需求響應參與電力平衡的成本效益評估方法

代賢忠，韓新陽，靳曉凌

(國網能源研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

“十四五”期間，中國新能源將進入跨越式發展階段，初步預計新能源裝機容量年均新增將達到1.0 億～1.2 億kW。受政策、環境、碳排放等因素影響，煤電裝機增長空間具有較大不確定性且總體有限[1]。隨著第三產業用電負荷快速增長，取暖降溫等季節性負荷增加，5 G、數據中心、電動汽車等新興負荷不斷增加，用電負荷夏季冬季雙高峰特征更加明顯，負荷峰谷差也將進一步加大[2-3]。隨著這些電力供應側和需求側的形勢變化，中國“十四五”時期電力供需平衡將面臨新的挑戰，亟須應對煤電裝機比例下降、大規模新能源在峰荷期間有效出力有限、電力平衡緊張等問題[4-5]。近年來，中國需求響應試點工作表明，需求響應能夠在一定程度上緩解電力供應緊張問題，是一種有效的電力平衡資源。因此，鑒于未來電力系統的電力平衡特點，在規劃階段超前謀劃，考慮需求響應參與電力平衡的可行性，采取有力措施確保運行階段需求響應參與電力平衡的實用性，既能解決電力安全供應問題，又能提高電力規劃投資效益。

當前需求響應的研究主要集中在政策措施[6-7]，價格、市場機制[8-16]，運行優化策略[17-25]等方面。針對電力規劃中如何考慮需求響應參與電力平衡的作用，發揮需求響應對電力規劃投資的積極作用，鮮少見到研究報道。此外，現有研究對需求響應參與電力平衡的成本效益關注不夠，尚未深入開展需求響應參與電力平衡與傳統電力平衡方法的經濟性差異分析，進而難以評估參與電力平衡的需求響應最佳規模，依此為配套支撐政策提供依據。

本文首先闡述電力系統規劃時評估需求響應參與電力平衡的總體框架，然后介紹需求響應參與電力平衡的基本方法，提出了一種需求響應參與電力平衡的成本效益評估方法，最后結合案例系統，通過需求響應參與電力平衡計算，給出了需求響應參與電力平衡的成本效益評估，并開展了基于不同需求響應比例和補貼標準下的成本效益分析。

1 需求響應參與電力平衡的評估框架

對需求響應資源進行建設改造，使其具備參與電力平衡的技術條件，在需求響應補貼政策的激勵下，電力系統運行階段需求側資源能夠參與電力平衡。因此，電力系統規劃階段需要考慮需求響應參與電力平衡的作用，進而可減少該階段的電源裝機和配套電網建設投資，再結合需求響應的改造成本和補貼成本，可以評估不同補貼標準和需求響應比例下的需求響應成本效益。評估框架如圖1 所示。

圖1 需求響應參與電力平衡的評估框架Fig. 1 Framework for assessment of demand response participating in power balance

2 需求響應參與電力平衡的方法

2.1 傳統電力平衡方法

傳統電力平衡方法分為2 個步驟：計算目標電力市場空間和確定新增電源裝機規模及結構。

（1）預測目標年的最大負荷，增加適當的系統備用，扣除基準年各類電源可用容量以及輸電通道的凈受入電力，得到目標年的電力市場空間為

式中：Lmax為目標年最大負荷；KL為備用率；PG,i為 基 準 年 第i類 電 源 裝 機 容量； αi為 第i類 電 源參與電力平衡的可用系數；Ti為 目標年第i條輸電通道的凈受入電力，其中正數表示受入電力，負數表示外送電力；NG、NT分別為電源的類型數、輸電通道總數。

（2）以滿足目標年電力市場空間為目標，考慮目標年已確定的電源裝機計劃、現有輸電通道受入電力增長以及新增輸電通道受入電力，最后確定各類電源的新增裝機容量為

2.2 考慮需求響應參與電力平衡的方法

考慮需求響應的電力平衡方法分為3 個步驟：評估需求響應潛力規模、計算電力市場空間和確定新增電源規模及結構。

（1）根據不同負荷的可調節能力，評估需求響應潛力的總規模為

式中：Li為 第i類 負荷的總規模； βi為第i類負荷的可調節比例；NL為可調節負荷的種類數。

（2）傳統電力平衡方法確定的電力市場空間中扣除需求響應參與容量，得到需求響應參與電力平衡后的電力市場空間為

（3）以滿足目標年電力市場空間為目標，考慮目標年已確定的電源裝機計劃、現有輸電通道受入電力增長、新增輸電通道受入電力、計劃開展需求響應規模，最后確定各類電源的新增裝機容量為

3 需求響應參與電力平衡的成本效益評估方法

3.1 需求響應成本計算

需求響應參與電力平衡的成本評估分為4 個步驟：預測目標年8 760 h 時序負荷曲線、生成年持續負荷曲線、確定所需需求響應次數和計算需求響應的年度成本。

（1）根據目標年規劃對象所在地域的社會經濟發展情況、歷史負荷數據及特性，預測目標年的8 760 h 時序負荷曲線L為

式中：L(n)為 第n小時的負荷預測值。

（2）基于時序負荷曲線L，生成年持續負荷曲線，得到全年超過一定負荷l的負荷持續小時數H(l)為

式中：HD為單次需求響應平均持續時間，根據中國東部某省網需求響應補貼標準規定的持續時間中間檔位，可取為2 h。

（4）計算需求響應改造成本和需求響應補貼成本計算需求響應年度總成本C為

式中：Cinv、Copr分別為需求響應改造成本和補貼成本；cinv、copr分別為需求響應單位容量的改造成本和單次參與響應的補貼成本；cyear為需求響應單位容量年激勵成本；Ylife為設備壽命周期年數；H-1(N)為H(l)的反函數。

3.2 需求響應效益計算

需求響應的成本效益評估為

4 需求響應參與電力平衡的案例分析

本文結合中國東部負荷中心受端電網的電源結構和負荷特性情況，構建與大型省級電網規模相當的案例系統。分別按照傳統方法、考慮需求響應的方法進行電力平衡，通過這2 種方法的結果對比，進行需求響應措施的成本效益評估，并開展相關敏感性分析。

4.1 兩種電力平衡方法的比較

4.1.1 傳統方法的電力平衡結果

案例系統2020 年（基準年）的負荷規模、裝機容量、受入電力如表1 所示。參照中國東部地區實際情況，選取水電、抽蓄、煤電、氣電、核電、風電、光伏、生物質及其他等各類電源的可用系數分別為0.60、1.00、0.95、0.75、1.00、0.10、0、1.00。根據預測，2025 年（目標年）案例系統最大負荷增長至120 GW，外受電力增加11.18 GW后，可用裝機容量需要增加20 180 MW，可以通過新增本地電源予以解決。

表1 傳統電力平衡方法的結果Table 1 Results obtained with the traditional power balance method

按照傳統電力平衡方法，考慮各類電源核準、在建項目情況和未來建設意向，2025 年各類電源的實際裝機容量如表2 所示，各類電源總裝機容量增加33.96 GW，其中，煤電裝機容量增加18.03 GW，對應可用裝機容量增加17.13 GW。

表2 傳統電力平衡方法下各類電源裝機容量Table 2 Installed capacity of various generation sources obtained with the traditional power balance method MW

4.1.2 考慮需求響應的電力平衡結果

若考慮參與電力平衡的需求響應容量為5%最大負荷，則需要新增煤電裝機容量為11 720 MW，如表3 和表4 所示，比傳統電力平衡結果下的煤電容量減少6 310 MW。

表3 需求響應參與下的電力平衡結果Table 3 Power balance results with demand response participation

表4 需求響應參與下的裝機容量變化Table 4 Variation of installed capacity of various generation sources with demand response participation

4.2 需求響應參與電力平衡的成本效益分析

4.2.1 需求響應占比對啟動頻次的影響

參考中國東部負荷中心某省級電網的歷史負荷曲線，設定案例系統的2025 年負荷曲線（標幺值），8 760 h 時序負荷曲線如圖2 所示?？梢钥闯?，案例系統夏季負荷的尖峰特性突出，具備需求響應的客觀需求。

圖2 案例系統年度8 760 h 時序負荷曲線Fig. 2 Sequential load curve of the example system in 8 760 hours

根據式（7），得到案例系統年負荷持續曲線如圖3 所示。對圖2 對應負荷數據進行處理，得到1%～10%最大負荷對應的年持續時間小時數如表5 所示?？梢钥闯?，負荷尖峰特性十分明顯。

表5 不同比例峰荷持續時間及所需需求響應次數Table 5 Duration of the peak load of different proportions and needed times for demand response activation

圖3 案例系統年持續負荷曲線Fig. 3 Annual sustained load curve of the example system

4.2.2 需求響應占比對成本效益的影響

參照案例系統省級電力公司的需求響應改造實際數據，設需求響應單位容量改造成本為20 元/kW。參照中國試點省份需求響應補貼標準，需求響應單位容量補貼為6 元/kW，且每年給予單位容量需求響應激勵10 元/kW。參照中國當前煤電裝機成本，煤電單位容量投資選取為4 200 元/kW。需求響應改造設備和煤電機組的生命周期均取30 年。根據式（8）～（11）計算，在單位容量需求響應補貼6 元/kW 時，不同需求響應比例下需要開展需求響應的次數、改造成本、補貼成本、經濟效益、凈經濟效益如表6 所示。

表6 容量補貼為6 元/kW 時需求響應的成本和效益Table 6 Cost and benefit of demand response with a capacity subsidy 6 yuan/kW億元

通過結果發現：需求響應年度總成本主要由補貼成本構成，改造成本占總成本比重較??；隨著需求響應比例的增加，總成本指數增加，經濟效益線性增加，凈經濟效益先增加后下降。其原因在于，式（3）～（5）和式（10）決定了因節省煤電建設的經濟效益線性增加，表5 中需求響應次數與需求響應比例的指數關系決定了需求響應年度總成本是指數增加的，剛開始總成本及其增速小于經濟效益，凈經濟效益為正且不斷增加；然后總成本增速逐步增加，當總成本增速等于經濟效益增速時，凈經濟效益達到最大值；隨著總成本增速超過經濟效益增速，凈經濟效益開始下降（仍然大于零），當總成本超過經濟效益時，凈效益開始變為負值。本案例中，需求響應比例為5%時，總成本增速追上經濟效益增速，凈經濟效益達到最大值。需求響應比例超過9% 時，總成本超過經濟效益，凈經濟效益由正轉負，詳見表6。這說明，需求響應參與電力平衡的經濟性與其比例相關，一定的需求響應比例能使凈經濟效益達到最大，且需求響應比例超過一定數值后，其經濟性就不如傳統電力平衡方法。

4.2.3 需求響應參與電力平衡的成本效益敏感性分析

隨著需求響應補貼標準的提高，需求響應參與電力平衡的凈經濟效益將逐步下降，如圖4 所示。當需求響應單位容量補貼分別為6、8、10、12 元/kW 時，需求響應參與電力平衡經濟性優于傳統電力平衡方法的臨界點（凈經濟效益為零）對應的需求響應比例分別約為9%、7.5%、6.4%、5.6%，即補貼成本越高，具有經濟性的需求響應比例越低。

圖4 不同補貼成本下不同比例需求響應的經濟性Fig. 4 Economy of demand response with different proportions under various subsidy costs

5 結語

本文提出了需求響應參與電力平衡的成本效益評估方法，建立了需求響應參與電力平衡的經濟性、需求響應比例、需求響應補貼標準之間的量化關系，可用于分析不同補貼標準下需求響應參與的最佳比例，為因地制宜決策參與電力平衡的需求響應比例提供了科學方法依據。本文方法具有通用性和可操作性，能夠為中國電力規劃階段確定需求響應參與電力平衡的規模和制定相關支撐政策提供理論方法支撐。后續需進一步研究協同考慮需求響應、煤電機組靈活性改造、抽水蓄能、電化學儲能等靈活性調節手段參與電力平衡綜合成本效益評估方法，確定需求響應規模，提供更為系統科學的理論支撐。