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削峰

Peak Shaving

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本文目录同样的度数,不同的供电要求为什么电费还会考虑容量时间怎样改变峰值怎样把高峰降下来从曲线变化到费用变化
削峰(Peak Shaving)是通过安排用电时间、调整设备功率或调用本地供能,降低一段时间内电网需要向用电现场提供的最高功率。它把关注点从累计用了多少电,推进到这些电在什么时间、以多大功率被使用。[1][2]
Industrial peak shaving: factory production loads, a stationary battery and before-and-after demand curves. / 工商业削峰:工厂生产负载、储能与降峰前后的功率曲线示意。

同样的度数,不同的供电要求

读电费账单时,最熟悉的是“用了多少度电”。1 度电就是 1 kWh,表示累计消耗的电能。但“用了 20 度电”并没有说明,这些电是在一小时内集中使用,还是分散在几小时内使用。电量相同,供电侧需要在同一时刻提供的功率可能不同。[3]

假设有两台设备,每台工作功率为 10 kW,各需要运行一小时。两台同时启动,一小时共用 20 kWh,期间需要合计 20 kW;两台先后启动,两小时仍共用 20 kWh,合计最高功率却只有 10 kW。后一种安排延长了全部任务的完成时间,同时把最高供电功率降了一半。

两幅使用相同功率和时间尺度的图。A中蓝色设备1和绿色设备2在第一小时同时运行,色块叠高;B中设备1先运行、设备2在第二小时运行,色块先后铺开。两图色块总面积相同,A最高高度为B的两倍。
图 1|两图采用同一尺度:横轴从左到右为 0—2 小时,中间竖向虚线为 1 小时;竖轴向上表示两台设备合计有功功率,两条水平细线分别对应 10 kW 与 20 kW。蓝色编号 1、绿色编号 2 表示两台设备,色块面积表示电量。

A · 同时完成:20 kW,持续 1 小时
两台设备的需求重叠,总功率为 20 kW,第一小时使用 20 kWh;第二小时两台都停机。

B · 先后完成:10 kW,持续 2 小时
两台设备分别运行一小时,总功率保持 10 kW,两小时仍使用 20 kWh。两图面积相同,峰值和持续时间不同。

作者自拟教学例子,依据功率与电量的单位关系计算 [3],非实测。假设两台设备功率恒定、允许先后启动、没有其他负荷和本地电源,忽略启停及效率变化;两种安排在相同两小时范围内比较。若必须一小时内完成全部任务,B 就不可行。

这个差异把时间带入了用电概念:电量是功率随时间的累计,累计结果相同,不代表每个时刻的供电要求相同。上图中,电量对应色块面积,同时功率对应高度,持续时间对应宽度。削峰主要改变这条曲线的高处;它可以在总任务和总电量不变的情况下实现。

为什么电费还会考虑容量

供电系统需要在用户用电时跟上相应功率。即使两种安排都只用 20 度电,支撑 20 kW 同时需求与支撑 10 kW 同时需求,对供电能力的要求仍不同。美国能源部的账单教学资料说明,更大的需量意味着公用事业需要建设、维护更多输送功率的电网基础设施。这解释了为什么电费可以同时包含按电量计收的部分,以及与功率或容量有关的部分。[1]

电量费计算实际累计用了多少能量;契约或订阅容量则约定可以使用的功率规模,并可能对应基本费或固定部分。法国能源监管机构 CRE 公布的 2026 年 2 月住宅示例价表,就按 kVA 订阅档位列出年度固定部分,同时另列每 kWh 的电量价格。它是容量与电量分开计价的一种具体例子,不代表每个地区都使用相同收费方式。[4]

还需要区分合同约定与实测结果。契约容量是事先约定的值;实际最高需量是计量期内测到的结果;计费需量则由适用费率规则据此确定。某些账单按契约档位计费,另一些还按实测最高需量收费,或存在其他计费条件。把这些对象混在一起,就容易误以为某次峰值降低后,基本费一定自动降低。[1][5]

kVA 和 kW 也需要按合同区分:前者表示视在功率,后者表示有功功率,二者通过功率因数联系,不能直接互换。法国上述订阅档位以 kVA 表示;台电公开名词解释则区分以千伏安表示的装置契约容量,以及按十五分钟平均瓩数约定的需量契约容量。本文算例使用 kW 说明同时有功功率,实际容量单位以当地合同为准。[1][4][5]

时间怎样改变峰值

时间在这里有两个相连的作用。一是同时性与持续时间:任务是否重叠、高功率维持多久,决定曲线形状。二是发生时段:同样的电量出现在高价还是低价时段、是否遇上电网高负荷,会影响价格和系统条件。把任务移到便宜时段,可以改变电量费用;把重叠任务展开,可以降低同时需求。两种效果可能一起出现,也可能分别出现。[1][6]

费用中的需量通常还要经过规定窗口计量。美国需量费调查给出的一种常见方式,是取计费期内某个时间窗口的最高平均功率,15 分钟是常见窗口之一。此时判断对象是这一窗口的平均需量,具体窗口和费项仍以适用价表为准。[2]

例如,在一个明确为 15 分钟的窗口内,购入 5 kWh 对应平均 20 kW;购入 2.5 kWh 对应平均 10 kW。这是电量除以时间的计算。几秒钟尖峰与持续整个窗口的高功率,对该平均值的影响不同;但计费平均值合格,仍不能代替每相电流、线路和设备的实际运行限制。[1][3]

怎样把高峰降下来

下面把三种方式放到同一组负荷上比较:改变工作时序、降低设备功率,以及让本地资源承担部分供电。它们都能压低并网点的高峰,实际改变的对象和代价却不同。

同一时间及功率尺度下的三种降峰机制。A让蓝色设备1与绿色设备2先后运行;B让两台设备同时降低功率并延长运行;C保留原设备需求,金色斜纹表示电池承担一部分供电。深蓝线为电网购电功率,灰虚线为原安排。
图 2|三幅图均比较同一个原安排:两台设备各用10 kW、同时运行一小时,合计20 kWh。横轴范围都是0—2小时,中间竖向虚线为1小时;纵轴向上表示有功功率,两条水平细线对应10 kW与20 kW。蓝色编号1、绿色编号2是两台设备;灰色虚线是原安排,深蓝粗线是调整后的净购电功率。

A · 错开任务:减少需求重叠
设备1在第一小时运行,设备2在第二小时运行。每台仍用10 kW,合计最高功率降至10 kW;总用电量仍为20 kWh,全部任务的完成时间延长到两小时。

B · 降低功率:把任务摊得更长
两台设备都降至5 kW,同时连续运行两小时,合计为10 kW。图中假设设备允许调功,且这种安排仍能完成原任务;实际过程的产量、温度和效率可能因此改变。

C · 本地供能:分担电网需要提供的功率
两台设备仍在第一小时合计使用20 kW;电池持续提供其中10 kW,电网只提供另外10 kW。金色斜纹覆盖的面积表示电池输出的10 kWh,并不表示指定由电池单独给设备2供电。

作者自拟示例,依据[6][7][8]的调节机制及功率平衡归纳,非实测。忽略其他负荷、启停和效率变化。A、B以允许延迟或降低功率为前提;C以当时有足够可用电量和放电功率为前提,图中未画后续补能,整轮购电还受储能损耗影响。

如果任务可以推迟,图2 A通过错开设备工作时间,直接减少需求重叠。车辆充电就可能利用停车期间的时间余量:先完成一部分,再在其他设备停用后继续。但余量来自实际停留时间;车辆即将离场时,降低功率可能使补能任务无法按时完成。美国能源部的智能充电资料把设施负荷协调、功率上限与用户补能要求一起考虑。[7]

另一种方式是在高峰期间降低部分可调设备的功率,或暂时削减允许中断的任务。这样可以压低曲线,但任务可能需要更长时间,也可能影响产量或温度。顺延后如果所有任务同时恢复,又可能形成新的重叠高峰,所以要把恢复过程纳入同一个时间安排。[6][7]

如果两台设备必须同时工作,本地资源可以承担一部分供电。图2 C中,设备合计需要20 kW;假设电池在这一小时持续提供 10 kW,电网就只需提供另外 10 kW。现场设备需求没有变,降低的是并网点净购电功率;电池需要输出 10 kWh,并具备足够的功率和当时可用电量。[8]

电池之后还要补能,且充放电存在损耗。因此,这种方式可以降低购电峰值,却未必减少总购电量;补能若碰上其他负荷,也可能抬高后续峰值。削峰能力既取决于峰内能做什么,也取决于峰前的资源准备和峰后的恢复安排。[8][9]

从曲线变化到费用变化

当费项按计费期内的最高需量确定时,需要把所有相关窗口放在一起判断。只降低某一次 20 kW 峰值,而其他时段仍达到 20 kW,最高需量就可能保持原值。更低的瞬时读数,并不自动等于更低的计费需量。[1][2]

当固定部分按契约或订阅容量档位确定时,削峰可能为选择较低档位创造条件,但还需要实际调整适用合同,并确认正常任务、恢复负荷及必要余量都能在新边界内完成。按法国上述订阅档位计费的例子,仅有某次实测功率降低,还不足以说明已改成较低的合同档位。[4]

电量费用则继续按实际 kWh 及相应时段价格计算。若总电量相同、每度单价也相同,单靠把用电摊开,电量费不会因此减少;容量或需量相关费用是否变化,要看各自规则。削峰的关键由此落到时间分布上:同样一批用电任务,怎样在满足完成要求的同时,减少供电侧必须在高峰处提供的功率。

参考资料