考慮碳排放最優的小區廣義負荷協同響應研究

毛曉波 顧麗玲 鄭旭

摘 要：為建立考慮碳排放最優的小區廣義負荷分析模型，實現負荷節能減排，對居民常用家用電器的負荷可調節潛力進行了分析建模。研究了電動汽車與儲能系統有序充放電的響應模型，充分考慮用戶的調節意愿，對電動汽車及儲能的調節特性進行量化。在此基礎上，對居民小區需求側響應進行分析，提出相應指標以量化居民側需求響應策略的優劣，為需求側響應策略設計奠定了基礎。

關鍵詞：居民用電；廣義負荷；電動汽車；需求側響應

中圖分類號：TM73? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0020-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.006

0? ? 引言

2020年9月，中國在聯合國大會上提出了“雙碳”目標：二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。作為“雙碳”目標的關鍵落腳點，用戶側節能減排、清潔消納成為實現雙碳目標的重要抓手之一。深度挖掘用戶側用能特性，評估用戶側低碳化潛力，協同多元資源形成負荷協同互動低碳創新模式，成為“雙碳”目標下能源轉型發展的關鍵[1]。

在國家“雙碳”戰略路徑的指導下，居民小區將成為“雙碳”目標實現的生力軍，分布替代、電動汽車的推廣將不斷改變小區能源消費模式，探索居民小區的低碳化潛力日趨重要。為建立考慮光伏、電能碳排放最優的小區廣義負荷分析模型，本文將對居民用電負荷與需求側響應進行研究。

1? ? 居民電器負荷特性

1.1? ? 家庭典型用電負荷

對居民負荷根據可調潛力和特性進行分類和分析，為居民家庭靈活性資源的策略優化研究做鋪墊，對提高用電側的靈活性具有重要意義。

圖1展示了普通家庭中常見的用電負荷，包括空調、熱水器等溫控設備，電視機、計算機等娛樂設備，以及照明和冰箱等生活必需電氣設備[2]。

1.2? ? 家用電器的可調特性研究

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

1）變頻空調功率的可調潛力。

變頻空調是功率可調且時間可轉移型電器。在房間面積、保溫性能等條件一定的情況下，變頻空調的運行功率大小基本取決于室內溫度與設定溫度之差。只考慮空調的設定溫度變化對空調功率影響時，空調負荷調節模型可簡化如下：

ΔP=fkΔT? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：ΔP為空調功率變化值；fk為考慮建筑物采暖面積、平均層高等因素的基礎參數；ΔT為室內溫度與設定溫度之差。

考慮到變頻空調頻繁啟停反而耗電，空調負荷轉移時間不宜過短，建議將轉移時間，即變頻空調停止運行的時間，控制在30 min到1 h之間。最終的空調轉移時長需綜合考慮空調性能、天氣情況、房間情況、用戶感受及臺區整體運行情況。考慮到用戶的舒適度要求，除非出現電力負荷極其緊張、急需快速調節負荷的情況，一般不采用完全關停空調的調節方式。

2）電熱水器可調潛力分析。

對電熱水器的調節方式主要為加熱時間轉移，轉移時長與電熱水器的保溫性能相關。因此，適當調節電熱水器的設定水溫，綜合考慮用戶用水行為習慣、季節溫度、臺區負荷曲線等，可得出最優的轉移時長，夏季可達12 h，冬季建議不超過1 h。

當將電熱水器作為功率可調節的負荷時，可能的應用場景為臺區負荷運行超載或臨界超載，需要全臺區即時限定功率。此時，若熱水器正在使用，可考慮將其降檔運行或停止運行，則可調負荷為調節前后檔位對應功率之差。

3）洗烘一體機可調潛力分析。

根據用戶習慣，洗烘一體機一般屬于時間可轉移型負荷，有兩種控制方式：一是避峰運行，二是負荷高峰時暫停運行。避峰運行時，可在用戶能接受的時間范圍內靈活調整運行時間，因此洗烘一體機的可調負荷潛力為12 h。若在負荷高峰暫停運行，當處于洗衣環節時，暫停時長不宜超出1 h。

2? ? 電動汽車及光儲的互動調節特性

2.1? ? 電動汽車模型

電動汽車的內置儲能電池電量對用戶出行安排至關重要。由于其續航里程相對有限，儲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，儲能電池電量還直接關系到電動汽車的充電需求和成本[3]。

電動汽車儲能電池的基本充放電模型由以下公式描述[4]：

SOCt+1=SOCt+ηcptΔt，? ? ?pt≥0，

SOCt+（pt/ηd）Δt，pt<0? ? ? ? ? （2）

-pmax≤pt≤pmax? ? ? ? ? ? ? ? （3）

SOCmin≤SOCt≤SOCmax? ? ? ? ? ?（4）

Etotal=SOCtβ-SOCtα? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：SOCt是電動汽車電池在t時刻的充放電狀態；SOCmin和SOCmax是指電動汽車電池容量的上下限；ηc和ηd分別是電池充電和放電的能量轉換效率系數；pt是電動汽車t時刻的充放電功率；pmax是最大充電或放電功率；Δt為充放電時間；Etotal為充電樁充放電的電量；SOCtβ和SOCtα分別表示電動汽車儲能電池在離開和到達充電樁時的電量。

公式（5）是為了保證電動汽車在出發時具有充足的電量水平。

2.2? ? 電動汽車充電滿意度

針對不同用戶對電動汽車的使用習慣和充電要求存在差異的情況，以及駕駛員的經驗、充電偏好、充電焦慮等因素對用車行為和充電偏好的影響，本文在研究電動汽車調節特性時，考慮了用戶行為的差異。為更符合實際場景，建立了充電滿意度模型，并引入“充電焦慮”的概念來描述駕駛員對于行駛里程不足和未來不確定事件的擔心，旨在通過定量描述駕駛員的充電焦慮，更準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汽車時由于擔心剩余電量不能滿足行駛需求或充電樁不易尋找而產生的情緒反應，其受多種因素影響，其中包括里程評估和駕駛經驗等。在實際應用中，電池衰減速度受環境溫度等因素影響。

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

2）時間焦慮。

與里程焦慮類似，時間焦慮也是駕駛員由于擔心電動汽車電量不足而在心理上產生的一種焦慮情緒。具體而言，在電動汽車充電過程中，駕駛者會由于擔心未來時間段內可能發生的計劃外行程中斷充電過程，導致充電電量不足而產生焦慮情緒?？梢酝ㄟ^充電策略的優化使得電池在焦慮時段內盡快到達較高電量來緩解。

3）充電焦慮模型。

本文將充電焦慮定義為一個表征充電焦慮的綜合評估模型，以表征不同時刻下電動汽車充電滿意度：

cat，k=，? tα，k≤t≤tβ，k，

0，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?其他? （6）

式中：cat，k為充電滿意度，取值范圍為[0，1]；la，k和lb，k指權重估計；tα，k表示充電焦慮的初始時間；t表示當前時刻；tβ，k表示電動汽車達到預期SOC水平的時間。

在評估過程中，充電焦慮可以通過t時刻的預期SOC水平和當前SOC水平之間的差異來量化。充電焦慮的評估模型如下：

CAk=max（SOCβ，k·cat，k-SOCt，0）? ? ?（7）

式中：CAk表示充電焦慮的量化值；tα表示充電焦慮的初始時間；tβ表示電動汽車達到預期SOC水平的時間；SOCβ，k表示電動汽車k在出發時的預期SOC水平。

2.3? ? 家庭光伏儲能系統

在配備光伏和儲能裝置的家庭中，用戶可作為消費者或生產者參與能源交易。儲能系統模型中的電池SOC模型及約束可以由如下公式描述：

SOCess（t+1）=SOCess（t）+ηessPess（t）Δt，

t∈[tessα，tessβ-1]（8）

SOCess，min≤SOCess（t）≤SOCess，max，

t∈[tessα，tessβ] （9）

式中：SOCess（t）指家庭儲能系統在t時刻的剩余電量，需要滿足儲能電池容量的上下限約束；SOCess，min、SOCess，max分別表示家庭儲能系統電量的下限值與上限值；ηess指儲能電池充放電能量轉換效率；Pess（t）表示家用儲能在t時刻的充放電功率；tess α 、tess β 分別表示家庭儲能系統開始充電和結束充電的時刻。

儲能充放電功率也需要滿足上下限約束：

Pess（t）∈[-Pessdis，max，Pessch，max]? ? ? ? ? ? ? （10）

式中：Pessch，max和Pessdis，max分別是儲能電池在t時刻的最大充電和放電功率。

通過對電動汽車和儲能系統有序充放電的研究，并考慮用戶的調節意愿，可有效實現削峰填谷，這對居民社區負荷實現節能減排具有重要意義。

3? ? 居民小區需求側響應研究

3.1? ? 居民小區需求響應作用及分類

需求響應，即電力需求響應的簡稱，是指當電力批發市場價格升高或電力系統的有效性和可靠性受到威脅時，電力用戶在接收到供電商發出的誘導性減少負荷的直接補償通知或者電力價格上升信號后，改變其固有的用電行為模式，從而減少或推移某時段的用電負荷而響應電力供應，保障電網穩定，并抑制電價上升的短期行為[5]。其在以下幾個方面具有積極作用：

1）用戶受到電價激勵，能夠配合調度計劃改善用電，同時降低用電成本。

2）用戶主動參與削峰填谷，減輕電網運行壓力，減少相關設備投資，節約成本。

3）充分發揮市場經濟作用，自動調節電能資源分配，促進相關市場服務完善，改善電網運行安全。

4）能夠降低線損率，帶來節能減排效益。

需求響應分為兩種類型：激勵型需求響應與價格型需求響應。激勵型即相關部門或廠商通過一定的激勵政策和補貼促進居民用戶配合改變用電習慣，較為直接；價格型即市場自身作用，通過調整電價使得用戶自發選擇用電成本更小的用電方式，從而無形中實現削峰填谷，較為間接。

3.2? ? 居民小區需求側響應機制

居民小區中，需求響應一般在社區內進行統一調配，需求響應策略設置各家庭可從社區內的集中式儲能點認購一定量的能源儲備。

需求側響應的效果主要體現在以下三個方面：任務完成度、用戶滿意度、經濟效益。為此，本文設計了三項對應指標以對需求響應效果進行量化。

1）任務完成度：完成度指該居民小區對相關需求響應指令的完成程度。

完成度γ為：

γ=Qf/Qtask，

Qf=∑

Pdt，

Qtask=Ptask（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式中：Qf為小區的總下調容量；Qtask為需求響應容量；t1、t2分別為需求響應起止時間；P為小區中單戶家庭的下調功率；Ptask為需求響應需要的總下調功率。

2）用戶滿意度：設計用戶滿意度來衡量用戶在相關需求響應下的適應程度，其與用戶對電器的依賴程度相關。

設置滿意度φ為：

φ=δk+εlSl? ? ? ? ? ? ? ? （12）

式中：s為可下調負荷；L為負荷總數；δk、εl分別為負荷的優先級系數；ΔPck為負荷k的下調量；Pck為額定功率；Sl為負荷l的開關狀態函數。

3）經濟效益：經濟效益主要由兩方面組成，其一是電費下調，主要通過調節負荷或儲能供電代替電網實現；其二是激勵獎勵，主要通過完成需求響應實現。

設置經濟效益ω為：

ω=ω1+ω2，

ω1=Price（t）ΔQ-Price，lowΔQS1-Price，SΔQS2，

ω2=ρΔQ? （13）

式中：ω1為電費下調的經濟效益；ω2為完成需求響應帶來的經濟效益；Price（t）為t時刻的分時電價；Price，low為在峰谷電價下的低谷電價；Price，S為儲能點供電時的電價；ΔQ為實際負荷下調量；ΔQS1為實際負荷轉移量；ΔQS2為實際儲能供電量；ρ為獎勵系數。

4? ? 結束語

本文首先分析了居民家用典型電器的負荷特性，量化了相應電器的可調潛力；之后研究了電動汽車與儲能的調節特性，在考慮用戶意愿的基礎上對其進行建模分析；最后研究了居民需求側響應，并提出了對應指標對需求側響應策略進行評價。

[參考文獻]

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[4] 陳曉彤.雙碳目標下電動汽車有序充電策略研究現狀[J].機電工程技術，2023，52（4）：136-140.

[5] 顧默，董樹鋒，張舒鵬，等.家庭集聚需求側響應策略分析[J].電力工程技術，2022，41（4）：100-107.

收稿日期：2024-01-05

作者簡介：毛曉波（1989—），男，江蘇江陰人，碩士，工程師，研究方向：需求側管理、用電能效。

顧麗玲（1992—），女，江蘇無錫人，碩士，工程師，研究方向：電力負荷管理。

鄭旭（1982—），女，江蘇鎮江人，高級工程師，研究方向：電力負荷管理。