分布式風(fēng)力發(fā)電為主的需求側(cè)響應(yīng)策略研究

文 | 要建華

（作者單位：國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司）

分布式風(fēng)力發(fā)電作為一種小規(guī)模、近距離輸電、所發(fā)電力首先滿(mǎn)足用戶(hù)自用的技術(shù)，可以協(xié)調(diào)日益增長(zhǎng)的用電需求與節(jié)能減排要求的矛盾。特別是對(duì)島嶼、偏遠(yuǎn)山區(qū)，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，可以作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑。如今，多國(guó)已經(jīng)在市政設(shè)施、居民小區(qū)及社區(qū)建筑物等地開(kāi)發(fā)了大量分布式風(fēng)力發(fā)電。因此，分布式風(fēng)力發(fā)電有著廣闊的應(yīng)用前景。但分布式風(fēng)力發(fā)電要實(shí)現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用，需要面向本地用戶(hù)制定科學(xué)的、靈活的需求側(cè)響應(yīng)策略。

隨著風(fēng)力發(fā)電滲透率不斷增加，其隨機(jī)波動(dòng)性和間歇性，以及用戶(hù)電力需求側(cè)的不確定性，往往導(dǎo)致電力負(fù)荷率低，而傳統(tǒng)的能量管理策略此時(shí)無(wú)法保證電網(wǎng)在高負(fù)荷、多樣化需求的條件下維持可靠、高效、穩(wěn)定的運(yùn)作，這是配電網(wǎng)亟需處理的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)于這一問(wèn)題，需求側(cè)響應(yīng)作為一種先進(jìn)的機(jī)制，可以在制定市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)機(jī)制，改變用戶(hù)故有用電模式，進(jìn)而使得需求側(cè)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。目前，很多國(guó)家已經(jīng)在大中型工商業(yè)用戶(hù)中實(shí)施峰谷分時(shí)電價(jià)，通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制使負(fù)荷側(cè)用戶(hù)對(duì)電價(jià)進(jìn)行響應(yīng)，達(dá)到負(fù)荷曲線(xiàn)削峰填谷、按照供電需求進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的目的。然而，現(xiàn)階段我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的研究主要集中在風(fēng)能的規(guī)劃設(shè)計(jì)、功角穩(wěn)定、繼電保護(hù)、調(diào)度運(yùn)行等方面，幾乎沒(méi)有從需求側(cè)響應(yīng)的角度切入研究。本文針對(duì)分布式風(fēng)力發(fā)電作為主要可再生能源電源的社區(qū)負(fù)荷，以江西贛州、云南楚雄兩地實(shí)際風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)為例，利用優(yōu)化的模糊聚類(lèi)法和非線(xiàn)性有約束規(guī)劃算法，結(jié)合供電與居民用電需求的趨勢(shì)差異，給出了優(yōu)化的需求側(cè)響應(yīng)信號(hào)規(guī)劃方法，同時(shí)使用價(jià)格-需求彈性分析理論，對(duì)制定的需求響應(yīng)策略效果進(jìn)行了仿真、評(píng)估與分析。

需求側(cè)響應(yīng)策略選擇

需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目可分為基于價(jià)格和基于激勵(lì)兩類(lèi)。其中，基于價(jià)格的需求響應(yīng)包括分時(shí)電價(jià)（TOU）、實(shí)時(shí)電價(jià)（RTP）、尖峰電價(jià)（CPP），基于激勵(lì)的需求響應(yīng)則是實(shí)施機(jī)構(gòu)根據(jù)電力供需狀況制定相應(yīng)政策，用戶(hù)在系統(tǒng)需要或電力緊張時(shí)減少用電以獲得直接補(bǔ)償。分時(shí)電價(jià)TOU（Time of Use）是電力需求側(cè)響應(yīng)的雛形，也是最普及的一種。因此，本文以分時(shí)電價(jià)為需求側(cè)響應(yīng)策略，在此基礎(chǔ)上對(duì)電價(jià)信號(hào)的制定進(jìn)行開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。

分時(shí)電價(jià)是需求側(cè)管理中最常見(jiàn)的一種措施，通過(guò)分時(shí)段定價(jià)引導(dǎo)用戶(hù)改變用電計(jì)劃，以達(dá)到削峰填谷、提高電力系統(tǒng)的負(fù)荷率和穩(wěn)定性，使得供電方和用戶(hù)方均獲利的手段。分時(shí)電價(jià)將一天24小時(shí)劃分為若干時(shí)段，一般的策略為將電力需求高的時(shí)段設(shè)定為高電價(jià)，其他時(shí)段采用一般或優(yōu)惠的電價(jià)，并期望用戶(hù)響應(yīng)。值得注意的是，用戶(hù)用電行為是和人的行為相關(guān)的，無(wú)論用何種激勵(lì)政策，即使在實(shí)行有序用電和拉閘限電時(shí)期，也不可能完全精確地控制負(fù)荷需求。因此，需要不斷地優(yōu)化激勵(lì)策略，以達(dá)到引導(dǎo)用戶(hù)合理用電、移峰填谷、改善負(fù)荷曲線(xiàn)、提高電網(wǎng)負(fù)荷率的目的。

需求側(cè)響應(yīng)策略制定

自然界中的風(fēng)速不穩(wěn)定，無(wú)法像火電廠(chǎng)一樣可以依照用電需求調(diào)整發(fā)電量。反之，風(fēng)力發(fā)電功率具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性，常與用戶(hù)用電呈負(fù)相關(guān)。因此，與傳統(tǒng)的分時(shí)電價(jià)信號(hào)不同，本文針對(duì)以分布式風(fēng)力發(fā)電為主要電源的社區(qū)負(fù)荷，結(jié)合供電與負(fù)荷需求的趨勢(shì)差異，規(guī)劃相應(yīng)的需求響應(yīng)信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的需求響應(yīng)策略制定流程如圖1所示。

一、風(fēng)力發(fā)電功率與社區(qū)用電負(fù)荷特性相關(guān)性分析

以江西贛州基隆嶂風(fēng)電場(chǎng)為例，此風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量102MW，單機(jī)容量2MW，2016年12月全部投運(yùn)（文章采用17#、47#風(fēng)電機(jī)組典型風(fēng)況24小時(shí)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算）。根據(jù)兩臺(tái)機(jī)組日每小時(shí)數(shù)據(jù)制作的日功率曲線(xiàn)如圖2所示。

可以看出，風(fēng)電機(jī)組出力隨時(shí)間的波動(dòng)性很大。為比較供電功率與用電負(fù)荷的趨勢(shì)，本文使用Gridlab-D軟件對(duì)典型的居民社區(qū)、商業(yè)建筑等社區(qū)負(fù)荷建模，根據(jù)天氣、時(shí)間、建筑類(lèi)型等外部因素進(jìn)行模擬。針對(duì)江西贛州當(dāng)?shù)氐纳虘?hù)（包括1家大型商場(chǎng)、3所賓館、5個(gè)餐廳）進(jìn)行負(fù)荷模擬，模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)?shù)厣虡I(yè)用戶(hù)的負(fù)荷用電高峰往往在中午、傍晚，而此時(shí)對(duì)于風(fēng)電機(jī)組卻是功率偏低時(shí)段；風(fēng)電機(jī)組輸出功率高的夜間和凌晨，負(fù)荷的需求卻處于最低時(shí)段。兩條曲線(xiàn)疊加后如圖4所示。

圖2 江西贛州基隆嶂風(fēng)電場(chǎng)4臺(tái)機(jī)組日功率曲線(xiàn)

圖3 江西贛州當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)商業(yè)建筑群負(fù)荷模擬

圖4 電源、負(fù)荷趨勢(shì)對(duì)比

為更客觀(guān)地展示電源與負(fù)荷的相關(guān)性，本文使用皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)r來(lái)度量風(fēng)力發(fā)電功率與用電負(fù)荷之間相關(guān)強(qiáng)度：

式中，n為樣本數(shù)量，X，和Y，Y分別為兩組樣本及其平均值。r＞0時(shí)，線(xiàn)性正相關(guān)；r＜0時(shí)，線(xiàn)性負(fù)相關(guān)；r＝1，則兩者完全正相關(guān)；r＝－1則兩者完全負(fù)相關(guān)；r＝0，兩個(gè)變量之間不存在線(xiàn)性關(guān)系。在本文中，可令兩組樣本分別為發(fā)電輸出功率與用電負(fù)荷功率。將江西贛州商業(yè)社區(qū)用電負(fù)荷與選取的當(dāng)?shù)仫L(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率數(shù)據(jù)帶入公式（1），計(jì)算可得r＝－0.804306。可見(jiàn)，本例中用電負(fù)荷和風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即，風(fēng)電出力高峰時(shí)期用電負(fù)荷率卻往往不高。因此，在設(shè)計(jì)分時(shí)電價(jià)時(shí)段時(shí)，不能單一地考慮用電方的用電曲線(xiàn)，還應(yīng)結(jié)合供電方供電曲線(xiàn)，以達(dá)到提升負(fù)載率、提升可再生能源消納能力的目的。

二、分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分

把風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電功率當(dāng)作“負(fù)的負(fù)荷”，將實(shí)際負(fù)荷與風(fēng)電場(chǎng)“負(fù)的負(fù)荷”的疊加定義為“等效負(fù)荷”。等效負(fù)荷的峰谷差越大，對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力要求越高，需要的調(diào)峰容量越大，系統(tǒng)的成本越高。為解決此問(wèn)題，供電公司可以通過(guò)實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)策略，激勵(lì)用戶(hù)改變用電行為，達(dá)到縮小等效負(fù)荷曲線(xiàn)的峰谷差，即減少等效負(fù)荷波動(dòng)率的目的。這意味著風(fēng)電出力與負(fù)荷的變化趨勢(shì)接近，有利于電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

首先，比較風(fēng)電機(jī)組輸出功率和用戶(hù)用電負(fù)荷特性：

式中，Load_eq是等效負(fù)荷，Load為用戶(hù)負(fù)荷，Power是電源功率。可以得到等效負(fù)荷曲線(xiàn)（圖5）。

通過(guò)比較電源曲線(xiàn)（黃色）和原負(fù)荷曲線(xiàn)（藍(lán)色），能看出風(fēng)電機(jī)組出力和居民用電趨勢(shì)的差異，即等效負(fù)荷曲線(xiàn)（紅色）。提升風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率與當(dāng)?shù)赜脩?hù)用電的相關(guān)性問(wèn)題，可以等效為平抑等效負(fù)荷曲線(xiàn)的波動(dòng)問(wèn)題。根據(jù)等效曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，其形狀隨風(fēng)力發(fā)電輸出功率的變化會(huì)有顯著差異，不存在穩(wěn)定的峰谷特征，傳統(tǒng)的主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)式方法無(wú)法劃分出能準(zhǔn)確反應(yīng)峰谷特征的時(shí)段。本文使用模糊聚類(lèi)算法，可以判定出相應(yīng)的峰、平、谷時(shí)段。時(shí)段劃分的方法如下。

1.利用隸屬函數(shù)確定各點(diǎn)屬于峰、平、谷時(shí)段的程度，分析等效負(fù)荷曲線(xiàn)上各點(diǎn)分別處于高峰、低谷、平時(shí)三種時(shí)段的可能性。其特征為：曲線(xiàn)上的最低點(diǎn)100%處于谷時(shí)段，不可能處于峰時(shí)段，其谷隸屬度為1，峰隸屬度為0；曲線(xiàn)上的最高點(diǎn)100%處于峰時(shí)段，不可能處于谷時(shí)段，其谷隸屬度為0，峰隸屬度為1；曲線(xiàn)上其余各點(diǎn)的峰平谷隸屬度介于0和1之間。由于分時(shí)電價(jià)信號(hào)的性質(zhì)，分時(shí)的時(shí)段最小為1小時(shí)，因此可將一天中的時(shí)段集合定為T(mén)＝{t1，t2，…，t24}，各時(shí)段電量集合為Q＝{qt1，qt2，…，qt24}。時(shí)段ti的峰隸屬度upti、谷隸屬度uvti可采用偏大型半梯度隸屬函數(shù)與偏小型半梯度隸屬函數(shù)計(jì)算得到公式（2）：

式中，upti為時(shí)段ti時(shí)的峰隸屬度，qti為時(shí)段ti內(nèi)的用電量，Q為一天中24個(gè)每小時(shí)用電量集合。谷隸屬度同理。

2.采用基于等價(jià)關(guān)系的模糊聚類(lèi)進(jìn)行時(shí)段區(qū)間劃分，步驟如下：

（1）建立原始數(shù)據(jù)矩陣，以峰谷隸屬度建立特性指標(biāo)矩陣：

采用平移標(biāo)準(zhǔn)差變換進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：

圖5 電源、用電負(fù)荷與等效負(fù)荷

（2）建立模糊相似矩陣

模糊相似矩陣的元素為rij＝R（u'pti，u'vti），體現(xiàn)了X中任意兩個(gè)樣本點(diǎn)之間的相似度。采用直接距離法中的歐幾里得距離法建立模糊相似矩陣中的元素：

式中，rij為兩個(gè)樣本點(diǎn)之間的相似程度，c為適當(dāng)選取的參數(shù)，使所有的rij∈ [0，1]；d（xi，xj） 表 示 xi與xj間的距離，upti、uptj為時(shí)段ti、tj時(shí)的峰隸屬度，uvti、uvtj為時(shí)段ti、tj時(shí)的谷隸屬度。計(jì)算出全部的rij，即可得到模糊相似矩陣R。

（3）建立模糊等價(jià)矩陣

采用傳遞閉包法求取模糊等價(jià)矩陣，再通過(guò)自平方合成法求取傳遞閉包矩陣t（R），則t（R）就是所求的模糊等價(jià)矩陣。對(duì)R不斷求取2次方，直到出現(xiàn)Rk*Rk＝Rk。得到的Rk為所求傳遞閉包，即所求模糊等價(jià)矩陣。有t（R）＝Rk＝（tij）n×n，滿(mǎn)足自反性、對(duì)稱(chēng)性和傳遞性。

（4）求取截矩陣

式中，截矩陣Rλ是一個(gè)布爾矩陣。當(dāng)λ取不同值時(shí)，可得到不同的Rλ。Rλ與時(shí)段集合T中的元素相對(duì)應(yīng)，當(dāng)Rλ中對(duì)應(yīng)的某兩列列向量相等時(shí)，這兩列對(duì)應(yīng)的時(shí)段即可劃分為一類(lèi)。通過(guò)調(diào)整λ的值，即可形成動(dòng)態(tài)聚類(lèi)：λ越大，劃分的類(lèi)別就越少；反之越多。調(diào)節(jié)λ至聚類(lèi)數(shù)為3，則時(shí)段被劃分為了三類(lèi)，即峰、平、谷時(shí)段。

三、分時(shí)電價(jià)定價(jià)

劃分出正確的峰、平、谷時(shí)段后，下面是峰、平、谷電價(jià)的定價(jià)問(wèn)題。基于用戶(hù)價(jià)格的需求側(cè)響應(yīng)策略，目標(biāo)普遍為最小化最大等效負(fù)荷和最小化等效負(fù)荷的峰谷差，約束條件為供電方獲利、用戶(hù)側(cè)受益等，峰谷電價(jià)的制定必須符合客觀(guān)的生產(chǎn)規(guī)律。考慮到供電、用電雙方的利益，要求實(shí)行需求側(cè)響應(yīng)后，既不能讓用戶(hù)的用電總費(fèi)用升高，又不能使供電公司承受太高的額外成本，因此，此問(wèn)題可以看作非線(xiàn)性有約束的優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置原始電價(jià)、邊際電價(jià)、供電成本、用戶(hù)響應(yīng)度等參數(shù)，將負(fù)荷率、峰谷邊際值、策略目標(biāo)等作為目標(biāo)函數(shù)，即可計(jì)算出合適的電價(jià)。具體的約束條件如下：

1.用戶(hù)端受益

在設(shè)計(jì)分時(shí)電價(jià)信號(hào)時(shí)，首先要保證用戶(hù)端總體支出小于等于需求響應(yīng)實(shí)施前的支出，以保證對(duì)用戶(hù)的激勵(lì)效果。即：

式中，m0為實(shí)行分時(shí)電價(jià)前用戶(hù)端用電支出，m1為實(shí)行分時(shí)電價(jià)后的支出。w1、w2、w3為峰、平、谷時(shí)總用電量，x1、x2、x3為峰、平、谷時(shí)電價(jià)。通過(guò)以上約束關(guān)系，可以約束定價(jià)使用戶(hù)端永遠(yuǎn)處于受益狀態(tài)，避免了終端用戶(hù)利益受損、激勵(lì)效果消失的情況。

2.成本約束

實(shí)施分時(shí)電價(jià)，雖然需要通過(guò)調(diào)整電價(jià)高低以刺激用戶(hù)用電行為，但售電價(jià)格不可過(guò)低，至少應(yīng)該保證各時(shí)段的電價(jià)不小于本時(shí)段發(fā)電成本，避免出現(xiàn)實(shí)施成本過(guò)大，供電方無(wú)法承擔(dān)的情況。根據(jù)監(jiān)管部門(mén)要求，峰谷電價(jià)之比的范圍應(yīng)在2至5倍之間，這是充分考慮了發(fā)電成本和用戶(hù)的承受能力的數(shù)據(jù)，同時(shí)還應(yīng)令谷時(shí)電價(jià)低于原始電價(jià)，以保證對(duì)用戶(hù)的激勵(lì)。綜上所述，使用的成本約束如下：

式中，xe為邊際電價(jià)，x1為峰電價(jià)，x2為平電價(jià)，x3為谷電價(jià)，x0為原電價(jià)。通過(guò)以上約束關(guān)系，即可得到合適的電價(jià)。

3.峰谷電價(jià)比約束

優(yōu)化資源配置，峰谷價(jià)比應(yīng)當(dāng)反映負(fù)荷高峰、低谷時(shí)段電力供應(yīng)邊際成本的差異。例如，在水電為主的加拿大魁北克地區(qū)，峰、谷時(shí)段的邊際成本差異10 1至22.5 1；法國(guó)的日峰谷價(jià)比在1.4～8之間；我國(guó)各地區(qū)目前的峰谷價(jià)比多在2～4。

此外，作為算法的一項(xiàng)輸入，需要用到需求-價(jià)格彈性分析方法來(lái)計(jì)算用戶(hù)對(duì)于不同價(jià)格的反應(yīng)，從而得到某種電價(jià)策略下用戶(hù)的用電量。需求的價(jià)格彈性定義為需求的變化幅值/引起該變化的價(jià)格變化幅度，即：

式中，p是變化前的價(jià)格水平，D＝D（p）是需求曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)價(jià)格p的需求量；Δp、ΔD分別是價(jià)格變化量和由此產(chǎn)生的需求變化量。價(jià)格上升通常引起需求減少，因而ε∈（－∞，0］。用戶(hù)針對(duì)峰谷電價(jià)的響應(yīng)行為一般體現(xiàn)為其各時(shí)段用電負(fù)荷的變化。

需求價(jià)格彈性參數(shù)ε由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，代表用戶(hù)對(duì)于價(jià)格變化的反應(yīng)程度。例如，ε＝1時(shí)，需求的漲幅/降幅＝價(jià)格的漲幅/降幅；ε＝0時(shí)，需求不隨價(jià)格變化而變化；ε＞1時(shí)，需求的漲幅/降幅大于價(jià)格的漲幅/降幅。不同價(jià)格水平下的需求彈性通常不同，而統(tǒng)一價(jià)格水平下，不同的需求對(duì)象，價(jià)格彈性通常也不同。在本文設(shè)定的條件下，用戶(hù)峰時(shí)電力需求不僅跟峰價(jià)水平有關(guān)，也和平價(jià)、谷價(jià)水平有關(guān)系，平時(shí)/谷時(shí)亦然。因此，設(shè)定四種需求價(jià)格彈性系數(shù)，代表分時(shí)電價(jià)信號(hào)的變化對(duì)應(yīng)的用戶(hù)需求系數(shù)，分別為：保持當(dāng)前電價(jià)、峰-谷或谷-峰、峰-平或平-峰、谷-平或平-谷四種情況，體現(xiàn)用戶(hù)在不同情況下對(duì)于電價(jià)的反應(yīng)。接著，構(gòu)建電價(jià)彈性矩陣E，根據(jù)需求-價(jià)格公式（12）可得：

式中，Q為原始用電量，Q'為新用電量，P為價(jià)格。

由前文可知，為了削峰填谷，使日負(fù)荷曲線(xiàn)最大峰負(fù)荷最小化，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為：

解決此非線(xiàn)性有約束的最大最小值問(wèn)題，可以使用matlab內(nèi)置函數(shù)fminimax求解。對(duì)于江西贛州基隆嶂風(fēng)電場(chǎng)案例，設(shè)定當(dāng)?shù)鼐用裨茧妰r(jià)為0.425元/千瓦時(shí)，邊際電價(jià)0.12元/千瓦時(shí)，得到結(jié)果如圖6所示。

圖6 分時(shí)電價(jià)信號(hào)

圖7 針對(duì)江西贛州基隆嶂風(fēng)電與負(fù)荷模擬的需求側(cè)響應(yīng)策略

表1 針對(duì)江西贛州當(dāng)?shù)厣虡I(yè)用戶(hù)的分時(shí)電價(jià)信號(hào)

表2 需求側(cè)響應(yīng)策略效果分析

需求側(cè)響應(yīng)效果仿真與分析

使用上文所述的需求價(jià)格彈性分析即可反映出用戶(hù)對(duì)分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)效果。本文通過(guò)等效負(fù)荷波動(dòng)率＝等效負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差/等效負(fù)荷均值，計(jì)算等效負(fù)荷波動(dòng)率；通過(guò)皮爾遜公式分析新、舊用電曲線(xiàn)與發(fā)電功率曲線(xiàn)的相關(guān)性變化；通過(guò)新、舊電價(jià)和用電量計(jì)算用戶(hù)與供電公司的成本。用戶(hù)在分時(shí)電價(jià)后減少的費(fèi)用，即為供電公司實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)策略時(shí)付出的電費(fèi)成本。仿真效果見(jiàn)如下兩例：

（一）接前文所用的江西贛州基隆嶂風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)，以及使用Girlab-D模擬得到的當(dāng)?shù)氐湫蜕虡I(yè)區(qū)負(fù)荷，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的需求響應(yīng)策略制定流程后得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7中，黃色曲線(xiàn)為風(fēng)力發(fā)電功率，藍(lán)色曲線(xiàn)為原始負(fù)荷，綠色曲線(xiàn)為實(shí)行新電價(jià)后的負(fù)荷曲線(xiàn)，紅色虛線(xiàn)是制定的分時(shí)電價(jià)信號(hào)，具體見(jiàn)表1。

根據(jù)以上的電價(jià)信息和用戶(hù)用電曲線(xiàn)，可以對(duì)響應(yīng)效果進(jìn)行分析。首先計(jì)算用電量：

式中，Qtotal為當(dāng)日總用電量，qt為每小時(shí)平均用電功率，即每小時(shí)用電量（kWh）。

可以通過(guò)以下公式計(jì)算總電費(fèi)：

式中，Mtotal為日總電費(fèi)，qt為各時(shí)段用電量（kWh），pt為各時(shí)段電價(jià)（元/千瓦時(shí)）。

還可以計(jì)算等效負(fù)荷的波動(dòng)率：

式中，R為等效負(fù)荷波動(dòng)率，Load為負(fù)荷，Power為風(fēng)力發(fā)電功率，σ（Load－Power）為求取的標(biāo)準(zhǔn)差，為負(fù)荷與風(fēng)力發(fā)電功率之差的平均值。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖8 針對(duì)云南楚雄風(fēng)電功率與負(fù)荷模擬的需求側(cè)響應(yīng)策略

表3 針對(duì)云南楚雄當(dāng)?shù)鼐用裼脩?hù)的分時(shí)電價(jià)信號(hào)

表4 需求側(cè)響應(yīng)效果策略分析

從分析數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)施制定的分時(shí)電價(jià)策略后，用電負(fù)荷與發(fā)電功率由負(fù)相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān)，說(shuō)明兩者的正相關(guān)程度上升，可再生能源率上升；等效負(fù)荷波動(dòng)率下降了44.3%，說(shuō)明用戶(hù)用電負(fù)荷與發(fā)電功率的峰谷差減小了，達(dá)到了使電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定的目的；與此同時(shí)，用戶(hù)的總用電量差別不大，說(shuō)明策略并未影響用戶(hù)的總需求，而主要在于改變了其用電時(shí)段，避免了損害用戶(hù)用電權(quán)益；電費(fèi)有所下降，保證了用戶(hù)進(jìn)行響應(yīng)的積極性。綜上，說(shuō)明了本文所述需求側(cè)響應(yīng)策略制定方法的有效性。

（二）云南楚雄大荒山風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量286MW，單機(jī)容量2MW，2016年4月全部投運(yùn)（文章采用5#、61#、105#、131#風(fēng)電機(jī)組典型風(fēng)況24小時(shí)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算）。使用Girdlab-D模擬了當(dāng)?shù)?00戶(hù)居民的用電曲線(xiàn)，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)氐木用駞^(qū)負(fù)荷模擬，需求側(cè)響應(yīng)策略與分析如圖8所示。

制定的分時(shí)電價(jià)信號(hào)具體見(jiàn)表3。

通過(guò)式（1）、（13）、（14）、（15）分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

從分析數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)施制定的分時(shí)電價(jià)策略后，居民用電負(fù)荷與所選當(dāng)?shù)仫L(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率由負(fù)相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān), 說(shuō)明兩者的正相關(guān)程度上升，可再生能源利用率上升；等效負(fù)荷波動(dòng)率下降了3.4%，即等效負(fù)荷的峰谷差減小，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性有所提升；用戶(hù)的總用電量差別不大，說(shuō)明策略并未影響用戶(hù)的總需求，而主要在于改變了其用電時(shí)段；電費(fèi)基本持平，保證了用戶(hù)進(jìn)行響應(yīng)的積極性。由于需求響應(yīng)策略是對(duì)用戶(hù)實(shí)施，用戶(hù)規(guī)模越大，實(shí)施前后的數(shù)據(jù)差異越明顯。與案例（一）比較，本例所模擬的用戶(hù)規(guī)模較小，因而數(shù)據(jù)前后差異較小。但仍可看出，即使是在100戶(hù)的微型用戶(hù)群中，本文所使用的策略所達(dá)到的降低等效負(fù)荷波動(dòng)率、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、提升用電發(fā)電正相關(guān)程度的效果仍然是客觀(guān)的。綜上，證明了本文所述需求側(cè)響應(yīng)策略制定方法的有效性。

攝影：牛磊杰

結(jié)論與展望

為了提高風(fēng)能利用率，提升分布式風(fēng)力發(fā)電出力與本地負(fù)荷的正相關(guān)程度，本文采用模糊聚類(lèi)和非線(xiàn)性有約束優(yōu)化方法，制定了優(yōu)化的分時(shí)電價(jià)需求側(cè)響應(yīng)策略，并對(duì)兩種針對(duì)不同負(fù)荷類(lèi)型的策略響應(yīng)效果進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的平抑負(fù)荷需求波動(dòng)相比，該策略提高了風(fēng)力發(fā)電功率與負(fù)荷特性的正相關(guān)程度，有效提升了分布式風(fēng)力發(fā)電的利用率和置信容量，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，達(dá)到了優(yōu)化的目的。在后續(xù)研究中，計(jì)劃對(duì)更多地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組和當(dāng)?shù)刎?fù)荷的組合進(jìn)行分析，對(duì)本方法進(jìn)行修正和優(yōu)化，以提高其面向不同負(fù)荷類(lèi)型的適應(yīng)性。此外，還可以考慮結(jié)合智能電表和智能家電，使某些類(lèi)型的負(fù)荷進(jìn)行自動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)。這樣可以減少全人工需求側(cè)響應(yīng)帶來(lái)的不確定性，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)合分布式風(fēng)力發(fā)電特性的需求側(cè)響應(yīng)策略，為能量管理與電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在規(guī)劃中提供參考，對(duì)促進(jìn)我國(guó)集約、智能、綠色、低碳的城鎮(zhèn)化建設(shè)有重要意義。