能源革命与电能替代模式创新苏娟副教授中国农业大学信息与电气工程学院2020年12月9日1一、能源革命1.1能源结构1.2能源革命二、需求侧电能替代模式创新2.1电能替代背景意义2.2电能替代主要领域和关键技术2.3电能替代项目商业模式2.4煤改电项目参与需求侧响应策略研究三、发展趋势展望汇报内容2一、能源革命31.1能源结构能源一次能源常规能源可再生能源：水力非可再生能源：煤、石油、天然气、核裂变新能源可再生能源：太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能非可再生能源：核聚变材料二次能源电力、焦炭、煤气、汽油、煤油、柴油、重油、沼气、蒸汽、热水能源供给结构：•第一次转折：煤炭取代柴薪•第二次转折：石油取代煤炭•第三次转折：清洁能源取代化石能源-风水光能源消费结构：•冷、热、电、气;•电为核心，多能互补；•清洁低碳，优质高效。41.2能源革命第三次能源革命：19世纪70年代-电气工程第一次能源革命：远古时代火的发现第二次能源革命：18世纪70年代-蒸汽机第四次能源革命：20世纪后半叶-至今（信息技术+新能源技术）→智慧能源体系5农村电网与新能源综合用能系统架构◼重大需求：社会主义新农村、新型城镇化、乡村振兴战略…◼农村能源：多能互补、分布式电源、微电网/微能网、能源互联网1.2能源革命6农村电网农村用户电能供应一次性能源热能供应传统用能综合用能电能农村电网分布式发电+农村电网+冷热电联产机组新能源沼气+天然气运行时间全天白天（分布式发电+冷热电联产机组）+晚上（农村电网+冷热电联产机组）安全性依靠农村电网不依靠农村电网，可独立供能经济性电费用高用能节余并网上网，节约电费环保性污染严重节能减排1.2能源革命7二、需求侧电能替代模式创新8转型需求2.1电能替代背景意义1.明确战略定位，强化顶层设计2.落实重点任务，助力三农发展3.强化条件支撑，提升服务能力•从国家层面上需进一步明确农村能源发展的重要战略地位；•顶层设计是农村能源走上持续、快速、健康发展轨道基础保障。•落实农村能源发展的三大战略性重点任务；•促进农民就地就近就业，助力产业精确扶贫。•当前农村能源基础设施薄弱，需要技术和资金投入；•加强农村能源基础设施建设，并形成科学完善的社会化服务体系。•2018年7月国家发改委颁布；•健全节能环保的电价机制，完善差别化电价和峰谷电价形成机制。•2018年6月，国务院颁布；•继续推进电能替代燃煤和燃油，替代规模达到1000亿度以上。国家政策《国家发展改革委关于创新和完善促进绿色发展价格机制的意见》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》《关于提升电力系统调节能力的指导意见》•2018年2月，国家发改委、能源局颁布；•到2020电能占终端能源消费的比重上升至27%。9各领域电能替代占比60.1928.3221.66热泵分散电采暖电(蓄)热锅炉0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.000.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00350.00交通领域替代电量分布情况农（工）业生产制造领域替代电量分布情况（亿千瓦时）居民采暖领域替代电量分布情况（亿千瓦时）电力供应与消费领域替代电量分布情况（亿千瓦时)（1）电能替代在重要领域的发展2.1电能替代背景意义——行业发展现状10（2）电能替代的技术占比情况2.1电能替代背景意义——行业发展现状112.2电能替代主要领域和关键技术替代方式替代设备主要领域用途以电代煤电采暖替代燃煤锅炉建筑采暖热泵替代燃煤锅炉商业、居民采暖、热水蓄热电锅炉替代燃煤锅炉工业、商业、公共建筑采暖、热水电炊具替代燃煤炉灶居民做饭以电代油电动汽车替代燃油汽车交通公路运输电窑炉替代燃油窑炉陶瓷、玻璃生产加热电水泵替代油泵农业生产灌溉以电代气电炊具替代燃气灶商业、居民炒菜电热水器替代燃气热水器居民热水蓄热式电暖器替代燃气电暖炉居民采暖蓄热电锅炉替代燃气锅炉工业、商业采暖、热水电采暖替代燃气采暖炉建筑采暖12电制茶技术➢电制茶是以电气化设备取代传统的烧煤、烧柴制茶。➢大幅提高茶叶质，热能利用率将近是煤制茶的５倍；➢降低茶农劳动强度，帮助茶农节约生产用能成本，并减少环境污染；➢适用于精制茶叶；➢实现农业电能替代方案技术方面的科学评估。2.2电能替代主要领域和关键技术13电水暖保温设备➢通过加热管道里的水，再由热水把热量传到室内；➢解除了大棚温室取暖受暖气片的限制；➢明显提高了冬季大棚温室的供暖效果；➢解决了由静止散热向流动散热方式的转换；➢大大降低了温室大棚中的湿度；➢让温室内十分钟快速提温成为现实，实现了温室大棚冬季取暖的全新变革。蓄热式电暖器燃气电暖器蓄热电锅炉2.2电能替代主要领域和关键技术14高温空气源热泵烤烟技术优势：➢温湿度精准控制。➢废气废渣零排放。➢带辅助加热。➢热回收系统。➢自动加湿功能。➢远程控制系统。2.2电能替代主要领域和关键技术15物理农业技术➢利用具有生物效应的电、磁、声、光、热、核等物理因子操控动植物的生长发育及其生活环境；➢促使传统农业逐步摆脱对化学肥料、化学农药、抗生素等化学品的依赖以及自然环境的束缚，最终获取高产、优质、无毒农产品的环境调控型农业；➢发展方向：以电能为核心，通过电能的多种转化形式应用，得以提升农作物产值。等离子固氮高压脉冲电场杀菌等离子体射频保鲜技术2.2电能替代主要领域和关键技术16空气源热泵粮食电烘干技术➢采用空气源热泵机组代替燃煤热风炉，为粮食烘干塔提供热源；➢技术优势：实现了污染物零排放，具有节约能源、安全便利、控制精准和提升产品质量等优势。2.2电能替代主要领域和关键技术17油改电排灌技术➢利用电水泵替代柴油机泵提水灌溉，由泵站工程、电气工程和灌溉排水工程组成；➢适用于没有自流排灌条件或采用自流排灌不经济的农田排灌；➢优势：高效率，低排放，低能耗；2.2电能替代主要领域和关键技术18农业机械电动化技术我国对于农村工业领域的电能替代技术研究主要集中于农业机械电动化技术。➢农业机械电动化的优点：减轻农民工作量，提高生产速度，同时优化了环境。➢农业机械电动化的发展历程：从英国引进最初的农业电动机械技术。随着大棚技术的推广，我国农业电动机械主要围绕着大棚机械需求，推出了降低劳动强度的大棚用室内电动撒肥机等设备。20世纪末，我国主要把电动农业机械的研究重点放在了大型田间农业机械方面，主要围绕土地的合理化利用，实现优质均匀种植等方面进行电动农业机械的研究。进入21世纪后，我国又把智能化、提高工作效率与农业生产质量作为电动农业机械研究的重点，从而实现农业资源的优化配置目标。2.2电能替代主要领域和关键技术2.3电能替代项目参与电力市场的商业模式发电公司：接受售电公司与用户的直接报价，或通过电力交易中心提供电量；电力交易中心：负责发电公司的投标与售电公司与用户的报价，完成市场匹配；售电公司：可同时向发电公司与电力交易中心购电，并出售给各类用户；用户：可以选择任意途径买电。搭建电能替代购售电基本结构，从发电公司，电力交易中心，售电公司，用户四个层级进行分析。成员结构20市场类别市场交易模式特点电力中长期交易市场协商式双边交易交易方便、缺乏竞争、成本较低电力现货交易市场直接撮合/零售竞价交易交易复杂、竞争激烈、品种多样电力辅助服务市场虚拟电厂可整合分布式电源与主动负荷负荷聚合商调动中小用户资源提供辅助服务。电力金融风险市场期货标的物投放/出让电能使用权减少电价波动、输电阻塞等风险电能替代项目参与市场模式对比2.3电能替代项目参与市场的商业模式21参与中长期市场：满足大用户直购电市场准入条件的用户，与发电企业进行双边自主协商交易不满足大用户准入条件的用户，与第三方代理机构签订合同市场模式为支持电能替代项目发展，鼓励用户参与市场化交易，并完善相关的市场交易机制。电力中长期市场交易下，可采用协商式双边交易模式确定交易电价。电能替代项目参与中长期市场模式2.3电能替代项目参与电力市场的商业模式22参与电力现货市场：•电力现货交易市场下，电能替代用户可采用撮合交易模式；或利用竞价交易平台开展日前、实时等多种交易。•中小型电能替代用户可由代理机构签订合同，参与现货市场•售电公司可作为零售商，代理中小型用户交易时可获取差价，开展多样化和新颖化的服务业务。在电力现货市场中，对于电能替代用户，根据其用电量的大小，中小型用户可打包参与集中竞价商业模式。市场模式电能替代项目参与现货市场模式2.3电能替代项目参与电力市场的商业模式23参与辅助服务市场：•电能替代用户可直接参与辅助服务市场•也可采用虚拟电厂（virtualpowerplant，VPP）或负荷聚合商（LoadAggregator，LA）的运营机制参与辅助服务市场•LA也可以聚合电能替代用户加入VPP参与辅助服务市场辅助服务市场化的程度逐步加强，其定价机制由成本向市场逐步转化，其承担原则由原本的发电商的义务逐步转变到谁受益谁承担。市场模式电能替代项目参与辅助服务市场模式2.3电能替代项目参与电力市场的商业模式24参与金融风险市场：•将其可削减负荷作为期货标的物投放到电力金融市场中进行交易，通过改变自己的用电方式获得经济利益。•可以在金融风险市场中价格升高时，出让电能使用权，调整用电时间或使用其他能源供能，从而获得利益，也保证了电力市场和电力系统的稳定运行。电力金融市场作为一种高级的电力市场业态，具有价格发现和规避风险的市场功能市场模式电能替代项目参与金融风险市场模式2.3电能替代项目参与电力市场的商业模式25262.4煤改电项目参与需求侧响应策略研究“煤改电”设备参与需求侧响应可行性分析2015-2019年某地冬季典型日电网负荷曲线➢煤改电用户采暖季总用电量呈上升趋势，用户谷段用电量占比60%以上➢随着“煤改电”工程的推进，该地区冬季电网峰值负荷逐年攀升，日负荷高峰时段约为上午9时至11时，晚上17时至22时2.4煤改电项目参与需求侧响应策略研究选取某市9个区、16个乡镇、24个村，2017年11月至2018年3月165个用户的电采暖数据进行负荷特性分析。01234560:002:004:006:008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:00时间用电量用户1用户3用户9用户15用户18012345670:002:004:006:008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:00时间用电量（kWh)用户2用户4用户5用户6用户7用户8用户10用户11用户12用户13用户14用户16用户17典型用户连续5日负荷曲线两类典型用户日负荷曲线➢用户晚上用电负荷更大，这与用户的生活习惯关系密切。➢白天时，除中午用电较为集中，用电量相对较少。➢节假日时用电量低，工作日时用户生活规律，用电量略有波动，总体趋于稳定。➢大部分用户有设备关停的情况，说明用户有节能意愿，可以挖掘其需求响应潜力，采取有效的激励手段使其主动参与需求响应。“煤改电”设备参与需求侧响应可行性分析272.4煤改电项目参与需求侧响应策略研究煤改电用户的用电量影响因素分析00.511.522.533.50:002:004:006:008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:00时间用电量（kWh）-7-6-5-4-3-2-1012温度（℃）用户1用户2室外温度两类典型用户负荷曲线与温度00.511.522.533.50:002:004:006:008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:00时间用电量（kWh）00.10.20.30.40.50.6电价（元/kWh）用户1用户2电价两类典型用户负荷曲线与电价相关系数绝对值都大于0.5，最大值为0.979，因此其电采暖的用电量与电价间具有明显相关性，且相关系数均为负值，即为负相关性。相关系数绝对值均大于0.5，最大值为0.966，因此电采暖的用电量与室外温度间具有明显相关性，且相关系数均为负值，即为负相关性。28“煤改电”设备参与需求侧响应可行性分析2.4煤改电项目参与需求侧响应策略研究“煤改电”设备参与需求侧响应可行性分析蓄热式电暖器空气源热泵特性：低谷用电，运行费用同比可降低近50%全天持续供暖，保持室内温度达到16-20℃可行方案：蓄热式电采暖设备的负荷曲线自然呈现削峰填谷的互补特性，因此，宜采用激励机制，鼓励其更好的主动参与调峰。特性：清洁环保，热效率高制热简单灵活，安装方便可行方案：空气源热泵无法储存电能或热能，并随时处于不断的开启和关闭的状态。宜选择更小的检测时间间隔，以保证室内温度始终在用户允许范围内，采用集中控制策略参与调峰。292.4煤改电项目参与需求侧响应策略研究“煤改电”项目主动参与需求响应策略策略一调峰市场代理公司电采暖用户分类1分类2分类n...调峰需求集中控制补偿1补偿2补偿n满足调峰有序用电调峰费用签订合约基于差异化补偿机制的电采暖设备直接负荷控制方法➢主要针对空气源热泵类用户➢根据用户上报情况对用户价值分类➢考虑负荷聚合商收益➢对区域内用户进行直接负荷控制策略二计及激励机制的用户主动参与煤改电需求侧响应策略➢针对空气源热泵和蓄热式电采暖用户➢通过电价激励用户进行主动调节0246810121416180102030405060708090100时段开启数量补偿为0.09补偿为0.1补偿前302.4煤改电项目参与需求侧响应策略研究策略一：基于差异化补偿机制的电采暖设备直接负荷控制方法用户申报可控条件签订集中负荷控制协议初始参数设置直接负荷控制模型求解——最优控制方案实施补偿用户分类制定补偿标准户主姓名张三用户编号1申报响应能力（kW）10受控时最低允许室温（℃）18设备序号参与削减的主要设备设备容量（kW）允许受控时段1空气源热泵1318:00-20:00目标函数：（1）用电峰时段电采暖负荷最小（2）代理公司效益最大化约束条件：（1）用户峰时段运行约束（2）温度约束（3）用户可控时段约束遗传算法求解312.4煤改电项目参与需求侧响应策略研究算例分析：选取20户农村地区电采暖用户，将用户分为3类：A1、A2、A3，可控度依次降低，补偿价格分别为0.15元/kWh、0.13元/kWh、0.10元/kWh。A1组123456负荷削减/kWh9.6478.9588.3458.3379.18610.292A2组78910111213负荷削减/kWh7.5837.3758.1677.1087.6937.5338.121A3组14151617181920负荷削减/kWh7.2676.1047.3707.7417.5827.1088.256各组平均削减A1组9.128A2组7.654A3组7.347统计量削减总量159.773平均削减7.989峰时段各用户负荷削减策略一：基于差异化补偿机制的电采暖设备直接负荷控制方法322.4煤改电项目参与需求侧响应策略研究算例分析：代理公司收益分析➢考虑效益最大化时，代理公司的补偿支出小于只考虑调峰需求目标的情况；➢对于不同类别的用户，在考虑代理公司效益目标前，对每类用户的补偿支出较为平均，而考虑效益目标后，支付给A1组的补偿比其他两组用户多；➢可控度分类补偿的方法，可以起到价格信号的作用，激励用户更多的开放可控程度，积极参与调峰响应。策略一：基于差异化补偿机制的电采暖设备直接负荷控制方法332.4煤改电项目参与需求侧响应策略研究策略二：计及激励机制的用户主动参与煤改电需求侧响应策略优化目标：用户收益最大化峰谷电价激励电价用户室温需求用户可控时段温度约束功率约束空气源热泵模型结论：•所有空气源热泵用户以及整体的总用电量均减少了，起到了节能的效果•最终整体的峰时段用电量降低超过15%，整体区域谷时段用电量也增多了1.67%，具有一定的移峰填谷作用•所有用户的电费相比原来都有所减少不计及补偿电价用户编号控制后总用电量降低百分比控制后峰时段用电量降低百分比控制后谷时段用电量降低百分比控制后电费降低百分比25.73%38.15%-25.14%26.94%37.36%15.65%3.56%11.91%46.37%-4.47%11.51%0.35%52.18%12.63%-7.45%8.98%66.24%16.55%-1.42%12.67%79.25%12.49%6.31%11.36%82.75%15.29%-8.28%10.84%103.09%20.01%-12.83%14.14%114.65%10.39%1.10%8.08%122.81%10.74%-3.31%7.80%134.86%10.69%0.65%8.48%142.89%7.93%-0.41%5.94%154.89%25.53%-7.37%17.09%164.40%22.14%-11.81%15.93%174.74%22.36%-10.59%16.08%1817.90%17.80%17.94%17.85%整体5.52%15.27%-1.67%12.15%选取某农村“煤改电”地区的16组煤改电用户为例，考虑了不计及补偿电价和计及补偿电价两种情况，分析补偿电价对用户的激励作用34三、发展趋势展望35能源消费者逐步向产消者转变，赋予消费者更多的选择权；能源消费持续升级，一体化消费新模式日渐成熟；能源生产布局和结构得到优化，绿色能源发展迅速；创建现代能源市场体系，加快全国电力、油气等现货和期货交易平台建设。三、发展趋势展望36谢谢！37