湖北電力交易中心有限公司 胡紅嬌 胡羽川 鄭瀟嘯 范 旻 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司 徐博倫

可持續(xù)發(fā)展理念在電廠發(fā)電中應(yīng)用廣泛，我國(guó)電力公司為貫徹落實(shí)生態(tài)發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，電廠以分布式結(jié)構(gòu)以及集中式混合發(fā)電為主要模式，但該結(jié)構(gòu)存在成本較好、控制力薄弱等問題，虛擬電廠市場(chǎng)參與可有效改善此問題，提高該結(jié)構(gòu)的控制力，其在運(yùn)行過程中更加安全、可靠。

1 虛擬電廠概述

1.1 虛擬電廠內(nèi)涵

由于虛擬電廠起步較晚，對(duì)虛擬電廠的研究尚在進(jìn)行階段，國(guó)內(nèi)外尚未統(tǒng)一對(duì)其的定義。雖然國(guó)外有部分學(xué)者根據(jù)虛擬電廠的性質(zhì)、特點(diǎn)對(duì)其定義進(jìn)行明確，認(rèn)為其是以服務(wù)為核心的聚合裝置，具備資源整合功能，可試產(chǎn)與配電系統(tǒng)的交互合作；也有學(xué)者認(rèn)為其是與家庭聯(lián)合的裝置集群，在兩者相協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)調(diào)峰作用，具有一定的靈活屬性。本文所探討的虛擬電廠是一種基于數(shù)字技術(shù)、通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源儲(chǔ)存、控制的聚合裝置，在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)電源協(xié)同管理，是具有綜合性能的管理系統(tǒng)。虛擬電廠基于控制技術(shù)、計(jì)量技術(shù)以及通信技術(shù)的應(yīng)用，輔助電網(wǎng)管理，其核心功能在于通信、聚合[1]。

1.2 虛擬電廠組成部分及關(guān)鍵技術(shù)

我國(guó)于2018年開始虛擬電網(wǎng)的項(xiàng)目建設(shè)，輔助電力企業(yè)進(jìn)行輸電網(wǎng)及配電網(wǎng)的綜合管理，其作為一種信息系統(tǒng)，以分布式電源的形式進(jìn)行信息通信、電力控制，輔助進(jìn)行電力輸送，按照其功能以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，虛擬電廠的組成部分可分為分布式電源、能源儲(chǔ)存系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)：分布式電源是指供給電力能源的裝置，包括風(fēng)電、水電站、燃?xì)廨啓C(jī)等；能源儲(chǔ)存虛擬電廠的主要功能之一，基于能源儲(chǔ)存系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能、空氣能、磁能、電容器的儲(chǔ)能；信息通信技術(shù)是指虛擬電廠在能源管理過程中所采用的技術(shù)，基于系統(tǒng)的信息通信功能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制數(shù)據(jù)的采集與分析，完成配電的最終目標(biāo)。

虛擬電廠主要基于三種技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的綜合管理，在與主網(wǎng)連接的基礎(chǔ)上輔助配電管理，應(yīng)用協(xié)調(diào)控制技術(shù)；基于對(duì)數(shù)據(jù)信息的采集以及計(jì)算是使用智能計(jì)量技術(shù)；對(duì)控制目標(biāo)進(jìn)行信號(hào)傳輸以及指令傳達(dá)應(yīng)用信息通信技術(shù)[2]。

1.3 虛擬電廠交互模式概述

考慮到虛擬電廠的市場(chǎng)參與，應(yīng)用均衡理論對(duì)其參與模式進(jìn)行判斷，基于通信技術(shù)與儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)主網(wǎng)與虛擬電廠間的通信交互，最終實(shí)現(xiàn)收斂的目標(biāo)?；诰饫碚搶?duì)其交互模式進(jìn)行分析，需保障兩者間的協(xié)調(diào)性，在此需要考慮兩個(gè)問題。

首先，虛擬電廠操作及管理人員需進(jìn)行安全約束，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。在此過程中需計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)需耗費(fèi)的電力能源及電價(jià)。設(shè)計(jì)虛擬電廠主網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，將其作為外設(shè)條件進(jìn)行電價(jià)分析，對(duì)整體內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化；其次，虛擬電廠交互運(yùn)行過程中將采集的節(jié)點(diǎn)電價(jià)信息傳輸至虛擬電廠系統(tǒng)中。若電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)為分布式，則受其傳輸功率影響無法滿足主網(wǎng)的交互需求?？紤]單個(gè)分布式電源的影響效果，主網(wǎng)若對(duì)每個(gè)分布式電源進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制優(yōu)化會(huì)大大提高成本、降低運(yùn)行效益。因此，利用虛擬電網(wǎng)對(duì)分布式電源進(jìn)行優(yōu)化、儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的綜合管理[3]。

思考上述兩個(gè)問題，基于市場(chǎng)均衡理論對(duì)虛擬電廠進(jìn)行交互模式構(gòu)建，虛擬電廠可與主網(wǎng)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電源的柔性管理并與主網(wǎng)間進(jìn)行信息交互。在此過程中，虛擬電廠系統(tǒng)在進(jìn)行信息、結(jié)果優(yōu)化后，會(huì)將最終的信息傳輸至主網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，主網(wǎng)在收到信息后會(huì)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行電價(jià)控制。由于此模式中電價(jià)作為主網(wǎng)的外設(shè)條件，其在交互期間同時(shí)可實(shí)現(xiàn)虛擬電廠出力調(diào)節(jié)。因此，基于均衡理論實(shí)現(xiàn)主網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)與虛擬電廠間的交互模式構(gòu)建，對(duì)其上層以及下層進(jìn)行模型構(gòu)建，反復(fù)進(jìn)行兩者間的交互，即實(shí)現(xiàn)主網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)分析及虛擬電廠出力，直至優(yōu)化完成。

2 虛擬電廠模型構(gòu)建

2.1 虛擬電廠模型

虛擬電廠需具備能源儲(chǔ)存、柔性負(fù)荷等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源的科學(xué)控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本最優(yōu)化。由于光伏電能和負(fù)荷具有不確定性，受運(yùn)行條件所影響，模型構(gòu)建需考慮上述兩個(gè)問題。具體模型構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)需包括以下點(diǎn)內(nèi)容：虛擬電廠運(yùn)行成本最優(yōu)化，其中包括系統(tǒng)運(yùn)行成本及燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備運(yùn)行成本，計(jì)算柔性負(fù)荷指標(biāo)及收益；燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行約束設(shè)計(jì)；計(jì)算虛擬電廠能源儲(chǔ)存指標(biāo)及放電功率，并對(duì)其進(jìn)行約束設(shè)計(jì)；考慮到能源儲(chǔ)存與放電功率之間的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行約束；實(shí)現(xiàn)電能與能源儲(chǔ)存之間的均衡性，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算；儲(chǔ)存能源參數(shù)設(shè)計(jì)，并對(duì)其約束值進(jìn)行計(jì)算；虛擬電廠柔性負(fù)荷指標(biāo)計(jì)算，對(duì)其電量進(jìn)行約束設(shè)計(jì)；計(jì)算在全天運(yùn)行模式下柔性負(fù)荷用電量參數(shù)，對(duì)其下限進(jìn)行明確；分布式結(jié)構(gòu)下光伏裝置的出力結(jié)算，并對(duì)其進(jìn)行約束設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)虛擬電廠運(yùn)行過程中的總功率平衡。

由于分布式電源結(jié)構(gòu)的市場(chǎng)交易規(guī)模較小，系統(tǒng)在運(yùn)行期間可很好地對(duì)其進(jìn)行消納?？紤]到虛擬電廠的網(wǎng)絡(luò)約束問題及虛擬電廠與主網(wǎng)間的交互問題，判斷其是否可進(jìn)行均衡的市場(chǎng)交易。本模型設(shè)計(jì)將潮流約束作為重點(diǎn)內(nèi)容，采用線性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可滿足大規(guī)模的虛擬電廠市場(chǎng)參與，將潮流約束與虛擬電廠模型有效地融合[4]。

2.2 主網(wǎng)模型

主網(wǎng)需具備發(fā)電、約束等功能，考慮到主網(wǎng)配電系統(tǒng)成本最優(yōu)化，構(gòu)建主網(wǎng)模型、實(shí)現(xiàn)兩者間的均衡交互，設(shè)計(jì)市場(chǎng)交易單元。主網(wǎng)模型構(gòu)建既要保障其發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也要滿足虛擬電廠的約束目標(biāo)，模型構(gòu)建主要包括：實(shí)現(xiàn)主網(wǎng)運(yùn)行成本最優(yōu)設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本最?。粚?duì)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率參數(shù)進(jìn)行明確，對(duì)其功率指標(biāo)進(jìn)行約束計(jì)算；主網(wǎng)系統(tǒng)的可再生能源利用效率，計(jì)算器發(fā)電功率，并對(duì)其進(jìn)行約束計(jì)算；主網(wǎng)交互線路的約束設(shè)計(jì)；確保主網(wǎng)運(yùn)行過程中的功率平衡效益，實(shí)現(xiàn)對(duì)其功率參數(shù)的計(jì)算；主網(wǎng)系統(tǒng)搜集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電價(jià)指標(biāo)計(jì)算。

2.3 優(yōu)化求解

基于均衡理論實(shí)現(xiàn)兩者間的交互，滿足其市場(chǎng)交易功能。在滿足上述條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型構(gòu)建，對(duì)其上層與下層間的關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化求解，使其滿足均衡設(shè)計(jì)的目標(biāo)，如此反復(fù)求解的過程，當(dāng)收斂之后停止計(jì)算，迭代求解的過程如下：將主網(wǎng)電價(jià)指標(biāo)進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，采集不同時(shí)間段的網(wǎng)點(diǎn)電價(jià)信息，基于通信功能的實(shí)現(xiàn)將其傳輸至虛擬電廠系統(tǒng)之中；虛擬電廠在對(duì)內(nèi)部?jī)?chǔ)能及柔性負(fù)荷優(yōu)化計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行約束設(shè)計(jì)，滿足約束指標(biāo)后對(duì)其出力指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，期間需確保虛擬電廠運(yùn)作成本的最優(yōu)化。最終結(jié)合儲(chǔ)能指標(biāo)及負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行最終出力信息的計(jì)算；主網(wǎng)系統(tǒng)和虛擬電廠優(yōu)化計(jì)算完成后判斷其是否滿足收斂條件，若滿足條件則可計(jì)算出最優(yōu)解，若不滿足條件則需進(jìn)行調(diào)節(jié)；主網(wǎng)和虛擬電廠進(jìn)行調(diào)節(jié)，主網(wǎng)在與虛擬電廠交互的情況下獲取相應(yīng)的出力信息，在進(jìn)行潮流約束的情況下進(jìn)行成本最優(yōu)設(shè)計(jì)。對(duì)主網(wǎng)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)及能源進(jìn)行調(diào)整，通過出力指標(biāo)計(jì)算對(duì)電價(jià)信息進(jìn)行明確；虛擬電廠繼續(xù)進(jìn)行出力計(jì)算，如此反復(fù)直至收斂。

在迭代交互計(jì)算過程中，對(duì)虛擬電廠的出力信息及主網(wǎng)系統(tǒng)的電價(jià)信息進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到收斂的效果。此方法基于均衡理論對(duì)虛擬電廠進(jìn)行設(shè)計(jì)，既滿足了其可交易的市場(chǎng)效果，也可實(shí)現(xiàn)成本的最優(yōu)設(shè)計(jì)。主網(wǎng)在運(yùn)行期間不需對(duì)虛擬電廠各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行采集即可獲取最終的節(jié)點(diǎn)電價(jià)信息。主網(wǎng)與虛擬電廠間的信息交互停留在電價(jià)信息及出力信息上，最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的優(yōu)化整合，信息傳輸效率較快，控制效益較高。

2.4 收斂結(jié)果

基于上述模型內(nèi)容實(shí)現(xiàn)主網(wǎng)與虛擬電廠間的交互，由于使用雙層模型對(duì)其進(jìn)行構(gòu)建，具有非線性屬性，可能會(huì)導(dǎo)致其存在多個(gè)解的情況，使其計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)震蕩。虛擬電廠在運(yùn)行過程中與主網(wǎng)進(jìn)行交互，如期間出現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障、發(fā)電機(jī)停機(jī)等問題，則可能會(huì)對(duì)最終的電價(jià)結(jié)果信息準(zhǔn)確性造成影響，電力企業(yè)在市場(chǎng)交易的過程中可能會(huì)減少售電量以保障自身的收益。若虛擬電廠的購(gòu)電量有所降低、主網(wǎng)在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的電價(jià)信息有所提升，虛擬電廠會(huì)更加傾向于向主網(wǎng)進(jìn)行購(gòu)電以獲取更多的收益。因此，基于均衡理論考慮兩者間的市場(chǎng)交易，需制定相應(yīng)的交易準(zhǔn)則，在振蕩的范圍計(jì)算成本的最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)社會(huì)服務(wù)最優(yōu)化。

具體過程如下所示：記錄在虛擬電廠模型迭代求解計(jì)算過程中出現(xiàn)振蕩的情況及概率；計(jì)算主網(wǎng)運(yùn)行與虛擬電廠運(yùn)行過程中耗費(fèi)的總成本參數(shù)，包括兩者間的收益；在振蕩范圍內(nèi)計(jì)算兩者交互運(yùn)行的成本參數(shù)，制定電價(jià)方案。基于收斂結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬電廠應(yīng)用的最優(yōu)化，減少由于振蕩情況對(duì)主網(wǎng)方與虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商交互所產(chǎn)生的額外成本問題。在模型構(gòu)建過程中考慮上述問題，計(jì)算振蕩發(fā)生過程中虛擬電廠與主網(wǎng)的運(yùn)行成本及收益，合理的制定節(jié)點(diǎn)電價(jià)，保障了主網(wǎng)與虛擬電廠的收益，實(shí)現(xiàn)社會(huì)服務(wù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

3 虛擬電廠算例分析

3.1 算例概述

基于上述模型中的主網(wǎng)與虛擬電網(wǎng)間的信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)主網(wǎng)系統(tǒng)及虛擬電廠系統(tǒng)的構(gòu)建。主網(wǎng)參數(shù)計(jì)算以廣東省夏日全天系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算為主，進(jìn)行各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率計(jì)算及效率計(jì)算，對(duì)儲(chǔ)能效率及燃?xì)廨啓C(jī)的功率參數(shù)進(jìn)行分析。虛擬電廠的最大放電功率為18MW，運(yùn)行效率指標(biāo)為95%，每小時(shí)的充電容量參數(shù)為180MW。主網(wǎng)燃?xì)廨啓C(jī)的在兩個(gè)場(chǎng)景中運(yùn)行，場(chǎng)景1最大功率參數(shù)為15MW，每小時(shí)運(yùn)行成本為40元；場(chǎng)景2最大功率參數(shù)為20MW，每小時(shí)運(yùn)行成本為40元，應(yīng)用市場(chǎng)均衡理論對(duì)兩個(gè)運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行算例分析。

為確保虛擬電廠與主網(wǎng)間的交互性，考慮到均衡理論的實(shí)踐應(yīng)用設(shè)計(jì)兩個(gè)場(chǎng)景：場(chǎng)景1。虛擬電廠向主網(wǎng)系統(tǒng)傳輸出力信息參數(shù)，主網(wǎng)向虛擬電廠傳遞電價(jià)信息參數(shù)。反復(fù)進(jìn)行信息交換、數(shù)據(jù)優(yōu)化，最終達(dá)到收斂的效果。該場(chǎng)景主要基于兩者之間的迭代交互進(jìn)行；場(chǎng)景2。虛擬電廠根據(jù)運(yùn)行期間峰谷電價(jià)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，虛擬電廠在承擔(dān)電價(jià)風(fēng)相關(guān)的同時(shí)，主網(wǎng)進(jìn)行電價(jià)信息優(yōu)化。虛擬電廠根據(jù)主網(wǎng)傳輸?shù)碾妰r(jià)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最終輸出出力信息。

3.2 算例結(jié)果

基于上述兩個(gè)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)虛擬電廠與主網(wǎng)系統(tǒng)間的交互。對(duì)最終的結(jié)果進(jìn)行分析，選擇最優(yōu)策略?；谀Ｐ驮趫?chǎng)景1中的使用，虛擬電廠以分布式主網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，光伏發(fā)電最終成本計(jì)算為0，虛擬電廠在主網(wǎng)傳輸?shù)碾妰r(jià)信息為最低值時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能，在電價(jià)達(dá)到最高值時(shí)輔助放電，可實(shí)現(xiàn)虛擬電廠利益的最大化。

計(jì)算虛擬電廠與主網(wǎng)間的運(yùn)行成本，主網(wǎng)成本價(jià)格在365214元左右，虛擬電廠的收益在125311元左右。計(jì)算虛擬電廠與主網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行總成本，虛擬電廠在電價(jià)最低時(shí)儲(chǔ)能、在電價(jià)最高時(shí)放電，可有效保障自身的利益。對(duì)比兩個(gè)場(chǎng)景成本以及效益，場(chǎng)景2中的主網(wǎng)成本在369851元左右，虛擬電廠的收益在89657元左右。對(duì)比兩個(gè)場(chǎng)景，應(yīng)用市場(chǎng)均衡理論對(duì)其進(jìn)行分析，虛擬電廠的收益有所增加、成本有所降低。

3.3 收斂結(jié)果分析

在應(yīng)用模型期間，虛擬電廠與主網(wǎng)間的交互可能存在振蕩問題，導(dǎo)致虛擬電廠的參數(shù)發(fā)生改變。將虛擬電廠儲(chǔ)能作為唯一變量，對(duì)虛擬電廠的出力參數(shù)進(jìn)行分析。當(dāng)出現(xiàn)振蕩情況時(shí)，虛擬電廠在確保成本最低時(shí)，以社會(huì)服務(wù)、社會(huì)福利為原則進(jìn)行應(yīng)用。

綜上，虛擬電廠的市場(chǎng)參與重點(diǎn)內(nèi)容在于保障其與主網(wǎng)間的協(xié)調(diào)性。基于市場(chǎng)均衡理論構(gòu)建虛擬電廠模型，使用迭代交互的方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。最終結(jié)果表明，基于上述方法可實(shí)現(xiàn)主網(wǎng)與虛擬電廠間的優(yōu)化交互，主網(wǎng)在不獲取信息的情況下實(shí)現(xiàn)交互，收斂速度有所提升，該模式既減少了電廠運(yùn)行的成本投入，也有效提高了市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，具有雙重優(yōu)勢(shì)。