李鵬，吳加新，王世謙，劉湘蒞，余曉鵬，祖文靜，張藝涵

(1. 國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，鄭州市 450052； 2. 國網(wǎng)河南省電力公司，鄭州市 450000)

0 引 言

一方面，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推進與發(fā)展，農(nóng)村對于新型能源利用方式的需求更加強烈[1]；另一方面，現(xiàn)階段下，農(nóng)村能源主要由煤炭、秸稈燃燒等提供，造成了能源利用率低、環(huán)境污染嚴重等問題，但是在碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標下，為了減少環(huán)境污染，對于新能源的需求日益增加[2-3]。虛擬能源系統(tǒng)聚合新能源，對于農(nóng)村能源利用方式的改進以及環(huán)境改善有著重要作用[4]。但是目前虛擬能源系統(tǒng)的發(fā)展尚不成熟，缺乏完善的投資建設(shè)與運營模式，如何找到適應于農(nóng)村發(fā)展的虛擬能源系統(tǒng)投資建設(shè)運營模式成為研究重點[5]。

針對農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的投資模式研究較少，但是有部分研究針對城市綜合能源系統(tǒng)的投資建設(shè)。文獻[6]在能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展背景下，提出了適用于綜合能源系統(tǒng)的投資建設(shè)模式包括合同能源管理(energy management contracting，EMC)模式、建設(shè)-經(jīng)營-轉(zhuǎn)讓(build-operate-transfer，BOT)模式、建設(shè)-轉(zhuǎn)讓(build-transfer，BT)模式、政府和社會資本合作(public-private partnership，PPP)模式與設(shè)計-建設(shè)-融資-運營(design-build-finance-operate，DBFO)模式，并對各種投資建設(shè)模式進行了比較分析；文獻[7]初步探索了城市與園區(qū)為主體構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)的投資建設(shè)模式；文獻[8]系統(tǒng)性地分析了國內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)的服務模式；文獻[9-10]在傳統(tǒng)能源利用轉(zhuǎn)變?yōu)樾履茉蠢帽尘跋?，設(shè)計了綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展路徑，提出了綜合能源系統(tǒng)的服務模式；文獻[11]就綜合能源系統(tǒng)的投資收益模式、商業(yè)模式進行了研究。目前的研究僅限于綜合能源系統(tǒng)，但是對于虛擬能源系統(tǒng)的投資建設(shè)模式鮮有研究。

針對虛擬能源系統(tǒng)的運營模式，由于虛擬能源系統(tǒng)聚合新能源，存在不確定性，所以大部分文獻針對虛擬能源系統(tǒng)的運營模式集中于不確定性研究。文獻[12-13]以多能互補系統(tǒng)為研究主體，考慮電負荷與熱負荷的不確定性對多能互補系統(tǒng)進行優(yōu)化；文獻[14]利用Copula理論與核密度估計方法生成風電、光伏的典型出力場景，平抑風、光出力的不確定性；文獻[15]采用條件風險價值表征虛擬能源系統(tǒng)運行的不確定性導致的利潤變動風險；文獻[16]采用傳統(tǒng)魯棒優(yōu)化方法刻畫綜合能源系統(tǒng)的不確定性；文獻[17]為了降低光伏接入與負荷的不確定性，構(gòu)建了考慮魯棒優(yōu)化的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型；文獻[18]將虛擬能源系統(tǒng)參與的市場分為日前市場與實時市場，在日前市場中采用多場景技術(shù)處理不確定性，在實時市場中調(diào)節(jié)可控設(shè)備減少誤差。綜上，目前關(guān)于不確定分析方面，主要集中于源側(cè)單側(cè)與負荷側(cè)單側(cè)的不確定性分析與研究。同時不確定性處理方法主要多為條件風險價值與傳統(tǒng)魯棒優(yōu)化方法。但是傳統(tǒng)魯棒優(yōu)化方法存在決策保守等問題，因此亟待新的不確定處理方法刻畫虛擬能源系統(tǒng)的不確定性。

在現(xiàn)有文獻研究的基礎(chǔ)上，本文對計及多主體與不確定性的農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)兩階段模式設(shè)計進行研究，主要創(chuàng)新點如下：

1)研究對象上。傳統(tǒng)研究對象多為城市能源系統(tǒng)，而農(nóng)村能源供需特性與城市存在差異，城市能源系統(tǒng)的研究無法在農(nóng)村完全應用，本文創(chuàng)新性地以農(nóng)村能源系統(tǒng)為研究對象，通過農(nóng)村能源系統(tǒng)的高效利用，為城市能源的進一步利用提供借鑒。

2)研究體系上。本文對農(nóng)村能源系統(tǒng)提出一套從能源系統(tǒng)的投資模式-運營模式-利益分配的體系。

3)研究內(nèi)容上。在投資模式上，本文考慮多主體的效益進行投資模式的優(yōu)選；在運營模式上，本文考慮多元不確定性，完善僅考慮單一不確定性帶來的不足。

基于此，本文首先基于農(nóng)村能源特性設(shè)計虛擬能源系統(tǒng)的框架；然后，分析農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的參與主體，并提出針對農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的投資建設(shè)模式；其次，提出兩階段魯棒優(yōu)化模型刻畫虛擬能源系統(tǒng)運行中的不確定性，用以計及農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的不確定性；最后以中國北方某一農(nóng)村為例進行算例分析。

1 考慮農(nóng)村能源特性的虛擬能源系統(tǒng)

1.1 農(nóng)村能源特性分析

傳統(tǒng)的農(nóng)村能源依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)滿足電負荷需求，燃燒秸稈、煤炭等一次能源滿足熱負荷需求，其利用模式如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)農(nóng)村能源供給模式Fig.1 Traditional rural energy supply mode

由圖1可知，我國農(nóng)村能源大部分使用秸稈、煤炭等一次能源，可再生能源使用較少。但是秸稈煤炭的燃燒會給環(huán)境造成污染，能源利用率低、安全可靠性差、用能分散，不像城市用能具有集聚效應。我國農(nóng)村資源豐富，可供開發(fā)的可再生能源有太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能。其中，生物質(zhì)能約有7億t標準煤，理論上水能資源10 MW，太陽能輻射儲量17 000億t標準煤?？稍偕茉吹拈_發(fā)利用對環(huán)境友好及能源利用效率的提高具有重要意義。因此，亟需探索具有高利用效率的系統(tǒng)，促進清潔可再生能源的利用。

1.2 農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)框架設(shè)計及建模

在農(nóng)村能源特性的基礎(chǔ)上，為了提高能源利用效率，構(gòu)建農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)，實現(xiàn)源源互補、荷荷互補、源荷互補，得到農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)框架如圖2所示。

由圖2可知，基于虛擬能源系統(tǒng)的農(nóng)村能源供給模式，在供給端以太陽能、風能、生物質(zhì)能等清潔可再生能源為原料，通過冷熱電聯(lián)產(chǎn)(combined cooling heating and power，CCHP)系統(tǒng)以及電轉(zhuǎn)熱、電轉(zhuǎn)冷、熱轉(zhuǎn)冷等轉(zhuǎn)換設(shè)備，滿足負荷端炊事、取暖、照明等能源需求。

圖2 虛擬能源系統(tǒng)農(nóng)村能源供給模式Fig.2 Rural energy supply mode of virtual energy system

基于農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的框架，從能源供給、能源存儲角度進一步分析農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)能源供給模式特性。

1.2.1 能源供給

1)生物質(zhì)能。

農(nóng)村生物質(zhì)能的利用方式為將畜糞、薪柴、秸稈直接進行燃燒或者作為沼氣的原材料。但是直接燃燒會產(chǎn)生大量的污染，而沼氣利用通過氣化、存儲以及燃氣發(fā)電則能夠減少環(huán)境污染，用于取暖、照明，沼渣和沼液可以作為有機肥料進行利用。生物質(zhì)能沼氣發(fā)電公式為：

(1)

2)太陽能。

我國太陽能分布廣泛，農(nóng)村利用太陽能的設(shè)備包括光電轉(zhuǎn)換設(shè)備與光熱轉(zhuǎn)換設(shè)備，光電轉(zhuǎn)換設(shè)備是指小型光伏發(fā)電；光熱轉(zhuǎn)換設(shè)備是指太陽能暖房、太陽能熱水器與太陽灶。其中光熱轉(zhuǎn)換如式(2)所示，光電轉(zhuǎn)換如式(3)所示。

(2)

(3)

3)風能。

農(nóng)村的風力發(fā)電設(shè)備能夠獨立運行，其出力為：

(4)

4)水能。

水力發(fā)電量與水流大小緊密相關(guān)，水力發(fā)電為：

(5)

(6)

5)地熱能。

在冬季，熱泵將地球的熱量提取出來，提供給用戶使用；在夏季，將熱量從建筑中提取出來，存儲在地球中，其出力為：

(7)

(8)

1.2.2 能源存儲

能源存儲裝置是指在能量剩余時儲能，能量不足時放能，燃料電池、儲熱、儲冷裝置的通用模型為：

(9)

1.3 農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)兩階段模式設(shè)計思路

基于農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的框架，構(gòu)建其投資階段與運營階段的設(shè)計思路，如圖3所示。

圖3 虛擬能源系統(tǒng)兩階段模式設(shè)計思路Fig.3 Design idea of two-stage mode of virtual energy system

為了實現(xiàn)虛擬能源系統(tǒng)穩(wěn)定長久運行，從投資階段與運營階段兩階段出發(fā)，其中投資階段解決誰投資與怎么投資2個問題，誰投資也即投資主體分析，怎么投資則是通過分析可以選擇的投資模式并選擇其中最優(yōu)的投資模式；運營階段解決如何收益以及收益面臨的風險問題，如何收益即運營模式的確定。

2 基于能源供需布局的農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)投資建設(shè)模式

從整體性原則、經(jīng)濟性原則及風險性原則出發(fā)分析農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的投資建設(shè)模式。其中整體性原則是指將虛擬能源系統(tǒng)作為整體進行投資建設(shè)，降低成本，優(yōu)化資源配置；經(jīng)濟性原則是指通過推動能源的循環(huán)梯級利用，提高經(jīng)濟效益；風險性原則是指規(guī)避內(nèi)部風險，控制外部風險。

2.1 農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的參與主體分析

農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)從源端供給、荷端負荷來看，農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的參與主體主要包括政府、企業(yè)及用戶。

1)政府。

政府一方面能夠?qū)μ摂M能源系統(tǒng)其余主體的投資建設(shè)進行監(jiān)督管理，營造有利于投資的市場環(huán)境，制定相應的法律法規(guī)，促進虛擬能源系統(tǒng)合理合法合規(guī)的投資建設(shè)；另一方面政府根據(jù)市場與外部環(huán)境的需要也可參與虛擬能源系統(tǒng)的投資建設(shè)。

2)企業(yè)。

在農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)中，企業(yè)主要是指燃氣公司、電網(wǎng)公司、儲能公司及其他企業(yè)。農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)中的氣負荷除了生物質(zhì)能通過沼氣池發(fā)酵供給外，缺少的部分還需要通過燃氣公司供給；電負荷的缺額部分則需要農(nóng)村電網(wǎng)進行供給，因此，燃氣公司與農(nóng)村電網(wǎng)對于維持農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的供需平衡、安全穩(wěn)定的負荷供應至關(guān)重要。儲能公司能夠為虛擬能源系統(tǒng)提供儲能裝置，提高虛擬能源系統(tǒng)運行靈活性。

3)農(nóng)村用戶。

農(nóng)村用戶作為虛擬能源系統(tǒng)的終端用戶，是各類能源的使用者，為了提高虛擬能源系統(tǒng)的市場化程度，吸引各類資本，農(nóng)村用戶也可參與虛擬能源系統(tǒng)的投資建設(shè)。一方面，通過投資提高自身收益，另一方面，能夠提高農(nóng)村用戶在虛擬能源系統(tǒng)中的主動權(quán)。

2.2 計及多主體的農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)投資模式

當政府、企業(yè)、用戶參與虛擬能源系統(tǒng)時，虛擬能源系統(tǒng)的投資建設(shè)模式有5種：建設(shè)-經(jīng)營-轉(zhuǎn)讓(build-operate-transfer，BOT)模式、建設(shè)-擁有-經(jīng)營(building-owning-operation，BOO)模式、租賃模式、企業(yè)投資建設(shè)(enterprise investment and construction，EIC)模式、用戶投資建設(shè)(user investment construction，UIC)模式。

1)BOT模式。

BOT模式為政府處于主導地位，燃氣公司、電網(wǎng)企業(yè)以及其余企業(yè)組建形成能源建設(shè)公司，能源建設(shè)公司向政府提出對虛擬能源系統(tǒng)項目進行經(jīng)營和管理的許可，政府進行分析決策通過后，政府與能源建設(shè)公司簽訂經(jīng)營特許權(quán)協(xié)議并規(guī)定經(jīng)營特許權(quán)期限。獲得特許權(quán)后，能源建設(shè)公司開展虛擬能源系統(tǒng)項目的資金籌集、投資建設(shè)與運營管理，運營管理所獲得的現(xiàn)金流與收益歸能源建設(shè)公司所有。經(jīng)營特許權(quán)期滿后，能源建設(shè)公司將所有權(quán)免費移交給政府。

2)BOO模式。

BOO模式中前期的流程與BOT一致，在特許權(quán)期限內(nèi)，由能源建設(shè)公司進行投資建設(shè)與運營。但是特許權(quán)期滿后，BOO模式的虛擬能源系統(tǒng)項目所有權(quán)并不移交至政府，而是能源建設(shè)公司自己擁有所有權(quán)。

3)租賃模式。

租賃模式是指由政府負責虛擬能源系統(tǒng)項目的投資建設(shè)，投資建設(shè)完成后政府租賃給能源建設(shè)公司，同時約定租賃費用與租賃期限。租賃期滿后，項目所有權(quán)歸政府所有。

4)EIC模式。

EIC模式是指政府進行組織，由能源建設(shè)公司進行虛擬能源系統(tǒng)項目的投資、建設(shè)、融資與運營，能源建設(shè)公司在虛擬能源系統(tǒng)項目中既充當投資者又充當經(jīng)營者，在虛擬能源系統(tǒng)項目的全過程都進行了參與。

5)UIC模式。

UIC模式以農(nóng)村用戶為主導，進行虛擬能源系統(tǒng)項目的投資、建設(shè)、融資、運營，項目所有權(quán)歸用戶所有。

2.3 考慮多主體效益的虛擬能源系統(tǒng)投資模式優(yōu)選

為了實現(xiàn)政府、企業(yè)、農(nóng)村用戶三主體的效益最優(yōu)，以政府、企業(yè)、農(nóng)村用戶為利益主體，構(gòu)建投資模式評估指標體系，建立物元可拓評價模型，優(yōu)選農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的投資模式。

1)投資模式評估指標體系。

從全面性、典型性、客觀性角度出發(fā)，構(gòu)建虛擬能源系統(tǒng)投資模式的評估指標體系如表1所示。

表1 虛擬能源系統(tǒng)投資模式評估指標Table 1 Evaluation index of virtual energy system investment mode

2)虛擬能源系統(tǒng)的物元可拓評估模型。

由于虛擬能源系統(tǒng)參與主體利益需求不一致，導致各主體的下層指標存在矛盾，而物元可拓模型作為多目標的決策方法，能夠最大限度地滿足整體需求，實現(xiàn)全局決策最優(yōu)。因此本文采用物元可拓評價模型進行虛擬能源系統(tǒng)投資模式的評估，物元可拓評價模型的評價分為確定經(jīng)典域與節(jié)域、計算指標與經(jīng)典域和節(jié)域之間的距、確定指標權(quán)重與關(guān)聯(lián)度、計算綜合評價等級。

(1)確定經(jīng)典域與節(jié)域。

針對評價對象O=[O1,O2,…,On]，假設(shè)其評價指標與評價指標值分別為D=[d1,d2,…,dm]、V=[v1,v2,…,vm]，則待評價對象的物元Ri、經(jīng)典域Rck、節(jié)域Re分別為：

(10)

(11)

(12)

(2)指標值與經(jīng)典域、節(jié)域之間的距。

指標值與經(jīng)典域、節(jié)域之間的距分別為：

(13)

(14)

(3)確定指標權(quán)重與關(guān)聯(lián)度。

(15)

基于賦權(quán)結(jié)果，計算評價屬性x對應的指標j的評價等級為s時的關(guān)聯(lián)度為：

(16)

式中：Gijs為評價對象i指標j的第s個評價等級。

評價屬性x的評價等級為s時的關(guān)聯(lián)度矩陣zixs為：

(17)

式中：Wx為評價屬性x的權(quán)重矩陣。

參與主體評價等級為s時的關(guān)聯(lián)度矩陣zies為：

(18)

式中：We為評價指標的權(quán)重矩陣。

評價對象評價等級為s的綜合關(guān)聯(lián)度zs(Oi)為：

zs(Oi)=Wo·[zs(Oi)]T

(19)

式中：Wo為綜合權(quán)重矩陣。

(4)計算綜合評價等級。

將待評對象與各評價等級的關(guān)聯(lián)度進行比較，若該評價等級的關(guān)聯(lián)度越大，說明待評對象越接近該等級。據(jù)此計算得到待評對象的評價等級為：

(20)

(21)

3 計及不確定性的農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)運營模式

3.1 農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的不確定性分析

由于受到氣候、環(huán)境及其他因素的影響，農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)中的新能源出力、負荷以及市場中的電價均存在不確定性。關(guān)于不確定隨機問題，大多學者采用魯棒優(yōu)化與隨機規(guī)劃，但是傳統(tǒng)的魯棒優(yōu)化決策過于保守，隨機規(guī)劃計算復雜，因此本節(jié)對傳統(tǒng)的魯棒優(yōu)化進行改進，提出兩階段的魯棒優(yōu)化。第一階段的決策基于確定性場景進行，第二階段的決策基于隨機性場景進行，通過迭代尋優(yōu)，降低保守性。

1)兩階段魯棒優(yōu)化模型。

隨機變量的集合確定是魯棒優(yōu)化的基礎(chǔ)，本文的隨機變量集合采用考慮期望與協(xié)方差的矩不確定集合M表示，如式(22)所示：

(22)

式中：ζ為隨機變量；Pr、Sr、ur、Ccov分別為隨機變量概率、分布空間、期望列向量、協(xié)方差向量；k1、k2分別為期望、協(xié)方差的不確定范圍參數(shù)。

兩階段魯棒優(yōu)化的第一階段目標函數(shù)如式(23)所示，第二階段目標函數(shù)如式(24)所示。

(23)

(24)

式中：c1、c2分別為第一階段與第二階段的系數(shù)向量；x、y分別為第一階段與第二階段的決策變量；A、B、C為約束條件矩陣；b、h為第一階段與第二階段的常數(shù)向量。

為了便于求解，采用拉格朗日對偶法進行變換，具體如式(25)所示：

(25)

式中：l、τ、γi、ui為對偶變量；g、ψi(ζi)為隨機變量測度函數(shù)的個數(shù)與測度函數(shù)；N為隨機變量的個數(shù)。

2)基于魯棒優(yōu)化模型的農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)不確定性刻畫。農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)中風電、光伏、負荷、市場價格的不確定性結(jié)構(gòu)分別為：

(26)

(27)

(28)

(29)

3.2 農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)運營模式設(shè)計

農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的運營模式為各種可再生能源的出力先滿足農(nóng)村用戶的負荷需求，當出力大于需求時，運營商聚合各類可再生能源出力，一方面與外部農(nóng)村電網(wǎng)交易出售多余電力，另一方面當虛擬能源系統(tǒng)的投標容量大于調(diào)峰市場的投標閾值時，可參與調(diào)峰輔助服務市場提供調(diào)峰服務；當出力小于需求時，運營商與外部農(nóng)村電網(wǎng)交易購買缺額量，具體運營模式如圖4所示。

圖4 農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)運營模式Fig.4 Operation mode of rural virtual energy system

針對農(nóng)村能源系統(tǒng)的可調(diào)負荷，將其從農(nóng)業(yè)與居民兩方面出發(fā)，分為農(nóng)業(yè)可調(diào)負荷與居民可調(diào)負荷，其中農(nóng)業(yè)可調(diào)負荷主要包括運輸機器、種植機器、收割機器、農(nóng)作物加工及處理機器、雜項農(nóng)業(yè)機器五方面；居民可調(diào)負荷包括照明可調(diào)負荷與家用電器可調(diào)負荷兩方面，總體的可調(diào)負荷能力為：

(30)

可調(diào)負荷的約束條件為：

(31)

1)內(nèi)部運行成本最小。

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

虛擬能源系統(tǒng)內(nèi)部運行約束為常規(guī)約束，具體參考文獻[20]，在此不再贅述。

2)外部運行成本最小。

虛擬能源系統(tǒng)的外部運行成本為：

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

虛擬能源系統(tǒng)參與市場交易時受到柔性負荷約束、調(diào)峰投標約束，具體參考文獻[21]，在此不再贅述。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以中國北方某農(nóng)村地區(qū)為例進行算例分析，農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)中風力發(fā)電機組、光伏發(fā)電機組、水力發(fā)電機組、熱泵、CCHP等機組參數(shù)參考文獻[22]。該地區(qū)冷、熱、電負荷預測曲線如圖5所示。風電、光伏、水電預測曲線如圖6所示。

圖5 冷、熱、電負荷預測曲線Fig.5 Forecasting curves of cold, heat and electric load

圖6 風 、光、水預測曲線Fig.6 Forecasting curves of wind, photovoltaic, and hydraulic power

風電、光伏、負荷的期望與協(xié)方差不確定參數(shù)如表2所示[23]。各類成本系數(shù)如表3所示[24]。

表2 期望與協(xié)方差不確定參數(shù)Table 2 Uncertain parameters of expectation and covariance

表3 各類成本系數(shù)Table 3 Various cost factors 元/(kW·h)

4.2 結(jié)果分析

1)投資模式優(yōu)選結(jié)果。

基于指標的計算方式得到5種投資建設(shè)模式下指標的計算結(jié)果，如表4所示。各指標權(quán)重如表5所示。

表4 各個指標的計算結(jié)果Table 4 Calculation results of each index

表5 指標權(quán)重結(jié)果Table 5 Index weights

根據(jù)各指標權(quán)重，得到5種投資建設(shè)模式的綜合評價結(jié)果，如表6所示。

由表6可知，EIC模式的綜合評價結(jié)果最高，在5種投資建設(shè)模式中排序第一，UIC模式的綜合評價結(jié)果最低。這是因為EIC由能源建設(shè)公司進行投資建設(shè)，一方面能夠較好地管控項目的建設(shè)成本與運行成本，對于各項目參與主體的責任與風險界定十分明確；另一方面，由能源建設(shè)公司投資運營能充分發(fā)揮各公司的技術(shù)優(yōu)勢。若由用戶進行投資建設(shè)，雖然整體來看投資比較靈活，但由于用戶投資建設(shè)的規(guī)模小，能源利用率有限，因此整體的綜合評價結(jié)果較低。

表6 綜合評價結(jié)果Table 6 Comprehensive evaluation results

2)投資模式優(yōu)選有效性分析。

為了驗證投資模式優(yōu)選結(jié)果的有效性，采用可拓云評價方法、綜合評價方法以及本文提出的可拓物元評價方法分別進行投資模式評價，并采用置信度因子τ進行有效性檢驗，τ越大，計算結(jié)果越分散，評價效果越差。置信度因子τ計算公式為：

(34)

式中：N為重復評價次數(shù)；N(n)為落入等級n的次數(shù)。

3種評價方法的置信度因子分別如表7所示。由表7可知，可拓物元的置信度因子為0，評價效果最好，由此驗證了本文所提投資模式優(yōu)選方法的有效性。

表7 置信度因子Table 7 Confidence factor

3)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。

根據(jù)虛擬能源系統(tǒng)投資建設(shè)模式的優(yōu)選結(jié)果，選取綜合評價值最高的EIC模式進行投資建設(shè)，同時CCHP機組采取以電定熱模式，得虛擬能源系統(tǒng)中各機組的出力結(jié)果，如圖7—9所示。

圖7 電力供給與負荷需求Fig.7 Power supply and load demand

圖8 熱力供給與負荷需求Fig.8 Heat supply and load demand

由各機組的出力結(jié)果可知，本文的農(nóng)村多能互補系統(tǒng)中的電負荷主要由風力發(fā)電出力與光伏發(fā)電出力滿足，促進了風電、光伏的消納，而熱負荷主要是由地熱能通過熱泵供應，冷負荷主要通過熱轉(zhuǎn)冷設(shè)備以及電轉(zhuǎn)冷設(shè)備進行供應，燃料電池、儲熱、儲冷裝置的配備具有平抑風電、光伏出力隨機性與波動性的作用。

為了進一步分析本文同時考慮源側(cè)與負荷側(cè)的不確定性，設(shè)置如下4種情景，分別計算不同情景下的內(nèi)部運行成本。

情景1：源側(cè)和負荷側(cè)均不考慮不確定性；

情景2：源側(cè)考慮不確定性，負荷側(cè)不考慮；

情景3：源側(cè)不考慮不確定性，負荷側(cè)考慮；

情景4：源側(cè)和負荷側(cè)均考慮不確定性。

4種情景下的內(nèi)部運行成本如表8所示。

表8 不同情景下的運行成本Table 8 Operating costs under different scenarios

由表8可知，情景4的總運成本為3 338.6元，高于其他3種情景的運行成本，其中情景1的總成本最低，為3 016.5元。這是因為確定性場景下，無須考慮負荷、風電及光伏出力的隨機性，從而無須考慮過多的發(fā)電成本、轉(zhuǎn)換及儲能成本，使得總成本相對較低。

4)不確定分析方法的效用分析。

為了進一步驗證本文所提不確定分析方法的效用，采用文獻[3]提出的條件風險價值與文獻[4]提出的單魯棒優(yōu)化方法進行比較分析，比較分析結(jié)果如表9所示。

表9 不同處理方法的比較分析結(jié)果Table 9 Comparative analysis results of different processing methods

由表9可知，運用條件風險價值進行不確定性處理成本最低，單目標魯棒最高，本文提出的雙魯棒目標優(yōu)化介于兩者之間。這是因為條件風險價值風電、光伏及負荷是確定的，導致魯棒性考慮不足，而單魯棒優(yōu)化則過于保守，導致總成本過高。采用本文所提的雙魯棒目標優(yōu)化不僅能夠克服魯棒性不足的問題，還能減少魯棒過于保守的問題。

5)不確定范圍的敏感性分析。

農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的運行成本隨著期望、協(xié)方差的不確定范圍參數(shù)變化而變化，因此為了分析不確定范圍對虛擬能源系統(tǒng)成本的影響程度，讓風電、光伏、負荷、市場價格的期望與協(xié)方差參數(shù)分別在[1.10, 1.40]之間變化，得到期望與方差變化下的虛擬能源系統(tǒng)內(nèi)外部總成本，分別如圖10、11所示。

圖10 期望不確定集對成本影響Fig.10 Impact of expectation uncertainty set on cost

圖11 協(xié)方差不確定集對成本影響Fig.11 Impact of covariance uncertain set on cost

由圖10、11可知，一方面，農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的運行總成本隨著期望、協(xié)方差的不確定范圍參數(shù)增加而增加。這是因為不確定范圍參數(shù)越大，風電、光伏、負荷、價格的隨機性越強，為了保障虛擬能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，調(diào)度方式更保守，導致運行成本更高。另一方面，與負荷、風電、光伏等隨機性相比，市場價格的不確定范圍參數(shù)對于虛擬能源系統(tǒng)成本的影響更大，這是因為市場價格為24 h各機組競價，容易導致更高的不確定性，從而對于虛擬能源系統(tǒng)成本影響更高。

5 結(jié) 論

為了解決農(nóng)村能源利用率不高、環(huán)境污染嚴重的問題，本文設(shè)計了考慮農(nóng)村能源特性的虛擬能源系統(tǒng)框架。一方面構(gòu)建了基于能源供需布局的農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)投資建設(shè)模式；另一方面構(gòu)建了計及不確定性的農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)運營模式。并以中國北方為例進行算例分析，算例結(jié)果表明：

1)由能源建設(shè)公司進行投資建設(shè)的EIC模式對農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)來說具有更高的綜合評價值，能帶來最高的效益。

2)采用兩階段魯棒優(yōu)化方法刻畫農(nóng)村虛擬能源系統(tǒng)的不確定性，一方面能夠克服魯棒性不足的問題，另一方面能夠解決單階段魯棒優(yōu)化方法優(yōu)化結(jié)果過于保守的問題。

3)期望、協(xié)方差的不確定范圍越大，隨機性越強，虛擬能源系統(tǒng)的總成本越高。