考虑碳排放最优的小区广义负荷协同响应研究

引言

2020年9月,中国在联合国大会上提出了“双碳”目标:二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。作为“双碳”目标的关键落脚点,用户侧节能减排、清洁消纳成为实现双碳目标的重要抓手之一。深度挖掘用户侧用能特性,评估用户侧低碳化潜力,协同多元资源形成负荷协同互动低碳创新模式,成为“双碳”目标下能源转型发展的关键[1]。

在国家“双碳”战略路径的指导下,居民小区将成为“双碳”目标实现的生力军,分布替代、电动汽车的推广将不断改变小区能源消费模式,探索居民小区的低碳化潜力日趋重要。为建立考虑光伏、电能碳排放最优的小区广义负荷分析模型,本文将对居民用电负荷与需求侧响应进行研究。

1居民电器负荷特性

1.1家庭典型用电负荷

对居民负荷根据可调潜力和特性进行分类和分析,为居民家庭灵活性资源的策略优化研究做铺垫,对提高用电侧的灵活性具有重要意义。

图1展示了普通家庭中常见的用电负荷,包括空调、热水器等温控设备,电视机、计算机等娱乐设备,以及照明和冰箱等生活必需电气设备[2]。

1.2家用电器的可调特性研究

首先,按照设备可调整用电时间还是用电功率,可将空调、热水器、洗烘一体机、洗碗机、电动自行车、电热油汀等六种电器分为三类:一是功率可调节型电器,指使用温度可在一定范围内调整,因此输出功率可变的电器,例如变频空调;二是时间可转移型电器,指使用时间或充电时间不完全受生活习惯限制、可灵活调整的电器,例如定频空调、电热水器、洗烘一体机、洗碗机、电动自行车等;三是功率可调且时间可转移型电器,例如变频空调、电热水器、电热油汀等。

1)变频空调功率的可调潜力。

变频空调是功率可调且时间可转移型电器。在房间面积、保温性能等条件一定的情况下,变频空调的运行功率大小基本取决于室内温度与设定温度之差。只考虑空调的设定温度变化对空调功率影响时,空调负荷调节模型可简化如下:

考虑到变频空调频繁启停反而耗电,空调负荷转移时间不宜过短,建议将转移时间,即变频空调停止运行的时间,控制在30 min到1 h之间。最终的空调转移时长需综合考虑空调性能、天气情况、房间情况、用户感受及台区整体运行情况。考虑到用户的舒适度要求,除非出现电力负荷极其紧张、急需快速调节负荷的情况,一般不采用完全关停空调的调节方式。

2)电热水器可调潜力分析。

对电热水器的调节方式主要为加热时间转移,转移时长与电热水器的保温性能相关。因此,适当调节电热水器的设定水温,综合考虑用户用水行为习惯、季节温度、台区负荷曲线等,可得出最优的转移时长,夏季可达12 h,冬季建议不超过1 h。

当将电热水器作为功率可调节的负荷时,可能的应用场景为台区负荷运行超载或临界超载,需要全台区即时限定功率。此时,若热水器正在使用,可考虑将其降档运行或停止运行,则可调负荷为调节前后档位对应功率之差。

3)洗烘一体机可调潜力分析。

根据用户习惯,洗烘一体机一般属于时间可转移型负荷,有两种控制方式:一是避峰运行,二是负荷高峰时暂停运行。避峰运行时,可在用户能接受的时间范围内灵活调整运行时间,因此洗烘一体机的可调负荷潜力为12 h。若在负荷高峰暂停运行,当处于洗衣环节时,暂停时长不宜超出1 h。

2电动汽车及光储的互动调节特性

2.1电动汽车模型

电动汽车的内置储能电池电量对用户出行安排至关重要。由于其续航里程相对有限,储能电池电量的高低直接影响用户能否完成所需行程,因此驾驶员期望确保电量足够高以满足日常通勤需求。同时,储能电池电量还直接关系到电动汽车的充电需求和成本[3]。

电动汽车储能电池的基本充放电模型由以下公式描述[4]:

2.2电动汽车充电满意度

针对不同用户对电动汽车的使用习惯和充电要求存在差异的情况,以及驾驶员的经验、充电偏好、充电焦虑等因素对用车行为和充电偏好的影响,本文在研究电动汽车调节特性时,考虑了用户行为的差异。为更符合实际场景,建立了充电满意度模型,并引入“充电焦虑”的概念来描述驾驶员对于行驶里程不足和未来不确定事件的担心,旨在通过定量描述驾驶员的充电焦虑,更准确地反映用户的充电行为。

1)里程焦虑。

里程焦虑是指驾驶员在使用电动汽车时由于担心剩余电量不能满足行驶需求或充电桩不易寻找而产生的情绪反应,其受多种因素影响,其中包括里程评估和驾驶经验等。在实际应用中,电池衰减速度受环境温度等因素影响。

保持电池较高的电量是减少里程焦虑最有效的方法。因此,在离开充电桩前达到驾驶员满意的电量,有助于缓解因电量不足而产生的焦虑情绪。

2)时间焦虑。

与里程焦虑类似,时间焦虑也是驾驶员由于担心电动汽车电量不足而在心理上产生的一种焦虑情绪。具体而言,在电动汽车充电过程中,驾驶者会由于担心未来时间段内可能发生的计划外行程中断充电过程,导致充电电量不足而产生焦虑情绪。可以通过充电策略的优化使得电池在焦虑时段内尽快到达较高电量来缓解。

3居民小区需求侧响应研究

3.1居民小区需求响应作用及分类

需求响应,即电力需求响应的简称,是指当电力批发市场价格升高或电力系统的有效性和可靠性受到威胁时,电力用户在接收到供电商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,改变其固有的用电行为模式,从而减少或推移某时段的用电负荷而响应电力供应,保障电网稳定,并抑制电价上升的短期行为[5]。其在以下几个方面具有积极作用:

1)用户受到电价激励,能够配合调度计划改善用电,同时降低用电成本。

2)用户主动参与削峰填谷,减轻电网运行压力,减少相关设备投资,节约成本。

3)充分发挥市场经济作用,自动调节电能资源分配,促进相关市场服务完善,改善电网运行安全。

4)能够降低线损率,带来节能减排效益。

需求响应分为两种类型:激励型需求响应与价格型需求响应。激励型即相关部门或厂商通过一定的激励政策和补贴促进居民用户配合改变用电习惯,较为直接;价格型即市场自身作用,通过调整电价使得用户自发选择用电成本更小的用电方式,从而无形中实现削峰填谷,较为间接。

3.2居民小区需求侧响应机制

居民小区中,需求响应一般在社区内进行统一调配,需求响应策略设置各家庭可从社区内的集中式储能点认购一定量的能源储备。

需求侧响应的效果主要体现在以下三个方面:任务完成度、用户满意度、经济效益。为此,本文设计了三项对应指标以对需求响应效果进行量化。

4结束语

本文首先分析了居民家用典型电器的负荷特性,量化了相应电器的可调潜力;之后研究了电动汽车与储能的调节特性,在考虑用户意愿的基础上对其进行建模分析;最后研究了居民需求侧响应,并提出了对应指标对需求侧响应策略进行评价。