供電公司與虛擬電廠的協(xié)調(diào)調(diào)度研究

國網(wǎng)湖北省電力公司武漢市江夏區(qū)供電公司優(yōu)質(zhì)服務(wù)調(diào)度指揮中心 陳 蕖

0 引言

由于分布式電源分布范圍廣泛，單個(gè)點(diǎn)的發(fā)電量小，發(fā)電時(shí)間和發(fā)電量具有不確定性等一系列特點(diǎn)，導(dǎo)致了他們?cè)诮尤腚娋W(wǎng)時(shí)會(huì)造成電力系統(tǒng)的運(yùn)行成本增加，電能質(zhì)量下降，運(yùn)行管理困難等問題。面對(duì)這種局面，目前主要的解決方法是通過建立微電網(wǎng)或虛擬電廠的方法來解決，本文主要針對(duì)建立虛擬電廠的條件下來進(jìn)行分析。虛擬電廠（virtual power plant，VPP）將各類分布式的電源進(jìn)行集中管理和控制，從而實(shí)現(xiàn)將原有廣泛分布的無規(guī)律電源整合成為一個(gè)有機(jī)的整體，接受統(tǒng)一的調(diào)度控制，形成集群效應(yīng)[1-3]。

如何有效控制虛擬電廠的投入和出力，減小虛擬電廠給電網(wǎng)帶來的沖擊，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與虛擬電廠的雙贏，是目前需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問題。為了使得虛擬電廠在配合電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)，還能保證自身發(fā)電的經(jīng)濟(jì)收益，對(duì)虛擬電廠的合理調(diào)度控制顯得十分重要。本文對(duì)供電公司和虛擬電廠的配合控制進(jìn)行了分析，建立了虛擬電廠與供電公司聯(lián)合調(diào)度控制模型，通過對(duì)數(shù)學(xué)模型的分析和求解，得出了兩者之間的合作空間和利益分配方案。

1 調(diào)度模型分析

本文在建立虛擬電廠數(shù)學(xué)模型時(shí)，僅考慮風(fēng)能、太陽能和水能等分布式電源在內(nèi)[4-5]，并在文中的風(fēng)能、太陽能和水能分對(duì)應(yīng)i=1，2，3來表示。在確定單個(gè)虛擬電廠運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)時(shí)，數(shù)學(xué)模型的函數(shù)目標(biāo)是凈收入期望最大，需要考慮到虛擬電廠中分布式電源的實(shí)際出力收入和虛擬電廠自身所消耗的費(fèi)用兩個(gè)部分，因此其目標(biāo)函數(shù)為：

其中，m表示電力系統(tǒng)中的某個(gè)虛擬電廠，表示該虛擬電廠在t時(shí)段內(nèi)的預(yù)期出力值，表示該虛擬電廠中s場(chǎng)景下的i種電源在t時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際輸出，λ表示為計(jì)劃電價(jià)，λ+表示上調(diào)價(jià)格，表示下調(diào)價(jià)格。

單個(gè)虛擬電廠運(yùn)行過程中所需要考慮的約束條件主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）發(fā)電能力約束

（2）棄風(fēng)約束

（3）棄光約束

（4）水量平衡

（5）水電轉(zhuǎn)換效率

（6）容量約束

假設(shè)在某區(qū)域電力系統(tǒng)中存在M′個(gè)虛擬電廠，所有的虛擬電廠形成了一個(gè)電廠聯(lián)盟h，用S來表示聯(lián)盟h工作場(chǎng)景的個(gè)數(shù)；用Im表示虛擬電廠m中的分布式電源數(shù)量，則虛擬電廠聯(lián)盟h的目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

區(qū)別于單個(gè)虛擬電廠，多個(gè)虛擬電廠的聯(lián)盟h的目標(biāo)函數(shù)中，表示為聯(lián)盟預(yù)期總出力值，Δ表示為聯(lián)盟h預(yù)期總出力與實(shí)際出力的差值。

此時(shí)進(jìn)一步將M′個(gè)虛擬電廠與供電公司共同組成聯(lián)盟，則新聯(lián)盟的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該為整個(gè)聯(lián)盟向聯(lián)盟外，即除去虛擬電廠以外的其他電源支付費(fèi)用最?。?/p>

此時(shí)聯(lián)盟中所有虛擬電廠的收益和如式(9)所示。

2 協(xié)調(diào)調(diào)度算法

虛擬電廠與供電公司協(xié)調(diào)調(diào)度的基礎(chǔ)在于滿足個(gè)體虛擬電廠和整體聯(lián)盟的共同需求，假聯(lián)盟中有xV1，…，xVM，xD等多個(gè)合作方案，則聯(lián)盟整體理性為：

個(gè)體理性為：

其中式子(10)表示個(gè)體收益應(yīng)高于單個(gè)虛擬電廠運(yùn)行時(shí)的收益。運(yùn)用夏普利值法對(duì)收益值進(jìn)行具體分配，此時(shí)參與者m的合作收益可以用式(12)來表示：

其中|h|表示聯(lián)盟h中的虛擬電廠數(shù)量，n表示為聯(lián)盟中參與分配的虛擬電廠數(shù)。

3 算例分析

假設(shè)某地虛擬電廠中分布式電源概況如表1所示，地區(qū)不同季節(jié)典型日負(fù)荷需求量如圖2所示，風(fēng)能和太陽能的出力時(shí)間預(yù)測(cè)如圖3和圖4所示。

表1 分布式電源概況

圖2 配電網(wǎng)負(fù)荷需求

圖3 風(fēng)能和太陽出力預(yù)測(cè)

表2所示為聯(lián)盟收支表，在表中對(duì)虛擬電廠與供電公司在非合作與合作兩種情況下的收支情況進(jìn)行了對(duì)比，從表中可以看出，經(jīng)過夏普利值法進(jìn)行出力分配后的虛擬電廠總收益要大于非合作與合作兩種模式下的收益。分析圖4，可以看出雖然單個(gè)虛擬電廠與供電公司組成的聯(lián)盟中收入變化不多，但當(dāng)虛擬電廠同供電公司合作時(shí)，通過調(diào)整虛擬電廠出力，負(fù)荷曲線變得更加平緩，這對(duì)電力系統(tǒng)起到了削峰填谷的作用，有助于幫助電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

表2 聯(lián)盟收支表

從表3可以看出，在供電公司與兩個(gè)虛擬電廠共同組成的聯(lián)盟下，兩個(gè)虛擬電廠的收益有所增加。其收入增加的原因在于，在夏普利值法計(jì)算出力分配的前提下，能實(shí)現(xiàn)在保持分布式能源發(fā)電占比不變得情況下，增加了發(fā)電機(jī)組的數(shù)目，進(jìn)而減小虛擬電廠中棄風(fēng)棄光量，同時(shí)也減小了系統(tǒng)所需的備用設(shè)備。

圖4 計(jì)劃出力對(duì)比表

表3 多虛擬電廠下的聯(lián)盟收益表

4 總結(jié)

本文針對(duì)目前熱門的可再生能源如何高效利用的問題，研究了供電公司與虛擬電廠的協(xié)調(diào)調(diào)度。建立了虛擬電廠與供電公司協(xié)同調(diào)度的數(shù)學(xué)模型，確定了目標(biāo)函數(shù)和約束條件，并通過夏普利值法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。運(yùn)用所建立的數(shù)學(xué)模型和模型算法對(duì)實(shí)際案例對(duì)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明，在虛擬電廠與供電公司的協(xié)同調(diào)度模型下，對(duì)虛擬電廠進(jìn)行合理調(diào)度，能夠增加系統(tǒng)整體利潤，提高系統(tǒng)設(shè)備利用率，優(yōu)化電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線等。因此，該理論分析具有實(shí)際指導(dǎo)意義，為現(xiàn)有的虛擬電廠和供電公司提供了更多的合作空間，減小分布式能源的接入給電力系統(tǒng)帶來的沖擊。后續(xù)研究中，將對(duì)虛擬電廠中分布式能源種類進(jìn)行擴(kuò)充，進(jìn)一步完善約束條件，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上構(gòu)件考慮網(wǎng)絡(luò)約束的協(xié)調(diào)調(diào)度模型。