面向風(fēng)電消納的用戶擾動(dòng)單價(jià)優(yōu)化研究

韓志豪 程曉磊 趙晨旭 周思宇 龍虹毓 朱金菊

摘 ?要： 為提高用戶參與電網(wǎng)調(diào)度的積極性，挖掘用戶的風(fēng)電消納潛能，提出一種計(jì)及用戶熱負(fù)荷值、熱負(fù)荷空間位置、價(jià)格響應(yīng)非均一性的用戶擾動(dòng)單價(jià)優(yōu)化策略。首先，建立用戶熱負(fù)荷模型，分析用戶熱負(fù)荷存在非均一性的原因;其次，在綜合考慮用戶熱負(fù)荷大小以及用戶、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上建立用戶擾動(dòng)單價(jià)模型，確定用戶擾動(dòng)單價(jià)的上下限;隨后，建立用戶價(jià)格響應(yīng)模型，分析用戶價(jià)格響應(yīng)存在非均一性的原因;最后，以系統(tǒng)整體運(yùn)行收益最大為目標(biāo)函數(shù)，建立一種熱電協(xié)同調(diào)度下計(jì)及用戶非均一性的擾動(dòng)單價(jià)優(yōu)化模型，并使用混合整數(shù)非線性規(guī)劃算法進(jìn)行求解。算例計(jì)算表明，通過(guò)與統(tǒng)一定價(jià)策略相比，所提優(yōu)化策略可使用戶參與率提高27.65%，風(fēng)電消納量增加6.16%，單位擾動(dòng)成本降低19.05%，系統(tǒng)收益增加7.87%。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)電消納; 用戶價(jià)格響應(yīng); 擾動(dòng)單價(jià); 差異性; 統(tǒng)一定價(jià); 熱電協(xié)同調(diào)度

中圖分類號(hào)： TN99?34; TM734 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）07?0131?05

Research on user disturbing unit price optimization for wind power integration

HAN Zhihao1， CHENG Xiaolei2， ZHAO Chenxu2， ZHOU Siyu1， LONG Hongyu1， ZHU Jinju1

（1. College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715， China;

2. Inner Mongolia Academy of Economy and Technology， Hohhot 010000， China）

Abstract： In order to increase users′ enthusiasm for participating in grid dispatching and develop users′ wind power integration potential， a user disturbance unit price optimization strategy is proposed， which takes into account users′ heat load value， space location of heat load and non?uniformity of price response. A user heat load model is established to analyze the reasons for the non?uniformity of the users′ heat load. On the basis of the comprehensive consideration of the users′ heat load and the economy of users and system， a user disturbance unit price model is established， and the upper and lower limits of the user disturbance unit price are determined. Then， a user price response model is established to analyze the reasons for the non?uniformity of the user price response. Finally， the maximum overall operating revenue of system is taken as the objective function to establish a user ?disturbance unit price optimization model which takes into account the user non?uniformity under coordinated dispatching of heat and power， and the model is solved with the mixed integer nonlinear programming method. Case studies show that， in comparison with the unified pricing optimization strategy， the proposed optimization strategy can increase the user participation rate by 27.65%， the wind power integration by 6.16%， as well as the system revenue by 7.87%， and decrease the unit disturbance cost by 19.05%.

Keywords： wind power integration; user price response; disturbance unit price; difference; uniform price; thermoelectric coordinated scheduling

2 ?用戶擾動(dòng)單價(jià)優(yōu)化模型

2.1 ?計(jì)及用戶非均一性的用戶擾動(dòng)單價(jià)優(yōu)化模型

本文根據(jù)用戶距離熱源的距離將用戶分為[L]組[17]，并根據(jù)用戶的熱負(fù)荷大小將用戶分為I類。在考慮用戶熱負(fù)荷、空間分布、價(jià)格響應(yīng)的基礎(chǔ)上，建立以系統(tǒng)收益最大化為目標(biāo)函數(shù)的用戶擾動(dòng)單價(jià)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型。

目標(biāo)函數(shù)：

[Rmax=Rp-Rf-Ru] ?（7）

式中：[R]，[Ru]，[Rp]，[Rf]分別為系統(tǒng)總收益、用戶補(bǔ)償總支出、系統(tǒng)供能總收入、機(jī)組運(yùn)營(yíng)總支出。

[Ru=t=1Tl=1Li=1IRmt，i?qu?ehpt，l，iHl，i] ?（8）

[Rf=τ?t=1TPwindt?λwind+Yt] （9）

[Rp=τ?t=1TPwindt+Pchpt?η+Qchpt?θ] （10）

式中：[Rmt，i]為[t]時(shí)刻第[i]類用戶的擾動(dòng)單價(jià)（單位為元/次）;[H（l，i）]為第[l]組第[i]類用戶單個(gè)用戶熱負(fù)荷（單位為kW）;[qu?ehp][（t，l，i）]為[t]時(shí)刻第[l]組第[i]類用戶熱泵耗電總功率;[Pwind（t）]為[t]時(shí)刻風(fēng)電出力（單位為kW）;[λwind]為風(fēng)電的生產(chǎn)成本（單位為元/kW?h）;[Yt]為[t]時(shí)刻熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)營(yíng)成本（單位為元/h）;[Pchp（t）]為[t]時(shí)刻機(jī)組電出力（單位為kW）;[Qchp（t）]為[t]時(shí)刻機(jī)組熱出力（單位為kW）。

電平衡約束：

[Pchpt=Pu?ehpt+Pu?pt-Pwindt] ? （11）

[Pu?ehpt=l=1Li=1Ipu?ehpt，l，i] ? ? ?（12）

[Pwindt≤pwindt] ?（13）

式中：[Pchpt]為[t]時(shí)刻機(jī)組電出力;[Pu?ehpt]為[t]時(shí)刻用戶熱泵總功率;[Pu?pt]為[t]時(shí)刻除熱泵用戶外的總功率;[pu?ehp（t，l，i）]為[t]時(shí)刻第[l]組第[i]類用戶的用戶熱泵總功率;[Pwindt]為風(fēng)電預(yù)測(cè)功率。

用戶端熱平衡約束：

[qut，l，i=qu?chpt，l，i+qu?ehpt，l，i] ? （14）

[qu?ehpt，l，i≤δt，i?qut，l，i] ?（15）

式中：[qut，l，i]為[t]時(shí)刻第[l]組第[i]類用戶實(shí)際熱負(fù)荷需求總量（單位為kW）;[qu?chpt，l，i]為[t]時(shí)刻第[l]組第[i]類用戶熱水供熱總功率（單位為kW）;[qu?ehpt，l，i]為[t]時(shí)刻第[l]組第[i]類用戶熱泵供熱總功率（單位為kW）;[δt，i]為[t]時(shí)刻第[i]類用戶的價(jià)格響應(yīng)。

用戶熱泵熱電轉(zhuǎn)換約束：

[qu?chpt，l，i=α?pu?ehpt，l，i] ?（16）

式中：[pu?ehpt，l，i]為[t]時(shí)刻第[l]組第[i]類用戶熱泵耗電總功率（單位為kW）;[α]為用戶熱泵制熱系數(shù)。

用戶價(jià)格響應(yīng)約束如下：

[δt，i=0， ? ? ? Rmt，i≤Rciδmaxi?Rmt，i-RciRsi-Rci， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Rci≤Rmt，i≤Rsiδmaxi， ? ? ? Rmt，i≥Rsi] ?（17）

式中：[δmaxi]為第[i]類用戶的價(jià)格響應(yīng)上限;[Rmt，i]為[t]時(shí)刻第[i]類用戶的擾動(dòng)單價(jià)（單位為元/次）;[Rci]為第[i]類用戶對(duì)價(jià)格響應(yīng)的死區(qū)閾值;[Rsi]為第[i]類用戶對(duì)價(jià)格響應(yīng)的飽和閾值。

用戶擾動(dòng)單價(jià)約束如下：

[Rmmini=Kd?qui] ?（18）

[Rmmaxi=Km?qui] （19）

[Rmmini≤Rmt，i≤Rmmaxi] （20）

式中：[Rmmini]為第[i]類用戶的擾動(dòng)單價(jià)下限;[Rmmaxi]為第[i]類用戶的擾動(dòng)單價(jià)上限;[Kd]，[Km]為比例系數(shù)。

源端熱平衡約束為：

[Qchpt=l=1Li=1Iqu?chpt+l，l，i] （21）

機(jī)組熱/電出力約束如下：

[Pminchpt=a1?Qchpt+b1， ? 0≤Qchpt≤Qdchpa2?Qchpt+b2， ? Qdchp≤Qchpt≤Qmaxchp] （22）

[Pmaxchpt=a3?Qchpt+b3， ? 0≤Qchpt≤Qmaxchp] （23）

[Pminchpt≤Pchpt≤Pmaxchpt] （24）

式中：[Pchpt]，[Qchpt]為[t]時(shí)刻抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電、熱出力;[Pminchpt]，[Pmaxchpt]為抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組最小、最大發(fā)電出力;[Qdchp]為機(jī)組熱電出力曲線，工況拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)機(jī)組熱出力;[Qmaxchp]為機(jī)組最大熱出力;[a1]，[a2]，[a3]為機(jī)組熱/電出力約束的變化率;[b1]，[b2]，[b3]為機(jī)組熱/電出力約束的常數(shù)部分。

2.2 ?統(tǒng)一定價(jià)模式下的用戶擾動(dòng)單價(jià)優(yōu)化模型

由于目前在熱電聯(lián)合供暖來(lái)促進(jìn)新能源消納的相關(guān)研究中還未涉及到用戶的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償問(wèn)題，本文在建立計(jì)及用戶非均一性的擾動(dòng)單價(jià)優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上建立了統(tǒng)一定價(jià)策略的優(yōu)化模型，以提高研究的可比性和科學(xué)性。統(tǒng)一定價(jià)模型與本文策略相比的主要不同是，統(tǒng)一定價(jià)策略下各類用戶的擾動(dòng)單價(jià)是相同的，如式（25）所示。

用戶擾動(dòng)單價(jià)約束：

[Rmt，1=Rmt，2=…=Rmt，I] ? ?（25）

目標(biāo)函數(shù)、電平衡約束、用戶端熱平衡約束、用戶調(diào)度價(jià)格響應(yīng)約束與本文策略相同，見式（7）～式（17）。源端熱平衡約束、機(jī)組熱/電出力約束與本文策略相同，見式（21）～式（24）。

3 ?算例分析

3.1 ?發(fā)電機(jī)組參數(shù)

本文以一臺(tái)抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為算例，其工況如下：

機(jī)組電出力下限：

[Pminchpt=92.06-0.344?Qchpt， ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0≤Qchpt≤850.33?Qchpt+35.53， ? ? ? ? ? ? ? ? ? 85≤Qchpt≤153] ? （26）

機(jī)組電出力上限：

[Pmaxchpt=151.9-0.279?Qchpt， ? 0≤Qchpt≤153] ? （27）

機(jī)組運(yùn)營(yíng)成本：

[Yt=11.25?Qchpt+33.33?Pchpt+79.92] （28）

3.2 ?用戶數(shù)據(jù)

本文將用戶按照距離分為10組，按照用戶熱負(fù)荷大小將用戶分為三類。設(shè)三類用戶熱負(fù)荷分別為2 kW，4 kW，6 kW。每組用戶中三類用戶的數(shù)量均為125個(gè)，即每組有375個(gè)用戶。用戶熱泵的制熱系數(shù)均為3，用戶的購(gòu)電單價(jià)為0.55 元/kW?h，風(fēng)電的生產(chǎn)成本為0.3 元/kW?h，系統(tǒng)的調(diào)度時(shí)間間隔為5 min，熱水供暖的單價(jià)為0.15元/kW?h。設(shè)用戶的價(jià)格響應(yīng)最大為80%，用戶價(jià)格響應(yīng)曲線的死區(qū)閾值與飽和閾值分別為該類用戶的擾動(dòng)單價(jià)上限、擾動(dòng)單價(jià)下限（用戶的擾動(dòng)單價(jià)上下限根據(jù)式（5）求得）。三類用戶的價(jià)格響應(yīng)曲線如圖2所示。

3.3 ?結(jié)果分析

在Intel[?] Pentium[?] CPU G2010 @ 2.80 Hz RAM 4.00 GB 硬件配置下，64位Windows 7旗艦版操作環(huán)境下，利用GAMS（一款用于數(shù)學(xué)規(guī)劃和優(yōu)化的建模軟件）對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解[18?19]，得到以下結(jié)果：

非統(tǒng)一定價(jià)策略與統(tǒng)一定價(jià)策略下各類用戶參與調(diào)度的熱負(fù)荷量分別如圖3，圖4所示。通過(guò)對(duì)比分析可知：

1） 非統(tǒng)一定價(jià)策略下各類用戶選擇相對(duì)比較集中，且統(tǒng)一時(shí)刻類參與調(diào)度的用戶熱負(fù)荷量也相對(duì)比較均衡;

2） 非統(tǒng)一定價(jià)策略下各類用戶參與調(diào)度的最大熱負(fù)荷量為6 MW，統(tǒng)一定價(jià)策略下各類用戶參與調(diào)度的最大熱負(fù)荷量為4 MW;

3） [t9]～[t12]，[t28]～[t31]時(shí)段非統(tǒng)一定價(jià)策略下，參與調(diào)度的用戶組別數(shù)量明顯大于統(tǒng)一定價(jià)策略。由以上結(jié)果可以看出，非統(tǒng)一定價(jià)策略下用戶參與調(diào)度的熱負(fù)荷總量得到了提高，并且參與調(diào)度的用戶組別也有提高。

不同策略下系統(tǒng)的風(fēng)電消納量如圖5，圖6所示。其中，熱泵消納是指通過(guò)調(diào)度用戶熱泵來(lái)消納風(fēng)電，機(jī)組消納是指通過(guò)改變抽凝機(jī)組電出力促進(jìn)消納風(fēng)電。

通過(guò)對(duì)比分析圖5，圖6可知：

1） 非統(tǒng)一定價(jià)策略下系統(tǒng)的風(fēng)電最大出力明顯大于統(tǒng)一定價(jià)策略下系統(tǒng)的風(fēng)電最大出力;

2） 非統(tǒng)一定價(jià)策略下系統(tǒng)的風(fēng)電消納量大于統(tǒng)一定策略下系統(tǒng)的風(fēng)電消納量;

3） [t0]～[t3]，[t9]～[t12]，[t34]～[t36]時(shí)段內(nèi)非統(tǒng)一定價(jià)策略下用戶熱負(fù)荷參與總量明顯大于統(tǒng)一定價(jià)策略的用戶熱負(fù)荷參與總量。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比分析可知，出現(xiàn)上述結(jié)果的主要原因是：非統(tǒng)一定價(jià)策略下用戶熱負(fù)荷參與總量大于統(tǒng)一定價(jià)策略的用戶熱負(fù)荷參與總量。

不同策略下的優(yōu)化結(jié)果見表1。由表1可知，非統(tǒng)一定價(jià)策略在提高用戶參與率、促進(jìn)風(fēng)電消納、降低單位擾動(dòng)成本、增加系統(tǒng)收益方面均優(yōu)于統(tǒng)一定價(jià)策略。其中，用戶參與率提高27.65%，風(fēng)電消納量增加6.16%，單位擾動(dòng)成本降低19.05%，系統(tǒng)收益增加7.87%。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文提出了基于用戶熱負(fù)荷值、熱負(fù)荷空間位置、用戶價(jià)格響應(yīng)非均一性的用戶擾動(dòng)補(bǔ)償動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略。為增加結(jié)果的科學(xué)性與可比性，本文在建立計(jì)及用戶非均一性的擾動(dòng)單價(jià)優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上建立了統(tǒng)一定價(jià)策略的優(yōu)化模型，并將兩種不同策略下的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。最終得出以下結(jié)論：

1） 在運(yùn)行周期內(nèi)，本文所提出的優(yōu)化策略能使用戶的參與率提高27.65%，系統(tǒng)有更多的調(diào)度資源來(lái)促進(jìn)風(fēng)電消納。風(fēng)電消納量提高了6.16%。

2） 在運(yùn)行周期內(nèi)，本文所提出的優(yōu)化策略能夠在獲得以上效益的同時(shí)，使單位擾動(dòng)成本降低19.05%，進(jìn)而使系統(tǒng)收益增加了7.87%。

綜上所述，本文提出的計(jì)及用戶非均一性的擾動(dòng)單價(jià)優(yōu)化策略不僅能夠提高用戶參與率、促進(jìn)風(fēng)電消納，而且還能夠降低單位擾動(dòng)單價(jià)、增加系統(tǒng)收益。

注：本文通訊作者為龍虹毓。

參考文獻(xiàn)

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