翟曉鶴，余順坤，丁賀

（華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206）

0 引言

隨著電力市場(chǎng)改革及“雙碳”目標(biāo)的提出[1-2]，虛擬電廠聚合各類資源涉及到對(duì)內(nèi)分析各類資源特性以及給各類資源定價(jià)，對(duì)外參與市場(chǎng)運(yùn)行兩大問(wèn)題。這兩大問(wèn)題也成為研究重點(diǎn)。

針對(duì)虛擬電廠對(duì)內(nèi)聚合資源的研究，文獻(xiàn)[3]將聚合資源劃分為正電源資源、負(fù)電源資源、儲(chǔ)能資源3 大類，分析了3 類資源的調(diào)節(jié)特性，但是并未分析虛擬電廠如何與3 類資源聚合。文獻(xiàn)[4]分析了各類資源的響應(yīng)特性，并驗(yàn)證了考慮資源響應(yīng)特性進(jìn)行投標(biāo)的有效性。文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了虛擬電廠與聚合資源的決策模型。在對(duì)各類資源特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，也有學(xué)者研究了聚合資源的效益分?jǐn)偅墨I(xiàn)[6]考慮各類聚合資源的綜合貢獻(xiàn)度提出了虛擬電廠對(duì)內(nèi)的效益分?jǐn)倷C(jī)制。文獻(xiàn)[7-8]基于風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)度與Shapley 值法對(duì)虛擬電廠的收益進(jìn)行分配。虛擬電廠聚合資源的現(xiàn)有對(duì)內(nèi)研究主要集中于聚合資源特性分析及效益分?jǐn)?，?duì)各類聚合資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)定價(jià)時(shí)沒(méi)有計(jì)及聚合資源特性。

針對(duì)虛擬電廠聚合資源的對(duì)外運(yùn)行研究，文獻(xiàn)[9]計(jì)及虛擬電廠面臨的不確定性，聚合熱電聯(lián)產(chǎn)與儲(chǔ)能系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了虛擬電廠的競(jìng)標(biāo)策略。在單個(gè)市場(chǎng)研究的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[10-11]設(shè)計(jì)了聚合分布式資源的虛擬電廠框架，并構(gòu)建了日前-實(shí)時(shí)市場(chǎng)兩階段運(yùn)行優(yōu)化模型。在文獻(xiàn)[10-11]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[12]進(jìn)一步考慮需求響應(yīng)，提出了日前市場(chǎng)-實(shí)時(shí)市場(chǎng)的競(jìng)標(biāo)策略模型。除了對(duì)單個(gè)虛擬電廠進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[13-15]提出了多個(gè)虛擬電廠即區(qū)域虛擬電廠的調(diào)度優(yōu)化?，F(xiàn)有研究雖然對(duì)單個(gè)與多個(gè)虛擬電廠參與日前-日內(nèi)市場(chǎng)進(jìn)行了研究，但是虛擬電廠由于聚合資源的不同呈現(xiàn)出不同的差異性，一方面現(xiàn)有研究缺少對(duì)不同類型虛擬電廠運(yùn)行優(yōu)化的研究；另一方面，在構(gòu)建運(yùn)行優(yōu)化模型時(shí)缺少對(duì)聚合資源特性的考慮。

綜上所述，本文首先基于聚合資源的運(yùn)行成本構(gòu)建了虛擬電廠內(nèi)層的合作博弈定價(jià)博弈模型；進(jìn)而提出了電廠型虛擬電廠與負(fù)荷型虛擬電廠的運(yùn)行策略，最后以某一區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行算例分析。

1 虛擬電廠聚合資源特性分析

1.1 虛擬電廠框架

虛擬電廠聚合工業(yè)用戶負(fù)荷、居民用戶負(fù)荷、分布式光伏、分布式儲(chǔ)能進(jìn)行內(nèi)層與外層運(yùn)行。虛擬電廠的雙層運(yùn)行框架如圖1 所示。

圖1 虛擬電廠框架Fig.1 Virtual power plant framework

1.2 聚合資源特性分析

1）分布式光伏。在響應(yīng)特性方面，分布式光伏發(fā)電響應(yīng)調(diào)度中心調(diào)度的速率快，其出力具體如式（1）所示：

2）分布式儲(chǔ)能。本節(jié)的分布式儲(chǔ)能指蓄電池，在響應(yīng)特性方面蓄電池通過(guò)儲(chǔ)電與釋電能夠快速地響應(yīng)虛擬電廠調(diào)控中心的調(diào)度，可用于減少分布式光伏發(fā)電的不確定性。蓄電池建模如式（2）所示：

式中：Eba,t為t時(shí)刻蓄電池的剩余電量；Qba為蓄電池容量；D(T)為蓄電池的工作電流；T為溫度。

3）需求響應(yīng)。需求響應(yīng)來(lái)自于工業(yè)負(fù)荷與居民負(fù)荷中能夠削減或者轉(zhuǎn)移的負(fù)荷。對(duì)工業(yè)負(fù)荷與居民負(fù)荷中能夠調(diào)節(jié)的需求響應(yīng)負(fù)荷按照參與度劃分為一級(jí)需求響應(yīng)、二級(jí)需求響應(yīng)，參與度如式（3）所示：

2 虛擬電廠內(nèi)層運(yùn)行策略

電廠型虛擬電廠與負(fù)荷型虛擬電廠其內(nèi)部運(yùn)行策略是一致的。

2.1 聚合資源運(yùn)行成本

3）需求響應(yīng)成本。工業(yè)用戶與居民用戶進(jìn)行需求響應(yīng)，單獨(dú)與市場(chǎng)交互時(shí)的成本主要包括用能成本與進(jìn)行需求響應(yīng)導(dǎo)致效用下降的成本，如式（7）所示：

2.2 合作博弈定價(jià)模型

虛擬電廠聚合分布式光伏、分布式儲(chǔ)能與需求響應(yīng)以合作模式參與市場(chǎng)交易，此時(shí)虛擬電廠內(nèi)部的總運(yùn)行成本如式（8）所示：

與各類資源單獨(dú)運(yùn)行的模式相比，成本之差如式（9）所示：

由于各類資源合作產(chǎn)生的運(yùn)行成本的下降量應(yīng)由各主體及虛擬電廠共同分?jǐn)偅疚膹馁Y源響應(yīng)計(jì)劃完成率及邊際貢獻(xiàn)率兩方面進(jìn)行運(yùn)行成本下降量的分?jǐn)?。?jì)劃完成率與邊際貢獻(xiàn)值如式（10）所示：

基于各類資源的計(jì)劃完成率與邊際貢獻(xiàn)值進(jìn)行成本分?jǐn)偡椒ㄈ缡剑?1）所示，計(jì)劃完成率越高及邊際貢獻(xiàn)值越高的資源應(yīng)該獲得更多的成本下降帶來(lái)的增益。

3 虛擬電廠外層運(yùn)行策略

2 種類型的虛擬電廠在外層運(yùn)行時(shí)，其參與市場(chǎng)不一致，導(dǎo)致2 者的運(yùn)行策略存在差異。

3.1 電廠型虛擬電廠運(yùn)行策略

電廠型虛擬電廠為分布式光伏出力、儲(chǔ)能出力大于工業(yè)用戶、居民用戶負(fù)荷需求，其外層運(yùn)行主要在電能量市場(chǎng)參與日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)多時(shí)間尺度的交易，也即三階段交易策略。

1）日前市場(chǎng)。日前市場(chǎng)中以虛擬電廠的收益最大化為目標(biāo)函數(shù)，如式（13）所示：

虛擬電廠在日前市場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中的約束包含功率平衡約束及機(jī)組運(yùn)行約束，此類約束較為常見(jiàn)，參考文獻(xiàn)[16-17]，在此不再贅述。

2）日內(nèi)市場(chǎng)。在日內(nèi)市場(chǎng)中，由于蓄電池響應(yīng)速率快，所以以蓄電池和第一類需求響應(yīng)為主來(lái)彌補(bǔ)日前與日內(nèi)市場(chǎng)中的偏差量，并以虛擬電廠中的收益最大化為目標(biāo)函數(shù)，如式（14）所示：

3）實(shí)時(shí)市場(chǎng)。在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中，由于調(diào)度時(shí)長(zhǎng)5 min，無(wú)法通過(guò)調(diào)整蓄電池進(jìn)行偏差彌補(bǔ)，通過(guò)調(diào)用第二類需求響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)與日內(nèi)的偏差彌補(bǔ)，無(wú)法彌補(bǔ)部分需要支付偏差懲罰成本，并以收益最大化為目標(biāo)函數(shù)，如式（15）所示：

在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中的約束條件同日前市場(chǎng)，不再贅述。

3.2 負(fù)荷型虛擬電廠運(yùn)行策略

負(fù)荷型虛擬電廠為分布式光伏出力、儲(chǔ)能出力小于工業(yè)用戶、居民用戶負(fù)荷需求，其外層運(yùn)行主要聚合需求響應(yīng)參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)，其目標(biāo)函數(shù)為虛擬電廠收益最大化，如式（16）所示：

負(fù)荷型虛擬電廠運(yùn)行約束同電廠型虛擬電廠，不再贅述。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了對(duì)所建模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，選取某一區(qū)域以虛擬電廠形式聚合各類資源。該區(qū)域春秋季節(jié)光伏出力多，負(fù)荷需求少，為電廠型虛擬電廠；在夏冬季節(jié)光伏出力少，空調(diào)采暖等需求增加，負(fù)荷需求大，為負(fù)荷型虛擬電廠。因此，本節(jié)以春季為例表示電廠型虛擬電廠，夏季為例表示負(fù)荷型虛擬電廠。各類資源的基礎(chǔ)參數(shù)參考文獻(xiàn)[18-21]，分時(shí)電價(jià)參數(shù)參考文獻(xiàn)[22-23]。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 虛擬電廠內(nèi)層合作博弈定價(jià)模型的有效性分析

為了驗(yàn)證本文所提的合作博弈定價(jià)模型的有效性，設(shè)定如下3 種情景。

情景1：虛擬電廠調(diào)控中心與分布式光伏、蓄電池、需求響應(yīng)3 類資源簽訂固定價(jià)格合同。

情景2：虛擬電廠調(diào)控中心與分布式光伏、蓄電池、需求響應(yīng)3 類資源進(jìn)行合作博弈定價(jià)，成本增益按照各類資源出力規(guī)模進(jìn)行分?jǐn)偠▋r(jià)。

情景3：虛擬電廠調(diào)控中心與分布式光伏、蓄電池、需求響應(yīng)3 類資源進(jìn)行合作博弈定價(jià)，成本增益結(jié)合各類資源的計(jì)劃完成與邊際收益進(jìn)行分?jǐn)偠▋r(jià)。

基于3 種情景，按照3 種情景下各類資源調(diào)用計(jì)劃平均完成率、虛擬電廠聚合資源的內(nèi)層運(yùn)行成本以及虛擬電廠供需偏差率進(jìn)行有效性的評(píng)價(jià)。以電廠型虛擬電廠為例，其在3 種情景下的評(píng)價(jià)結(jié)果如表1 所示。

表1 電廠型虛擬電廠不同情景下有效性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 1 Effectiveness evaluation results of power plant virtual power plant under different scenarios

由表1 可知，在現(xiàn)有參數(shù)計(jì)算條件下，，結(jié)合各類資源的計(jì)劃完成與邊際收益進(jìn)行分?jǐn)偠▋r(jià)的情景3 調(diào)用計(jì)劃平均完成率最高、內(nèi)層運(yùn)行成本與供需偏差率最低。這是因?yàn)椴捎霉潭ǘ▋r(jià)的情景1，可能忽略了各類資源的運(yùn)行特性及響應(yīng)特性，無(wú)法動(dòng)態(tài)定價(jià)，對(duì)各類資源的激勵(lì)性降低，導(dǎo)致調(diào)用計(jì)劃平均完成率降低，資源無(wú)法最優(yōu)配置導(dǎo)致內(nèi)層運(yùn)行成本提高。情景2 雖然考慮了合作博弈定價(jià)，但是僅僅考慮各類資源的出力規(guī)模，未考慮資源的響應(yīng)完成情況，呈現(xiàn)出各類資源在申報(bào)時(shí)有意提高申報(bào)率，降低了調(diào)用計(jì)劃的完成，導(dǎo)致了偏差懲罰成本增加，也即運(yùn)行成本提高。

4.2.2 虛擬電廠外層運(yùn)行策略的有效性分析

為了驗(yàn)證本文所提的虛擬電廠外層運(yùn)行策略的有效性，以電廠型虛擬電廠為例，設(shè)置如下4 種情景。

情景1：不劃分虛擬電廠的類型，均采用文獻(xiàn)[24]的優(yōu)化調(diào)度模型，即日前-實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化。

情景2：劃分虛擬電廠的類型，電廠型虛擬電廠采用文獻(xiàn)[25]的優(yōu)化調(diào)度模型，即日前-實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化，負(fù)荷型虛擬電廠采用本文的運(yùn)行策略。

情景3：劃分虛擬電廠的類型，電廠型虛擬電廠采用日前-日內(nèi)-實(shí)時(shí)三級(jí)調(diào)度優(yōu)化模型對(duì)本文的虛擬電廠進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化，但不考慮各類資源的響應(yīng)特性；負(fù)荷型虛擬電廠采用本文的運(yùn)行[26-27]策略。

情景4：采用本文提出的虛擬電廠外層運(yùn)行策略。

基于4 種情景設(shè)置，得到4 種情景在外層運(yùn)行成本如表2 所示。

表2 4種情景下外層運(yùn)行成本Table 2 Outer layer operation cost under four scenarios元

由表2 可知，在現(xiàn)有參數(shù)條件下，采用本文提出的虛擬電廠外層運(yùn)行策略，得到的運(yùn)行成本在4種情景中最低。這是因?yàn)榕c情景1 相比，情景1 未劃分虛擬電廠的類型，無(wú)法按照虛擬電廠的特性選擇合適的參與市場(chǎng)的運(yùn)行機(jī)制；同時(shí)僅考慮日前-實(shí)時(shí)兩級(jí)優(yōu)化調(diào)度，會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)偏差率提升，加大了市場(chǎng)偏差懲罰成本，所以情景1 的運(yùn)行成本比情景4 高出了2 268.58 元；情景2 與情景1 一致，僅考慮日前-實(shí)時(shí)兩級(jí)調(diào)度優(yōu)化，會(huì)提高偏差懲罰成本。與情景3 相比，其雖然考慮了日前-日內(nèi)-實(shí)時(shí)三級(jí)優(yōu)化調(diào)度，但是未考慮各類資源的響應(yīng)特性，因此在日內(nèi)與實(shí)時(shí)階段的調(diào)整中可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)各類資源配置最優(yōu)以及調(diào)整成本最小。綜合來(lái)看，考慮虛擬電廠分類及各類資源特性的虛擬電廠運(yùn)行策略最優(yōu)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)考慮聚合資源特性的虛擬電廠雙層差異化運(yùn)行策略進(jìn)行了研究，通過(guò)算例分析得到如下結(jié)論：

1）本文提出了考慮各類資源的計(jì)劃完成與邊際收益進(jìn)行分?jǐn)偠▋r(jià)的合作博弈定價(jià)模型，其調(diào)用計(jì)劃平均完成率最高、內(nèi)層運(yùn)行成本與供需偏差率最低。

2）考慮虛擬電廠分類以及各類資源特性的虛擬電廠運(yùn)行策略最優(yōu)。