师说经管(第18期)之经管新知‖新时代中国智能微电网的运营决策

发布者:朱汉彬发布时间:2021-01-07浏览次数:10

1.能源市场的供给侧改革势在必行
  在改革开放的新时代,我国为适应经济社会快速发展的需求,着力推进能源的可持续和协调发展。清洁、节能减排和高效稳定成为能源结构改革的关键词。国务院2020年12月发布《新时代的中国能源发展》白皮书(下文简称《白皮书》)指出,开发利用非化石能源(太阳能和风能等可再生能源)是推进能源绿色低碳转型的主要途径,推动能源供给和体制改革并建立分布式多元化可再生能源管理系统是中国新时代能源高质量发展的必由之路。按照《白皮书》的要求,全面深化能源供给和需求改革、构建有效竞争的能源市场、完善主要由市场决定能源价格的机制、推进可再生能源清洁高效开发利用是实现能源全面、协调、可持续发展的重要举措。
2.智能电网在生活中必将大显身手
  目前,单向供给和消费的传统能源供应链已无法适应快速发展的分布式多元化的可再生能源供给系统,导致可再生能源的配置效率低下。《白皮书》指出,开展能源重大领域协同科技创新,部署和建设智能微电网是提高清洁能源使用效率、建设多元清洁能源供应体系的重要途径。
  智能微电网以双向交流交互、自动计算、最优控制为基础,对传统电网系统进行改革和创新,是具有分布式能源随机供给、储能设备、动态电价和电力需求转移等特征的能源管理模式。我国已对可再生能源和智能微电网提前布局。2015年,国务院在《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》提到发展分布式可再生能源、建设智能电网并完善其管理体系是生态文明建设的重要举措,次年在《“十三五”国家科技创新规划》中明确了智能微电网中部署可再生能源并网调控、柔性互联和多元供需用电的重点任务。实践中,我国已经建成河北张家口和新疆吐鲁番等多个可再生能源和智能微电网国家级示范区(张宏伟, 2020; 刘颖, 2020)。此类“可再生能源+智能微电网”的示范区采用“自发自用、余量上网、电网调剂”的运营机制,将可再生能源优先满足用户需求,再将剩余部分接入大电网。当可再生能源不足时,从大电网买电满足微电网的需求。在分时电价和动态电价的框架下,智能微电网通过储能装置和电动汽车还能进行能源需求调配,达到“削峰平谷”的目的。这一“就地发电、就地消纳、依存发电、动态平衡、智能调控”于一体的发、变、供电模式已取得显著成效。河北张家口已实现示范区55%的电力消费来自可再生能源,全市公交系统、40%城镇居民用能、50%商业用能来自可再生能源,40%工业企业实现零碳排放。张家口的可再生能源还将助力北京2022年冬奥会和雄安新区清洁能源通道建设,为实现新时代的中国梦贡献自身力量。
3.如何应对挑战
  第一,电力供给侧方面。可再生能源(风能和太阳能)分布式发电的集成是智能电网的一大特征,分布式发电系统指智能电网用户拥有的风力发电设施或光伏发电板等。相比于传统能源,可再生能源的边际生产成本可忽略不计。因此,合理使用可再生能源不仅有利于保护环境,还可以降低用电成本。但是由于天气和风力等不确定自然因素的影响,可再生能源供给具有高度不确定性和间歇性,使用可再生能源供给可能会带来预期不到的能源短缺,危害到系统的稳定。并且,对可再生能源的预测技术尚不成熟。因此,如何在智能电网系统中合理使用可再生能源是一个亟待解决的问题。
  第二,电力需求侧方面。高级通讯和控制技术(智能电表)实现了电力系统的双向信息交互、即时通讯和自动控制,为买电卖电决策应用复杂控制算法提供技术平台。因此,智能电网系统借助智能电表有能力进行即时的电力需求转移或缩减。但是,电力需求的即时转移或缩减给电力需求侧管理带来更多的不可预料性,因此也给电力市场运作的稳定带来更多挑战。特别是在存在可再生能源随机供给时,如何在使用传统能源满足电力需求的同时权衡可再生能源的利弊是智能电网系统保证电力供需平衡的一大挑战。
因此智能微电网需要多周期动态模型来研究同时考虑需求转移和可再生能源随机产出的能源买电问题。基于此,我研究一个带有可再生能源随机产出的智能电网系统中,如何构建传统能源市场的多周期买电策略,以最小化需求转移机制下的期望运营成本。
4.买电策略
  最终得出了解析形式的多周期动态最优控制解(PO策略)。通过施行PO策略,智能电网运营商在两种能源供给方式中做权衡,即免费但有产出随机的可再生能源和稳定但有成本的传统能源。运营商选择是否在当期买电来满足电力需求的依据为当期电价与转移需求所带来未来成本之间的大小关系。如果当期电价太大,那么运营商选择不买电,当期需求被可再生能源满足,剩余部分被转移到下周期,以期获得成本更低的期望价格;如果当期电价足够小,那么运营商选择买电,购买的传统能源和可再生能源一起用来满足需求,剩余需求同样被转移到下周期。为了最小化总买电成本和转移需求心理成本之和,运营商应该综合考虑可再生能源分布情况、多个周期的电价变动情况以及距离最终期限还剩下的时间等信息来决定当期的买电量。
  为验证PO策略在节省成本方面的效率,将其与另外两种策略做对比。一种是实践中广泛采用的PE策略,即仅仅基于可再生能源随机产出预测信息开展的买电策略;另一种是对比组PA策略,即“弃风弃光”策略。在真实的风能、电价和需求数据(全年数据)的基础上,证实了PO策略在普遍情况下都可以节省大量成本,在电价波动较大的情况下,大大优于PE策略和PA策略。
5.应用意义
  通过开展此研究,帮助智能电网用户节省用电成本的同时,也为电网系统运营商节省运营成本并提高系统的稳定性和可靠性,还可以使得可再生能源的利用更加有效,为实现节约型、可靠型和稳定型智能电网提供理论参考。

成果来源:1)Tian Wang, Shiming Deng. Multi-Period Energy Procurement Policies for Smart-grid Communities with Deferrable Demand and Supplementary Uncertain Power Supplies. OMEGA-The International Journal of Management Science, 2019, 89: 212-226. (OMEGA 2019 Best Paper Award)
2)《可再生能源环境中的智能电网买电策略研究》,王田 著,15万字,2019年,经济科学出版社。
作者简介:
  王田 博士,中南财经政法大学专任教师,华中科技大学管理学博士学位,香港城市大学、鲁汶大学访问学者,硕士生导师。主要研究领域包括营销与运营交叉学科课题、电子商务环境下市场激励合同设计、智能化环境中电网与电动汽车运营管理问题、供应链与项目管理、能源市场的交叉学科问题等。讲授本科网络营销、电子商务和研究生移动商务、E-Business课程。目前已主持国家自科和省部级基金多项,并在国内外重要期刊发表论文10多篇。

附:“师说经管”栏目简介
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  经管新知——主要介绍学院教师在国内外一流期刊、重要学术会议上发表的学术成果;获奖的优秀专著,体现了学院在商学知识领域的新贡献。
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  经管资政——主要介绍学院教师在面向公众发布的有影响力的调研报告,或者是产生社会影响的政府咨询报告等,体现了学院在响应当今社会重大需求和服务国家发展方面的贡献。
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