考慮碳排放最優(yōu)的小區(qū)廣義負(fù)荷協(xié)同響應(yīng)研究

引言

2020年9月,中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出了“雙碳”目標(biāo):二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。作為“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵落腳點(diǎn),用戶側(cè)節(jié)能減排、清潔消納成為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要抓手之一。深度挖掘用戶側(cè)用能特性,評(píng)估用戶側(cè)低碳化潛力,協(xié)同多元資源形成負(fù)荷協(xié)同互動(dòng)低碳創(chuàng)新模式,成為“雙碳”目標(biāo)下能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵[1]。

在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略路徑的指導(dǎo)下,居民小區(qū)將成為“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的生力軍,分布替代、電動(dòng)汽車的推廣將不斷改變小區(qū)能源消費(fèi)模式,探索居民小區(qū)的低碳化潛力日趨重要。為建立考慮光伏、電能碳排放最優(yōu)的小區(qū)廣義負(fù)荷分析模型,本文將對(duì)居民用電負(fù)荷與需求側(cè)響應(yīng)進(jìn)行研究。

1居民電器負(fù)荷特性

1.1家庭典型用電負(fù)荷

對(duì)居民負(fù)荷根據(jù)可調(diào)潛力和特性進(jìn)行分類和分析,為居民家庭靈活性資源的策略優(yōu)化研究做鋪墊,對(duì)提高用電側(cè)的靈活性具有重要意義。

圖1展示了普通家庭中常見(jiàn)的用電負(fù)荷,包括空調(diào)、熱水器等溫控設(shè)備,電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等娛樂(lè)設(shè)備,以及照明和冰箱等生活必需電氣設(shè)備[2]。

1.2家用電器的可調(diào)特性研究

首先,按照設(shè)備可調(diào)整用電時(shí)間還是用電功率,可將空調(diào)、熱水器、洗烘一體機(jī)、洗碗機(jī)、電動(dòng)自行車、電熱油汀等六種電器分為三類:一是功率可調(diào)節(jié)型電器,指使用溫度可在一定范圍內(nèi)調(diào)整,因此輸出功率可變的電器,例如變頻空調(diào);二是時(shí)間可轉(zhuǎn)移型電器,指使用時(shí)間或充電時(shí)間不完全受生活習(xí)慣限制、可靈活調(diào)整的電器,例如定頻空調(diào)、電熱水器、洗烘一體機(jī)、洗碗機(jī)、電動(dòng)自行車等;三是功率可調(diào)且時(shí)間可轉(zhuǎn)移型電器,例如變頻空調(diào)、電熱水器、電熱油汀等。

1)變頻空調(diào)功率的可調(diào)潛力。

變頻空調(diào)是功率可調(diào)且時(shí)間可轉(zhuǎn)移型電器。在房間面積、保溫性能等條件一定的情況下,變頻空調(diào)的運(yùn)行功率大小基本取決于室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度之差。只考慮空調(diào)的設(shè)定溫度變化對(duì)空調(diào)功率影響時(shí),空調(diào)負(fù)荷調(diào)節(jié)模型可簡(jiǎn)化如下:

考慮到變頻空調(diào)頻繁啟停反而耗電,空調(diào)負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)間不宜過(guò)短,建議將轉(zhuǎn)移時(shí)間,即變頻空調(diào)停止運(yùn)行的時(shí)間,控制在30 min到1 h之間。最終的空調(diào)轉(zhuǎn)移時(shí)長(zhǎng)需綜合考慮空調(diào)性能、天氣情況、房間情況、用戶感受及臺(tái)區(qū)整體運(yùn)行情況?？紤]到用戶的舒適度要求,除非出現(xiàn)電力負(fù)荷極其緊張、急需快速調(diào)節(jié)負(fù)荷的情況,一般不采用完全關(guān)?？照{(diào)的調(diào)節(jié)方式。

2)電熱水器可調(diào)潛力分析。

對(duì)電熱水器的調(diào)節(jié)方式主要為加熱時(shí)間轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移時(shí)長(zhǎng)與電熱水器的保溫性能相關(guān)。因此,適當(dāng)調(diào)節(jié)電熱水器的設(shè)定水溫,綜合考慮用戶用水行為習(xí)慣、季節(jié)溫度、臺(tái)區(qū)負(fù)荷曲線等,可得出最優(yōu)的轉(zhuǎn)移時(shí)長(zhǎng),夏季可達(dá)12 h,冬季建議不超過(guò)1 h。

當(dāng)將電熱水器作為功率可調(diào)節(jié)的負(fù)荷時(shí),可能的應(yīng)用場(chǎng)景為臺(tái)區(qū)負(fù)荷運(yùn)行超載或臨界超載,需要全臺(tái)區(qū)即時(shí)限定功率。此時(shí),若熱水器正在使用,可考慮將其降檔運(yùn)行或停止運(yùn)行,則可調(diào)負(fù)荷為調(diào)節(jié)前后檔位對(duì)應(yīng)功率之差。

3)洗烘一體機(jī)可調(diào)潛力分析。

根據(jù)用戶習(xí)慣,洗烘一體機(jī)一般屬于時(shí)間可轉(zhuǎn)移型負(fù)荷,有兩種控制方式:一是避峰運(yùn)行,二是負(fù)荷高峰時(shí)暫停運(yùn)行。避峰運(yùn)行時(shí),可在用戶能接受的時(shí)間范圍內(nèi)靈活調(diào)整運(yùn)行時(shí)間,因此洗烘一體機(jī)的可調(diào)負(fù)荷潛力為12 h。若在負(fù)荷高峰暫停運(yùn)行,當(dāng)處于洗衣環(huán)節(jié)時(shí),暫停時(shí)長(zhǎng)不宜超出1 h。

2電動(dòng)汽車及光儲(chǔ)的互動(dòng)調(diào)節(jié)特性

2.1電動(dòng)汽車模型

電動(dòng)汽車的內(nèi)置儲(chǔ)能電池電量對(duì)用戶出行安排至關(guān)重要。由于其續(xù)航里程相對(duì)有限,儲(chǔ)能電池電量的高低直接影響用戶能否完成所需行程,因此駕駛員期望確保電量足夠高以滿足日常通勤需求。同時(shí),儲(chǔ)能電池電量還直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的充電需求和成本[3]。

電動(dòng)汽車儲(chǔ)能電池的基本充放電模型由以下公式描述[4]:

2.2電動(dòng)汽車充電滿意度

針對(duì)不同用戶對(duì)電動(dòng)汽車的使用習(xí)慣和充電要求存在差異的情況,以及駕駛員的經(jīng)驗(yàn)、充電偏好、充電焦慮等因素對(duì)用車行為和充電偏好的影響,本文在研究電動(dòng)汽車調(diào)節(jié)特性時(shí),考慮了用戶行為的差異。為更符合實(shí)際場(chǎng)景,建立了充電滿意度模型,并引入“充電焦慮”的概念來(lái)描述駕駛員對(duì)于行駛里程不足和未來(lái)不確定事件的擔(dān)心,旨在通過(guò)定量描述駕駛員的充電焦慮,更準(zhǔn)確地反映用戶的充電行為。

1)里程焦慮。

里程焦慮是指駕駛員在使用電動(dòng)汽車時(shí)由于擔(dān)心剩余電量不能滿足行駛需求或充電樁不易尋找而產(chǎn)生的情緒反應(yīng),其受多種因素影響,其中包括里程評(píng)估和駕駛經(jīng)驗(yàn)等。在實(shí)際應(yīng)用中,電池衰減速度受環(huán)境溫度等因素影響。

保持電池較高的電量是減少里程焦慮最有效的方法。因此,在離開(kāi)充電樁前達(dá)到駕駛員滿意的電量,有助于緩解因電量不足而產(chǎn)生的焦慮情緒。

2)時(shí)間焦慮。

與里程焦慮類似,時(shí)間焦慮也是駕駛員由于擔(dān)心電動(dòng)汽車電量不足而在心理上產(chǎn)生的一種焦慮情緒。具體而言,在電動(dòng)汽車充電過(guò)程中,駕駛者會(huì)由于擔(dān)心未來(lái)時(shí)間段內(nèi)可能發(fā)生的計(jì)劃外行程中斷充電過(guò)程,導(dǎo)致充電電量不足而產(chǎn)生焦慮情緒?？梢酝ㄟ^(guò)充電策略的優(yōu)化使得電池在焦慮時(shí)段內(nèi)盡快到達(dá)較高電量來(lái)緩解。

3居民小區(qū)需求側(cè)響應(yīng)研究

3.1居民小區(qū)需求響應(yīng)作用及分類

需求響應(yīng),即電力需求響應(yīng)的簡(jiǎn)稱,是指當(dāng)電力批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格升高或電力系統(tǒng)的有效性和可靠性受到威脅時(shí),電力用戶在接收到供電商發(fā)出的誘導(dǎo)性減少負(fù)荷的直接補(bǔ)償通知或者電力價(jià)格上升信號(hào)后,改變其固有的用電行為模式,從而減少或推移某時(shí)段的用電負(fù)荷而響應(yīng)電力供應(yīng),保障電網(wǎng)穩(wěn)定,并抑制電價(jià)上升的短期行為[5]。其在以下幾個(gè)方面具有積極作用:

1)用戶受到電價(jià)激勵(lì),能夠配合調(diào)度計(jì)劃改善用電,同時(shí)降低用電成本。

2)用戶主動(dòng)參與削峰填谷,減輕電網(wǎng)運(yùn)行壓力,減少相關(guān)設(shè)備投資,節(jié)約成本。

3)充分發(fā)揮市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)作用,自動(dòng)調(diào)節(jié)電能資源分配,促進(jìn)相關(guān)市場(chǎng)服務(wù)完善,改善電網(wǎng)運(yùn)行安全。

4)能夠降低線損率,帶來(lái)節(jié)能減排效益。

需求響應(yīng)分為兩種類型:激勵(lì)型需求響應(yīng)與價(jià)格型需求響應(yīng)。激勵(lì)型即相關(guān)部門(mén)或廠商通過(guò)一定的激勵(lì)政策和補(bǔ)貼促進(jìn)居民用戶配合改變用電習(xí)慣,較為直接;價(jià)格型即市場(chǎng)自身作用,通過(guò)調(diào)整電價(jià)使得用戶自發(fā)選擇用電成本更小的用電方式,從而無(wú)形中實(shí)現(xiàn)削峰填谷,較為間接。

3.2居民小區(qū)需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制

居民小區(qū)中,需求響應(yīng)一般在社區(qū)內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配,需求響應(yīng)策略設(shè)置各家庭可從社區(qū)內(nèi)的集中式儲(chǔ)能點(diǎn)認(rèn)購(gòu)一定量的能源儲(chǔ)備。

需求側(cè)響應(yīng)的效果主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:任務(wù)完成度、用戶滿意度、經(jīng)濟(jì)效益。為此,本文設(shè)計(jì)了三項(xiàng)對(duì)應(yīng)指標(biāo)以對(duì)需求響應(yīng)效果進(jìn)行量化。

4結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了居民家用典型電器的負(fù)荷特性,量化了相應(yīng)電器的可調(diào)潛力;之后研究了電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)特性,在考慮用戶意愿的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行建模分析;最后研究了居民需求側(cè)響應(yīng),并提出了對(duì)應(yīng)指標(biāo)對(duì)需求側(cè)響應(yīng)策略進(jìn)行評(píng)價(jià)。