电力柔性负荷

柔性负荷包含具备需求弹性的可调节负荷或可转移负荷、具备双向调节能力的电动汽车、储能、蓄能以及分布式电源、微电网等。其广泛的外延让我们在研究柔性负荷的时需要将其进行分类 。

柔性负荷的常见分类有三种:按照其能量互动性分类、按照管理方式分类和按照负荷特性分类。

(1)按照其能量互动性可分为2类:一类是双向互动性柔性负荷，以电动汽车、储能、微电网为典型;一类是单向柔性负荷，以需求响应资源为典型。

(2)按照不同管理方式可以分为可激励负荷和可中断负荷。激励负荷出于对电价的考虑，可以将用电行为从电价较高时刻转移到电价较低时刻。可中断负荷是用户与电力公司签订可中断负荷协议，在电网峰时的固定时间内减少其用电需求。

(3)按照负荷特性分类:柔性负荷既包括电力用户中的工业负荷、商业负荷以及居民生活负荷中的空调、冰箱等传统负荷。

柔性负荷的分类为其建模及调控研究提供了便利，便于在电力系统不同场景下应用不同特征的柔性负荷。

从柔性负荷调控模式上来说，柔性负荷可参与电力系统多种调度计划模式:基于电价的模式、基于合同约定的模式、基于需求侧竞价的模式、基于有序用电的模式、基于参与备用计划的模式、基于参与频率控制的模式}。不同的模式对应不同的电力系统环境，则柔性负荷的控制方式和目标函数也有所区别。以节点际电价为求解对象，研究了柔性负荷参与备用的安全约束调度策略;将激励负荷的售电收益、可中断负荷的补偿成本纳入考虑，以调用利益最大化为目标函数，研究了柔性负荷参与负荷调峰的内容;以电力系统频率控制为目标，研究通过需求响应手段，控制柔性负荷的启停，平衡用电需求和电网运行状态;考虑分布式电源与单向型柔性负荷的联合调度，以提高电力系统运行效率 。

从柔性负荷调控方式上来说，柔性负荷可分为集中调控、分布式调控和基于负荷聚合商的分层调控。采用了类似发电机组的集中控制方式，柔性负荷由调度中心集中控制，电力系统向大用户直接发布调控命令。利用智能电表实现分布式控制，并分析了基于不同地理位置的分布式架构具有投资小、通信和控制灵活等优点，通过包含电动汽车、可控家用电器、分散式热电联产机组的柔性负荷聚合，参与电力系统二次调频，负荷聚合商使用模型预测控制策略来分配控制行为。

目前我国电力增长态势趋缓，很多地区出现电力富余的情况，但从长远来看，仍有可能出现局部性和阶段性的紧张状态。需求侧逐渐成为电力系统领域关注和研究的重点，通过需求侧的改变，可以改善供需矛盾，提高电力系统运行效率。我国建设和完善智能电网的整体思路也给用户侧的负荷创造新的发展契机 :

近年来，柔性负荷成为了学术研究的重点，柔性负荷的调度和调节是缓解供需侧矛盾的重要手段之一。柔性负荷的柔性调节能力改变了原本负荷单向、被动接受调节的历史，也使负荷参数的刚性、不确定性等特征发生了变化。另外电动汽车、分布式电源的接入使负荷具有了一定电源的作用。这些都对传统电力系统格局产生了影响。空调是典型的柔性荷，在夏季负荷高峰期时，空调负荷在电网中已占尖峰负荷的30%-40%，并呈现逐年上升的趋势.另一方面，空调具有两个重要特征:1)空调与所属的房间构成了具有热储存能力的系统，一定意义上相当于蓄电池等储能设备;2)人体有一定舒适度范围，在此范围内空调负荷的功率也随之有了调节的空间。这两点是空调负荷参与双向互动的前提条件。

目前还没有对于柔性负荷的统一定义，一般认为柔性负荷是指可通过主动参与电网运行控制，能够与电网进行能量互动，具有柔性特征的负荷。负荷柔性表现为在一定时间段内灵活可变。

从柔性负荷综述中不难发现柔性负荷种类繁多，并很难得到具有普适性或通用型的柔性负荷模型和控制策略。为了更深入的挖掘柔性负荷，抓住重点柔性负荷特征，论文选取中央空调作为典型柔性负荷代表，并开展其参与电力系统运行的模型和控制策略研究 。

(1)中央空调负荷具有柔性负荷典型特征。柔性负荷的主要特征是负荷在一定时间内灵活可变，因为人体有一定舒适度范围，中央空调负荷的功率在舒适度范围有了调节的空间。以夏季为例，当用户对电价做出响应时，在电网高峰时可通过调高设定温度、降低风机转速等方式降低中央空调负荷，以获得效益回报;在电网低谷时期，利用中央空调所属房间储热能力，增加空调负荷，提前储存一部分冷量，使电力系统利用率增高。

(2)中央空调负荷在尖峰负荷中占比大。在北京、上海等发达地区空调负荷在高峰时负荷占比接近一半。而中央空调在工商业用户、居民用户等其它用户中己经广泛应用，是空调集群中较常见的种类，而与分体式空调相比，中央空调的额定功率要大得多，另外相对于分体式空调，中央空调的负荷比较集中，更有利于集群控制，国内多地己开展了中央空调负荷调控的示范工程，积累了较为丰富运行经验。

(3)中央空调负荷可控性强。与其他柔性负荷相比中央空调系统的可控量多，理论上包括:设定温度、送风量、新风量、冷冻水泵流量、冷冻水进水温度等几十个特性参数。对任意决策变量的控制都能达到调节中央空调负荷的目标。另外在特定情况下，短时中央空调可通过关闭机组达到极限调节量，即使在不停机的前提下，中央空调的负荷调节能力也十分可观。

在柔性负荷响应潜力方面，提出针对大型工商业用户参与需求响应的潜力评估方法，主要步骤包括确定研究对象和需求响应项目类型、基于用电特性的用户群聚类分析、分类需求响应项目参与率辨识、价格弹性计算和需求响应潜力评估，重点是适用于细分用户群的价格弹性计算方法。基于上述评估方法，美国联邦能源管理委员会从常规业务、扩展业务、可实现参与和全而参与4种场景评估了美国2010-2020年的需求响应潜力，一般来说，需求响应潜力评估可分为电力负荷调研、数据整理和分析、回归模型建立及响应潜力预测等步骤。表1给出了各国柔性负荷响应潜力分析结果。但现有研究还存在以下不足:①负荷可调度潜力与电网运行工况、外界环境变化、用户用电消费心理、响应前用户用电状态等因密切相关，针对负荷在某一具体运行工况下的响应潜力评估研究还较为少见;②多从挖掘电网柔性负荷削峰潜力的角度研究负荷的向下调节潜力，缺乏对向上调节潜力的相关研究。2100433B

柔性负荷调度技术改变了传统的发电跟踪负荷变化”的运行模式，通过引导柔性负荷主动参与电网的运行控制，可有效解决电力系统调节能力不足等问题，提高电网运行的安全性和经济性。考虑到中国目前的电价政策、营销模式、发展需求等现状，在柔性负荷调度方面提出以下几点建议与设想。

1）从安全经济、节能减排等角度对电力公司和电力用户加强引导，使其认识到柔性负荷能够和发电机组一样参与电网的调度运行并具有充分的优越。

2）根据各地发电资源享赋和柔性负荷构成，制定合理的调度模式。如在“三北”地区，风力资源和太阳能资源非常丰富，弃风弃光现象严重，而其高耗能负荷容量大且多数具备一定调节能力，可考虑采用动态电价、签订合同等方式引导高耗能负荷消纳可再生能源；在华东、华南负荷中心，大中型商业、公共设施以及居民负荷比重普遍较高，可采用直接负荷控制或自动需求响应模式进行负荷控制，以实现削峰填谷。

3）在发电机组调节能力不足的区域电网，尽快完善柔性负荷参与电网调度的激励补偿机制，并建设柔性负荷调度示范工程。2100433B

电力柔性负荷调度柔性负荷综合响应建模技术

电力系统中存在物理形态、用电特性迥异的多种负荷类型，同一类型柔性负荷可能会对应多种不同的响应，而多个响应之间存在一定的约束。对于输电网调度中心来讲，更为关心的是以配电网、专变用户、负荷聚合商为单位的整体负荷的综合响应潜力，如何建立有效的柔性负荷多形态多响应综合预测模型是柔性负荷调度技术推广的基础。

这种方法通常需利用历史需求响应事件信息并进行回归分析，受制于历史数据的完整性和对历史事件样本数量的要求，其响应模型的准确度以及响应行为的不确定性如何表征还需进一步研究。

电力柔性负荷调度多时间尺度互动交易模式设计

不同类型柔性负荷的用电方式、调度模式、提前通知时间、可调节量、对电价和激励信号的敏感程度都有很大差异，合理的互动交易模式是直接影响柔性负荷参与电网调度可操作性、运转效率和效益的关键影响因素。一般情况下，在中长期时间尺度内，无法知晓电网的确切运行状态，互动机制设计应当以价格引导作用为主；短期及实时时间尺度内，电网运行状态已能够准确获知，不确定因素较少，需要深入调研、分析、整理不同类型柔性负荷的特点并将其适当分类，制定更加精细化的互动交易机制。

电力柔性负荷调度多时间尺度负荷协调控制技术

日前系统负荷预测存在一定误差，网络拓扑结构、系统实际运行状况也可能发生变化，特别是间歇式能源大规模接入的地区，日前调度计划的准确性和实用性更加难以保证。此外，柔性负荷响应电网调度本身也具有一定的不确定性，且随着参与调度的负荷数量的增加，其响应不确定性对系统运行产生的潜在影响将日渐凸显。因此，有必要在日内、实时时间尺度上根据滚动刷新的负荷和风电预测数据进行调度计划的滚动修正，建立计及需求响应资源多周期响应特性的日内调度模型和实时调度模型，这是柔性负荷调度技术研究的重点。

电力柔性负荷调度集中式和分布式协调控制技术

现阶段电网调度的模式主要是集中调控的模式，而柔性负荷更多地以配电网、专变用户、负荷聚合商等分布式调度单元的形式出现，如何实现各控制单元分布自治与电网控制中心整体决策的协调是柔性负荷调度技术研究的关键，主要需要研究分布式控制单元的在线动态等效建模与参数拟合技术、支持分布式单元与输电网调度中心交互的快速分布式计算技术、分布式控制单元与调度中心协调优化决策模型和方法。

电力柔性负荷调度互动效益评估技术

柔性负荷调度具有优化用户负荷曲线、改善电网峰谷差、减少新增装机容量及备用容量、支撑可再生能源消纳等多方而效果，如何合理设计评估指标并对其参与电网调度的效果进行量化评估是重要研究方向之一。需要从时间、空间、考核对象等多层次对评估指标进行分解；从响应特性、响应过程、响应效果、响应履约度等方面构建多维度量化指标，最终形成适合于柔性负荷调度的综合评估指标体系 。

电力柔性负荷调度集中式架构

集中式负荷控制类似于目前发电机组的控制模式，由输电网调度中心集中调度和控制，电力系统运行人员直接给每个负荷发布调控命令。显而易见，大系统中负荷数目众多，集中式架构需要针对大量用电设备产生控制信号，这在实际系统调度中是不可行的。

电力柔性负荷调度分布式架构

有文献利用智能电表实时监视系统频率并相应地调节用电设备都是一种典型的分布式控制模式，图《以智能家居为代表的分布式控制》给出了以智能家居为代表的分布式控制架构示意图。

基于不同地理位置或负荷类型的分布式架构具有投资小、通信和控制灵活等优点，但完全分散的分布式架构也面临着如下挑战：①由于只反馈本地可观测量，可能出现过度控制或控制量不足的情况，难以实现电网调度的系统级控制目标；②各局部控制器为达到自身的预期目标，可能使得不同控制器间相互冲突，恶化控制的整体效果。

电力柔性负荷调度基于负荷聚合商的分层架构

负荷聚合商作为协调大量中小规模用户和电网控制中心的中间机构，可以是传统意义上的配电公司、政府实体或电网公司自身的负荷管理中心，也可是代表单一类型或多种类型负荷的第三方机构，其共同点是将大量电力终端用户聚合在一起参与电网调度，并努力实现电网公司、负荷聚合商和电力终端用户各方的既定目标。基于负荷聚合商的分层负荷控制分为控制层、协调层和本地响应层。