建筑能源需求响应关键技术研究与应用.docx

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1、建筑能源需求响应关键技术研究与应用一、目的和意义随着经济发展和社会进步，资源和环境问题日益突出，电力供应季节性、时段性紧缺呈现常态化的趋势，电网发展面临新课题和新挑战。按照现代电网的运营观念，用电负荷是和发电容量、电网传输容量与储能容量一样可以调度管理的资源，采用需求侧管理的方式对用电负荷实施管理，通过政策措施和经济激励引导用户高峰时少用电、低谷时多用电、提高供电效率、优化用电方式，可以有效缓解缺电压力、降低供用电成本、提高电网资产利用率，达到节约能源和保护环境的目的。在欧美发达国家的需求侧管理实践中，基于智能电网框架的需求响应技术已得到了成熟的运用、并同完善的金融、保险工具相配合以价格信号和

2、奖励措施来综合调度各类等客户侧资源，很好的解决了系统性电力供应不足和时段性电力供需不平衡等问题。在提高供电可靠性、减少并延缓电网固定资产投资和调用调峰机组、规避批发电力市场高现货电价风险等方面起到了显著的作用。经济的持续发展必然带来电力需求的刚性增长，加之江苏境内不断增长的空调负荷加大了季节性电力供需缺口，有序用电工作的形势依然十分严峻。同时我们也要看到，基于行政指令的拉闸限电在管理上相对缺乏柔性，在一定程度上不可避免的影响到了部分企业的正常生产活动，为此引导、辅助用户开展精细化的能源需求柔性调节以应对能源供需紧张的局面，将限电对生产活动的影响降至最低，对地方经济“保增长、促生产”具有重要意义

3、。需求侧管理理念和实践在国内的发展已有近三十年的时间，但是由于早期供需紧张时，能源市场机制未充分建立，中期供需又相对宽松，因此需求侧管理工作的真正快速发展不到十年。随着能源市场机制的建立，需求侧开展需求响应和参与辅助服务的机制初步确立，需求侧管理的相关技术和服务市场将进入快车道。随着国家经济发展进入“新常态”以及“碳达峰、碳中和战略目标的实施，在相当一段时期内能源供需都将处于一种紧平衡的状态，能源供应要依托更高的管理水平来满足需求。新型电力系统下的需求侧管理具有广阔的发展前景，可再生能源特性对电网运行所带来的挑战仅仅依靠智能调度是无法完全应对的，而依赖大规模电储能又面临着材料和技术瓶颈、更高的

4、经济和环境成本、更高的能源转换损失等问题。因此，挖掘需求柔性调节能力，开展实时需求响应是新型电力系统的刚需，是供需紧平衡下保供促产的必经之路。低碳、零碳建筑楼宇建设将是“十四五期间的一项重要工作，较之于大规模工业建筑楼宇和综合性建筑楼宇，科技建筑楼宇虽然用能规模较小，但是其数量众多，在城区密集分布，用能特征的共性更为显著，对其能源需求柔性调节关键技术的深入研究，有利于形成可推广的解决方案和系统产品。二、国内外研究水平综述需求响应是能源需求柔性调节的主要手段之一，同时也是需求侧管理的重要组成部分。需求响应(DR)的概念是美国在进行了电力市场化改革后，针对需求侧管理如何在竞争市场中充分发挥作用以维

5、护系统可靠性和提高系统运行效率而提出的，广义上指电力市场中的用户针对市场价格信号或者激励机制做出的响应，并改变正常电力消费模式的市场参与行为。需求响应通过用户主动负荷调整来提高系统和资源的使用效率，对电力工业和经济发展以及环保有着重要的战略作用。对于引入竞争后的电力市场来说，需求响应更是保证系统可靠性，促进市场有效运作的必要手段。在美国加州电力危机之后，美国政府高度重视需求侧资源参与电力市场的重要作用，积极有效地组织开展DR实践。美国相继出台FERCOrder719(2008)和美国复苏和再投资法案(ARRA,2009),把需求响应视为新时期下美国电力市场建设和智能电网发展的一个重要组成部分，

6、美国七大电力市场：NYlS0、PJM、ISO-NE.MidwestISO、CAlS0、ERCOT和SPP相继制定适合各自地区的DR实施模式和规则。目前，项目的实施已取得较大的用户响应度，运行良好。美国科罗拉多州的BoUlder是全美第一个智能电网城市，每户家庭都安装了智能电表。人们可以很直观地了解当时的电价，从而把洗衣服、烫衣服等活动安排在电价低的时间段。美国佐之亚电力(GeorgiaPower)推行了当时世界上最大规模的实时电价项目，拥有1700工商业用户参与其中，峰时段负荷达到5000MW,当峰时段出现尖峰电价时，可以产生大于100OMW的负荷削减，目前项目运行良好，取得了很好的用户满意度

7、。在欧盟15国广泛使用一种ECMS系统(EnergyConsumptionManagementSystem),是欧盟第5框架计划下的重点项目，针对终端用户的电力设备，提供可编程的自动用电管理方案，利用配电网络作为通信介质，有效降低成本，可减少总电力需求1-4%,减少1.5-5%的二氧化碳排放，节约2-8%的发电项目投资。欧盟第7框架下的ADDRESS(ActiveDistributionNetworkswithFullIntegrationofDemandandDistributedEnergyReSoUrCeS)项目是一个历时四年(2008-2012)的大型研发项目，其目标是有效的为广大电力

8、用户(从大工商业用户到小的家庭用户)提供参与实时电价响应的手段，充分利用需求侧资源为欧洲电网、电力市场提供高效、灵活、可靠和高质量的解决方案。全球第三大电网公司意大利ENEL公司在2002到2005年期间的智能电表项目投资21亿欧元，已安装3000万个智能电表，通过电力载波通信，每年在电力高峰运行时段具有3000MW的高峰负荷削减能力，相当于电网负荷的5%,大大提高了电网运行的可靠性、经济性，该项目年节约电网运行费用4-5亿欧元，成本回收期为4-5年。江苏电力需求侧管理工作始于上世纪九十年代。90年代中期，电力公司在各供电公司设立专兼职电力需求侧管理岗位，建立起较为完善的电力需求侧管理工作网络

9、，并通过举办理论讲座、资料发放、有奖征文、知识竞赛、技术展示等活动，向社会渗透和传播电力需求侧管理理念、措施和方法，为开展电力需求侧管理工作营造良好的社会环境。1998年国家电网公司在江苏成立了国电电网公司电力需求侧管指导中心，2000年节约用电管理办法正式发布，2002年第一部电力需求侧管理办法在江苏出台，2004年发改委联合电监会印发加强电力需求侧管理指导意见,2008年发布关于加强电力需求侧管理、实施有序用电的紧急通知，2010年发改委、电监会等六部委联合印发电力需求侧管理管理办法，为开展需求侧管理提供了政策和环境的支持。江苏在开展需求响应工作方面一直走在全国前列，2015年出台了全国首

10、个需求响应实施细则，并创造性的通过季节性尖峰电价政策设置了需求响应激励资金池，建立了市场化开展需求响应工作的常态机制。同年夏季率先进行了首次全省范围的电力需求响应，邀约了申请需求响应的全部557家用户和8家负荷集成商(涉及586户)，邀约负荷162.74万千瓦，实际参与用户513户、参与集成商8家，实际响应减少负荷达165.77万千瓦。2017年进一步完善需求响应激励机制，制定了实时自动需求响应的实施细则，并于同年夏季开展了55.8万千瓦的全球单次最大规模工业负荷实时响应。随着分布式可再生能源比重的增长和新能源汽车逐渐普及，新型电力系统在负荷调节的时效性、复杂性方面呈现出了新的特性，能源需求的

11、柔性调节面临着新的挑战。在“碳达峰、碳中和”目标指引下，需求响应如何在尽可能不影响企业正常生产经营活动的同时促进绿色清洁能源消纳，实现用能降本增效减碳，是当前应用研究的重要课题。目前已有一些机构在开展电热多种负荷综合需求响应的建筑楼宇微网综合能源系统优化的研究和试点应用，但是尚未形成成熟的系统产品和应用模式。此外，部分“零碳建筑楼宇”试点在建筑楼宇绿色用能方面开展了一些研究和尝试，但是在与大电网的协同方面尚有不足。整体上看当前国内在新型电力系统下科技建筑楼宇能源需求柔性调节关键技术研究与应用还处于起步阶段，尚无相对成熟的系统解决方案，且由于缺乏有力的市场机制，无法形成真正常态化运行的落地应用。

12、三、项目的理论和实践依据3.1项目研究内容的原理科技建筑楼宇生产活动以电为主要能源形式，不同于大型工业建筑楼宇，科技建筑楼宇在用电规模上一般较小，用电规律较为清晰，办公空调、办公设备、照明、饮水机等所占用电比重较大。科技建筑楼宇的用电负荷具备以下特征：1）与工业精密空调不同，办公空调负荷的调节裕度较大；2）作为生活配套设施的饮水机、微波炉等电加热设备的使用也有较为灵活的调节空间；办公照明的部分调节对生产活动的影响可以接受；3）计算机、网络设备等办公设备对连续性工作的要求较高，但是打印机、复印机等办公设备的使用在一定时间范围内可以进行降低负荷同时性的管理；4）电动汽车充电桩快速充电的诉求不强，具

13、备一定的柔性调节能力；5）分布式光伏配套电储能装置，能够作为微网电源点提供较为灵活的柔性调节能力。基于科技建筑楼宇能源需求在一定条件下的柔性可调，以供需平衡、降本增效、绿色低碳为目标，建筑楼宇能够通过用能行为的精细化管理在清洁能源优先消纳、用能成本控制、电网友好互动等方面发挥积极的作用。虽然单个科技建筑楼宇的用能量较小，但是江苏省科技建筑楼宇数量多，在用能特征方面共性强，对其能源需求柔性调节关键技术的研究和应用成果将具有很大的推广价值和放大效应。3.2项目研究的实践依据在国家“双碳”战略引导下，新型电力系统建设加快了步伐，可再生能源比例的不断提高对系统侧智能调度和需求侧柔性响应的能力提出了更高

14、的要求。在科技建筑楼宇中，由于引入了分布式光伏、电储能装置、电动汽车充电桩以及更多新型用能设备及节能措施，能源微网的构成较之过去更为复杂。基于科技建筑楼宇能源微网特征，综合大电网可再生能源出力占比的时段变化，建立科学、合理的建筑楼宇用能模型，使得建筑楼宇在保障生产生活用能整体平稳的前提下，最大程度的实现绿色低碳、降本增效，需要解决好以下问题：（1）分布式能源发电出力的就地消纳；（2）电动汽车充电桩的负荷柔性调节；（3）电储能装置的充放管理；（4）制热（制冷）设备的运行效能提升；（5）水电气热多种能源形式的协同优化；（6）建筑楼宇生产生活用能需求柔性调节能力的归集；（7）对外部电网供应能力变化的

15、实时感知和响应。当前就上述问题业内已开展各类研究和试点应用，在各个关键点上也均有一定成果，但在科技建筑楼宇落地应用方面，与建筑楼宇能源微网及大电网实际运行情况整体协同能力尚有不足，能源需求的实时柔性调节能力建设也有待加强,对能源微网实时“含碳量”的测算能力也需要进一步提高。3.3项目研究的关键和难点3.3.1 建筑楼宇微网能源分时含碳测算模型在“碳达峰、碳中和”战略目标引导下，多地开展了建设低碳建筑楼宇、零碳建筑楼宇的探索和实践。但是我们必须看到，以建筑楼宇为单位进行碳排放量的直接监测和精准计量无论是在技术上还是成本上都存在客观困难。在倡导建筑楼宇用能绿色低碳的话语体系下，引导用能单元以减少碳

16、排放为目标的需求柔性调节，需要为其提供相对清晰简明的指标信号。关于是否有必要在建筑楼宇、企业这样相对微观的尺度上进行精准碳计量在学术界尚存在争议。考虑到碳排放测算的复杂性，我们将问题聚焦在边界相对清晰的“能源碳排”上，既只考虑建筑楼宇生产活动中消耗的一次和二次能源所对应的碳排放量，采用折标煤及碳排放系数估算。为便于在建筑楼宇应用中向用户传达，我们将度电碳排放量定义为“电能含碳量”，当微网中可再生能源发电出力的比例升高时，电能含碳量降低。配网供应电能的含碳量受到全网可再生能源出力比例的影响。通过对建筑楼宇内电网供应电力、分布式光伏发电出力以及其它非电能源消费量数据的采集与监测，结合电网发布的清洁能源发电出力及消纳情况，可以粗略的测算建筑楼宇微网能源分时含碳量，并将其作为一个指标信号，用于引导建筑楼宇用能单元尽可能消费含碳量低的电力电能。332建筑楼宇能源需求柔性