朱月堯, 祁 佟, 吳星辰, 劉 迪, 華昊辰

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 淮安供電分公司,江蘇 淮安 210000; 2. 山東科技大學 智能裝備學院,山東 泰安 271019; 3. 清華大學 自動化系,北京 100084; 4. 河海大學 能源與電氣學院,南京 211100)

2021年9月,《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》(中發(fā)[2021]36號,以下簡稱為36號文件)強調(diào)了能源綠色低碳發(fā)展在“碳達峰”“碳中和”目標上的關鍵作用[1].36號文件的出臺意味著電力體制改革不僅是電力行業(yè)的內(nèi)部要求,更是“雙碳”目標背景下社會經(jīng)濟發(fā)展的必要舉措.電價改革是電力體制改革的核心內(nèi)容,考慮碳排放以完善電價機制是減少電力行業(yè)碳排放的有效途徑.

以電力市場和碳市場為手段的市場機制是電力行業(yè)低碳發(fā)展的保障.受到碳排放政策的制約,當化石能源發(fā)電企業(yè)的實際碳排放量高于配額量時,企業(yè)為了足額履約,需向富裕配額量的企業(yè)購買一部分配額,否則將面臨懲罰.在碳市場中,碳排放量過大的化石能源發(fā)電企業(yè)的成本(以下簡稱為碳成本)將會增加[2],碳配額富裕的部分發(fā)電企業(yè)則可通過售賣配額的方式獲得額外的收益.這種成本的增減可以促進企業(yè)自發(fā)減排.在碳排放成本的影響下,市場中電力供給與電力需求的動態(tài)平衡會受到碳交易的影響[3],進而供需兩側(cè)的優(yōu)化決策也隨之變化.

由于可再生能源的調(diào)節(jié)靈活性較差,所以在高比例新能源的新型電力系統(tǒng)內(nèi),需求側(cè)管理在電力系統(tǒng)的高效運行中愈發(fā)重要[4-5].電力市場準入機制的約束使得大量中小型用戶不能夠直接參與電力市場,需要通過售電商從市場中獲得所需電量[6].為了實施更加高效、經(jīng)濟的需求響應計劃,文獻[7]提出構(gòu)建邊云協(xié)同框架實現(xiàn)住宅需求響應的預測.文獻[8]綜合分布式負荷的需求響應提出基于云邊緣計算架構(gòu)的能量管理算法.文獻[9]提出基于云邊協(xié)同的需求響應調(diào)度策略用于優(yōu)化調(diào)度的時延問題.為了提升自身效益,售電商可以面向用戶實施需求響應以引導用戶改變電力消費行為.需求響應可以分為價格型和激勵型,其中激勵型需求響應更為靈活,而價格型需求響應包括尖峰電價、分時電價和實時電價等[10-11],更加適合大范圍推廣.目前分時電價機制已經(jīng)在我國全面普及,因此本文關注價格型需求響應機制.文獻[12]基于分時電價構(gòu)建售電決策模型來引導用戶用電.文獻[13]將分時電價的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為博弈問題,對用戶的功率求解到最優(yōu).文獻[14]根據(jù)實時電價設計微網(wǎng)運行模式,優(yōu)化微網(wǎng)內(nèi)功率分配.文獻[15]考慮到電力市場電價的隨機性,針對隨機電價利用模型預測確定最優(yōu)電力調(diào)度方案.文獻[16]提出基于折扣因子的需求響應機制,考慮用戶間的差異性.但上述研究均未考慮需求側(cè)的碳減排問題.

針對能源系統(tǒng)中的碳排放問題,目前已有一些研究成果.文獻[17]對電力碳排放權(quán)交易市場進行擴展研究.文獻[18]從發(fā)電、輸電、配電等環(huán)節(jié)考慮電力行業(yè)中碳排放的變化.文獻[19]分析歐盟碳市場與電力市場之間的相互作用機理.文獻[20]從社會效益達到最優(yōu)角度出發(fā),提出電碳聯(lián)動前提下的發(fā)電權(quán)交易模型,但所提出的模型難以從數(shù)值上準確反映出電、碳二者的耦合關系.上述研究多是從發(fā)電側(cè)的角度針對能源系統(tǒng)的碳排放展開研究,但供給側(cè)的發(fā)電量會隨著電力消費需求變化,因此能源系統(tǒng)碳排放實際上是由消費者引起的,能源系統(tǒng)的碳排放成本最終也應由需求側(cè)承擔[21].

目前電力消費的碳排放多基于聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會的計量方法,采用固定系數(shù)計算單位電力消費的碳排放.由于可再生能源出力占比不同,電力系統(tǒng)中不同時段單位發(fā)電量產(chǎn)生的碳排是變化的,目前基于固定系數(shù)的需求側(cè)電力消費碳排放計量方法很難反映不同時段電力消費引起碳排放的差別,所以無法引導用戶改變電力消費行為實現(xiàn)碳減排.

綜上,為了充分挖掘需求側(cè)可調(diào)節(jié)資源的靈活性潛力,引導用戶改變電力消費行為實現(xiàn)碳減排,需解決兩個關鍵問題:一是如何將碳排放量和發(fā)電量之間的耦合關系融合到電價機制中;二是如何在電價機制加入碳成本的情況下,將固定碳成本轉(zhuǎn)化為靈活碳成本.針對以上問題,本文在建立碳排放量與光伏發(fā)電量數(shù)值關系的前提下,將折扣因子(γ)的概念引入價格型需求響應以及碳排放調(diào)節(jié)當中,使產(chǎn)消者[22]通過積極響應需求響應機制在不同時段獲得更低的折扣價格.利用這種方法,在引導用戶積極響應改變用電行為、加強分布式能源就地消納的同時,還能達到更好的碳減排效果.

1 實施架構(gòu)及碳減排分析

目前越來越多用戶群體裝設分布式光伏,本文將這些用戶群體定義為產(chǎn)消者[22].假設每個用戶均裝設有智能終端,可以對用戶內(nèi)部的負荷優(yōu)化控制[23].售電商作為整個運營系統(tǒng)的核心[24],當產(chǎn)消者的光伏發(fā)電量有剩余時,會對其進行回收,并將多余的電量出售給外電網(wǎng),以此來達到供需平衡.傳統(tǒng)電力行業(yè)的能源消耗主要來源于高污染煤炭.由化石能源發(fā)電作為主力電源的供應側(cè),是電力行業(yè)碳排放的主要來源.而可再生能源發(fā)電過程中的碳排放可忽略不計,因此利用可再生能源代替化石能源,可有效實現(xiàn)發(fā)電側(cè)的清潔化.針對我國以火電為主的現(xiàn)狀,假設從市場中購電需承擔碳排放責任,而本地分布式光伏所發(fā)電量的碳排放為0.為了引導能源系統(tǒng)碳減排,碳排放引起的環(huán)境污染成本需要發(fā)電企業(yè)承擔,并通過碳配額和碳交易市場實現(xiàn),本文稱之為碳排放成本內(nèi)部化.不同于以往的碳配額分配[25]調(diào)節(jié),本文將傳統(tǒng)發(fā)電后形成的碳排放量內(nèi)部化后的碳成本直接歸算到電價中進行傳導.售電商的運營架構(gòu)簡圖如圖1所示.

由圖可見,將火力發(fā)電產(chǎn)生的碳排放內(nèi)部化為碳成本,外電網(wǎng)將由碳成本和基礎電價共同構(gòu)成的購電和售電價格發(fā)送給售電商.其中,市場的供求會決定電力市場下的電力價格,而其他環(huán)境下的電力價格將由政府政策決定.此外,在電價制定過程中,售電商除了與外電網(wǎng)進行信息與能量交互以外,與周圍其他售電商之間也可以進行交互.某個區(qū)域內(nèi)的多個售電商之間可以相互傳遞購、售電量以及購電、售電價格信息,合作協(xié)商統(tǒng)一制定電價后向外電網(wǎng)進行購電,由此可達到降低批發(fā)成本的目的.對發(fā)電商和售電商的相互作用進行分析,將碳成本歸算到外部電價中,售電商在確定價格信號時,統(tǒng)一考慮電力需求側(cè)貢獻以及碳減排的貢獻.售電商根據(jù)所獲取的外部電網(wǎng)價格信息來設置產(chǎn)消者的價格信息,而后將價格信息傳送到智能終端.智能終端接收信息后對產(chǎn)消者進行用電調(diào)節(jié),并將調(diào)節(jié)后的信號重新發(fā)送到售電商.這個過程中產(chǎn)消者本身不會產(chǎn)生碳排放,碳成本被引入價格中進行傳導,以形成減少碳排放條件下的價格型需求響應機制.

不同類型負荷的產(chǎn)消者具有差異化的調(diào)節(jié)彈性[26].為體現(xiàn)用戶的差異,文獻[27-28]根據(jù)用戶參與需求響應的貢獻給予不同激勵.在價格型需求響應中,每個用戶的單位電價相同,為體現(xiàn)用戶貢獻的差異,提出基于折扣因子的價格型需求響應激勵機制.參考博弈論中Shapley值的計算方法,用戶在調(diào)節(jié)中對經(jīng)濟成本降低和碳減排的貢獻越大,獲得的折扣就越大,從而用電成本越低.產(chǎn)消者無論具有何種調(diào)節(jié)彈性,均能經(jīng)智能終端決策后在同一時段內(nèi)得到相同的購電、售電價格以及折扣系數(shù),以此來保證機制形式上的公平性.除此以外,整個系統(tǒng)的最終結(jié)果均應呈現(xiàn)積極趨勢,即當系統(tǒng)中的用戶終端參與調(diào)節(jié)的積極性越高,對系統(tǒng)調(diào)節(jié)貢獻越大時,其所能得到的折扣也越大,以此保證結(jié)果的公平性.

不同于傳統(tǒng)的價格型需求響應,售電商除了需要決策產(chǎn)消者單位購電價格Pbuy外,還需要決策相對應的折扣因子,即最終產(chǎn)消者要結(jié)算的電價為γPbuy,且γ=γ1(k,ΔN)γ2(k,ΔL),γ1為碳成本折扣因子,γ2為電價折扣因子,k為折扣因子中的折扣系數(shù),決定折扣力度的大小,ΔN為產(chǎn)消者碳減排程度,ΔL為產(chǎn)消者的負荷改變量,γ1(k,ΔN)與產(chǎn)消者碳減排程度存在一定關系,產(chǎn)消者碳減排程度越高,碳排放成本越低,從而承擔的碳成本價格越低;γ2(k,ΔL)與產(chǎn)消者的負荷改變存在一定關系,當產(chǎn)消者負荷的改變量往正方向變大時,折扣因子減小,所需結(jié)算的基礎電價越低,從而實現(xiàn)電力需求側(cè)響應與碳減排的共同激勵作用.

2 模型構(gòu)建

2.1 碳排放模型

以光伏發(fā)電為例,將某系統(tǒng)產(chǎn)消者所需的基礎電量看作由產(chǎn)消者光伏發(fā)電和外來發(fā)電組成的一個整體.即當光伏發(fā)電量增加時,可相應減少外來發(fā)電量,使得碳排量減少.每日系統(tǒng)需要的總電量定義為Q,每日外來發(fā)電量定義為M,從需求側(cè)出發(fā)產(chǎn)消者每日所需光伏發(fā)電量定義為E,則Q=M+E.將年碳排放約束折合為每日碳排放約束N,求得滿足每日碳排放約束時外來發(fā)電量M的約束條件為M≤N/g,其中g(shù)為二氧化碳排放因子[29],表示每度電所產(chǎn)生的二氧化碳排放量,具體取值以算例所選取的區(qū)域為準.產(chǎn)消者每日所需光伏發(fā)電量為E=1-M/Q.同時,產(chǎn)消者每日實際光伏發(fā)電量e與每日所需光伏發(fā)電量E滿足e≥E.將每日實際光伏發(fā)電量多于每日所需光伏發(fā)電量的部分定義為碳減排程度,則其公式為ΔN=e-(1-M/Q).綜合上述得:

ΔN=e+N/gQ-1

(1)

由式(1)可得,若結(jié)果為正,則表示每日實際光伏發(fā)電量超出每日所需光伏發(fā)電量,所需外來發(fā)電量小于滿足約束條件時的外來發(fā)電量,此時碳減排程度增大;若結(jié)果為負,則每日實際的光伏發(fā)電未達到每日所需光伏發(fā)電量,碳減排程度減小.同時,將每日實際光伏發(fā)電量與每日碳排放量(n)建立關系[30],表示為n=(Q-e)g.

為了使用戶的結(jié)算電價在一個合理的范圍,折扣因子在滿足碳成本靈活性的同時,應始終保持在某一范圍內(nèi).因此引入一個虛擬函數(shù)F(x),能夠?qū)⑵溆成涞揭粋€連續(xù)單調(diào)的有界范圍內(nèi).基于此將產(chǎn)消者i的碳成本折扣因子γ1的表達式[31]設計為γi1=1-F(kΔNi),其中ΔNi為產(chǎn)消者i的碳減排程度.由于雙曲正切函數(shù)存在有界性,取值范圍始終保持在[-1, 1],能滿足折扣因子保持在某一范圍內(nèi)的特點;且其單調(diào)性能夠保證在自變量正向或負向增長這兩種情況下折扣因子不會存在效果相同的情況.因此,在雙曲正切函數(shù)的基礎上設計碳成本折扣因子.需要指出的是,任何滿足連續(xù)單調(diào)的有界函數(shù)都可作為虛擬函數(shù).以雙曲正切函數(shù)為例,則碳成本折扣因子γ1的表達式為

γi1=1-F(kΔNi)=1-tanh(kΔNi)

(2)

(3)

當產(chǎn)消者的碳減排程度正向增大時,折扣因子隨之減小,此時產(chǎn)消者所承擔的碳成本減少;當碳減排程度減小,甚至為負減排時,折扣因子增大,產(chǎn)消者不僅需要承擔已存在的碳成本,還需承擔由折扣因子增加帶來的額外碳成本.基于此,本文碳成本折扣因子可使得產(chǎn)消者對碳排放進行控制,從而達到減排效果.同時,由式(3)可知,無論k如何取值,折扣因子始終能穩(wěn)定到0～2.

2.2 售電商模型

售電商的最終目的是實現(xiàn)收入最大化.外部電網(wǎng)和產(chǎn)消者均可對售電商的收益產(chǎn)生影響,售電商可采取制定折扣因子來引導改變產(chǎn)消者的用電行為,使得自身收益得到優(yōu)化.定義售電商收益為I,其收益模型設置如下:

PinLin+PoutLout

(4)

產(chǎn)消者功率約束應滿足如下要求:

(5)

同時,傳輸功率約束為Lin≤Pmax,其中Pmax為售電商最大的傳輸功率.電價折扣因子γ2與碳成本折扣因子模型類似,同樣以雙曲正切函數(shù)為例,表示如下:

γi2=1-tanh(ksgn(∑Vi-∑Bi)Di)

(6)

式中:Vi為第i個產(chǎn)消者的光伏發(fā)電量;sgn為符號函數(shù)[32],當光伏發(fā)電量大于基線負荷時取值為1,表示負荷向正方向調(diào)整,當光伏發(fā)電量小于基線負荷時取值為-1,表示負荷向正方向調(diào)整;Bi為第i個產(chǎn)消者的總基線負荷;Di為第i個產(chǎn)消者的負荷調(diào)節(jié)量,其值為Di=Ai-Bi,其中Ai為第i個產(chǎn)消者的實際用電量.

理想情況下,希望總體折扣因子具備以下幾個特點:

(1) 折扣因子可以體現(xiàn)碳減排程度和負荷調(diào)節(jié)量兩個方面對折扣力度調(diào)整的貢獻,且具有公平性,即用戶最終享有折扣僅與其貢獻值有關,總體上折扣因子應做到引導用戶向降低負荷的不平衡、向增大碳減排程度方向調(diào)整.

(2) 折扣因子應保證無論碳減排程度或負荷調(diào)節(jié)量如何,均能使折扣因子在某個范圍內(nèi),避免出現(xiàn)由于折扣或成本過多而產(chǎn)生價位不合理的問題.

由此,總折扣因子為

γi=γi1(k,ΔNi)γi2(k,ΔLi)

(7)

由式(7)得折扣因子和產(chǎn)消者負荷調(diào)節(jié)量、碳減排程度的關系如圖2所示.由圖2可得,綜合考慮碳減排程度、負荷調(diào)節(jié)量兩個因素,當產(chǎn)消者的碳減排程度正向增大、負荷調(diào)節(jié)量增加時,折扣因子隨之減小,此時產(chǎn)消者需承擔的電價減少;當負荷調(diào)節(jié)量減少、碳減排程度減小,甚至為負減排時,折扣因子增大,產(chǎn)消者不僅需要承擔原有電價,還需承擔由額外碳成本和額外電價所增加的費用.基于此,所提出的折扣因子在碳排放進行控制的同時,也可起到平衡負荷調(diào)節(jié)量的作用.當折扣系數(shù)k取不同值時,折扣因子的變化靈敏度隨折扣系數(shù)的增大而增大;同時,折扣因子始終能穩(wěn)定到0～4.

圖2 折扣因子隨碳減排程度和負荷調(diào)節(jié)量變化

2.3 產(chǎn)消者模型

產(chǎn)消者自身用電也會產(chǎn)生收益,此收益與產(chǎn)消者的用電量呈正相關.定義產(chǎn)消者收益為U,第i個產(chǎn)消者收益可表示為如下的分段函數(shù)[33]:

Ui(Ai,ωi)=

(8)

式中:ωi為第i個產(chǎn)消者的彈性系數(shù);υi為第i個產(chǎn)消者的設定參數(shù).

產(chǎn)消者除了獲得部分效益,還需支付一些成本.所要支付的成本由兩部分組成,一部分是產(chǎn)消者在向售電商購電時需支付的成本,另一部分是產(chǎn)消者隨實時電價調(diào)整自身的用電行為所造成的舒適度損失.其中購電經(jīng)濟成本又可分為兩部分,一部分是基礎購電成本,另一部分是額外碳成本.

當產(chǎn)消者的使用電量偏離基線負荷時,會導致舒適度損失,定義舒適度損失[31]為

(9)

式中:βi、αi為舒適度損失函數(shù)的設定參數(shù);|Di|為第i個產(chǎn)消者的負荷調(diào)節(jié)量的絕對值.

綜上,定義產(chǎn)消者效益為

Oi=Ui-Ci-YiPbuyγi+SiPsell

(10)

式中:YiPbuyγi為第i個產(chǎn)消者向售電商購電后損失的總收益;SiPsell為第i個產(chǎn)消者將光伏發(fā)電量賣給售電商后獲得的收益.

3 邊云協(xié)同模式下的迭代優(yōu)化策略

在低碳條件約束下,售電商為得到最優(yōu)電價及折扣系數(shù)從而達到效益最優(yōu),需要在考慮碳成本的情況下,了解每個時間段的產(chǎn)消者在不同需求響應激勵時的響應情況.邊云協(xié)同計算架構(gòu)能夠有效提高計算速度和計算靈活性[34].在主從博弈模型框架下,基于邊云協(xié)同架構(gòu),將售電商作為云端,利用折扣系數(shù)改變價格引導用戶的用電行為,以促進可再生能源的就地消納以及碳減排行為.將智能終端經(jīng)過優(yōu)化從而決策出最優(yōu)結(jié)果視作一個“應用實例”.為了解決電價及折扣系數(shù)組合過多造成的不經(jīng)濟性,本文通過優(yōu)化實現(xiàn)售電商與產(chǎn)消者智能終端的互動協(xié)同,決策得出每個時間段的最優(yōu)電價和折扣系數(shù).

圖3 邊云協(xié)同優(yōu)化時序圖

此次優(yōu)化都是對多變量求解最優(yōu)值的問題,并且求解過程中,售電商和產(chǎn)消者求解的最優(yōu)值之間存在耦合,二者相互影響.求解過程中,希望所選取的算法能夠高效準確,保持多樣性的同時提高收斂性,因此選取粒子群算法(PSO)進行求解[35].

(11)

(12)

經(jīng)由智能終端決策后的值才可以計算出It的值,故優(yōu)化時需要進行多次迭代.

智能終端在運行過程中,需要判斷在滿足傳輸功率約束的前提下是否保證經(jīng)外電網(wǎng)和產(chǎn)消者購入的電量與售出電量的實時平衡.若不滿足條件,為避免不能滿足功率約束條件的值成為最優(yōu)值,適應度將被設置成負無窮.

求得每次經(jīng)迭代后的個體和粒子種群最優(yōu)位置后,需要更新各個粒子的速度和位置,更新公式[36]如下:

(13)

(14)

式中:c1、c2為加速常數(shù),一般取值范圍為0～4;ρ為約束因子,其作用是控制速度Vi的權(quán)重;r1、r2為區(qū)間[0, 1]的隨機數(shù).

以粒子群算法為基礎的邊云協(xié)同模式下的迭代優(yōu)化策略流程如圖4所示,詳細運算過程如下:

圖4 以粒子群算法為基礎的邊云協(xié)同模式下的迭代優(yōu)化策略

(1) 隨機初始化每個粒子,設置粒子群大小,以及售出電價、購買電價和折扣系數(shù)的初始值.

(2) 產(chǎn)消者智能終端收到價格信號并進行優(yōu)化,同時在本地計算購買電量、售出電量的期望值后將信息反饋到云端售電商.

(3) 云端售電商根據(jù)反饋信息計算各個粒子的目標函數(shù),找到各粒子當前個體極值以及整個粒子群的全局最優(yōu)解.

(4) 利用式(13)和式(14)更新各個粒子的速度和位置.

(5) 判斷是否達到最大迭代次數(shù),若達到,則將最優(yōu)解信息傳送到智能終端,算法結(jié)束;若未達到,重復步驟(3).

4 仿真分析

為了檢驗添加碳成本折扣因子機制在產(chǎn)消者光伏發(fā)電量滿足或不滿足自身需要前提下引導用戶積極參與決策的激勵有效性,同時,為了達到檢驗碳成本參與系統(tǒng)運營的機制作用效果是否優(yōu)于無碳成本參與系統(tǒng)運營的機制作用效果的目的,設計兩種不同的情況,分別為產(chǎn)消者光伏發(fā)電量大于需求量和產(chǎn)消者光伏發(fā)電量無法滿足需求量.二者本質(zhì)區(qū)別是產(chǎn)消者基礎光伏發(fā)電量的多少.情況1中,設置光伏發(fā)電量取值范圍為[0, 2],基線負荷為[4, 10],售電商從外電網(wǎng)購進電價為1,售電價格為0.6;情況2中,設置光伏發(fā)電量取值范圍為[6, 10],基線負荷為[2, 4],售電商從外電網(wǎng)購進電價為0.5,售電價格為1.2.其中,當模擬過程為情況1時,產(chǎn)消者的光伏發(fā)電量遠小于其負荷;當模擬過程為情況2時,產(chǎn)消者的光伏發(fā)電量大于其負荷.

為進一步驗證本文算法的穩(wěn)定性,進行多次仿真,定義迭代次數(shù)為n,適應度為F,每次迭代結(jié)果如圖5所示.由圖可見,同樣參數(shù)下的多次仿真結(jié)果收斂于某一值附近,最優(yōu)適應度處于132上下,最大適應度和最小適應度的結(jié)果存在較小的誤差,且小于2%,證明算法具有較好的穩(wěn)定性.同時,考慮到粒子群算法中的通信延遲問題,在算法程序中增加一項時延函數(shù)用于模擬仿真過程中的通信延遲,文獻[37]將每次迭代通信延時設置為0.25 s,本文保守設計為0.7 s.經(jīng)模擬后算法總計算時間為557 s,迭代的延時時間對求解速度影響可忽略.

圖5 粒子群算法迭代結(jié)果圖

在光伏發(fā)電量分別大于和小于需求量的情況下,產(chǎn)消者及售電商的收益如圖6和圖7所示.由圖能夠分析出,本文粒子群算法在迭代60次后兩種情境下產(chǎn)消者和售電商的效益曲線基本達到平穩(wěn),在經(jīng)過100次迭代之后,產(chǎn)消者和售電商效益曲線得到最終穩(wěn)定.其中在光伏發(fā)電量大于需求量的情況下,從效益曲線中可得:產(chǎn)消者的綜合效益最終達到 2 259.26 元,售電商的綜合效益達到131.50元.在光伏發(fā)電量無法滿足需求量的情況下,產(chǎn)消者的收益為 2 452.93 元,售電商效益為113.60元.

圖6 情況1下產(chǎn)消者用戶及售電商效益

圖7 情況2下產(chǎn)消者用戶及售電商效益

結(jié)合兩種不同情況下所得出的優(yōu)化價格可以分析出,當處于情況1時,產(chǎn)消者優(yōu)化得出的光伏售出價格較低,購買價格較高,以此可以引導產(chǎn)消者降低購電需求,從而促進碳減排;當處于情況2時,售電商優(yōu)化得出的光伏回收價格相較于電量不足的情況較高,以此可以引導產(chǎn)消者調(diào)節(jié)負荷的使用情況.同時,因光伏過剩,無需購進電量,售電商也可減少從外電網(wǎng)購買電量,也可以促進碳減排.在這兩種情況下,從購電價格曲線可以看出,若產(chǎn)消者不積極參與調(diào)節(jié)決策,那么產(chǎn)消者的用電成本會較高.但當結(jié)合本文所提的機制后,產(chǎn)消者可以通過調(diào)節(jié)負荷獲得不同的電價折扣.在兩種情況下將是否考慮碳成本進行對比,將產(chǎn)消者用戶定義為US,在碳成本靈活化后對不同積極性參與決策調(diào)節(jié)的產(chǎn)消者可以獲得的電價折扣結(jié)果作圖,如圖8和圖9所示.

圖8 情況1下產(chǎn)消者的負荷改變量及結(jié)算折扣

圖9 情況2下產(chǎn)消者的負荷改變量及結(jié)算折扣

由圖可見,在光伏發(fā)電量大于需求量中,不考慮碳成本情況下,積極參與響應的產(chǎn)消者能夠以小于0.1的折扣進行購電;考慮碳成本情況下,積極參與響應的產(chǎn)消者能以低于0.02的折扣進行購電.因此在考慮碳成本情況下,產(chǎn)消者能夠獲得更低購電折扣.隨機以第98個產(chǎn)消者為例,其在不考慮碳成本情景下能夠以0.87作為折扣進行購電,其原始負荷是9.41 kW,經(jīng)機制調(diào)節(jié)后原始用電負荷變?yōu)?.54 kW.在考慮碳成本情況下, 其能夠以為0.018作為折扣進行購電,其基線負荷為9.41 kW,經(jīng)機制調(diào)節(jié)后原始用電負荷變?yōu)?.89 kW.因此,考慮碳成本情況下比不考慮碳成本情況下的負荷調(diào)整幅度更大,更能引導產(chǎn)消者的負荷調(diào)節(jié).

由圖9可見,在光伏發(fā)電量無法滿足需求量時,考慮與不考慮碳成本均出現(xiàn)折扣值大于1的情況,此時產(chǎn)消者所需承擔的電價會高于原來的基礎電價,產(chǎn)消者的經(jīng)濟成本增多,產(chǎn)消者負荷調(diào)節(jié)會往反方向進行,減少用電量,通過這種調(diào)節(jié)使購電成本上升帶來的損失有所減小.綜上,在兩種情況下,對比考慮碳成本比不考慮碳成本兩種條件,可以看出考慮碳成本時產(chǎn)消者的負荷調(diào)整量幅度更大,降低產(chǎn)消者用電量也更為明顯.

同時,從圖8和圖9中可以看出,考慮碳成本的機制對產(chǎn)消者負荷平衡所做出的貢獻會更多于不考慮碳成本時的機制.考慮碳成本時產(chǎn)消者可以用更低折扣進行購電,負荷調(diào)整幅度也更大;反之,不考慮碳成本則需要支付更高的購電成本,負荷調(diào)整幅度也更小,更能突出在考慮碳成本時的優(yōu)越性.

為了進一步探究本文考慮碳成本機制的優(yōu)越性,將在不考慮碳成本算法和機制下產(chǎn)消者、售電商的效益以及購電量和售電量與所提算法和機制下相應方面進行比較.在光伏發(fā)電量大于需求量和光伏發(fā)電量無法滿足需求量這兩種情況下不同機制的產(chǎn)消者、售電商的收益以及購電量和售電量如圖10和圖11所示.

圖10 情況1優(yōu)化結(jié)果對比

圖11 情況2優(yōu)化結(jié)果對比

從圖10和圖11中能夠看出,在光伏發(fā)電量大于需求量與光伏發(fā)電量無法滿足需求量情況下,無論是否考慮碳成本均能使得產(chǎn)消者用戶獲得較高的收益,并且考慮碳成本時的機制能夠更有效地提升售電商的收益,在光伏發(fā)電量大于需求量中售電商的收益達到了131元,比不考慮碳成本算法和機制下的優(yōu)化結(jié)果提高2.4倍.考慮碳成本的算法和機制下的購電量明顯低于不考慮碳成本下的購電量,將此信息反饋到售電商處,售電商也可減少從外電網(wǎng)的購買電量,從而起到減少外電網(wǎng)電量的作用,以此增大碳減排力度,更大地提高碳減排程度.

在光伏發(fā)電量無法滿足需求量時,考慮碳成本的售電量明顯高于不考慮碳成本的售電量,且售電商收益在不考慮碳成本情況下可以提高0.9倍,側(cè)面反映出售電商從外電網(wǎng)的購電量在考慮碳成本情況下可以更低,仍然能夠起到減少外電網(wǎng)電量的作用,碳減排程度提高;同時,考慮碳成本時產(chǎn)消者以及售電商的效益較不考慮碳成本時有大幅度提升.

5 結(jié)論

針對提升碳減排力度和實現(xiàn)產(chǎn)消群功率平衡問題,從售電商的角度出發(fā),提出考慮添加折扣因子情況下的電價機制.售電商統(tǒng)一設定相同的基礎購買電價和售賣電價后將信號傳送到所有產(chǎn)消者.為了達到挖掘產(chǎn)消者不同調(diào)節(jié)彈性的同時,將固定碳成本轉(zhuǎn)化為靈活碳成本,通過價格調(diào)節(jié)降低碳排放的目的,引入折扣因子這一概念,加強系統(tǒng)中產(chǎn)消者光伏發(fā)電與碳排放的耦合,使得積極響應調(diào)節(jié)的產(chǎn)消者能夠用更低的折扣購電,同時在電價信號的返回過程中對碳排放進行調(diào)節(jié),以達到調(diào)節(jié)負荷的同時減少碳排放的效果.進而提出基于邊云協(xié)同模式的價格型需求響應電價策略,以售電商的收益最大化作為目標,優(yōu)化不同時段的價格和折扣.

從仿真實驗結(jié)果能夠看出,在產(chǎn)消者發(fā)電量少于和多于需求量兩種情況下,考慮碳成本折扣因子的機制均能使售電商和產(chǎn)消者收益提升.而且在兩種不同情況下,考慮碳成本時能夠有效引導用戶降低負荷高峰、填補負荷低谷,實現(xiàn)發(fā)用電平衡,并減少整個運行系統(tǒng)的碳排放.同時,在仿真過程中發(fā)現(xiàn),折扣系數(shù)最優(yōu)取值介于0.3～0.6,過小會導致負荷調(diào)節(jié)量較大時才能體現(xiàn)出折扣因子作用,而過大導致折扣對負荷調(diào)節(jié)的反應過于靈敏.

在未來的研究工作中,將進一步考慮激勵型需求響應.采用實時彈性獎勵策略,更有效地激勵用戶改變用電行為.在此基礎上需要對本文提出的折扣進一步優(yōu)化,解決取值問題.本文僅考慮售電商與產(chǎn)消者之間的交易,而產(chǎn)消者間的相互交易可能會進一步提升系統(tǒng)運行效率,因此未來將進一步探索考慮用戶間交易的合作或非合作博弈問題.此外,多售電商共存環(huán)境下如何解決售電商與用戶間的多對多博弈問題,達到系統(tǒng)最優(yōu)運行狀態(tài),也將進一步探索.