電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)多階段聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行

楊曉華

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心 云南昆明 650051）

結(jié)合最新電力現(xiàn)貨市場準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)參與電力市場的系統(tǒng)框架和運(yùn)行模式。基于多階段、大尺度、多層次的思想，建立多階段聯(lián)合優(yōu)化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，包括日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)3 個(gè)階段。通過隨機(jī)優(yōu)化概率，約束解決光伏、負(fù)荷不穩(wěn)定的問題，利用線性規(guī)劃算法，求解電力現(xiàn)貨市場最優(yōu)申報(bào)用電量和日內(nèi)24h 功率計(jì)劃曲線。在實(shí)時(shí)階段，使用模型預(yù)測控制算法，對功率、電價(jià)信息的滾動(dòng)跟蹤預(yù)測和校正反饋，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)市場同步滾動(dòng)優(yōu)化。

1 園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及建模分析

1.1 園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成

綜合能源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電能、熱能、氣能等多種能源資源形式的協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行，滿足用戶群眾多元化的能源資源需求。園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)包括風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、熱泵、蓄電池及蓄熱槽等能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)設(shè)備，充分考慮電熱符合需求，響應(yīng)個(gè)電動(dòng)汽車接入。

1.2 主要設(shè)備模型

1.2.1 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)中常見的發(fā)電設(shè)備，其燃料是天然氣。燃?xì)廨啓C(jī)利用流通的氣體促使葉輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)做功發(fā)電。在燃燒期間，排出的高溫余熱煙氣在經(jīng)過回收后，便可以進(jìn)行供熱［1］。其模型可以具體描述為：

上述公式中：PGT(t)和QGT(t)是t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)的供電功率和供熱功率；GGT(t)是t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣消耗量；ηGT是燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率；β是天然氣低熱值，取9.73kW·h/m3；α 是燃?xì)廨啓C(jī)的熱電比，取1.29.73kW·h/m3；PGT，max是燃?xì)廨啓C(jī)的供電功率上限；ΔPGT(t)是燃?xì)廨啓C(jī)的爬坡速率。

1.2.2 燃?xì)忮仩t模型

燃?xì)忮仩t是園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)中常用的熱源設(shè)備，以天然氣為基本燃料。其模型可以具體描述為：

QGB(t)=ηGBβGGB(t)

0≤QGB(t) ≤QGB，max

上述公式中：QGB(t)是t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)的供熱功率；GGB(t)是t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣消耗量；ηGB是燃?xì)廨啓C(jī)的供熱效率；QGB，max是燃?xì)忮仩t的供熱功率上限［2］。

1.2.3 熱泵模型

熱泵是園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，通過消耗電能產(chǎn)熱。其模型具體描述為：

QEH(t)=ηEHPEH(t)

0≤QEH(t) ≤QEH，max

上述公式中：QEH(t)是t時(shí)段熱泵的供熱功率；ηEH是熱泵的供熱效率；QEH，max是熱泵的供熱功率上限。

1.2.4 儲(chǔ)能設(shè)備模型

園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)中的儲(chǔ)能設(shè)備包括蓄電池、蓄熱槽，因?yàn)樾铍姵亍⑿顭岵鄣膬?chǔ)能特點(diǎn)比較相同，以蓄電池來舉例進(jìn)行建模，蓄熱槽模型與之比較雷同。公式如下：

0≤PES，c(t) ≤PES，c，max

0≤PES，d(t) ≤PES，d，max

PES，c(t)PES，d(t)=0

SES(t)=SES(t- 1)+[PES，c(t)ηES，cSB-PES，d(t)ηES，dSB]·Δt

SES，min≤SES(t) ≤SES，max

SES(T)=SES(0)

上述公式中：PES，c(t)、PES，d(t)是t時(shí)段蓄電池的充放電功率；PES，c，max和PES，d，max是t時(shí)段蓄電池的充放電功率的最大上限；SES(t)是t時(shí)段蓄電池的儲(chǔ)能狀態(tài)；ηES，c和ηES，d是t時(shí)段蓄電池的充放電功率；SES，min和SES，max是蓄電池儲(chǔ)能狀態(tài)的上限；T是優(yōu)化運(yùn)行周期的時(shí)段數(shù)，取24；Δt是時(shí)間間隔，取1h。

2 園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)在電力現(xiàn)貨市場的運(yùn)行模式分析

在電力市場進(jìn)入到改革之前，園區(qū)內(nèi)部的工作人員主要是根據(jù)工商業(yè)階梯電價(jià)來繳納電費(fèi)的。而在電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下，電價(jià)要按照用戶的實(shí)際用電情況及網(wǎng)絡(luò)阻塞情況，采用靈活、多變的動(dòng)態(tài)電價(jià)，促使其成為時(shí)間變量。因?yàn)椴顑r(jià)合約、偏差考核機(jī)制，從中長期、日前、日內(nèi)實(shí)時(shí)市場分析，不管哪一階段，都會(huì)影響用電成本，在一定程度上給綜合能源系統(tǒng)的市場經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來不小的挑戰(zhàn)。

2.1 園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)參與電力市場手段

工商業(yè)園區(qū)通過配電網(wǎng)便于為廣大人民群眾輸送大量的電力資源，不僅如此，還能借助光伏、CHP機(jī)組、鍋爐、儲(chǔ)能等進(jìn)行電力資源的供應(yīng)。作為工商業(yè)園區(qū)的用戶代表，主要負(fù)責(zé)內(nèi)部、外部的工作。第一，對外方面。主要參與電力市場的交易，簽署電力合同，用于參與電力市場的各種交易活動(dòng)，足以接受電力工作人員的業(yè)務(wù)考核。第二，對內(nèi)方面。為園區(qū)內(nèi)部提供更多的電力資源，在滿足基本供應(yīng)需求的條件下，保證園區(qū)的電力資源的經(jīng)濟(jì)性［3］。

2.2 電力現(xiàn)貨市場價(jià)格模型

現(xiàn)階段，電力現(xiàn)貨市場最常使用的一種手段就是差價(jià)合約機(jī)制，結(jié)合中長期電力市場所存在的偏差，將其控制在最低范圍之內(nèi)，并建立不同階段的差價(jià)結(jié)算機(jī)制，按照目前電力現(xiàn)貨市場所推行的原則，根據(jù)差價(jià)合約和偏差考核手段，為用戶群體設(shè)計(jì)最佳的電價(jià)，其計(jì)算公式如下：

Cfee=∑QLntPLnt+∑(QD，t-QLnt)PD，t+∑(QR，t-QD，t)PR，t+CR，t+CLP，t

上述公式中：Cfee是用戶用電成本；QLnt、PLnt是園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)經(jīng)過中長期市場簽訂的合同，具體劃分t時(shí)段的電量、電價(jià)；QD，t是t時(shí)段用戶群體在電力現(xiàn)貨日前市場申報(bào)用電量；PD，t是t時(shí)段現(xiàn)貨市場日前交易出清后所建立日前出清電價(jià)；QR，t是t時(shí)段用戶在電力現(xiàn)貨實(shí)時(shí)市場中的實(shí)際用電量；PR，t是t時(shí)段現(xiàn)貨市場實(shí)時(shí)交易期間的實(shí)時(shí)電價(jià)；CR，t是t時(shí)段電力市場的轉(zhuǎn)移收益，重點(diǎn)體現(xiàn)在由于市場價(jià)格和用電計(jì)劃偏差而產(chǎn)生的允許收益，計(jì)算方式如上述公式所表示；CLP，t是t時(shí)段偏差考核成本，重點(diǎn)體現(xiàn)在將中長期協(xié)議電量月度偏差考核折算到當(dāng)日的處罰成本。其計(jì)算方式如下：

當(dāng)QD，t>QR，t(1+δ)且PD，t

CR，t=∑[QD，t-QLnt(1+δ)](PR，t-PD，t)

當(dāng)QD，tPR，t時(shí)，有：

CR，t=∑[QD，t(1+δ) -QLnt](PD，t-PR，t)

CLP，t=(QdLnt∑QD，t)PLdt

園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)對電網(wǎng)售電價(jià)格按照各個(gè)地區(qū)制定的分布式上網(wǎng)電價(jià)進(jìn)行電力結(jié)算，在此過程中，相關(guān)工作人員可以忽略單個(gè)綜合能源系統(tǒng)對電力市場的影響，將園區(qū)用戶作為電力能源的供應(yīng)者。

2.3 綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合的運(yùn)行模式

電力市場包括中長期市場和現(xiàn)貨市場，其中，現(xiàn)貨市場包括日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)3個(gè)階段。本文研究的運(yùn)行模式是立足于時(shí)間尺度上，保證電力資源和電力現(xiàn)貨市場同行同向，按照日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)等階段，采用遞進(jìn)式電網(wǎng)調(diào)度管理模式，實(shí)現(xiàn)電力資源的全面優(yōu)化。在電力現(xiàn)貨市場下，綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行模式分為以下幾個(gè)方面。

2.3.1 日前優(yōu)化

在電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下，綜合能源系統(tǒng)要每天對后一天的分時(shí)負(fù)荷曲線進(jìn)行繪制，便于其主動(dòng)參與到現(xiàn)貨市場中。但是，申報(bào)方式和日前出清電價(jià)和實(shí)時(shí)電價(jià)存在巨大的差異性，很容易增加電力成本。所以，在日前申報(bào)過程中，用電負(fù)荷申報(bào)曲線直接影響現(xiàn)貨市場的經(jīng)濟(jì)收益。

在電量申報(bào)過程中，對所申報(bào)的負(fù)荷曲線進(jìn)行重新的規(guī)劃、調(diào)整，保證后一天的電力能源成本降低至最低范圍之內(nèi)。通過對負(fù)荷、光伏功率的隨機(jī)概率進(jìn)行制約，考慮分布式電源的影響因素，具體分析其經(jīng)濟(jì)性成本、日前電價(jià)和中長期合同電價(jià)間存在的偏差電量。在對其進(jìn)行重新整合后，計(jì)算后一天的電網(wǎng)購電曲線，滿足日前電力市場基本需求［5-6］。

在此過程中，如果實(shí)時(shí)電價(jià)和出清電價(jià)相同，按照中長期合同電量和日前電價(jià)及申報(bào)電量形成的差價(jià)合約，通過上述Cfee公式，計(jì)算這一階段電費(fèi)Cfee-da公式為：

Cfee-da=∑QLntPLnt+∑(QD，t-QLnt)PD，t+CLP，t

2.3.2 日內(nèi)優(yōu)化

在日內(nèi)優(yōu)化階段，具體落實(shí)出清電價(jià)。通過確定日前市場的現(xiàn)貨價(jià)格，在具體進(jìn)入到實(shí)時(shí)運(yùn)行階段之前，對正在申報(bào)電量進(jìn)行重新計(jì)算，主要目的在于針對綜合能源系統(tǒng)日內(nèi)用電計(jì)劃做出未雨綢繆的準(zhǔn)備工作。另一方面，日內(nèi)優(yōu)化模型和日前優(yōu)化模型大體相同，它們之間最大的不同就是結(jié)合出清的日前價(jià)格，實(shí)時(shí)監(jiān)測電價(jià)，通過上述公式計(jì)算電網(wǎng)購電成本，根據(jù)CHP機(jī)組、電鍋爐等設(shè)備的調(diào)節(jié)能力，減少日內(nèi)總體用能成本，優(yōu)化計(jì)算不同階段的電價(jià)曲線，從而獲得1d之內(nèi)的電功率負(fù)荷曲線。

2.3.3 實(shí)時(shí)優(yōu)化

在實(shí)時(shí)優(yōu)化過程中段，為了滿足人們對于電力能源的基本需求，相關(guān)工作人員使用滾動(dòng)優(yōu)化出清方法，在日內(nèi)實(shí)時(shí)階段同步滾動(dòng)優(yōu)化，以15min為時(shí)間周期，重新繪制綜合能源系統(tǒng)用電負(fù)荷曲線，讓廣大人民群眾在第一時(shí)間了解國家政府部門出臺(tái)的電價(jià)信息。

實(shí)時(shí)優(yōu)化包括以下內(nèi)容。一方面，實(shí)時(shí)同步現(xiàn)貨市場，根據(jù)時(shí)間周期，及時(shí)跟蹤、預(yù)測已經(jīng)出臺(tái)的電價(jià)信息，在差價(jià)合約允許存在的誤差范圍之內(nèi)，整合CHP機(jī)組、電鍋爐及儲(chǔ)能系統(tǒng)功率，降低成本的支出。另一方面，以日前發(fā)用電計(jì)劃曲線為參照物，預(yù)測負(fù)荷曲線、分布式發(fā)電功率的用電情況，堅(jiān)持低投入、高回報(bào)的原則，對日前計(jì)劃存在的誤差進(jìn)行重新調(diào)整，保證日內(nèi)全局計(jì)劃和實(shí)時(shí)階段局部優(yōu)化的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

3 園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)在電力現(xiàn)貨市場的多階段優(yōu)化模型分析

3.1 日前、日內(nèi)優(yōu)化

日前、日內(nèi)優(yōu)化模型基本上是一樣的，但是二者也存在一定的差異，主要是日前優(yōu)化是預(yù)測日前電價(jià)后進(jìn)行重新計(jì)算，而日內(nèi)優(yōu)化主要保證最后的出清價(jià)格，從而獲得日內(nèi)24h 的用電功率計(jì)劃曲線。目前，市場電量申報(bào)模型的目標(biāo)函數(shù)以經(jīng)濟(jì)性為主，主要是保證總成本最小化，其計(jì)算公式為：

fope=∑[CLgrid，t+rgaspgas，t+ut(1 -ut-1)cst+rompt]

上述公式中：pgas，t是t時(shí)段天然氣的能源消耗功率；rgas是天然氣的單位耗量成本；pt是單位功率運(yùn)行維護(hù)成本；ut是0-1變量，表示t時(shí)段CHP機(jī)組啟停狀態(tài)，取值是1 時(shí)表示啟動(dòng)，取值為0 的時(shí)候表示停機(jī)；cst表示啟動(dòng)成本；CLgrid，t是t時(shí)段日前電費(fèi)成本。

3.2 基于MPC的實(shí)時(shí)滾動(dòng)優(yōu)化

在電力現(xiàn)貨市場下，光伏發(fā)電、負(fù)荷功率、實(shí)時(shí)市場中的電價(jià)信息都不太穩(wěn)定。MPC主要是緩解系統(tǒng)內(nèi)部的控制問題，換句話說，它是一種滾動(dòng)優(yōu)化控制方法，對于減少外界干擾因素有一定的推動(dòng)作用，有助于解決一些不太穩(wěn)定的影響因素。

MPC以計(jì)劃曲線為跟蹤目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際情況，對2個(gè)滾動(dòng)階段進(jìn)行預(yù)測。在實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中，以最新預(yù)測數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)為主，對其進(jìn)行重新規(guī)劃?？紤]到日內(nèi)計(jì)劃采用24h 短期預(yù)測，已有較高的預(yù)測精度，由超短期光伏、負(fù)荷功率、實(shí)時(shí)電價(jià)進(jìn)行跟蹤預(yù)測，重新調(diào)整實(shí)時(shí)下達(dá)的功率計(jì)劃指令。

4 結(jié)語

綜上所述，在電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下，對園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)多階段聯(lián)合運(yùn)行模型進(jìn)行規(guī)劃，符合電力市場運(yùn)行的基本要求。在電力現(xiàn)貨市場階段，相關(guān)工作人員要全面考慮中超短期光伏、負(fù)荷功率、實(shí)時(shí)電價(jià)對于電力成本的影響，便于保證目標(biāo)市場電量申報(bào)的最佳性。與此同時(shí)，電力資源價(jià)格不是唯一的參考，而是以時(shí)變量形式在日前、日內(nèi)和實(shí)時(shí)這3 個(gè)階段進(jìn)行逐一的判斷，有效控制其中存在的差價(jià)，保證電力單位獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。