雙碳背景下基于需求響應(yīng)的虛擬電廠調(diào)度策略研究

祁 兵，趙燕玲，杜亞彬，李 彬

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

電力能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型是我國(guó)電力市場(chǎng)改革的重要策略[1]。為了促進(jìn)能源供給清潔化，國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布了“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)方案，推動(dòng)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”。以風(fēng)能和太陽(yáng)能為主的清潔可再生能源具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性[2-3]，新能源的快速發(fā)展對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了巨大影響。虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）集成了分布式風(fēng)電和屋頂光伏、燃料發(fā)電、儲(chǔ)能以及可調(diào)節(jié)負(fù)荷，可解決清潔能源消納和綠色能源轉(zhuǎn)型問(wèn)題[4]，有利于我國(guó)電力市場(chǎng)的發(fā)展。而需求響應(yīng)可以充分挖、掘合理配置負(fù)荷側(cè)資源，緩解電網(wǎng)的供需矛盾[5]。在虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度研究中考慮需求響應(yīng)能夠進(jìn)一步降低運(yùn)行成本。

目前針對(duì)虛擬電廠不同場(chǎng)景的電力調(diào)度、不同條件的電能交易等研究有了一定的進(jìn)展。文獻(xiàn)[6]從零售市場(chǎng)出發(fā)，提出了一種虛擬電廠參與現(xiàn)貨聯(lián)合市場(chǎng)的兩階段雙層隨機(jī)競(jìng)價(jià)策略模型。文獻(xiàn)[7]利用魯棒隨機(jī)優(yōu)化理論解決了調(diào)度不確定性問(wèn)題，建立了計(jì)及風(fēng)光不確定性和需求響應(yīng)的VPP隨機(jī)調(diào)度優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[8]分析了虛擬電廠參與日前、日中、實(shí)時(shí)三相調(diào)度優(yōu)化過(guò)程，并對(duì)廣義儲(chǔ)能各部分的響應(yīng)速度和時(shí)間進(jìn)行建模，建立具有廣義儲(chǔ)能三級(jí)調(diào)度模型的虛擬電廠，提高虛擬電廠的能源供應(yīng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]建立了三種不同場(chǎng)景下的多虛擬電廠博弈模型，證明考慮需求響應(yīng)及博弈的多虛擬電廠模型能夠有效提升虛擬電廠在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中的收益。文獻(xiàn)[10]為提高電力零售商參與電力市場(chǎng)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性，提高分散資源的利用效率，提出了一種多時(shí)間尺度的電力零售商滾動(dòng)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[11]綜合考慮多種形式的電源與需求側(cè)的雙側(cè)消納配合，建立VPP源目標(biāo)協(xié)調(diào)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[12]以VPP控制穩(wěn)定性為目標(biāo)，同時(shí)兼顧有效消減納，考慮可控負(fù)荷參與的VPP協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型。

關(guān)于需求響應(yīng)與虛擬電廠相結(jié)合的研究，文獻(xiàn)[13]以多能源虛擬電廠聚合商參與需求響應(yīng)為背景，建立兩階段優(yōu)化運(yùn)行模型，降低了虛擬電廠調(diào)度成本。文獻(xiàn)[14]提出一種考慮用戶舒適度的虛擬電廠電/熱綜合需求響應(yīng)建模方法，驗(yàn)證了電、熱負(fù)荷綜合需求響應(yīng)有助于緩解負(fù)荷對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的沖擊，并有效優(yōu)化了虛擬電廠的運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[15]針對(duì)虛擬電廠技術(shù)在能源市場(chǎng)交易策略方面的問(wèn)題，綜合考慮需求響應(yīng)與虛擬電廠，提出一種基于上下層雙階段的電-熱能源市場(chǎng)交易策略。

以上研究考慮了虛擬電廠的電力調(diào)度交易以及需求響應(yīng)，但未涉及到以碳成本為目標(biāo)的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[16]構(gòu)建了具有風(fēng)能、小型燃?xì)廨啓C(jī)、光能、電動(dòng)汽車(chē)以及電池系統(tǒng)的虛擬電力運(yùn)行模型，并通過(guò)對(duì)碳-電一體化市場(chǎng)特征的進(jìn)一步分析，構(gòu)建虛擬電廠一體化交易策略模型，提出了影響虛擬電廠能源的出力結(jié)構(gòu)以及競(jìng)價(jià)策略。文獻(xiàn)[17]引入最大碳排放限額作為邊際條件，建立多種能源互補(bǔ)的虛擬電廠日前調(diào)度模型，使調(diào)度結(jié)果兼顧環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[18]建立了一種碳交易機(jī)制下計(jì)及用電行為的虛擬電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，使可再生能源能夠參與到碳交易中，并促進(jìn)用戶側(cè)與發(fā)電側(cè)的協(xié)同。文獻(xiàn)[19]以虛擬電廠收益最大化為目標(biāo)，以CO2捕集率、熱電比、熱電廠電出力以及電轉(zhuǎn)氣功率為決策變量，建立虛擬電廠優(yōu)化運(yùn)行模型，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益、更好的風(fēng)電消納效果、更低的碳排放。本文將綜合考慮虛擬電廠的碳成本與用戶側(cè)需求響應(yīng)，構(gòu)建含虛擬電廠之間功率交互的經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。

1 考慮碳排放的虛擬電廠架構(gòu)

虛擬電廠通過(guò)整合清潔能源、儲(chǔ)能裝置、柔性負(fù)荷等，充分挖掘用戶側(cè)互動(dòng)能力，有效提升了電網(wǎng)的靈活性。考慮碳排放的虛擬電廠（主要包括4類資源）控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 考慮碳排放的虛擬電廠控制架構(gòu)Fig.1 Control architecture of virtual power plant considering carbon emissions

（1）低碳能源，主要包括分布式風(fēng)電和光伏，作用是在滿足基本負(fù)荷調(diào)控下用清潔能源代替高碳能源發(fā)電，減少碳排放。

（2）高碳能源，主要有燃?xì)夂腿济喊l(fā)電設(shè)備，因燃煤和燃?xì)獍l(fā)電比風(fēng)能和光能等清潔能源發(fā)電更穩(wěn)定且發(fā)電量大，所以是虛擬電廠中的主要排碳設(shè)備。

（3）儲(chǔ)能裝置，包括儲(chǔ)電和儲(chǔ)氣裝置，其作用是將能源利用的時(shí)段進(jìn)行轉(zhuǎn)化，滿足用戶的基本負(fù)荷供給。

（4）用戶負(fù)荷，包括電動(dòng)汽車(chē)、充電樁、居民負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷以及工業(yè)負(fù)荷等，可以利用虛擬電廠合理調(diào)控負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配供給。

虛擬電廠的功率交互模式如圖2所示。每個(gè)虛擬電廠都由發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能和負(fù)載組成。虛擬電廠既可以通過(guò)能源樞紐與電網(wǎng)相連進(jìn)行功率交互，也可以在滿足自身負(fù)荷需求的條件下與其他虛擬電廠進(jìn)行功率交互，獲得相應(yīng)收益。每個(gè)虛擬電廠之間都由虛擬電廠內(nèi)部的信息處理中心計(jì)算其功率數(shù)據(jù)，判別是售出還是購(gòu)入功率，最后進(jìn)行交易。同時(shí)，由于不同虛擬電廠的負(fù)荷和清潔能源輸出不同，每個(gè)虛擬電廠的凈負(fù)荷也不同。在某個(gè)時(shí)段，發(fā)電量大的虛擬電廠可以將多余的電力出售給電網(wǎng)；相反對(duì)于耗電大的虛擬電廠，可以從電網(wǎng)以及其他虛擬電廠中購(gòu)買(mǎi)電力來(lái)滿足本虛擬電廠的功率平衡。

圖2 虛擬電廠的功率交互模式Fig.2 Power interaction of virtual power plant

2 多級(jí)聚合商下的虛擬電廠調(diào)度策略

需求響應(yīng)可以通過(guò)改變不同時(shí)段的電價(jià)以及施加激勵(lì)引導(dǎo)負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)降低虛擬電廠的運(yùn)行成本以及滿足負(fù)荷調(diào)控的目的，促進(jìn)風(fēng)光等清潔能源發(fā)電就地消納。

為改變用戶的負(fù)荷量，需要對(duì)負(fù)荷用戶進(jìn)行需求響應(yīng)調(diào)控，同時(shí)增加負(fù)荷調(diào)控力度，保持虛擬電廠功率平衡。在需求響應(yīng)中，用戶根據(jù)他們?cè)谛枨箜憫?yīng)事件期間相對(duì)于“基線”減少的電力消耗量獲得補(bǔ)貼，其中該基線由非激勵(lì)日的消耗量決定。為了更好地降低用戶負(fù)荷，需要對(duì)用戶進(jìn)行分類聚合調(diào)控，以滿足能源供需平衡。

為了接入更多的互動(dòng)資源，通常采用多級(jí)聚合的方式。圖3為具有三級(jí)聚合的調(diào)控示意圖。其中，一級(jí)聚合商用來(lái)直接響應(yīng)虛擬電廠的需求響應(yīng)信息，其通過(guò)對(duì)二級(jí)聚合商釋放激勵(lì)信號(hào)，最終完成虛擬電廠下發(fā)的需求響應(yīng)信息任務(wù)量；多個(gè)二級(jí)聚合商用來(lái)聚合不同的負(fù)荷用戶，例如：工業(yè)園區(qū)電力負(fù)荷二級(jí)聚合商、商業(yè)電力負(fù)荷二級(jí)聚合商、居民電力負(fù)荷二級(jí)聚合商，以及其他電力負(fù)荷二級(jí)聚合商等。多個(gè)二級(jí)聚合商用來(lái)響應(yīng)一級(jí)聚合商下發(fā)的需求響應(yīng)任務(wù)量，使得一級(jí)聚合商完成虛擬電廠下發(fā)的需求響應(yīng)信息；多個(gè)三級(jí)聚合商用來(lái)協(xié)助二級(jí)聚合商完成其下發(fā)的任務(wù)量，使用戶在接收到二級(jí)聚合商的激勵(lì)價(jià)格后，在滿足自身的用能條件下對(duì)負(fù)荷量作出改變，最終完成三級(jí)聚合商下發(fā)的響應(yīng)任務(wù)。多級(jí)聚合商之間必須嚴(yán)格完成上級(jí)下發(fā)的任務(wù)響應(yīng)量，若是下級(jí)聚合商沒(méi)有完成能源的供給平衡將會(huì)受到上級(jí)聚合商的較大經(jīng)濟(jì)處罰，并且信譽(yù)值也會(huì)降低。利用多級(jí)聚合商可以更好地對(duì)用戶進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)從上到下的負(fù)荷控制管理，最終達(dá)到需求響應(yīng)調(diào)控目的。

圖3 三級(jí)聚合商負(fù)荷調(diào)控示意圖Fig.3 Diagram of three?level aggregator load control

3 虛擬電廠調(diào)度策略

虛擬電廠考慮碳排放與不考慮碳排放時(shí)，機(jī)組的出力會(huì)采取不同調(diào)控方式。當(dāng)虛擬電廠內(nèi)部的功率高于或低于負(fù)荷時(shí)，可以通過(guò)與公共電網(wǎng)購(gòu)售電、VPP間的功率交互保證功率平衡，并且在考慮VPP間的功率交互與需求響應(yīng)時(shí)，能夠減少與公共電網(wǎng)的功率交換，進(jìn)而降低VPP的綜合運(yùn)行成本。清潔能源分布式風(fēng)電和光伏功率出力可以有效降低碳排放。同時(shí)，由于火電機(jī)組的燃煤發(fā)電成本比燃?xì)鈾C(jī)組的成本低，所以在不考慮碳排放成本時(shí)，火電機(jī)組會(huì)優(yōu)先發(fā)電，反之燃?xì)鈺?huì)優(yōu)先發(fā)電。

當(dāng)考慮了需求響應(yīng)時(shí)，基線負(fù)荷會(huì)在用電高峰時(shí)期有所下降，相比于沒(méi)有考慮需求響應(yīng)場(chǎng)景發(fā)電機(jī)組的壓力有所減輕，有效緩解了虛擬電廠的內(nèi)部負(fù)荷，使運(yùn)行更加平穩(wěn)。在一天中VPP會(huì)從電網(wǎng)購(gòu)電、售電以降低內(nèi)部功率，當(dāng)各機(jī)組發(fā)電功率未能滿足用戶負(fù)荷，就需要從公共電網(wǎng)購(gòu)電以滿足虛擬電廠內(nèi)部功率平衡；相反，在其余時(shí)段，在虛擬電廠內(nèi)部功率平衡作用下，可以將多余的電出售給電網(wǎng)或者其他VPP，來(lái)減少虛擬電廠內(nèi)部的總成本。

在碳排放的約束條件下，虛擬電廠內(nèi)部會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)組的出力變化來(lái)減少碳排放量，具有一定的自由碳排放約束空間，當(dāng)碳排放量達(dá)到一定限度后，虛擬電廠內(nèi)部無(wú)法調(diào)控時(shí)，根據(jù)最大碳排放限額，得到相應(yīng)的排碳懲罰。故在虛擬電廠運(yùn)行調(diào)控時(shí)優(yōu)先使用清潔能源作為發(fā)電源，同時(shí)利用多級(jí)聚合商的需求響應(yīng)作用降低用戶負(fù)荷，使用燃?xì)庠O(shè)備的頻率要高于燃煤設(shè)備才是大幅度降低總體碳排放量的關(guān)鍵，最后利用功率交換的作用補(bǔ)充剩余功率空缺，實(shí)現(xiàn)低碳調(diào)控的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以虛擬電廠運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，考慮了高碳能源和低碳能源對(duì)虛擬電廠碳排放的影響，分析了火電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、清潔能源機(jī)組、多級(jí)需求響應(yīng)、虛擬電廠與電網(wǎng)以及其他虛擬電廠功率交換時(shí)的碳排放情況，得出了系統(tǒng)最低碳排放情形，助力我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”。