楊澄宇,趙 毅,劉慕騏,于惠博,雷蔚充

(沈陽工程學院電力學院,遼寧 沈陽 110136)

0 引言

隨著電力市場發(fā)展,以長時交易為主的電量市場逐漸向現(xiàn)貨市場發(fā)展[1-3]。在現(xiàn)有的電力現(xiàn)貨市場中,小型用戶由電網(wǎng)公司統(tǒng)一調度,其固有用電模式導致現(xiàn)貨市場中頻繁出現(xiàn)極端價格,降低了現(xiàn)貨市場運行效率[3-4]。需求響應是指電力市場中的用戶根據(jù)市場價格或激勵調節(jié)消費模式的市場互動行為,包括激勵型和電價型2種需求響應形式[5]。

國內外針對電價型需求響應研究較為深入[6-8]。發(fā)達國家發(fā)展電力市場時間較長,激勵型需求響應已被應用于電力市場體系中,國內針對激勵型需求響應的研究相對滯后,相關研究仍處于試運行階段[8-10]。文獻[11]在考慮可轉移負荷或緊急參與需求響應的資源后求解日前市場的節(jié)點電價;文獻[12]研究了日前市場的調度優(yōu)化問題,通過需求響應資源的合理購入降低系統(tǒng)成本;文獻[13]結合用戶報量不報價的行為模式,修正了用戶的申報負荷。目前,有關激勵型需求響應的研究有2種,一種是以投標為目標進行決策優(yōu)化;另一種是通過對用戶用電行為的控制策略進行優(yōu)化[14-16]。文獻[17]基于電價型需求響應展開相關研究,闡述了電力市場中需求響應會對配電網(wǎng)產生間接影響;文獻[18]提出一種考慮價格型需求響應與風電出力不確定性的電熱聯(lián)合調度方法,引入價格型需求響應機制實現(xiàn)發(fā)用電側資源與需求響應資源相互協(xié)調;文獻[19]研究了直接負荷控制項目的實施過程,分析了導致用戶退出直接負荷控制的因素,提出了基于需求側長控方案的供需雙側協(xié)同優(yōu)化調度模型;文獻[20]研究了用戶典型用能模式的特點及其行為原因,為需求響應策略的制訂提供理論支持;文獻[21]針對激勵型需求響應,研究了配電網(wǎng)運行的變化趨勢,并對其在特定條件下的可靠程度進行分析,但并未給出具體的需求響應調度策略。通過對以上文獻分析,現(xiàn)有相關研究忽略了用戶參與市場的方式及響應行為的差異性和需求響應對配電網(wǎng)可靠性的影響。

本文考慮不同的用戶市場參與方式及響應行為的差異性,設計適用于聚合商聚合場景的需求響應機制,并給出相應的結算方法以提升優(yōu)化機制的可持續(xù)運行能力;提出負荷聚合商基于負荷削減與負荷轉移2種需求響應合同的投標決策優(yōu)化模型,實現(xiàn)了需求響應環(huán)境下配電網(wǎng)可靠性評估。

1 考慮用戶類型的需求響應模型

1.1 需求響應模型的框架設計

在電力市場中,直接參與的用戶稱為一類用戶,間接參與的用戶稱為二類用戶。二類用戶采用固定電價結算,具有基數(shù)大、分散性強、不具備需求側彈性的特點。本文以二類用戶需求響應為研究對象,設計基于負荷聚合商的需求響應機制架構,通過需求響應負荷聚合商聚合二類用戶,使其作為提供需求響應的實體。需求響應機制框架見圖1。

圖1 需求響應機制框架

1.2 用戶側間接參與需求響應的機制

從電力系統(tǒng)整體運行方面的角度考慮,負荷聚合商的聚合管理能夠更好的應對負荷增長為電力系統(tǒng)及電力市場運營帶來的諸多問題,節(jié)約源側發(fā)電成本和配電側投資,提高電力市場運行效率。從荷側考慮,作為基于源測和荷側的需求響應機制中間商,聚合商為廣大二類用戶和諸多中小負荷提供了降低用電成本、參與市場調節(jié)的機會,能夠通過專業(yè)技術手段全面開發(fā)各類負荷的響應潛力,充分調動荷側各類潛在的靈活資源響應到市場價格波動中,實現(xiàn)終端負荷用電效率整體提高。

電力市場初期實行全電量競價上網(wǎng)和邊際電價出清,聚合商相應的可以針對市場的直接和間接參與者簽訂雙邊合同形成代理投標決策模式。聚合商可根據(jù)合同雙方要求及實時市場信號刺激,基于用戶分類將主要針對代理二類用戶提出在日前市場的需求響應策略,如圖2所示。

圖2 聚合商代理二類用戶需求響應策略

當二類用戶需求預測值較小時,市場出清電價較低,一類用戶成交電量較高。隨著二類用戶需求預測值逐漸增大,市場出清電價隨之升高,一類用戶成交電量逐漸降低,在極端情況下,一類用戶成交電量甚至降到極低水平,二類用戶用電需求會抬高市場的出清價格,影響市場高效運行。

本文提出一種考慮需求響應負荷聚合商的需求響應機制,通過某一電價閾值觸發(fā)需求響應,使二類用戶積極參與需求響應,調節(jié)日前用電模式,保證參與需求響應各方穩(wěn)定收益。

1.3 基于負荷聚合商的需求響應出清模型

為建立本文提出的負荷聚合商聚合場景下的需求響應機制,建立計及二類用戶的市場出清模型,電價達到設定的閾值時,使用所提出的出清模型優(yōu)化出清,引導二類用戶實施需求響應。為充分調動用戶響應潛力,優(yōu)化目標設定為聚合商的總收益最大。模型如式(1)、式(2)所示。

maxFL=BⅠ+BⅡ-CG

(1)

maxFⅡ=BⅠ+BⅡ-CG-CⅡ

(2)

式中:FL為聚合商的總收益;FⅡ為二類用戶需求響應的所有市場參與者的總效益;BⅠ和BⅡ分別為一類用戶和二類用戶的用電效益;CG為電力生產企業(yè)的發(fā)電成本,包括發(fā)電機組的啟停和運維成本;CⅡ為二類用戶參與需求響應時消耗的成本。上述模型與聚合商場景下的情況相比,需求響應市場的總成本增加了二類用戶的需求響應成本。

(3)

(4)

(5)

式中:T為時段數(shù);NⅠd為一類用戶個數(shù);dⅠj,t為一類用戶j在t時段的負荷功率;BⅠj,t(dⅠj,t)為一類用戶j在t時間內的負荷功率dⅠj,t的價格;NG為發(fā)電企業(yè)中的機組數(shù)量;PGi,t為常規(guī)響應周期內發(fā)電設備的有功功率;ai、bi、ci分別為常規(guī)機組的發(fā)電成本的二次、一次、常數(shù)項系數(shù);NⅡd為代理二類用戶的負荷聚合商總數(shù);ΔdⅡj,t為負荷聚合商j在t時段的負荷功率變化量;CⅡj,t(ΔdⅡj,t)為負荷聚合商j在t時段對應負荷功率變化量ΔdⅡj,t的報價。

1.4 需求響應效益分配方法

在本文所提出的需求響應策略中,需求響應成本以需求響應投標量的形式體現(xiàn),將需求響應帶來的部分收益按照投標報價分配給參與響應行為的用戶。當需求響應由市場極端高電價或系統(tǒng)調峰需求觸發(fā)時,聚合商獲得的總收益等于其成交電量與需求響應市場出清前后市場價格差的乘積,即:

BDR,t=dDR,t(ρm-ρt)

(6)

式中:BDR,t為聚合商t時段獲得的總收益;dDR,t為t時段參與響應各類用戶的響應電量成交值;ρm為市場價格上限,需求響應市場出清前一類用戶在t時段使用的電價即為ρm;ρt為響應后用戶實際的用電電價。一類用戶擬獲得的總收益將劃分給一類用戶和代理二類用戶的負荷聚合商,即:

BDR,t=BⅠ,t+BⅡ,t

(7)

式中:BⅡ,t為二類用戶在t時段分得的收益;BⅠ,t為一類用戶在t時段分得的收益。負荷聚合商分得的收益BⅡ,t用于彌補其執(zhí)行需求響應的成本,可根據(jù)負荷聚合商的需求調整量和邊際需求響應報價進行計算。

負荷聚合商申報的期望價格一般等于或者高于其引導二類用戶實施需求響應的成本。同時,為了避免負荷聚合商的需求響應收益過高導致一類用戶無法獲得正常水平收益,需求響應市場出清后需要對結果進行校驗,即一類用戶分得的收益須為非負數(shù),這是保證需求響應機制在t時段真正有效的必要條件,否則仍需保留原電力市場在t時段的最初出清結果。

2 電力市場中的激勵型需求響應

2.1 電力市場運行模式

負荷聚合商可以將居民及商業(yè)等中小型負荷聚合,作為這些負荷場景參與市場投標的代表實體,這類用戶可以在合同規(guī)定的時段內調節(jié)用電行為,并得到相應的利潤補償。在日前市場中,聚合商通過手段短期預測負荷,以提前得到下一時段的市場情況,并制定投標策略實現(xiàn)自身的最大收益。在實時市場中,聚合商基于合同規(guī)定的時間和容量彈性調節(jié)用戶負荷。

2.2 激勵型需求響應投標決策

投標容量以用戶自身利潤最大化為目標,即:

(8)

負荷削減和負荷轉移的初始成本約束如式(9)—式(12)所示。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

負荷削減和負荷轉移的時間約束如式(15)、式(16)所示。

(15)

(16)

負荷削減和負荷轉移的次數(shù)約束如式(17)—式(20)所示。

(17)

(18)

(19)

(20)

3 配電網(wǎng)運行可靠性評估

常用的配電網(wǎng)可靠性評價指標包括年平均負荷和峰值負荷。但是,隨著電力市場環(huán)境更迭,原有指標在新的市場環(huán)境下,無法滿足其實時性。選擇一個靈敏穩(wěn)定的評價指標,在激勵型需求響應環(huán)境下的電力市場中十分必要,系統(tǒng)缺供電量指標(energy not supplied,ENS)作為需求響應條件下的配電網(wǎng)可靠性評價指標可以滿足負荷變化的需求。

(21)

式中:ENS為系統(tǒng)缺供電量指標,即本文再次選定的可靠性評價指標;Pi為第i個節(jié)點的負荷情況;Ui為第i個節(jié)點年平均缺電時間;n為所評價系統(tǒng)中的節(jié)點數(shù)。配電網(wǎng)可靠性評估流程如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)可靠性評估流程

4 算例分析

4.1 需求響應機制驗算

本文基于IEEE 33節(jié)點系統(tǒng)進行算例分析,其中,包括6個一類用戶、14個代理二類用戶、10個可參與需求響應市的負荷聚合,日前市場的出清價格上限為350元/MW,需求響應的觸發(fā)條件為出清價格超出閾值?？紤]二類用戶需求響應市場出清價格曲線見圖4,通過負荷聚合商競價并調控二類用戶實施需求響應,市場出清電價和一類用戶電價均得到了有效控制,其價格均回落閾值以內。

圖4 二類用戶需求響應市場出清價格曲線

為驗證靈活負荷對需求響應的影響,設置4%～14%的靈活負荷占比,不同比例下收益結果如表1所示。

由表1可知,靈活負荷的比例超過10%時,出清電價相較于原始電價有明顯下降,其中,一類用戶的用電價格低于上限4%,有效降低了其在高峰需求時段的電價,證明了本文所提機制有效性。

表1 不同用戶需求響應收益結果

4.2 需求響應投標決策驗算

負荷削減合同參數(shù)如表2所示,負荷轉移合同參數(shù)表3所示。需求響應前后負荷曲線如圖5所示,需求響應前負荷峰谷差為218.5 MW,響應后的負荷峰谷差為167.3 MW。證明本文所提投標策略可以實現(xiàn)抑峰填谷。

表2 負荷削減合同參數(shù)

表3 負荷轉移合同參數(shù)

圖5 需求響應前后負荷曲線

采用ENS指標對激勵型需求下配電網(wǎng)的可靠性進行評估,評估結果如圖6所示。由圖6可知,在需求響應后指標顯著降低,年平均降低7.4MWh,明顯改善了配電網(wǎng)可靠性。

圖6 配電網(wǎng)可靠性指標變化

5 結語

本文根據(jù)中國電力現(xiàn)貨市場建設中的需求響應機制進行優(yōu)化,針對需求響應的投標決策問題,計及不同形式用戶的響應,制定相應聚合商聚合場景下的需求響應機制架構,通過決策策略降低系統(tǒng)在負荷高峰時段過高的電價,提出融合負荷削減與負荷轉移的聚合商投標決策機制,并基于該機制構建市場出清模型,以自身利潤為目標函數(shù),改變聚合商用電行為,實現(xiàn)抑峰填谷,提升了配電網(wǎng)運行的可靠性。