基于需求響應(yīng)虛擬電廠雙層優(yōu)化調(diào)度研究

福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 蘇 捷

當(dāng)前，具有先進(jìn)通信和控制技術(shù)的虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）不僅能夠聚合各類負(fù)荷和分布式資源為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)多源協(xié)同優(yōu)化控制，還能提高系統(tǒng)的靈活性和新能源的消納率，引起了廣泛關(guān)注，并取得了豐碩的成果，但也存在功率調(diào)節(jié)差和信號響應(yīng)慢的不足。國內(nèi)外關(guān)于VPP優(yōu)化調(diào)度廣泛研究。文獻(xiàn)[1]基于價(jià)格型需求響應(yīng)，引導(dǎo)用戶合理用電，實(shí)現(xiàn)了VPP協(xié)調(diào)運(yùn)行；文獻(xiàn)[2]研究了包含風(fēng)光、水電和儲能系統(tǒng)的VPP發(fā)電側(cè)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[1-2]從需求側(cè)或發(fā)電側(cè)進(jìn)行了VPP優(yōu)化調(diào)度研究，但單側(cè)調(diào)度已不能滿足現(xiàn)階段優(yōu)化需求，需建立供需兩側(cè)的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[3]建立了計(jì)及風(fēng)電和儲備市場需求不確定性源的VPP日前優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[4]以運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，構(gòu)建了基于多風(fēng)能預(yù)測結(jié)果的VPP柔性優(yōu)化調(diào)度模型，設(shè)計(jì)了VPP出力計(jì)劃的日內(nèi)滾動調(diào)度策略；文獻(xiàn)[3-4]分別針對日前和日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行了研究，但單階段的單目標(biāo)優(yōu)化無法實(shí)現(xiàn)整體效益最優(yōu)。

1 VPP聚合管理分布式能源的需求與適應(yīng)性

具有不確定性的分布式新能源高比例接入電網(wǎng)系統(tǒng)，不僅改變了潮流流向，引起了電壓波動，影響了電網(wǎng)可靠性，還提高了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及資源調(diào)控升級改造的需求，同時(shí)也給電網(wǎng)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性帶來了較大的挑戰(zhàn)。在此背景下，傳統(tǒng)能量管理模式已無法適應(yīng)新型電力系統(tǒng)，亟須引入新型管理模型。目前，有提升區(qū)域自治促進(jìn)新能源高效消納，以及提高分布式能源基礎(chǔ)監(jiān)管設(shè)施兩種分布式能源并網(wǎng)管理路徑，其智能化管理方法主要包括主動配電系統(tǒng)管理、微電網(wǎng)管理、電價(jià)管理和市場管理四種方式，其中主動配電系統(tǒng)管理和微電網(wǎng)管理注重提升本區(qū)域自治水平，電價(jià)管理和市場管理是基于廣泛物聯(lián)實(shí)現(xiàn)能源利用最大化。本文從分布式能源強(qiáng)制性、市場成熟度和信息通信技術(shù)三個(gè)視角將VPP與上述四種方式進(jìn)行比較，見表1。

表1 VPP與其他分布式能源管理方式對比

由表1可知，VPP基于已有平臺管理分散的分布式能源不僅能降低投資，還能獲取分布式能源的容量、接入位置和設(shè)備等信息。VPP基于主通信網(wǎng)采用光纖或利用公共以太網(wǎng)采用光纖、無線、電話線等多種方式通過簽訂通信協(xié)議形成虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network,VPN）進(jìn)行信息傳遞，研究表明現(xiàn)有通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)均可適用。VPP參與能量市場、容量市場和輔助服務(wù)市場，靈活提供服務(wù)，避免了分布式能源直接參與電力市場的復(fù)雜手續(xù)和準(zhǔn)入條件；VPP通過利益分配促進(jìn)分布式能源有序發(fā)展，較低的強(qiáng)制性管控需求使各主體具有更多的自主選擇性，能更好支持分布式能源的分散性、多樣性和異構(gòu)性。

基于上述分析，VPP對分布式能源的管理和傳遞更具動態(tài)性、自由性和靈活性，能更好地適應(yīng)當(dāng)前電力市場和信息通信技術(shù)設(shè)施建設(shè)。

2 考慮需求響應(yīng)的VPP雙層調(diào)度模型

2.1 VPP管理架構(gòu)

為解決不確定性分布式新能源并網(wǎng)引發(fā)的一系列問題，需制定高效合理的VPP優(yōu)化調(diào)度方案，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)整體系統(tǒng)能源的優(yōu)化配置，促進(jìn)新能源消納，減少棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)度優(yōu)化。本文中VPP運(yùn)營受電力市場價(jià)格波動、分布式能源出力特性和負(fù)荷需求三方面因素影響，其架構(gòu)如圖1所示。商業(yè)型虛擬電廠（CVPP）管理小型工商業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷兩種，可分為基礎(chǔ)負(fù)荷和可控負(fù)荷。其中，基礎(chǔ)負(fù)荷是不參加控制中心調(diào)度的負(fù)荷，可控負(fù)荷通過與CVPP簽訂合約接受控制中心調(diào)度。主要起到管理用戶負(fù)荷、平衡電力市場交易的作用。技術(shù)型虛擬電廠（TVPP）監(jiān)控風(fēng)光伏機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)和儲能系統(tǒng)等多種分布式電源的運(yùn)行狀態(tài)，制定出力計(jì)劃。

2.2 VPP雙層調(diào)度優(yōu)化模型

我國地區(qū)用電存在“尖峰”特性，增加了電力發(fā)電成本，造成了經(jīng)濟(jì)損失。需求側(cè)管理用戶負(fù)荷能有效實(shí)現(xiàn)削峰填谷。為此，本文從供需兩側(cè)構(gòu)建VPP雙層優(yōu)化調(diào)度模型。上層為商業(yè)型VPP，以用戶最大效益為目標(biāo)進(jìn)行負(fù)荷管理，通過分時(shí)電價(jià)優(yōu)化不同類型的可控負(fù)荷，并基于價(jià)格和激勵兩種需求響應(yīng)機(jī)制最大化調(diào)度作用。下層為技術(shù)型VPP，以電源出力成本最小為目標(biāo)，引入棄風(fēng)棄光懲罰，兼顧供需側(cè)利益，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各類能源協(xié)同優(yōu)化管理。

上層CVPP模型目標(biāo)函數(shù)為：

式中：F1為VPP總利潤；ΔT、T為調(diào)度時(shí)長和調(diào)度個(gè)數(shù)；ρse,t、ρbuy.F,t為CVPP與用戶交易電價(jià)和簽訂的購電電價(jià)；PF,t為CVPP與用戶簽訂購電電量；PD,T為分時(shí)電價(jià)后時(shí)段CVPP用戶用電量；ρbuy.S,t為CPVV與實(shí)時(shí)市場交易電價(jià)；PS,t為CPVV與實(shí)時(shí)市場交易電量，向市場售電時(shí)PS,t為正，向市場購電時(shí)PS,t為負(fù)；FTVPP為總發(fā)電成本。

包含售電電價(jià)約束、負(fù)荷削減量與削減次數(shù)約束、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷約束、可平移負(fù)荷約束和功率平衡約束的上層約束條件為：

通過上層調(diào)度優(yōu)化模型式優(yōu)化結(jié)果得TVPP出力結(jié)果，建立TVPP發(fā)電成本最優(yōu)的下層目標(biāo)函數(shù)：

式中：Frq,j,t為燃?xì)廨啓C(jī)j在t時(shí)段運(yùn)行成本；Fwt,t為風(fēng)機(jī)t時(shí)段運(yùn)行成本；Fpv,t為光伏t時(shí)段運(yùn)行成本；Fes,t為儲能t時(shí)段運(yùn)行成本。

下層約束條件為售實(shí)時(shí)功率平衡約束、燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行約束、爬坡率約束、風(fēng)光電源出力約束和儲能系統(tǒng)容量約束，公式為：

2.3 列約生成算法求解

耦合雙層優(yōu)化模型的求解難度較大，C&CG可以通過不同切割平面，引入子問題變量和約束，在緊湊原目標(biāo)函數(shù)下界值將目標(biāo)分成主子問題進(jìn)行最優(yōu)求解，減少了迭代次數(shù)，高效求解多層次優(yōu)化問題。因此，本文提出運(yùn)用列約束生成算法求解VPP雙層優(yōu)化調(diào)度模型，求解流程如圖2所示。

圖2 C&CG求解VPP優(yōu)化模型流程圖

3 算例分析

本文以文獻(xiàn)[4]中的源荷預(yù)測中為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用IEEE33標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行本文所構(gòu)建VPP雙層模型的有效性驗(yàn)證，其中光伏、風(fēng)機(jī)、儲能等設(shè)備接入、設(shè)備容量、儲能設(shè)備參數(shù)和可削減、可平移可轉(zhuǎn)移負(fù)荷調(diào)度參數(shù)。以及各分布式電源設(shè)備的電量耗量特性、分時(shí)電價(jià)的相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。在最大化上層CVPP用戶的收益中，由圖3所示負(fù)荷實(shí)際功率和經(jīng)雙層模型交互迭代后的期望功率對比可知：上層CVPP模型可以將在19：00～21:00和23:00電價(jià)高峰期的負(fù)荷電能需求轉(zhuǎn)移到01:00～7：00和24:00，降低用戶用電成本，VPP雙層優(yōu)化模型中上層調(diào)度方案能更保證用戶收益。

圖3 上層需求響應(yīng)負(fù)荷的實(shí)際和期望功率

在圖4下層TVPP可控電源和儲能系統(tǒng)調(diào)度方案中，儲能功率放電為正，充電為負(fù)。根據(jù)分時(shí)電價(jià)與上層CVPP需求響應(yīng)結(jié)果，儲能系統(tǒng)在低電價(jià)時(shí)間段01:00～06:00以及24:00充電儲存電量，20:00～22:00高電價(jià)時(shí)間段功率放電，通過響應(yīng)分時(shí)電價(jià)降低下層運(yùn)行成本。風(fēng)機(jī)和光伏可控電源響應(yīng)負(fù)荷需求，在負(fù)荷需求較低和分時(shí)電價(jià)較低時(shí)的01:00～05:00時(shí)段和24:00時(shí)段，減小功率輸出，較高時(shí)可控電源盡可能多出力，在滿足負(fù)荷需求的同時(shí)，提高電源輸出功率收益，綜合降低VPP成本。

圖4 可控電源和儲能系統(tǒng)的下層調(diào)度方案

表2給出了傳統(tǒng)方法與本文所提方法在經(jīng)濟(jì)效益和新能源消納率的對比結(jié)果。本文所提出的方法使得上層用戶和下層電源效益分別提高了1600.3元和3331.5元，新能源利用率分別提高了8.3%。

表2 VPP調(diào)控效益與傳統(tǒng)對比

4 結(jié)語

本文考慮需求響應(yīng)構(gòu)建了VPP雙層優(yōu)化模型，通過算例分析驗(yàn)證得出下列結(jié)論：一是從分布式能源強(qiáng)制性、市場成熟度和信息通信技術(shù)視角得出VPP聚合各類靈活調(diào)控資源管理能夠降低投資，更具動態(tài)性、自由性和靈活性，更好適應(yīng)電力市場和信息通信技術(shù)設(shè)施建設(shè)的優(yōu)勢；二是通過VPP雙層優(yōu)化模型更保證用戶收益、提高電源輸出功率收益，相比于傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法，提高了系統(tǒng)效益4931.8元，提升了新能源利用率8.3%。