路堯，顧曉希，尹碩，陳興，金曼

（1.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，鄭州 450052；2.國網(wǎng)河南省電力公司營銷服務(wù)中心（計量中心），鄭州 450052）

0 引言

近年來，針對全球氣候變暖問題，節(jié)能減碳一度成為各國專家學(xué)者持續(xù)關(guān)注研究的主題。隨著碳達峰、碳中和步伐的加快，2021 年我國首次提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，新能源在未來電力系統(tǒng)中的主體地位首次得以明確。

隨著新能源裝機不斷增加，大規(guī)模并網(wǎng)接入將給系統(tǒng)穩(wěn)定帶來更多的安全隱患。一是區(qū)域新能源出力與需求不匹配會導(dǎo)致棄風(fēng)棄光［1］；二是剩余電量通過區(qū)外聯(lián)絡(luò)線造成的聯(lián)絡(luò)線斷面負載率升高，造成網(wǎng)絡(luò)阻塞［2］，增加系統(tǒng)備用成本和運行風(fēng)險。

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的目標(biāo)下，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部全新能源綠色用電，新能源就地消納，逐步實現(xiàn)區(qū)域電力供需平衡。文獻［3］提出了一種電氣互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率波動調(diào)控策略。文獻［4］提出了一種協(xié)調(diào)性更好的省間聯(lián)絡(luò)線控制考核策略。文獻［5］提出了一種風(fēng)光儲微電網(wǎng)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率控制策略。文獻［6］提出了一種源-荷-儲協(xié)同的電熱微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率平滑策略。文獻［7］提出一種區(qū)域內(nèi)部考慮市場主體利益最優(yōu)的市場交易優(yōu)化策略。但文獻［1-6］單從物理技術(shù)層面研究對聯(lián)絡(luò)線功率的控制，并未涉及通過交易手段的控制策略。文獻［7］從交易層面研究對區(qū)域內(nèi)部能源資源的優(yōu)化配置，但未提及對斷面聯(lián)絡(luò)線功率的影響。

本文聚焦縣域內(nèi)部，以縣域內(nèi)部自平衡為切入點，提出一種考慮斷面負載率的縣域內(nèi)部新能源電力自平衡交易調(diào)度策略，考慮通過市場交易的手段來達到縣域內(nèi)部新能源電力資源的優(yōu)化平衡，建立一種考慮斷面負載率的日前-實時雙層交易聯(lián)合優(yōu)化模型。

算例驗證表明，該交易策略相比于僅運用儲能技術(shù)的單純物理方法可以有效降低縣域與外部聯(lián)絡(luò)線斷面負載率，提升內(nèi)部新能源消納水平。

1 縣域自平衡交易調(diào)度框架

本文考慮建立包含縣域電網(wǎng)運營商、新能源發(fā)電商（風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、蓄電池、生物質(zhì)發(fā)電）、負荷聚集商［8］（儲能系統(tǒng)、需求響應(yīng)）等的縣域自平衡交易調(diào)度框架，如圖1所示。

圖1 縣域自平衡交易調(diào)度框架Fig.1 County-level self-balance transaction scheduling framework

按照“集中優(yōu)化、分散控制”設(shè)計思路，推進風(fēng)電、光伏、電網(wǎng)、儲能、用能設(shè)備等智慧物聯(lián)［9］和多源信息感知，基于大數(shù)據(jù)云計算平臺和能量管理系統(tǒng)，構(gòu)建縣域自平衡交易調(diào)度框架，形成縣域內(nèi)部能源資源協(xié)同優(yōu)化運行策略，促進新能源就地就近消納。

縣域自平衡交易調(diào)度層級示意如圖2所示。整個縣域自平衡交易調(diào)度系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)云計算仿真平臺［10］，實現(xiàn)縣域內(nèi)部源、荷、儲等各類可控資源的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理，開展源網(wǎng)荷儲協(xié)同運行特性建模、可視化時序仿真模擬，提供評估類服務(wù)、生產(chǎn)類服務(wù)、電網(wǎng)資源可調(diào)控能力及交易能力評估、可調(diào)負荷應(yīng)用服務(wù)等輔助決策；通過構(gòu)建能量管理系統(tǒng)［11］，制定優(yōu)化運行策略，進行能量控制，實現(xiàn)縣域內(nèi)部新能源資源監(jiān)測和調(diào)控。

圖2 縣域自平衡調(diào)度層級示意Fig.2 Hierarchy of the county-level self-balance scheduling strategy

2 縣域市場交易主體架構(gòu)

2.1 縣域電網(wǎng)經(jīng)營商

對于由縣域市場交易主體組成的縣域自平衡電網(wǎng)來說，需要具備一個獨立單元，即縣域電網(wǎng)經(jīng)營商，其對縣域內(nèi)部市場交易的有序可靠運營進行行為管控。

本文構(gòu)建了以縣域電網(wǎng)經(jīng)營商為主體的縣域主體電力交易構(gòu)架，對外部電力市場，其類似于虛擬電廠［12］（VPP），作為獨立交易主體進行電力交易；對內(nèi)部電力市場，其根據(jù)市場供需及各市場主體的交易意愿情況制定交易規(guī)則，達到電力資源實現(xiàn)就地消納、優(yōu)化配置的目的。限于研究內(nèi)容，本文僅考慮對內(nèi)電力市場場景。

2.2 新能源發(fā)電商

縣域借助獨有的地域資源優(yōu)勢，擁有著豐富的風(fēng)光、生物質(zhì)等新能源資源。在“雙碳”目標(biāo)下，新能源發(fā)電將掀起新一輪熱潮。越來越多的投資商將目光投向炙手可熱的新能源行業(yè)，逐步發(fā)展成為縣域市場主體。

針對新能源出力隨機性、波動性等不穩(wěn)定特性，新能源發(fā)電商需要具備出色的新能源出力預(yù)測技術(shù)［13］、參與電力市場交易、參與電力系統(tǒng)調(diào)峰［14］等方面的能力。

新能源發(fā)電市場正面臨全新的發(fā)展時期，不同模式上的不同角色都要重新審視自身鏈條及角色的商業(yè)價值，新能源發(fā)電商仍需更精細、更高效率的運營，才能夠最大化地發(fā)揮綜合效能。

2.3 負荷聚集商

縣域內(nèi)部的各種負荷諸如工業(yè)、商業(yè)及居民負荷等給電力市場交易運營帶來不便，同時對電力調(diào)度運行帶來安全隱患。負荷聚集商在用戶負荷資源聚合管理方面起著提升效益、降低風(fēng)險等重要作用。

縣域用戶側(cè)需求響應(yīng)包括企業(yè)級用戶、蓄熱式電鍋爐、分布式儲能［15］、虛擬電廠、電動汽車充電站為主的區(qū)域特色可調(diào)節(jié)負荷［16］資源庫，通過構(gòu)建分層級、分時段、分梯度的可調(diào)節(jié)負荷控制集群，緊密跟蹤電網(wǎng)運行需求，來提升負荷側(cè)有序用電能力，實現(xiàn)可調(diào)節(jié)負荷資源的最佳配置。

考慮建立縣域需求響應(yīng)長效激勵機制，借助出臺縣域需求響應(yīng)［17］支持政策和交易規(guī)則，以價格信號引導(dǎo)各類主體常態(tài)化參與需求響應(yīng)，來實現(xiàn)成本和收益的合理分配。

2.4 儲能系統(tǒng)

在新能源并網(wǎng)規(guī)模日益增大的趨勢下，為更好平抑風(fēng)光等新能源發(fā)電給電網(wǎng)帶來的波動性，提高新能源消納滲透率，維護電力市場有序運營，縣域電網(wǎng)電源側(cè)需要合理配置儲能，集中式風(fēng)電光伏、整縣推進分布式光伏按一定比例配置儲能。

縣域電網(wǎng)需要通過靈活布局電網(wǎng)末端、偏遠地區(qū)、負荷中心等關(guān)鍵節(jié)點，來發(fā)揮規(guī)?；瘍δ軈⑴c電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻及緊急功率的支撐作用。縣域電網(wǎng)需要通過建設(shè)用戶側(cè)儲能示范項目來靈活布局用戶側(cè)儲能，探索開展電動汽車與電網(wǎng)互動新技術(shù)［18］（V2G）應(yīng)用，發(fā)展典型新能源匯集站共享儲能［19］，為做好儲能并網(wǎng)服務(wù)和指導(dǎo)奠定基礎(chǔ)［20-23］。

2.5 交易主體資產(chǎn)股權(quán)架構(gòu)

縣域市場交易主體資產(chǎn)股權(quán)架構(gòu)如圖3 所示。縣域一體化運營項目吸納縣域多元化投資主體和社會資本等多渠道資金，其中電網(wǎng)公司具備絕對控股權(quán)，負責(zé)對縣域一體化運營主體的要素投入，縣域一體化運營主體則負責(zé)對縣域主體項目的代理運營。

圖3 縣域主體資產(chǎn)股權(quán)架構(gòu)Fig.3 Shareholding structure of the main assets of the county

3 考慮斷面負載率的多市場主體自平衡電力交易調(diào)度策略

本文基于斷面負載率，構(gòu)建包含日前和實時交易的雙層聯(lián)合優(yōu)化模型，首先基于斷面負載率，建立日前市場交易出清優(yōu)化模型，然后根據(jù)日前市場中系統(tǒng)運行最小化實時調(diào)整情況，構(gòu)建考慮斷面負載率的日前-實時雙層交易聯(lián)合優(yōu)化模型。

3.1 考慮斷面負載率的日前交易聯(lián)合優(yōu)化策略

3.1.1 雙目標(biāo)日前交易聯(lián)合優(yōu)化收益模型依照風(fēng)光出力預(yù)測曲線，首層交易策略以縣域市場主體交易經(jīng)濟效益、斷面負載率最優(yōu)為目標(biāo)，協(xié)調(diào)調(diào)度內(nèi)部各市場主體出力情況，構(gòu)建考慮斷面負載率的雙目標(biāo)日前交易聯(lián)合優(yōu)化效益模型，并將優(yōu)化后的結(jié)果作為第2 層交易優(yōu)化的基礎(chǔ)，為方便起見，本文均以斷面凈潮流絕對值表征斷面負載率情況，其目標(biāo)函數(shù)為

式（1）前半部分表示整個縣域t時刻電力供需差的最小算數(shù)差值，即聯(lián)絡(luò)線功率最小值；后半部分表示整個縣域日前市場交易運行收益最大值。

3.1.2 其他約束條件

（1）調(diào)度功率平衡約束。

式中：Il，t為微網(wǎng)支路電流的幅值，由節(jié)點電壓和導(dǎo)納矩陣求得；ΩL為所有支路的集合。

（3）生物質(zhì)發(fā)電出力約束。

（6）儲能機組充放電和電量約束。

式中：PGE，GSE分別為與電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)的功率轉(zhuǎn)化值；上標(biāo)max，min分別代表上、下限值。

（7）儲能約束。

式中：Pst，max，POC，max分別為儲能最大充放電功率和荷電狀態(tài)。

3.2 考慮斷面負載率的縣域主體實時市場交易優(yōu)化策略

3.2.1 日前市場系統(tǒng)最小化實時調(diào)整費用模型

為最大化減少雙層交易策略模型銜接帶來的費用偏差等誤差成本，依照首層交易策略優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合日前市場系統(tǒng)最小化實時調(diào)整費用偏差情況，其相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)為

3.2.2 考慮斷面負載率的實時市場收益模型

根據(jù)上層交易優(yōu)化結(jié)果，依據(jù)日前-實時市場運行產(chǎn)生的實際偏差數(shù)據(jù)，構(gòu)建考慮實時市場斷面負載率的縣域主體最大化效益模型，其目標(biāo)函數(shù)為

4 算例分析

4.1 參數(shù)設(shè)定

本文選取某縣域電網(wǎng)夏季大負荷日（8 月5 日）進行案例分析，為更好地研究縣域新能源消納能力，假定縣域電源裝機為新能源和生物質(zhì)機組，其中新能源裝機90 MW，夏季大負荷日最大負荷56 MW，分別通過2 個方案進行驗證。方案1：通過在用戶側(cè)配15 MW/30 MW·h 的儲能系統(tǒng)；方案2：采用本文提出的雙層調(diào)度策略。本例采用Matlab 優(yōu)化工具箱進行優(yōu)化求解，相關(guān)參數(shù)見表1—3。

表1 風(fēng)電機組和光伏陣列單元參數(shù)Table 1 Parameters of the wind turbine and PV array

表2 儲能蓄電池單元參數(shù)Table 2 Parameters of the battery cell

表3 生物質(zhì)發(fā)電單元機組參數(shù)Table 3 Parameters of the bio-mass generator

4.2 結(jié)果分析

光伏和風(fēng)電出力大發(fā)時刻和最大負荷時刻不在同一時段，此時聯(lián)絡(luò)線斷面上會產(chǎn)生潮流交換。

方案1 運用儲能對其進行平抑后，斷面凈潮流絕對值有所下降，但總體下降范圍比較有限。

方案2 通過雙層市場交易策略優(yōu)化過后，整個交易時段的斷面凈潮流絕對值呈現(xiàn)規(guī)模性下降，說明通過運用市場手段對縣域供需資源進行整體優(yōu)化配置，產(chǎn)生了比較宏觀整體的資源調(diào)度結(jié)果。

結(jié)合實時市場主體設(shè)備運行狀態(tài)，對日前時段設(shè)備出力進行修正，從而提高了設(shè)備的利用率，校準了市場主體預(yù)測精度，日前/實時市場出清電價如圖4所示，日前/實時市場中標(biāo)電量如圖5所示。

圖4 日前/實時市場出清電價Fig.4 Day-ahead/real-time market clearing price of electricity

圖5 日前/實時市場中標(biāo)電量Fig.5 Day-ahead/real-time bidding quota of electricity

方案1 優(yōu)化前后聯(lián)絡(luò)線功率曲線如圖6 所示。方案2優(yōu)化前后聯(lián)絡(luò)線功率曲線如圖7所示。

圖6 方案1優(yōu)化前后聯(lián)絡(luò)線功率曲線Fig.6 Tie-line power curve before and after the optimization schedule 1

圖7 方案2優(yōu)化前后聯(lián)絡(luò)線功率曲線Fig.7 Tie-line power curve before and after the optimization schedule 2

5 結(jié)束語

本文通過市場手段，提出了一種考慮斷面負載率的縣域內(nèi)部新能源電力自平衡交易調(diào)度策略。首先介紹了縣域內(nèi)部自平衡市場機制和組成架構(gòu)，分別建立了基于系統(tǒng)安全穩(wěn)定約束的日前交易聯(lián)合優(yōu)化和考慮斷面負載率的日前-實時雙層交易聯(lián)合優(yōu)化模型，通過仿真分析，驗證了該調(diào)度策略能顯著提升新能源高比例消納水平、高水準實現(xiàn)新能源就地平衡，減少電網(wǎng)阻塞及波動，降低聯(lián)絡(luò)線斷面負載率，維護大電網(wǎng)穩(wěn)定性，減少電網(wǎng)投資，對于理清輸配電價定價傳導(dǎo)機制、提高電網(wǎng)投資能力有著重要意義。