王 宏魏曉強(qiáng)祁 峰王 珺

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司調(diào)度中心,黑龍江 哈爾濱 150090;2.電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué)),河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著電采暖設(shè)備在我國北方地區(qū)的普遍應(yīng)用,規(guī)模化電采暖負(fù)荷的用能彈性具有巨大的需求側(cè)響應(yīng)能力,是重要的可調(diào)控負(fù)荷資源[12]?！笆奈濉逼陂g,我國負(fù)荷尖峰化趨勢將越發(fā)顯著,在煤電發(fā)展受限的情況下,亟需充分挖掘與發(fā)揮需求側(cè)資源在削峰填谷、緩解電力供需矛盾、推進(jìn)清潔能源消納方面的作用[3-4]。

為充分利用電采暖負(fù)荷可調(diào)控能力,發(fā)揮其規(guī)?；в?可將異構(gòu)、地理位置分散的電采暖負(fù)荷聚合成虛擬電廠(virtual power plant,VPP),實(shí)施資源聚合與能量管控,此種方式是充分利用負(fù)荷側(cè)資源參與電網(wǎng)調(diào)峰的有效組織形式[5]。

針對虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度管理方法,文獻(xiàn)[6]將熱電廠、風(fēng)電場、光伏電站、電鍋爐和柔性負(fù)荷聚合為虛擬電廠,基于拉丁超立方采樣的場景法處理風(fēng)光出力的不確定性,提出了一種基于實(shí)時(shí)電價(jià)的虛擬電廠運(yùn)行策略。文獻(xiàn)[7]提出了“靈活性可調(diào)資源-聚合調(diào)節(jié)特性-優(yōu)化目標(biāo)建?！钡奶摂M電廠多級優(yōu)化配置體系。文獻(xiàn)[8]針對虛擬電廠的棄風(fēng)光問題,建立了一種虛擬電廠接入配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[9]針對電、熱為代表的多類型負(fù)荷,以及可控機(jī)組、儲(chǔ)能裝置、風(fēng)機(jī)的協(xié)調(diào)調(diào)度問題,提出了考慮電熱綜合需求響應(yīng)的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型。目前,虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度方法大多僅考慮各類可控負(fù)荷需求響應(yīng)對整體調(diào)度的影響,未深入探討可控負(fù)荷個(gè)性化需求的充分利用,需求響應(yīng)模型多為綜合性模型。然而,電采暖用戶用能具有經(jīng)濟(jì)性、舒適性等個(gè)性化需求,不同電采暖用戶的需求響應(yīng)能力具有較大差異,而現(xiàn)有研究沒有考慮到不同電采暖用戶的響應(yīng)程度具有差異,沒有針對用戶需求進(jìn)行負(fù)荷分類,而且所考慮的價(jià)格激勵(lì)型需求響應(yīng)的電量與電價(jià)變化呈線性關(guān)系,不能體現(xiàn)實(shí)際電采暖負(fù)荷需求響應(yīng)的特點(diǎn),導(dǎo)致電采暖負(fù)荷需求響應(yīng)特性不能被充分利用,使得虛擬電廠電采暖負(fù)荷調(diào)度結(jié)果不能達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化目標(biāo)。本文針對電采暖型虛擬電廠,開展考慮電采暖差異化需求的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)控方法研究。

1 電采暖型VPP互動(dòng)機(jī)制與管理架構(gòu)

在大數(shù)據(jù)信息與通信技術(shù)支持下,虛擬電廠聚合用戶側(cè)電采暖負(fù)荷,構(gòu)建負(fù)荷聚集商的運(yùn)營機(jī)制。由電采暖聚合VPP的對外靈活特性,通過合理的激勵(lì)策略使電采暖負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng),實(shí)現(xiàn)整體出力的靈活調(diào)節(jié)與虛擬發(fā)電特性。同時(shí),虛擬電廠作為整體參與電力市場購售電與電網(wǎng)調(diào)峰市場,實(shí)現(xiàn)利益最大化的運(yùn)營目標(biāo)[1012]。圖1 為 電采暖型虛擬電廠組織架構(gòu)與互動(dòng)機(jī)制。

圖1 虛擬電廠組織架構(gòu)與互動(dòng)機(jī)制

隨著智能配電網(wǎng)量測終端的建設(shè),利用基于邊緣計(jì)算的入戶式電采暖能量管理裝置可實(shí)現(xiàn)電采暖用戶能量與信息采集終端覆蓋[1315]。VPP通過配置智慧管理與控制中心,基于采集終端與控制中心雙向通信,可實(shí)現(xiàn)電采暖負(fù)荷實(shí)時(shí)狀態(tài)感知與合理精準(zhǔn)管控;通過評估內(nèi)部電采暖負(fù)荷可調(diào)控能力,制定最優(yōu)激勵(lì)策略,并通過各個(gè)控制器向各個(gè)電采暖集群發(fā)送相應(yīng)的控制指令;電采暖用戶通過手機(jī)短信通知接收到激勵(lì)政策與控制指令后,可通過手機(jī)APP調(diào)整個(gè)人電采暖設(shè)備的相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)。

2 VPP需求側(cè)響應(yīng)激勵(lì)策略

2.1 單個(gè)電采暖負(fù)荷熱動(dòng)態(tài)模型

綜合考慮房屋建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)溫度、天氣等因素,根據(jù)建筑物熱量傳遞原理建立房屋室溫變化與傳熱量的時(shí)變方程[16]。單位時(shí)間內(nèi)室內(nèi)溫度變化與傳熱量的關(guān)系為

式中:ΔTin為建筑物室內(nèi)溫度的變化量;Qh為房屋保持合適溫度需要電采暖設(shè)備供應(yīng)的熱量;Qs為陽光輻射向室內(nèi)提供的熱量;Qc和Qv分別為室內(nèi)外建筑圍護(hù)的傳導(dǎo)熱量和空氣的交換熱量,以室內(nèi)向室外傳熱為正方向;Cair為建筑物中空氣的總熱容。

對于某具體建筑,其房屋結(jié)構(gòu)和保溫參數(shù)已知,根據(jù)文獻(xiàn)[17]中房屋熱交換關(guān)系可計(jì)算Qc,由建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[18]可得Qv和Qs,如式(2)—(4)。

式中:Tin、Tout分別為室內(nèi)、室外氣溫;Kc為綜合傳熱系數(shù),與建筑各墻體、屋頂、地面、門窗對室外的傳熱系數(shù)以及房屋各部分建筑圍護(hù)面積相關(guān);Kv為綜合換熱系數(shù),與比熱容、空氣密度以及建筑漏風(fēng)間隙總面積有關(guān)為室外風(fēng)速;Fw為建筑等值采光面積,與房屋門窗面積和陽光輻射強(qiáng)度折減系數(shù)有關(guān);Gs為陽光輻射強(qiáng)度。

為維持室內(nèi)溫度不變,根據(jù)能量平衡關(guān)系,式(1)可表示為

2.2 考慮人體舒適度的室內(nèi)設(shè)定溫度計(jì)算

對于供熱設(shè)備性能的評價(jià),通常采用人體舒適度作為重要指標(biāo),對于電采暖設(shè)備供熱性能評價(jià)本文引入人體熱感覺預(yù)測平均標(biāo)度(predicted mean vote,PMV)指標(biāo)[19]反映人體熱舒適度的室內(nèi)溫度。

在工程中,PMV 指標(biāo)計(jì)算公式為

式中:φPMV為反映人體熱舒適度的PMV 指標(biāo);Ts為人體皮膚溫度;M為人體代謝率;Iel為人體服裝熱阻。

將式(6)經(jīng)數(shù)學(xué)變換,得到考慮人體舒適度指標(biāo)的室內(nèi)溫度為

PMV 指標(biāo)可分為7級,φPMV為0時(shí)是人體最佳的熱舒適狀態(tài),其他分級與舒適度對應(yīng)關(guān)系見表1。ISO 7730規(guī)定PMV 指標(biāo)在[-0.5,0.5]為人體最佳熱舒適狀態(tài)[19]。

表1 PMV指標(biāo)分級

2.3 考慮用能差異化的電采暖負(fù)荷激勵(lì)策略

由電采暖負(fù)荷熱力學(xué)模型可知,電采暖負(fù)荷的可調(diào)節(jié)能力受用戶舒適度區(qū)間、室外溫度及電采暖熱力學(xué)參數(shù)隨機(jī)性影響。其中,用戶舒適度區(qū)間為可改變因素,可通過補(bǔ)貼方式激勵(lì)用戶改變固有用能方式,從而使電采暖負(fù)荷具備需求側(cè)響應(yīng)特性,參與電網(wǎng)運(yùn)行。從電采暖負(fù)荷用戶參與需求響應(yīng)的效用角度來看,最穩(wěn)定、可觀測與可量化的用能偏好是用戶的舒適度偏好與經(jīng)濟(jì)偏好,具體特征分類如表2所示。

表2 電采暖負(fù)荷用能需求分類

由上述基于用戶用能偏好差異性的電采暖用戶分類結(jié)果,本文構(gòu)建虛擬電廠電采暖用戶激勵(lì)策略如下:當(dāng)用戶用能需求在舒適度指標(biāo)區(qū)間[-0.5,0.5]時(shí)為一級舒適度,設(shè)虛擬電廠在此區(qū)間內(nèi)的單位調(diào)用容量電采暖負(fù)荷起始補(bǔ)貼電價(jià)為cHL.1,電采暖設(shè)備運(yùn)行在該溫度區(qū)間下,對舒適型用戶激勵(lì)效果最佳;當(dāng)用戶用能需求在舒適度指標(biāo)區(qū)間[-1,1]時(shí)為二級舒適度,設(shè)此區(qū)間單位容量起始補(bǔ)貼電價(jià)為cHL.2,此區(qū)間范圍對標(biāo)準(zhǔn)型用戶激勵(lì)效果最佳;當(dāng)用戶用能需求在舒適度指標(biāo)區(qū)間[-2,2]時(shí)為三級舒適度,設(shè)在此區(qū)間單位容量起始補(bǔ)貼電價(jià)為cHL.3,此區(qū)間范圍下對經(jīng)濟(jì)型用戶激勵(lì)效果最佳。

基于現(xiàn)有需求側(cè)響應(yīng)特性與效益模型理論[12],電采暖調(diào)用容量與補(bǔ)貼價(jià)格具有邊際遞增效應(yīng),將電采暖用戶單位調(diào)用容量補(bǔ)貼成本簡化為二次方形式。建立具有二次函數(shù)特征的補(bǔ)貼成本模型為

式中:i為用戶類型(i=1,2,3);cHL.i為各型電采暖負(fù)荷單位調(diào)用容量補(bǔ)貼成本;PHL.i(t)為t時(shí)刻各類電采暖負(fù)荷實(shí)際用電功率;PHL.0.i、ωHL.i為電采暖負(fù)荷在t時(shí)刻的偏好功率和偏離懲罰系數(shù)。

3 VPP日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型

VPP日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)為通過制定電采暖負(fù)荷調(diào)用計(jì)劃從而參與電網(wǎng)調(diào)峰,使自身運(yùn)營收益最大化?；谏鲜鲆?構(gòu)建VPP 日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)為VPP次日運(yùn)行收益期望最大,決策變量為各類電采暖負(fù)荷調(diào)用容量。

3.1 建立模型

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)是VPP次日運(yùn)行期望收益最大。目標(biāo)函數(shù)為VPP日運(yùn)行收益F,其中,收益包括VPP 調(diào)峰收益F1、用戶售電收益F2,成本包括電力市場購電成本C1、電采暖負(fù)荷調(diào)用成本C2,具體表示為

式(9)中各項(xiàng)具體表示如下:

(1)VPP調(diào)峰收益

式中:λVPP(t)、PVPP.F分別為虛擬電廠在t時(shí)段參與調(diào)峰輔助服務(wù)的調(diào)峰報(bào)價(jià)和中標(biāo)容量。

(2)VPP轄區(qū)售電收益

式中:λp、λf、λv分別為VPP制定的分時(shí)峰、平、谷電價(jià);m、n、p分別為一日內(nèi)劃分的峰、平、谷時(shí)段個(gè)數(shù);PHL(t)為t時(shí)段用戶電采暖負(fù)荷實(shí)際購電功率。

(3)VPP市場購電成本

式中:λM(t)、PVPP.B(t)分別為t時(shí)段日前現(xiàn)貨市場電價(jià)與VPP市場購電功率。

(4)電采暖負(fù)荷調(diào)用成本

式中:PDR.i(t)為t時(shí)刻第i類電采暖負(fù)荷調(diào)用容量。

3.1.2 約束條件

3.1.2.1 電采暖負(fù)荷運(yùn)行約束

(1)熱功率平衡約束

具體見式(5)。

(2)用戶舒適度指標(biāo)約束

一級舒適度PMV1:φPMV∈[-0.5,0.5]。二級舒適度PMV2:φPMV ∈[-1,1]。三級舒適度PMV3:φPMV∈[-2,2]。

(3)電采暖調(diào)用容量及調(diào)用次數(shù)約束

電采暖負(fù)荷調(diào)用容量約束

調(diào)用次數(shù)約束

3.1.2.2 VPP功率平衡約束

3.1.2.3 VPP調(diào)峰約束

式中:PVPP.F.max為VPP最大調(diào)峰容量。

3.2 模型求解

本文以小時(shí)為時(shí)段,日為運(yùn)行周期,基于Matlab仿真軟件,采用粒子群算法對模型進(jìn)行優(yōu)化求解,具體步驟如下。

(1)基于歷史數(shù)據(jù),輸入冬季典型日各時(shí)段的室外溫度、VPP 電采暖用戶室內(nèi)取暖溫度及原始電網(wǎng)電價(jià)作為初始數(shù)據(jù),得到電采暖用戶各時(shí)段熱負(fù)荷需求曲線;

(2)初始化VPP內(nèi)電采暖用戶類型及每戶電采暖設(shè)備參數(shù)等數(shù)據(jù),以該日峰電開始時(shí)刻為起點(diǎn),根據(jù)式(1)至式(7)計(jì)算各類電采暖負(fù)荷在調(diào)度周期T內(nèi)各時(shí)段用電功率,構(gòu)建VPP原始負(fù)荷曲線;

(3)根據(jù)VPP各時(shí)段調(diào)峰功率及負(fù)荷原始用電曲線,得出周期T下VPP的凈負(fù)荷功率曲線;

(4)基于第3節(jié)虛擬電廠日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型,進(jìn)行調(diào)度模擬,計(jì)算各時(shí)段VPP運(yùn)行收益與成本,利用粒子群優(yōu)化算法求解VPP各時(shí)段電采暖負(fù)荷調(diào)用容量。模型優(yōu)化計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 粒子群優(yōu)化算法的模型優(yōu)化計(jì)算流程

4 算例分析

4.1 算例說明

以黑龍江省某地區(qū)實(shí)際配電網(wǎng)為例進(jìn)行分析,該地區(qū)年均最大負(fù)荷功率為44.79 MW,該配電網(wǎng)包含大規(guī)模電采暖負(fù)荷,將上述聚合成VPP。根據(jù)文獻(xiàn)[20-22],采用日前市場電價(jià)如圖3所示,VPP參與電網(wǎng)調(diào)峰服務(wù),調(diào)峰投標(biāo)時(shí)間為每日10:00-12:00、20:00-24:00,調(diào)峰補(bǔ)貼為0.87元/k Wh。電采暖設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、用戶房屋參數(shù)等參考文獻(xiàn)[22]。根據(jù)用戶用能差異化需求將該地區(qū)電采暖負(fù)荷聚和為3種典型電采暖用戶,其熱阻及熱容參數(shù)詳見表3。電采暖用戶的室內(nèi)初始溫度均勻分布在[19.5℃,24.5℃]。不同舒適度下電采暖負(fù)荷調(diào)控參數(shù)如表4所示。VPP各時(shí)段電價(jià)如表5所示。

圖3 日前市場電價(jià)

表3 典型電采暖用戶類型

表4 各舒適度等級電采暖負(fù)荷調(diào)控參數(shù)

表5 VPP各時(shí)段電價(jià)

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 不同類型電采暖可調(diào)控容量分析

基于對不同舒適度電價(jià)補(bǔ)貼及用戶需求,該地區(qū)不同時(shí)段各舒適度等級參與需求側(cè)響應(yīng)的電采暖用戶數(shù)量如圖4所示。

圖4 各舒適度需求下用戶參與需求響應(yīng)數(shù)量

由圖4可知,在用戶居家時(shí)段01:00—05:00及20:00—24:00,參與一級舒適度響應(yīng)的用戶數(shù)較多;在外出工作時(shí)段08:00—12:00 和14:00—18:00,參與一級舒適度響應(yīng)的用戶數(shù)量較少。全天參與二級和三級舒適度等級響應(yīng)的用戶數(shù)量波動(dòng)相對于一級較少。

4.2.2 VPP日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

為提高VPP運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,考慮不同舒適度差異化需求,根據(jù)電采暖需求響應(yīng)、VPP優(yōu)化調(diào)度模型,以某典型日24個(gè)時(shí)段電采暖負(fù)荷功率為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該典型日實(shí)際電采暖負(fù)荷功率情況如圖5所示。

圖5 VPP原始負(fù)荷功率曲線

根據(jù)電力市場日電價(jià)和電采暖單位容量補(bǔ)貼電價(jià),以不同舒適度需求的電采暖調(diào)控容量為決策,對虛擬電廠日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型進(jìn)行求解,得到各時(shí)段虛擬電廠經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖6 所示。不同舒適度補(bǔ)貼下各類電采暖負(fù)荷調(diào)控容量結(jié)果如圖7所示。由虛擬電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)控模型得出VPP調(diào)峰收益4 350元,內(nèi)部售電收益273 691元,電力市場購電成本104 896元,電采暖負(fù)荷調(diào)用成本45 568元。采用本文提出的考慮電采暖差異化需求虛擬電廠優(yōu)化調(diào)控方法,實(shí)現(xiàn)電采暖負(fù)荷主動(dòng)參與電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控,VPP日運(yùn)行費(fèi)用顯著降低,實(shí)現(xiàn)虛擬電廠盈利目標(biāo)。

圖6 電采暖調(diào)控容量

圖7 各類電采暖負(fù)荷調(diào)控容量結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對電采暖負(fù)荷用能差異化與經(jīng)濟(jì)性需求,提出一種考慮電采暖差異化需求的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)控方法。算例結(jié)果表明本文建立的虛擬電廠日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型能夠有效利用電采暖負(fù)荷需求響應(yīng)彈性參與電網(wǎng)調(diào)峰,VPP 日運(yùn)行收益可達(dá)12.75 萬元,使VPP 運(yùn)行具有較好的經(jīng)濟(jì)性。建議在充分考慮電采暖用戶用能差異化需求基礎(chǔ)上,制定合理的VPP激勵(lì)補(bǔ)貼政策。