生产的铝处于熔融状态，并通过控制输入电解槽的电能来维持其热平衡。每个电解槽都有大量的热质量，具备数小时级别的热时间常数，这为电解铝负荷的功率短时波动提供了基础。具体来讲，电解铝可以通过两种方式参与调频[3]：第一种方式是通过控制电解槽组工作电压，小幅度调整电解槽组消耗的电能和用电功率，实现负荷控制的目的。该调整过程适合快速的功率(几秒钟)调节，且无需关闭电解槽组。第二种方式是通过短时间关闭电解槽组，大幅度减小电能消耗和用电功率。单个电解槽组关闭时间可以持续数分钟或更长，具体取决于电解铝厂的实际运行情况。另外，为了实现更灵活的功率控制，可以将多个电解槽组轮流关闭和启动。

2.2.2水/污水处理

污水处理厂是大型的电力用户，其主要的电力负荷包括曝气池鼓风机、泵站和循环活性污泥泵。污水处理过程中，活性泥在有氧的条件下利用好氧生物的代谢活动将废水中的有机物氧化分解为无机物，因此，溶解氧浓度直接影响好氧生物的处理效果，其容许范围为2.0mg/L±1.0mg/L，是出水水质的重要决定因素[4]。曝气鼓风机根据溶解氧的浓度通过变频器(VFD)装置调整鼓风机的转速。因此，在溶解氧浓度的允许范围内，可调控制鼓风机的功率，实现调频功能。此外，在抽水和活性泥循环过程中，还可以通过调整水泵、活性污泥泵的转速控制水、活性污泥的流量以实现以调频为目的的电机功率的控制。

2.2.3电动汽车智能充电

随着电动汽车的数量的增多，电动汽车充电已经成为电力系统负荷的不可小觑的组成部分。对于大多数的电动汽车来说，平均一天行驶1~2h，其余时间处于停放状态。一般电动汽车充满10kWh电能大约需要2～5h。如果利用停放时间为电动汽车充电，以在规定时间内完成指定电量的充电为目标，单台汽车或充换电站在充电功率的控制上具有很强的灵活性和可支配性。

对于这类电动汽车用户，可以由集成商(Aggregator)统一进行充电管锂[1,5-6]。当需要给电动汽车充电时，将电动汽车接入充电桩，并通过特定网络告知集成商，集成商便能自动确定电动汽车充电的时间和方式。集成商根据电网调频指令，采用优化算法，确定车辆的充电功率，并下达充电功率指令至每辆汽车。如此反复，直至电池电量达到用户预期。在所有参与充电的电动汽车中，对于需要“立即充电”的用户，其充电时间不能由集成商灵活控制。然而，当用户用于充电的闲散时间越多，从集成商获得的回报也就越多。

3技术支持

3.1通信

需求侧调频需要依赖通信网络实现电网运行商、负荷集中商以及电力用户负荷之间的数据、指令传输。具体可以通过多种不同的物理网络来实现，如WiMAX、Wi-Fi、电力线载波、ZigBee等等。WiMAX和Wi-Fi都是互联网的无线接入技术，实现调频各方个人电脑、手持终端等终端的无线通信。但前者主要用于远程通信，而后者用于电力用户内部局域网或本地通信。电力线载波是指利用现有的电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。通常用于传输负荷终端(如电动汽车充电桩)电表读数。ZigBee是一种低功耗、短距离传输的无线网络技术。主要应用于智能终端(如智能电表、智能温控器、负荷控制器等)在局域网或本地范围内的通信。

3.2量测

电力用户参与电力需求侧调频，需要在用户负荷侧安装遥测装置，方便电力系统运行商远距离获取负荷信息，对负荷进行可视化控制。为了避免小负荷数据淹没在整个建筑计量数据的噪声中，还需要在小负荷侧安装辅助计量系统。辅助计量系统除可以计量小负荷信息外，还识别各种系统的浪费、表征负荷和故障检测。

目前，美国电力系统中应用比较广泛的量测系统为高级计量架构(AMI)。AMI[7]是一套包含智能电表、通讯网络、数据采集网络以及AMI主机系统和数据库的完整系统。AMI能够利用双向通信网络和记录有用户详细负荷信息的智能电表，定时和即时获得用户带有时标的多种计量值，如用电量、用电需求、电压和电流等，同时还能向用户端发布命令和信息，与用户建立紧密联系。

3.3安全

需求侧调频会涉及到大量负荷的协调控制，如果控制过程中出现人为误操作、软件缺陷以及恶意破坏预期控制的行为，会给电网造成一定的危害[6]。这就要求需求侧调频在法律法规以及技术层面上具有一定的安全措施，如：①限制aggregation entity的大小；②验证aggregators 和aggregation软件；③设计故障检测系统、标记和抑制极不寻常命令(如同时开启或关闭所有负荷)系统；④设计终端用户负载接受指令时做完整性检测(如负荷接收到负荷全开指令，但当负荷检测到电网频率降低，可以自动将接受到的指令标记为无效或直接忽略)等等。

3.4开放式自动需求响应

需求侧调频服务中，包含不同的电力用户、电价体系和通信方式，需要配备一套开放性的通信标准，旨在让电力公司直接透过通用语言及网络来与电力用户进行通讯，并尽可能降低负荷参与成本。

目前，开放式自动需求响应(OpenADR)是最为全面的通信标准。它通过需求响应自动服务器(DRAS)为所有电力公司和电力用户提供通用的语言和平台。针对一则需求侧调频事件，OpenADR系统工作过程如下[8-10]：①电力公司根据电网实际运行情况定义并向DRAS发布需求侧调频事件；②DRAS接受并向DRAS用户端发布需求侧调频事件；③DRAS用户端定时向DRAS取回最新事件；④能量管理控制系统(EMCS)根据预设的调频策略进行反应，向各负荷终端发布需求侧调频响应。

4商业模式

4.1负荷

在不改变电力负荷完成正常功能的基础上，由于不增加电力负荷本身的消耗电量(kWh)，功率发生的时间偏移是以分钟为单位，所以可以忽略以小时为单位的峰谷电价的影响。综合来看，应用电力负荷提供调频并不会对负荷原本的电费产生影响。同时，由于负荷为电网提供了AGC服务，负荷将会获得相应的AGC服务补偿收益。按照目前美国电力市场执行的按效果付费的机制，调节性能好的负荷能够获得更高的调频补偿。但同时要注意的是，应用负荷进行功率调节的过程中，由于负荷的电气设备在频繁变功率的过程中，疲劳、磨损会对设备本身产生一定的维护或寿命上的成本。在进行项目评估的过程中，需比较负荷的常规使用和增加AGC调节功能两种方式之间发生的成本差异。

4.2集成商

由于负荷数量和种类极多，区域电网调度从技术和管理上难以直接与所有负荷建立调度和商务上的关联。美国出现了第三方负荷集成商作为众多负荷与电网调度的桥梁。首先，集成商会同有意愿参与电网调频服务的电力负荷进行前期工作，主要包括：①进行能源审计，评估负荷使用特性和限制条件；②提供技术解决方案，定制功率调节方式和范围，以及通讯、信息安全、量测等基本技术要求；③签订运行管理和商务合同，确定负荷提供调频服务的补偿金额。

集成商会同负荷所在的区域电网公司签订关于调频服务提供商的调度管理协议以及参与调频市场的一系列手续。在电网运行过程中，调度中心直接下发调频指令到集成商，集成商将指令分解并下发至其管理的负荷，由负荷完成功率调节的要求。集成商同时并通过量测系统监测功率响应信息，并回传至电网调度。电网调度中心根据调节效果进行补偿金额的结算。在集成商模式中，当其管理的负荷数量和种类越多，集成商获得的调节能力以及灵活性越高。在不影响负荷正常使用的前提下，能够更好地完成电网调频的功能需求。

4.3电力市场的准入规则与价格机制

需求侧调频也是电力市场化运作的产物，需要公平的市场准入制度和合理的市场价格机制做保障。美国国家能源监管委员会(FERC)负责区域电力市场的顶层设计。2007年，FERC发布法案890允许非传统电源参与调频市场，为需求侧进入调频市场提供了基本制度保障。2011年，FERC发布法案755，制定了调频市场两部制补偿机制，即容量补偿和性能补偿，性能补偿要求市场按照调频资源的调节效果支付补偿金额，该法案提出的补偿规则解决了高性能调频资源获得合理回报的问题。

在美国已经建立了几个较为完善的电力市场，包括PJM, NYISO, ISO-NE, CAISO, MISO等，其调频市场的执行流程主要包括调频容量评估、机组投标、调频市场出清以及调频费用结算[2,11]。区域电网针对用于调频的电力负荷进入调频市场提出了有针对性的要求。以PJM调频市场为例，对于电力负荷的要求包括：

①能够接受动态调频指令

②具备实时量测装置

③5min内能够完成上调和下调功率

④可调容量最少为100kW

⑤进入调频市场前需进行性能测试

⑥需实时上传调节基点

美国的电力市场一方面在政策层面支持不同服务主体参与调频市场，例如，常规发电机组、电力负荷、储能设备等，另外，在管理模式方面也较为灵活。如图3所示，调度中心既可以直接管理和调度单一用户的大型负荷，例如，电解铝、水厂等，也可以和集成商签订调度协议，后者不仅缓解了区域电网公司直接管理大量负荷的工作压力，又能够保证一定规模的负荷调频能力。

图3　调度中心调度主体

4.4实际运行效果

图4展示了PJM调频市场各种类型调频电源在2012年第四季度平均调频性能，该调频性能是反映调频电源响应电网调频指令在时间延迟、响应速率以及调节精度的综合评价指标，该指标满分是1，分数越高说明综合调节性越好。图中，RegA和RegD分别代表常规和快速调频信号，CT、DSR、Hydro、Steam分别代表纯燃气机组、负荷响应、水电机组、火电机组4类常规调频电源。图中可以看出，有28%的负荷响应的调频性能为满分，有26%的性能在0.8～0.89，有46%的性能在0.7～0.79。综合来看，在RegA类中，负荷整体调频性能要好于水电机组和火电机组，更值得注意的是，只有负荷响应技术能够做到调频性能的满分。

图4　PJM调频电源调频性能比较

5对中国调频市场的启示

发掘负荷的调频能力对于缓解北方电网的调频压力具有重要的价值和意义。一方面，“三北”电网以火电机组为主要的调频资源，在当以大容量高参数大容量火电机组长期承担繁重的AGC调节任务，造成了发电效率下降、煤耗增高、设备磨损等一系列严重负面影响；另一方面，“三北”是中国风电集中开发的地区，风电大规模并网将显著增加电网的AGC调频需求。调频的需求和供给在未来将逐步呈现供不应求的状况。因此，发展负荷调频将有可能是中国电网调频功能的有力补充。

自2006年国家电力监管委员会发布《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》以来，中国辅助服务补偿机制已经基本建立，特别是AGC调频市场化已经取得了显著的成效。但应用负荷调频还存在诸多限制政策和技术上的限制。借鉴美国该类项目的发展情况，对完善我国调频服务市场提出3点建议：①主体多元化——在我国目前的辅助服务管理办法中，把包括AGC调频在内的辅助服务的提供者仅限定为并网发电厂，建议在政策层面应该积极引入新的AGC调频服务市场参与主体，确立由负荷提供调频服务的合法身份的基础。②模式多元化——建立第三方负荷集成管理机制，电网公司应允许该类公司提供一定的负荷管理功能，并能够直接与其签订调度并网协议，形成电网、负荷管理公司以及负荷主体的高效合作机制。③调度多元化——目前电网调度系统以火电、水电等常规机组的特性建立AGC调度机制，鉴于负荷作为调频元素将增加了电网的控制手段和灵活性，为电网提供了更大范围的优化空间，建议将具备提供调频服务的负荷纳入常规机组为主的AGC调度体系，以能够有效提升电网AGC整体控制能力和运行效率。

6结束语

本文以美国电力需求侧调频的成功经验为蓝本，系统分析了需求侧调频的相关概念、调频负荷类型及特性、相关技术支撑以及商业模式，并为中国调频服务市场的完善提出了几点建议。本文的研究为电力需求侧调频在中国的发展和推广提供了有力的理论依据和参考。

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