基于需求响应与光伏不确定性的电力系统经济调度

国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司 胡晓青 鲁玉普 惠 炜 许吉强 许 欢

1 引言

电力系统经济调度是电力市场中的一个重要环节，其目标是在满足电力需求的前提下，以最小的成本来调度发电设备和电力负荷。电力市场的运行模式和调度机制对电力系统经济调度产生了重要影响，随着分布式能源的快速发展，尤其是光伏发电的广泛应用，电力系统的不确定性和波动性不断增加，给电力系统的经济调度带来了很大的挑战。同时，需求响应作为一种新型调度方式，可以通过调整用户的用电行为来提高电力系统的灵活性和稳定性。

本文从电力系统经济调度的基础知识、光伏不确定性对调度的影响、需求响应的应用以及结合需求响应与光伏发电预测的调度模型等方面进行了系统研究。研究结果表明，结合需求响应和光伏发电预测的调度模型可以提高电力系统的经济效益和稳定性，为电力系统的经济调度提供了一种新的思路和方法。同时，本文也为电力系统经济调度的研究提供了一定的参考和借鉴价值。

2 电力系统经济调度基础知识

2.1 电力系统经济调度的基本概念和目标

电力系统经济调度是电力系统运行中的一个重要环节，其基本目标是在保证电力系统的安全、稳定和可靠运行的前提下，尽可能地降低电力系统的总成本。电力系统经济调度的核心内容是发电设备和电力负荷的合理安排和调度，通过对发电设备的合理调度，可以保证电力系统的供电能力，同时最小化发电成本；而通过对电力负荷的合理调度，可以平衡电力供需，同时最小化用户的用电成本。

2.2 电力市场的基本运行机制

电力市场的基本运行机制包括市场化交易、调度和监管等环节。电力市场交易是电力市场的核心环节，是通过市场化的方式进行电力交易的过程。目前主要有竞价上网和双边协商两种交易方式。竞价上网是指电力市场参与者根据自己的发电成本或用电成本，以电力市场规定的交易方式和价格进行竞价，最终确定交易结果的过程。而双边协商则是指电力市场参与者在市场机构的撮合下，通过自愿协商确定电力交易的过程。

2.3 电力市场交易的基本类型和方式。

电力市场交易的基本类型和方式见表1。

3 光伏不确定性对电力系统经济调度的影响

3.1 光伏发电的不确定性产生的原因

3.1.1 光照强度

光照强度是影响光伏发电输出功率的最主要因素之一。而光照强度会受到天气、时间、季节以及地理位置等多种因素的影响，因此光伏发电的输出功率也会随之变化，从而产生不确定性。

3.1.2 温度

光伏电池的输出功率随温度的升高而下降。由于光伏电池的工作环境多在室外，其温度受气温、太阳辐射等因素的影响较大，因此光伏发电的输出功率也会受到温度变化的影响。

3.1.3 风速

在某些光伏发电系统中，风速也是影响光伏发电输出功率的因素之一。当风速过大时，光伏组件的温度会下降，从而提高了输出功率。而当风速过小或为零时，光伏发电的输出功率则会降低。

3.2 光伏不确定性对电力系统经济调度的影响

3.2.1 发电计划调整

由于光伏发电的不确定性，其实际发电量与预测发电量总是存在一定的偏差[1]，这将对电力系统的发电计划产生影响。当光伏发电量偏高时，发电系统需要调整其他电源的发电计划来降低光伏发电量的影响；而当光伏发电量偏低时，电网需要调整其他电源的发电计划来弥补光伏发电量的缺口。这些调整将对电力系统的经济性产生影响，因为在调整过程中需要考虑各种电源的发电成本、传输成本等因素。

3.2.2 电力市场交易

光伏发电的不确定性将对电力市场交易产生影响。当光伏发电量偏高时，电力市场供过于求，可能会导致电力价格下降；而当光伏发电量偏低时，电力市场需求过剩，可能会导致电力价格上涨。这将对电力市场参与者的收益产生影响，因为电力价格的波动将影响电力市场参与者的收益。

3.2.3 能源调度策略

光伏不确定性对电力系统经济调度的另一个挑战是如何设计适应性强、鲁棒性好的能源调度策略。在光伏不确定性情况下，如何有效地利用各种电源，以满足电网的负荷需求，同时尽量减少电网运行成本，是电力系统经济调度面临的一个重要问题。

4.需求响应在电力系统经济调度中的应用

4.1 需求响应的基本概念和技术实现方式

需求响应是指通过调整用户的用电行为，以适应电力系统的供需平衡和能源效率的要求，从而实现对电力负荷的调节和控制。

需求响应技术的实现方式包括两种主要类型：一种是基于信息技术的直接控制，例如通过智能电表、智能家居设备等实现对电气设备的远程控制；另一种是基于经济手段的激励措施，例如通过电价峰谷差异化的设定、电力市场奖惩机制等激励用户在高负荷时段减少用电，以及在低负荷时段增加用电。

4.2 需求响应对电力系统经济调度的影响和作用

需求响应在电力系统经济调度中具有重要的作用和影响。一方面，通过鼓励用户参与到电力调度中来，需求响应可以在一定程度上减轻电力系统的压力，优化电力供需结构，降低系统运行成本。另一方面，需求响应可以提高电力系统的灵活性和响应速度，有助于应对突发事件和电力系统的不确定性因素，保障电力系统的安全稳定运行。

4.3 需求响应与电力市场交易的关系和调度机制

在电力市场中，需求响应可以通过参与市场交易来实现。在一些电力市场中，参与市场交易的消费者可以获得相应的奖励或优惠，以鼓励居民在高峰期减少用电，从而降低电网压力，减少对发电机组的需求。

同时，对于电力系统经济调度来说，需求响应也是一种重要的调度策略。在传统的电力系统中，电力系统的负荷需求基本是由供给方通过调度发电机组来满足的。但是，当系统负荷过大或供给不足时，就会出现电力不足的情况，这时需要通过紧急调度或增加发电容量等方式来应对。

而需求响应则是一种能够降低系统负荷的方法，通过调整负荷曲线来降低电力需求，将用电高峰期部分繁重的工作量转化至其他时段进行[2]，从而减轻电网压力，降低电力系统运行成本。因此，在电力系统经济调度中，需要考虑将需求响应纳入调度策略中，以实现更加灵活和高效的电力系统调度。

需要注意的是，需求响应虽然可以帮助降低电力系统的运行成本和改善电网负荷平衡，但其实施也存在一定的难度和风险。一方面，需求响应的实现需要消费者的积极参与和支持，而这往往需要一定的激励措施。另一方面，需求响应也可能会对一些关键领域的用电造成不利影响，如医疗、安全等。

因此，在电力系统经济调度中，需要权衡需求响应的潜在收益和风险，并制定相应的调度策略，以实现电力系统的高效、稳定和安全运行。

5 结合需求响应与光伏发电预测的电力系统经济调度模型

案例选取了某地区的电力系统进行分析，具体的数据和模型假设如下。

系统数据：电力系统包含5个节点，分别是A、B、C、D、E；系统中有两个电力市场，分别为Day-ahead 市场和Real-time 市场；系统中有两个可再生能源发电设施，分别是光伏发电和风力发电；需求响应参与者有3个，分别是工业用户、商业用户和居民用户。

系统中的负荷数据和发电数据见表2。

表2 系统负荷数据和发电数据（单位：MW）

模型假设：光伏发电和风力发电的预测误差分别服从正态分布，其均值为0，标准差分别为10%和15%；需求响应的弹性系数分别为0.5、0.3和0.2。

电力市场电价见表3。

表3 电力市场电价（单位：元/MWh）

光伏的预测精度直接关系到电力系统的优化调度[3-4]，建立的结合需求响应与光伏发电预测的电力系统经济调度模型的优化目标是最小化系统的总成本，其中包括市场交易成本、供需不平衡成本和需求响应成本。模型的约束条件包括能量平衡约束、供需匹配约束、需求响应响应约束、光伏发电容量约束、发电机出力约束等。

模型的求解方法:采用线性规划或者基于启发式算法的优化方法。具体而言，可以使用GAMS 或MATLAB 等软件进行建模和求解。同时，为了加速求解过程，可以采用并行计算等技术。

计算实现方面:通过实时数据监测和预测技术获取光伏发电量和需求响应量，将其作为模型的输入数据。然后通过优化算法求解得到最优的电力系统调度方案，即各发电机的出力和需求响应量，从而实现经济运行目标的最大化。

6 结语

本文主要探讨了光伏不确定性和需求响应在电力系统经济调度中的应用，并建立了结合需求响应与光伏发电预测的电力系统经济调度模型进行实例分析。光伏发电功率的准确预测对保证系统的安全稳定、促进电网的优化运行具有重要意义，其光伏发电的不确定性对电力系统经济调度产生了一定的挑战和影响，

但是光伏发电预测技术的不断发展和应用可以降低其不确定性，提高经济调度的准确性和效率。需求响应作为一种能量供需平衡的技术手段，在电力系统经济调度中发挥了重要作用，可以提高供需匹配的灵活性，减少供需不平衡成本，并为电力市场交易提供更多的机会和灵活性。建立结合需求响应与光伏发电预测的电力系统经济调度模型可以更加准确地预测电力市场需求和供给情况，提高电力系统的经济效益。在模型求解和优化分析方面，可以采用现代优化算法和计算机模拟技术，以提高模型的求解速度和精度。