蘭 威 陳飛雄

計及阻塞管理的虛擬電廠與配電網(wǎng)協(xié)同運行策略

蘭 威 陳飛雄

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

新型配電網(wǎng)系統(tǒng)中，作為管理分布式資源的一種有效手段，虛擬電廠示范點開始集中涌現(xiàn)。多個虛擬電廠接入配電網(wǎng)后，若缺乏對內(nèi)部資源協(xié)調(diào)及配電網(wǎng)的引導(dǎo)機制，將導(dǎo)致虛擬電廠收益低下與配電網(wǎng)潮流越限的問題。對此，本文構(gòu)建虛擬電廠內(nèi)產(chǎn)消者互助的點對點電能共享機制，并以電價引導(dǎo)方式建立虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同運行模型。首先，虛擬電廠內(nèi)采用分布式方法協(xié)調(diào)各類型產(chǎn)消者的電能管理，并求得對外與配電網(wǎng)的交互策略；同時，配電網(wǎng)基于拉格朗日乘子得到阻塞價格引導(dǎo)各虛擬電廠調(diào)整交互策略，實現(xiàn)在多虛擬電廠接入場景下的安全運行。最后，經(jīng)算例驗證表明，本文方法能兼顧配電網(wǎng)運行的安全性與虛擬電廠的經(jīng)濟性。

配電網(wǎng)；分布式資源；點對點電能共享；虛擬電廠；阻塞管理

0 引言

在“碳中和”的愿景下，我國能源結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)型，分布式資源（distributed energy resources, DERs）在配用電側(cè)大規(guī)模部署，致力于構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1]。小規(guī)模DERs的高滲透率及其多元化特征增加了用戶的靈活性[2]，有助于減少以煤炭燃料為主的傳統(tǒng)發(fā)電量，進而有效抑制溫室氣體的排放，但也引發(fā)了可控性降低、不確定性增大等問題。對此，為解決配電網(wǎng)難以調(diào)度小規(guī)模DERs的難題[3]，虛擬電廠（virtual power plant, VPP）的概念被提出，其基于不同分布式資源的時空互補特性，整合源荷儲資源進行優(yōu)化調(diào)度[4-5]。

目前，針對虛擬電廠的研究主要圍繞虛擬電廠內(nèi)優(yōu)化管理及虛擬電廠參與電網(wǎng)的市場與調(diào)控展開。虛擬電廠優(yōu)化管理方面，主要以高效聚合DERs為目標(biāo)設(shè)計運營管理機制[6]。不少學(xué)者基于虛擬電廠管控的資源特征，將虛擬電廠分為電源型和需求響應(yīng)型[7-8]。然而，管控資源類型單一化存在調(diào)度局限性問題，使區(qū)域內(nèi)可再生能源（renewable energy sources, RES）缺乏多樣化消納途徑，且無法以源荷雙重身份協(xié)同配電網(wǎng)運行。隨著分布式資源類型的增多，應(yīng)積極提高虛擬電廠聚合資源的多樣性，以此促進區(qū)域內(nèi)電能的自給自足。

此外，在協(xié)調(diào)分布式資源的運行方式中，得益于共享經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，點對點能源共享與交易模式在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度領(lǐng)域開始逐步應(yīng)用[9]。有學(xué)者將點對點共享方式用于挖掘蓄電池在能源社區(qū)中的靈活性[10]。文獻[11]以隨機博弈成本最小化為目標(biāo)，提出一種基于電能共享的微電網(wǎng)模型。此外，在智能樓宇的電能優(yōu)化管理中，點對點電能共享方式有助于提升樓宇群的集體收益[12]。但是文獻[10-11]采用集中管理策略，未充分考慮產(chǎn)消者對隱私安全的擔(dān)憂?；谏鲜霰尘?，本文研究的虛擬電廠包含多數(shù)量、多類型的DERs，對外能呈現(xiàn)較大范圍的出力特性，同時通過內(nèi)部各類產(chǎn)消者的互通互濟，提升區(qū)域內(nèi)可再生能源的消納能力，因而將其定義為綜合型虛擬電廠。

針對虛擬電廠參與電網(wǎng)市場與調(diào)控方面，許多學(xué)者將管理VPP運行的代理商與電網(wǎng)運營商視為兩類主體。VPP與配電網(wǎng)系統(tǒng)交互時，不但要對自身管理的DERs進行優(yōu)化，還需要兼顧配電網(wǎng)安全運行約束，從而實現(xiàn)雙方相輔相成的協(xié)同優(yōu)化[13-14]。文獻[15]在多時間尺度層面研究主動配電網(wǎng)對多個用戶的協(xié)調(diào)調(diào)度方式。但是上述文獻更多考慮配電網(wǎng)的直接控制方式，即配電網(wǎng)下發(fā)調(diào)度指令，用戶作為接收方被動執(zhí)行，這種控制交互方式通常是單向的，不利于用戶響應(yīng)的積極性。隨著購售電側(cè)市場的改革，配電網(wǎng)逐步轉(zhuǎn)向多資源主體并存的運行方式，因此能源交互機制被提出，核心方法是以價值為導(dǎo)向[16]，通過經(jīng)濟手段引導(dǎo)并調(diào)整配電網(wǎng)中各主體的運營策略。文獻[17]表明在時域?qū)用?，通過電價能反映不同時刻系統(tǒng)供需情況；文獻[18]考慮電能交互成本、損耗成本及阻塞成本，從空間層面出發(fā)，得到電網(wǎng)中不同區(qū)域的電價，反映各區(qū)域?qū)ο到y(tǒng)資源的利用情況；文獻[19]指出采用直流潮流研究節(jié)點邊際電價具有足夠的精度。但是上述文獻大多針對配電網(wǎng)中的小型主體，對具有更大調(diào)控性能的多個虛擬電廠接入的場景研究較少。為此，在不同調(diào)度時段內(nèi)，本文基于直流潮流計算各時刻的阻塞價格，引導(dǎo)各虛擬電廠自主調(diào)整與配電網(wǎng)的交互計劃，從而緩解載荷過重線路的壓力。

綜上所述，研究新型配電系統(tǒng)中VPP的能量管理方案與多VPP參與配電網(wǎng)的運行策略尤顯迫切[20]。對此，本文面向含有大規(guī)模DERs的綜合型虛擬電廠，研究內(nèi)部DERs的電能管理方式及與配電網(wǎng)協(xié)同運行策略。首先，考慮綜合型虛擬電廠中產(chǎn)消者的差異化特征，建立三類典型產(chǎn)消者資源模型，基于一致性交替方向乘子法（consensus alternating direction method of multipliers, C-ADMM）在產(chǎn)消者間實行分布式點對點電能共享模式，以盈缺電能互助促進虛擬電廠內(nèi)電能的自給自足；同時，考慮多虛擬電廠接入配電網(wǎng)可能引發(fā)的潮流越限問題，基于阻塞價格更新分時電價，進而引導(dǎo)虛擬電廠調(diào)整最優(yōu)出力策略，協(xié)助配電網(wǎng)安全運行，為當(dāng)前多虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度提供解決方案。

1 綜合型VPP分布式管理模型

虛擬電廠的管理以與電網(wǎng)系統(tǒng)的友好互動為前提。對于單個綜合型VPP，基于電力網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)的相互連接，其管轄了多種類型的產(chǎn)消者，通過積極協(xié)調(diào)分布式資源不僅能滿足內(nèi)部電能平衡，還能對外參與和電網(wǎng)的功率交互。綜合型VPP可以視為各類型產(chǎn)消者結(jié)盟所形成的組織，為進一步促進聯(lián)盟內(nèi)部成員的互惠互利，采用點對點電能共享的運營模式?；邳c對點電能共享方式，具有電能盈虧的產(chǎn)消者間可以率先以電能無償共享進行互助，減少向聯(lián)盟外部的電網(wǎng)購買電能，從而實現(xiàn)綜合型VPP全聯(lián)盟的福利最大化。綜合型VPP內(nèi)的能量管理系統(tǒng)運行模式如圖1所示。

在分布式電能優(yōu)化過程中，綜合型VPP代理商是產(chǎn)消者間，以及產(chǎn)消者和外部配電網(wǎng)交互信息的中介平臺，結(jié)合配電網(wǎng)價格信息及各產(chǎn)消者提交的期望對外共享電能信息，協(xié)調(diào)優(yōu)化產(chǎn)消者間的共享電能及和配電網(wǎng)的購售電能，接著將協(xié)調(diào)結(jié)果發(fā)布給各產(chǎn)消者進行下一輪的優(yōu)化，通過產(chǎn)消者期望電能和代理商協(xié)調(diào)電能的迭代更新，最終實現(xiàn)產(chǎn)消者間電能管理的平衡。

圖1 綜合型虛擬電廠內(nèi)能量管理系統(tǒng)

本節(jié)首先對產(chǎn)消者資源建模，進而研究綜合型VPP在點對點電能共享模式下的分布式管理模型。

1.1 產(chǎn)消者資源建模

本文提出的綜合型VPP管理模型主要圍繞住宅園區(qū)、辦公園區(qū)及商業(yè)園區(qū)三種類型產(chǎn)消者展開研究。各園區(qū)產(chǎn)消者所管理的分布式資源可歸納為：住宅園區(qū)產(chǎn)消者主要包括光伏（photovoltaic, PV）、風(fēng)電（wind power, WP）、電動汽車（electric vehicle, EV）及小型家用儲能；辦公園區(qū)產(chǎn)消者配置高比例光-儲系統(tǒng)、EV及部分工業(yè)發(fā)用電設(shè)備；商業(yè)園區(qū)產(chǎn)消者包含儲能系統(tǒng)（engery storage system, ESS）、EV、大量PV、WP及商業(yè)用電負荷。由于能量調(diào)度管理是根據(jù)內(nèi)部不可控資源的預(yù)測信息，制定可控資源的調(diào)度計劃，此處將分布式資源模型按照可控制性進行分類。

1）可控分布式資源

（1）燃氣機組

燃氣機組的成本函數(shù)通常表示為二次函數(shù)，即

式中：分別為成本函數(shù)的二次與一次項系

率不能跳變，則有

（2）儲能系統(tǒng)

（3）電動汽車集群

電動汽車并網(wǎng)進行充放電時需要考慮其蓄電池的充放電功率約束、容量約束及結(jié)束充電周期后需要滿足EV的電量需求，即

2）不可控分布式資源

因此，時刻，風(fēng)電和光伏發(fā)電的棄風(fēng)棄光成本為

1.2 綜合型VPP管理模型

綜合型VPP以總運行成本最小為目標(biāo)，采用點對點電能共享的運行模式。

1）目標(biāo)函數(shù)

2）點對點電能共享模式的能量平衡約束

綜合型VPP中，在點對點共享模式下產(chǎn)消者需要滿足電能平衡約束，即

對于綜合型VPP代理商，其內(nèi)部采用點對點電能共享運行模式，所有產(chǎn)消者間流入與送出的共享電能之和應(yīng)相等，即

此外，式（12）表示時段綜合型VPP中所有產(chǎn)消者完成內(nèi)部優(yōu)化管理后，通過VPP代理商和電網(wǎng)購售盈缺電量。

3）VPP內(nèi)電能傳輸容量約束

考慮到線路容量的限制，VPP內(nèi)產(chǎn)消者所傳輸?shù)墓β时仨毿∮诰€路允許的最大功率，即

當(dāng)VPP內(nèi)進行電能優(yōu)化調(diào)度后，根據(jù)整體電能盈虧情況，需要進一步通過并網(wǎng)線路和配電網(wǎng)進行電能交互。因此，VPP和配電網(wǎng)傳輸功率大小必須低于并網(wǎng)點所允許的最大功率，即

綜上所述，綜合型VPP中，待優(yōu)化的決策變量為燃氣機組出力、電動汽車集群充放電量、儲能系統(tǒng)充放電量、風(fēng)光發(fā)電消納量、產(chǎn)消者間共享電能出力，以及和配電網(wǎng)購售的功率。

1.3 基于C-ADMM的綜合型VPP管理方法

上述的綜合型VPP管理模型可采用集中式求解得到最優(yōu)策略，但要求所有產(chǎn)消者將各自管轄的設(shè)備參數(shù)上報給VPP代理商。對VPP代理商而言，其整合的分布式資源種類多且數(shù)量大，采用集中式管理增加計算負擔(dān)，影響決策效率；另一方面，對于產(chǎn)消者用戶，提交設(shè)備信息將引發(fā)隱私安全的擔(dān)憂。對此，基于交替方向乘子法（alternating direction method of multipliers, ADMM）的分布式求解方法已有廣泛應(yīng)用?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)型ADMM采用的是異步更新，不利于在多個主體間進行協(xié)同控制，本文在綜合型VPP中采用一種C-ADMM方法[21]。

對于優(yōu)化問題式（15），引入二次懲罰項構(gòu)造增廣拉格朗日函數(shù)，即

2 虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度模型

在虛擬電廠接入的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，存在著虛擬電廠代理商與配電網(wǎng)運營商多個主體，其調(diào)度對象互不相同。對此，本文提出一種多虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同運行策略。綜合型虛擬電廠與配電網(wǎng)協(xié)同運行架構(gòu)如圖2所示，綜合型虛擬電廠基于配電網(wǎng)歷史價格信息預(yù)測得到初始分時電價，通過電能共享方式協(xié)調(diào)內(nèi)部產(chǎn)消者資源得到和配電網(wǎng)最優(yōu)的購售交互功率計劃；接著，根據(jù)各虛擬電廠代理商上報的交互功率，配電網(wǎng)運營商考慮系統(tǒng)的功率平衡及線路容量約束計算供需平衡價格和阻塞價格，并將兩者之和作為更新的分時電價下發(fā)給各虛擬電廠代理商，各虛擬電廠繼而響應(yīng)電價并積極調(diào)整相應(yīng)的交互功率計劃。

圖2 綜合型虛擬電廠與配電網(wǎng)協(xié)同運行架構(gòu)

2.1 配電網(wǎng)的調(diào)度模型

配電網(wǎng)的調(diào)度目標(biāo)是在滿足運行約束的前提下，基于各綜合型VPP的最優(yōu)出力策略，使配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度成本最小化。由于各綜合型VPP通過不同節(jié)點接入配電網(wǎng)系統(tǒng)，為便于分析虛擬電廠交互計劃對配電網(wǎng)潮流分布的影響，引入功率傳輸分布因子，通過式（21）映射電網(wǎng)中支路的直流潮流與各節(jié)點注入功率的關(guān)系。

為保證配電網(wǎng)的安全運行，各支路潮流應(yīng)不超過線路容量限制；對此，基于直流潮流構(gòu)建含多個VPP接入的配電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化模型，即

2.2 綜合型虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化模型

接著，根據(jù)接收的分時購售電價，各綜合型VPP基于目標(biāo)函數(shù)式（28），采用式（18）～式（19）的方法協(xié)調(diào)內(nèi)部產(chǎn)消者進行分布式優(yōu)化，求得與配電網(wǎng)的最新交互功率。

2.3 基于阻塞管理的協(xié)同優(yōu)化模型求解

配電網(wǎng)的阻塞管理，可以通過更新含有阻塞價格的分時電價實現(xiàn)，進而引導(dǎo)多個綜合型VPP和配電網(wǎng)運營商間的友好互動。為兼顧虛擬電廠主體的經(jīng)濟性和配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，將協(xié)同優(yōu)化模型分解為兩類主體的優(yōu)化問題。

基于上述的協(xié)同優(yōu)化策略，配電網(wǎng)運營商與綜合型VPP兩主體通過“交互功率-分時電價”的信息進行協(xié)同優(yōu)化，直到配電網(wǎng)的潮流運行在線路允許范圍內(nèi)，此時即得到綜合型VPP與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化運行結(jié)果?；谧枞芾淼木C合型VPP與配電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化求解流程如圖3所示。

圖3 基于阻塞管理的綜合型VPP與配電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化流程

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置及策略設(shè)置

為了驗證本文調(diào)度方法效果，在Matlab 2018b平臺用YALMIP工具箱建模，調(diào)用GUROBI9.2求解器求解。模型及參數(shù)設(shè)置如下。

為了更明顯地觀察點對點電能共享運行模式下，綜合型VPP內(nèi)不同產(chǎn)消者的優(yōu)化策略，VPP內(nèi)配置了住宅園區(qū)型、辦公園區(qū)型和商業(yè)園區(qū)型三類典型產(chǎn)消者。圖4為三類產(chǎn)消者的日常固定負荷分布，負荷特性差異明顯。產(chǎn)消者1和2在白天到晚上23:00前均呈現(xiàn)較高的用電需求；產(chǎn)消者3由于存在工業(yè)負荷，夜間負荷水平始終較高。圖5為每個產(chǎn)消者都具有以風(fēng)光發(fā)電為代表的RES單元，RES的種類和出力大小具有互補特性。

在可控分布式資源配置方面，每個產(chǎn)消者均包含了以燃氣機組為代表的分布式電源、EV停車場和小型家用及工業(yè)儲能。其中燃氣輪機的最大出力為400kW，爬坡功率為100kW；EV集群和儲能系統(tǒng)配置參考文獻[8, 22]。

圖4 VPP內(nèi)產(chǎn)消者負荷預(yù)測值

圖5 VPP內(nèi)產(chǎn)消者風(fēng)光出力預(yù)測值

3.2 基于電能共享的綜合型VPP調(diào)度情況

為研究綜合型VPP在點對點電能共享模式下的經(jīng)濟性，首先分析內(nèi)部三類產(chǎn)消者的電能平衡策略。在電能共享運行模式下，圖6～圖8分別展示了綜合型VPP中三類產(chǎn)消者的分布式資源出力、產(chǎn)消者之間及產(chǎn)消者和電網(wǎng)的共享與購售功率情況。上下對稱的出力圖表征每個產(chǎn)消者均可滿足電能供需平衡。首先分析點對點模式下產(chǎn)消者的電能管理方式。在凌晨時段負荷水平較低，電價水平低，風(fēng)光發(fā)電成本可忽略不計，因此產(chǎn)消者主要調(diào)用風(fēng)電和部分燃氣機組出力即可實現(xiàn)電能平衡，同時產(chǎn)消者1和3之間通過共享電能，進一步減少了燃氣機組的出力，使發(fā)電成本降低，ESS和EV選擇在此時段充電；在上午9～10時段及晚間19～22時段，商業(yè)負荷逐步增加，產(chǎn)消者2的可再生能源出力無法滿足用電需求，此時產(chǎn)消者3風(fēng)光資源較為充足，在滿足自身平衡基礎(chǔ)上將多余電能送給產(chǎn)消者2，減少了產(chǎn)消者2的發(fā)用電成本。

圖6 產(chǎn)消者1功率平衡情況

圖7 產(chǎn)消者2功率平衡情況

圖8 產(chǎn)消者3功率平衡情況

在午間時段購售電價最高，因此各產(chǎn)消者選擇多售電并盡可能減少購電，因此燃氣機組處于最大出力狀態(tài)，風(fēng)光發(fā)電通過自消納和共享平衡后，其余均出售給電網(wǎng)；18～22時段為晚間用電高峰時期，光伏發(fā)電量為0，由于向電網(wǎng)的購電價格較高，主要優(yōu)先依靠燃氣輪機和儲能系統(tǒng)供電。

為分析綜合型VPP采用電能共享運行模式的優(yōu)勢，與獨立運行模式（產(chǎn)消者間不進行電能共享）的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進行比對。圖9對兩種運行模式下產(chǎn)消者2的儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)情況進行分析，通過觀察發(fā)現(xiàn)，儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的差別主要出現(xiàn)在上午的9～10時段及晚間18～22時段。

圖9 不同運行模式下產(chǎn)消者2的儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)

在上午9～10時段，產(chǎn)消者2在獨立運行模式下光伏出力有限因此需要儲能放電以滿足平衡，而在電能共享模式下，風(fēng)光資源豐富的產(chǎn)消者3將盈余的電能補給于產(chǎn)消者2，因此無需儲能出力，能在一定程度上減少儲能頻繁充放帶來的壽命損耗；在晚間18～22時段是用電高峰期，并且產(chǎn)消者2未配置風(fēng)機，因此儲能系統(tǒng)在獨立運行模式下持續(xù)呈現(xiàn)最大放電狀態(tài)，并且還需以峰值價格向配電網(wǎng)購電，相比之下，通過點對點電能共享模式，產(chǎn)消者2能夠和風(fēng)電充足的產(chǎn)消者1與3進行電能互濟，避免了高價購電的成本。

接著，為驗證分布式點對點電能共享模式下VPP的經(jīng)濟效益，首先對VPP運行的迭代情況進行分析。基于C-ADMM的綜合型VPP運行成本迭代過程如圖10所示，C-ADMM迭代過程的原始與對偶殘差變化情況如圖11所示。從圖10和圖11可得，基于C-ADMM方法，當(dāng)?shù)M行82輪后可滿足式（20）的收斂判據(jù)，即得到點對點電能共享模式的最優(yōu)運行成本。上述過程僅需通過互相傳遞共享電能及與配電網(wǎng)購售電能的信息來完成，減輕了集中式調(diào)度下VPP代理商的運算壓力。

圖10 基于C-ADMM的綜合型VPP運行成本迭代過程

圖11 C-ADMM迭代過程的原始與對偶殘差變化情況

表1為綜合型VPP采用分布式點對點電能共享模式的運行成本，并和集中式電能共享及產(chǎn)消者獨立運行模式的成本進行比對，發(fā)現(xiàn)在調(diào)度周期內(nèi)，電能共享模式的VPP總運行成本更具經(jīng)濟性。這是由于在獨立運行模式下，產(chǎn)消者間無法進行電能互助，只能各自通過VPP代理商和電網(wǎng)交互，使全體產(chǎn)消者從電網(wǎng)購入的電能增多，故VPP總運行成本升高。此外，在同樣采用電能共享模式下，分布式和集中式優(yōu)化調(diào)度成本基本相同，偏差僅為0.04%。故在滿足最優(yōu)成本的前提下，采用分布式優(yōu)化調(diào)度可以有效保護產(chǎn)消者隱私。

表1 綜合型VPP不同運行模式下優(yōu)化成本對比

3.3 多虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化結(jié)果分析

1）場景設(shè)置

考慮到VPP接入配電網(wǎng)所帶來的潮流越限問題，需進一步研究VPP對外與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化策略，算例采用含3個綜合型VPP的IEEE 33節(jié)點系統(tǒng)，如圖12所示。

圖12 含3個綜合型VPP的IEEE 33節(jié)點系統(tǒng)

為便于分析不同區(qū)域VPP對系統(tǒng)的影響，3個綜合型VPP采用相同配置，分別接在11、24、31節(jié)點，配電網(wǎng)的線路容量為1 500kW[23]。系統(tǒng)中各時段的節(jié)點負荷分布參考文獻[24]，可調(diào)度機組分布于18、22、25、33節(jié)點，機組參數(shù)見表2。

表2 配電網(wǎng)可調(diào)度機組參數(shù)

此外，當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)機組和虛擬電廠出力無法滿足供需平衡時，配電網(wǎng)運營商（DSO）可以向根節(jié)點1所連的上級大電網(wǎng)購買缺額電量。協(xié)同優(yōu)化的調(diào)度周期為24h，由于研究重點為虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化方法，故不考慮風(fēng)光預(yù)測的不確定性。

2）協(xié)同優(yōu)化結(jié)果分析

對于含有3個VPP的配電網(wǎng)系統(tǒng)，通過配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度分析得到如圖13所示的各時段下32條支路的潮流分布情況。圖13中點劃線框處表示發(fā)生了潮流越限，可以發(fā)現(xiàn)未進行協(xié)同優(yōu)化的阻塞管理時，位于11節(jié)點的綜合型VPP1和配電網(wǎng)交互會引發(fā)支路10的潮流越限問題。對此，以綜合型VPP1為重點研究對象，分析在含阻塞費用分時電價引導(dǎo)下，VPP與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化結(jié)果。

圖13 阻塞管理前含多VPP的配電網(wǎng)潮流分布

圖14為施加了阻塞費用前后的電價變化情況，通過觀察可知在午間11～12時段、晚間18時段與23～24時段，VPP1與配電網(wǎng)的購售分時電價均受到阻塞價格的影響，即此時VPP1的購售功率引發(fā)了系統(tǒng)中線路潮流越限。對此，配電網(wǎng)施加阻塞價格使VPP1分時售電價格降低，以此引導(dǎo)VPP1減少售電功率；根據(jù)更新的電價，VPP1重新調(diào)整內(nèi)部產(chǎn)消者資源的出力，以配合配電網(wǎng)安全運行。

圖14 VPP1與配電網(wǎng)分時電價變化

為進一步分析VPP1與配電網(wǎng)的協(xié)同方式，圖15為配電網(wǎng)阻塞管理前后VPP1產(chǎn)消者資源相應(yīng)的協(xié)同優(yōu)化結(jié)果。在VPP1與配電網(wǎng)的購售交互功率中，產(chǎn)消者3所占比例最大，故選取產(chǎn)消者3分析VPP與配電網(wǎng)協(xié)同的資源優(yōu)化調(diào)度策略。對比圖15（a）與圖15（b）可知，阻塞管理前在午間11～12時段、晚間18時段與23～24時段，由于風(fēng)光發(fā)電充足且分時電價處于峰值，產(chǎn)消者3為獲利積極向配電網(wǎng)出售電能；同時配電網(wǎng)中節(jié)點10負荷較大，VPP1通過支路10傳送的潮流超過了線路容量，影響了配電網(wǎng)的安全運行。對此，配電網(wǎng)施加阻塞費用使VPP1的售電價格有所降低，觀察圖15（b）阻塞管理后產(chǎn)消者3的資源優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，發(fā)現(xiàn)VPP1中產(chǎn)消者3基于最新售電價格相應(yīng)地削減了對外出售功率，主要通過減少相應(yīng)時段燃氣機組和儲能的出力完成；同時，產(chǎn)消者3選擇在其他時段如上午9時段、下午19～20時段及22時段進行儲能放電，減少燃氣機組出力的同時還能售出部分電能獲利。綜上，通過含阻塞費用分時電價的引導(dǎo)，VPP1能夠積極協(xié)同配合，調(diào)整內(nèi)部產(chǎn)消者資源的最優(yōu)出力，以緩解配電網(wǎng)的線路阻塞情況。

圖15 配電網(wǎng)阻塞管理前后產(chǎn)消者3的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

通過VPP與配電網(wǎng)的協(xié)同運行，圖16為支路10在調(diào)度周期各時段內(nèi)進行阻塞管理前后的潮流變化情況，可以看見未進行阻塞管理時支路10在午間11～12時段、晚間18時段與23～24時段均會由于VPP1大量售電而引發(fā)線路阻塞；通過虛擬電廠與配電網(wǎng)兩主體間進行“購售功率-分時電價”的信息交互，配電網(wǎng)基于阻塞費用更新分時電價，虛擬電廠配合電價進行購售功率調(diào)整，如圖16（b）所示，支路10的潮流越限問題得到了有效緩解，反映了虛擬電廠與配電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化方式的重要性。從經(jīng)濟效益方面，表3對比了綜合型VPP1在兩種運行模式下與配電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化后的經(jīng)濟成本，從表3可知，在本文采用的點對點共享模式下，虛擬電廠的運行成本比獨立運行方式更低，有利于虛擬電廠的經(jīng)濟性運行。

圖16 支路10阻塞管理前后各時段潮流變化

表3 協(xié)同優(yōu)化后綜合型VPP1不同運行模式成本對比

4 結(jié)論

本文提出了一種考慮阻塞管理的虛擬電廠與配電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化方法。面向聚合了多類型產(chǎn)消者的綜合型虛擬電廠，內(nèi)部采用點對點電能共享機制進行分布式管理；對外與配電網(wǎng)基于購售交互功率和分時電價信息進行協(xié)同優(yōu)化，通過算例分析，得到以下結(jié)論：

1）通過綜合型虛擬電廠整合具有互補特性的多類型產(chǎn)消者，有利于降低單一小規(guī)模產(chǎn)消者的調(diào)度局限性；在產(chǎn)消者間采用點對點電能共享運行模式，通過虛擬電廠內(nèi)電能的互惠互助，有利于可再生能源消納，并能提升虛擬電廠全聯(lián)盟經(jīng)濟效益；同時，利用分布式控制方法，可在不影響經(jīng)濟性的前提下保護產(chǎn)消者隱私安全。

2）基于含阻塞費用分時電價及購售功率的信息交互，在多時段下以電價引導(dǎo)各虛擬電廠調(diào)整出力，有效緩解了配電網(wǎng)中潮流越限的問題，從而實現(xiàn)多虛擬電廠與配電網(wǎng)的友好協(xié)同互動。

下一步工作將圍繞計及配電網(wǎng)安全運行的多虛擬電廠點對點交易機制展開研究。

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Cooperative operation strategy of distribution network and virtual power plants considering congestion management

LAN Wei CHEN Feixiong

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

In the modern distribution system, as an effective method to manage distributed resources, the pilot projects of virtual power plant (VPP) are springing up. Multiple VPPs have accessed to the distribution network. Lacking of effective method to coordinate internal resources and guidance of distribution network may bring problems of low income and power flow off-limit. Therefore, a peer-to-peer electricity sharing mechanism is applied in VPP, and a cooperative operation model between VPP and distribution network is established. Firstly, based on the complementary characteristics of multiple prosumers integrated in VPP, a distributed optimization is adopted to manage the interaction strategy with the distribution network. In the distribution network, to ensure the safety operation with multiple VPPs, the congestion management price is obtained based on the Lagrange multiplier to guide the VPPs to adjust their scheduling strategy. The simulation results show that the proposed method can ensure the safety of distribution network operation and the economy of VPPs operation.

distribution network; distributed energy resources; peer-to-peer electricity sharing; virtual power plant; congestion management

2022-02-16

2022-03-15

蘭 威（1997—），女，碩士研究生，研究方向為虛擬電廠的分布式控制。

福州大學(xué)科研啟動基金（510773）

福建省教育廳中青年教師教育科研項目（JAT190039）