考慮用戶(hù)舒適度的虛擬電廠(chǎng)電/熱綜合需求響應(yīng)

閆 敏， 加鶴萍， 劉敦楠， 陳永權(quán)， 王宣元

(1.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206；2. 新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206；3.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100053)

0 引 言

隨著分布式能源的發(fā)展，用戶(hù)用電量飛速增長(zhǎng)，配電網(wǎng)中電、熱等負(fù)荷需求量持續(xù)增長(zhǎng)，如果在峰值時(shí)段負(fù)荷超過(guò)允許限度，必然會(huì)威脅配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]，而虛擬電廠(chǎng)能聚合多個(gè)分布式能源，并作為一個(gè)整體參與電力市場(chǎng)，故同樣存在多類(lèi)型負(fù)荷需求量持續(xù)增長(zhǎng)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多種負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度且滿(mǎn)足用戶(hù)舒適度是虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行優(yōu)化的一大挑戰(zhàn)。需求響應(yīng)指電力用戶(hù)根據(jù)市場(chǎng)電價(jià)信號(hào)或激勵(lì)機(jī)制主動(dòng)改變?cè)须娏οM(fèi)模式的行為。目前有許多學(xué)者關(guān)于考慮需求響應(yīng)的虛擬電廠(chǎng)進(jìn)行研究：文獻(xiàn)[2]文章提出需求響應(yīng)虛擬電廠(chǎng)概念，并考慮響應(yīng)的不確定性，建立不確定性需求響應(yīng)虛擬電廠(chǎng)模型與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組共同參與系統(tǒng)調(diào)度的優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[3]為減少風(fēng)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電對(duì)虛擬電站運(yùn)行的不確定性影響，引入魯棒優(yōu)化理論，建立了考慮不確定性、基于價(jià)格的需求響應(yīng)和基于激勵(lì)的需求響應(yīng)的虛擬電站隨機(jī)調(diào)度模型；文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了虛擬電廠(chǎng)精細(xì)化需求響應(yīng)模型和兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)需求響應(yīng)效益系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，所建立的需求響應(yīng)系數(shù)能正確地反應(yīng)用戶(hù)的需求響應(yīng)傾向，利用精細(xì)化需求響應(yīng)模型虛擬電廠(chǎng)能充分發(fā)揮用戶(hù)側(cè)需求響應(yīng)，并提高整體經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[5]集成風(fēng)電、光伏發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和激勵(lì)型需求響應(yīng)為虛擬電廠(chǎng)，引入條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值理論和置信度方法描述虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行不確定性，以運(yùn)營(yíng)收益最大化為目標(biāo)函數(shù)，建立考慮運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的虛擬電廠(chǎng)隨機(jī)調(diào)度優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[6]建立了考慮風(fēng)險(xiǎn)約束的虛擬電廠(chǎng)需求響應(yīng)能源管理模型，在保證系統(tǒng)電能質(zhì)量的同時(shí)降低虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行成本；文獻(xiàn)[7]提出了一種數(shù)據(jù)挖掘驅(qū)動(dòng)的基于激勵(lì)的需求響應(yīng)方案來(lái)模擬虛擬電廠(chǎng)與其參與者之間的電力交易，該方案有效減少用戶(hù)用電負(fù)荷，同時(shí)最大限度地利用分布式能源。

然而單一負(fù)荷的需求響應(yīng)已不能滿(mǎn)足多類(lèi)負(fù)荷需求量持續(xù)增長(zhǎng)的現(xiàn)狀[8]，故考慮多種類(lèi)型負(fù)荷聯(lián)合調(diào)度及綜合需求響應(yīng)也有許多學(xué)者進(jìn)行研究：文獻(xiàn)[9，10]對(duì)多能源市場(chǎng)下綜合需求響應(yīng)能源的協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[11]在電解水制氫環(huán)節(jié)引入儲(chǔ)氫，通過(guò)氫燃料電池，熱電聯(lián)產(chǎn)促進(jìn)氫能高品位使用，將氫燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)化為變效率運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)熱電效率靈活追蹤熱電負(fù)荷態(tài)勢(shì)，使熱電出力更為經(jīng)濟(jì)合理，并通過(guò)促進(jìn)余熱消納的方式改善系統(tǒng)的熱電耦合性能；文獻(xiàn)[12]在對(duì)電熱聯(lián)合系統(tǒng)源側(cè)靈活性改造的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)運(yùn)用電熱柔性負(fù)荷以進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)風(fēng)電消納能力；文獻(xiàn)[13]為充分發(fā)掘負(fù)荷的實(shí)際調(diào)節(jié)能力以?xún)?yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，將含源型負(fù)荷(active load，AL)納入傳統(tǒng)電、熱負(fù)荷體系，分析含AL電熱聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行機(jī)理；文獻(xiàn)[14]針對(duì)智慧能源小區(qū)熱電耦合系統(tǒng)中能量間縱向轉(zhuǎn)換和用能負(fù)荷橫向搬移的協(xié)同用能優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)用能精細(xì)化建模，提出一種計(jì)及需求響應(yīng)的熱電耦合系統(tǒng)用能優(yōu)化方法。

進(jìn)而將多類(lèi)型負(fù)荷綜合需求響應(yīng)技術(shù)運(yùn)用到虛擬電廠(chǎng)中，文獻(xiàn)[15]從工業(yè)用戶(hù)角度出發(fā)，將用戶(hù)對(duì)于冷、熱、電多能流的需求納入需求響應(yīng)范圍內(nèi)，提出基于多能互補(bǔ)的電/熱綜合需求響應(yīng)機(jī)制，進(jìn)一步挖掘用戶(hù)的響應(yīng)潛力，并指導(dǎo)用戶(hù)合理制定需求響應(yīng)方案；文獻(xiàn)[16-18]針對(duì)可控機(jī)組、儲(chǔ)能裝置、風(fēng)機(jī)等分布式能源的協(xié)調(diào)調(diào)度問(wèn)題，提出了考慮電熱需求響應(yīng)的虛擬電廠(chǎng)優(yōu)化調(diào)度模型。

然而，以上研究多種負(fù)荷綜合需求響應(yīng)的文獻(xiàn)都沒(méi)有考慮用戶(hù)舒適度，而用戶(hù)舒適度會(huì)直接影響用戶(hù)參與虛擬電廠(chǎng)響應(yīng)的積極性，從而影響虛擬電廠(chǎng)的運(yùn)行。文獻(xiàn)[19]研究了電動(dòng)汽車(chē)與家庭能源調(diào)度的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題，在考慮用戶(hù)舒適性偏好的同時(shí)降低家庭用電成本；文獻(xiàn)[20]面向具有風(fēng)電消納需求的電熱聯(lián)合系統(tǒng)，以總煤耗量最小,最大限度消納風(fēng)電為目標(biāo),建立考慮熱網(wǎng)特性及熱負(fù)荷舒適度彈性的電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，以促進(jìn)風(fēng)電全額消納；文獻(xiàn)[21]從經(jīng)濟(jì)性和舒適性?xún)蓚€(gè)方面入手,提出一種智能用電環(huán)境下用電行為多目標(biāo)優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)了家電關(guān)聯(lián)最小化電費(fèi)支出模型和用戶(hù)用電舒適度模型,實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)優(yōu)化，有效降低用電費(fèi)用并提高用電舒適性；文獻(xiàn)[22]采用虛擬電廠(chǎng)模式聚合熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組等分布式能源,充分考慮用戶(hù)舒適度,使熱、電負(fù)荷在時(shí)間軸上具備柔性可調(diào)能力,在滿(mǎn)足用戶(hù)舒適度的同時(shí)靈活調(diào)整熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力,有效緩解棄風(fēng)現(xiàn)象。

綜上所述，本文重點(diǎn)在考慮用戶(hù)舒適度的前提下，通過(guò)對(duì)電、熱負(fù)荷分別實(shí)施基于分時(shí)峰谷電價(jià)的價(jià)格型需求響應(yīng)和基于平均熱感覺(jué)指數(shù)(PMV指標(biāo))的激勵(lì)型需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)移和削減，然后以虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，建立虛擬電廠(chǎng)成本優(yōu)化模型，最后對(duì)比算例分析中不同需求響應(yīng)場(chǎng)景下虛擬電廠(chǎng)的運(yùn)行成本以及用戶(hù)舒適度對(duì)虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行成本的影響，驗(yàn)證該方法的有效性和可實(shí)施性事求是、客觀(guān)真切、準(zhǔn)確完備、合乎邏輯、層次分明、簡(jiǎn)練可讀、可重復(fù)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)有與他人工作的對(duì)比分析，以說(shuō)明本文工作的貢獻(xiàn)。

1 虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行原理

本文中虛擬電廠(chǎng)包括風(fēng)機(jī)(wind power plant，WPP)、光伏發(fā)電設(shè)備(photovoltaic，PV)、蓄電池(storage cell，SC)和蓄熱槽(heat storage tank，HS)以及電鍋爐(electric boiler，EB)。

虛擬電廠(chǎng)的運(yùn)行過(guò)程如圖1所示，主要包括能源側(cè)、用戶(hù)側(cè)以及電網(wǎng)側(cè)三部分。通過(guò)能源側(cè)的風(fēng)機(jī)和光伏設(shè)備實(shí)時(shí)為用戶(hù)側(cè)供電，虛擬電廠(chǎng)控制中心對(duì)電負(fù)荷實(shí)施價(jià)格型需求響應(yīng)，以達(dá)到負(fù)荷削峰填谷的效果，同時(shí)通過(guò)電鍋爐電轉(zhuǎn)熱為用戶(hù)側(cè)供暖，當(dāng)供電不足時(shí)，蓄電池首先輔助供電，若供暖不足，則對(duì)熱負(fù)荷實(shí)施適當(dāng)激勵(lì)型需求響應(yīng)，激勵(lì)居民積極參與響應(yīng)，與此同時(shí)蓄熱槽進(jìn)行輔助供暖，若仍供不應(yīng)求，則與電網(wǎng)交易買(mǎi)電；當(dāng)供電充足時(shí)，首先將多余電力儲(chǔ)存，其次把剩余電力售賣(mài)給電網(wǎng)，以期提高能源利用率并減少電、熱負(fù)荷需求增高給虛擬電廠(chǎng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行過(guò)程Fig. 1 Operation process of virtual power plant

2 設(shè)備出力模型及綜合需求響應(yīng)建模

2.1 供電設(shè)備出力及價(jià)格型電負(fù)荷需求響應(yīng)模型

本文研究的虛擬電廠(chǎng)中供電設(shè)備主要包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和蓄電池。

(1)風(fēng)機(jī)出力模型為

(1)

式中：gwpp(t)為風(fēng)機(jī)實(shí)際出力；g為風(fēng)機(jī)的額定功率；vin為風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速；vR為風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速；vout為風(fēng)機(jī)的切出風(fēng)速；vt為風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)風(fēng)速。

(2)光伏出力模型

gPV(t)=ηPVSPVθ(t)

(2)

式中：ηPV為太陽(yáng)能輻射效率；SPV為采光面積；θ(t)為t時(shí)刻太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度。

(3)蓄電池儲(chǔ)電容量模型

(3)

式中：SSC(t)為儲(chǔ)電裝置t時(shí)的儲(chǔ)電容量；gch(t)為儲(chǔ)電裝置充電功率；ηch為儲(chǔ)電裝置的充電效率；gdis(t)為儲(chǔ)電裝置放電功率；ηdis為儲(chǔ)電裝置的放電效率。

(4)電負(fù)荷價(jià)格型需求響應(yīng)(price-based demand response，PSDR)模型

電負(fù)荷價(jià)格型需求響應(yīng)主要通過(guò)引入峰谷分時(shí)電價(jià)，對(duì)用戶(hù)形成合理的用電導(dǎo)向，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線(xiàn)的削峰填谷，基于峰谷分時(shí)電價(jià)的不同時(shí)間段的價(jià)格彈性系數(shù)，得出響應(yīng)后的電負(fù)荷[23]。

(4)

(5)

(6)

式中：eon、emind、eoff為用電峰、平、谷時(shí)段的價(jià)格彈性系數(shù)；ΔQon(t)、ΔQmind(t)、ΔQoff(t)為用電峰、平、谷時(shí)段電負(fù)荷的改變量；Qon(t)、Qmind(t)、Qoff(t)為用電峰、平、谷時(shí)段的原始電負(fù)荷；Pon(t)、Pmind(t)、Poff(t)為用電峰、平、谷時(shí)段原始電價(jià)；ΔPon(t)、ΔPmind(t)、ΔPoff(t)為用電峰、平、谷時(shí)段的電價(jià)改變量。

2.2 供熱設(shè)備出力及熱負(fù)荷激勵(lì)型需求響應(yīng)模型

本文中熱力出力主要來(lái)自于電鍋爐和蓄熱槽。當(dāng)電價(jià)低時(shí)，電鍋爐大功率工作，多余熱負(fù)荷儲(chǔ)存在蓄熱槽；當(dāng)電價(jià)高時(shí)，電鍋爐低功率工作或停止工作，由蓄熱槽放熱供暖，通過(guò)調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)定溫度削減熱負(fù)荷，虛擬電廠(chǎng)給予響應(yīng)用戶(hù)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。

(1)電鍋爐出力模型[23]

QEB(t)=gEB(t)·ηEB

(7)

式中：QEB(t)為電鍋爐t時(shí)刻的供熱功率；gEB(t)為電鍋爐t時(shí)的工作消耗的電量；ηEB為電熱轉(zhuǎn)換效率。

(2)蓄熱槽儲(chǔ)熱容量模型[23]

(8)

式中：SHS(t)為t時(shí)蓄熱槽的儲(chǔ)熱容量；ηHS為蓄熱損失率；Qin(t)為t時(shí)蓄熱功率；Qout(t)為t時(shí)放熱功率；ηin、ηout為蓄熱槽蓄熱、放熱的效率。

(3)熱負(fù)荷激勵(lì)型需求響應(yīng)(incentive-based demand response，IBDR)模型

冬季影響熱負(fù)荷的主要因素有室內(nèi)外溫差導(dǎo)致的熱耗散，建筑內(nèi)部設(shè)備及人體發(fā)熱量，空氣滲透導(dǎo)致的熱耗散，所以建立熱負(fù)荷響應(yīng)模型如下[16]：

(9)

式中：Qheart(t)為房屋需要的熱負(fù)荷；T為響應(yīng)時(shí)間；QHT(t)為t時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)熱量；QINF(t)為t時(shí)空氣滲透耗熱量；QIH(t)為t時(shí)室內(nèi)熱源發(fā)熱量。其中：

QHT(t)=?KA(TPMV-Tout(t))

(10)

QINF(t)=Cairρa(bǔ)irNSH(TPMV-Tout(t))

(11)

QIH=Qine+Qinh

(12)

式中：?為圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)；A為圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積；TPMV為室內(nèi)溫度；Tout(t)為t時(shí)室外溫度；Cair為空氣比熱容；ρa(bǔ)ir為空氣密度；N為換氣次數(shù)；S為房屋面積；H為房屋室內(nèi)高度；Qine為電氣設(shè)備發(fā)熱量；Qinh為人體發(fā)熱量。其中：

(13)

式中：?n為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)；σ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料厚度；?λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)修正系數(shù)；λ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料導(dǎo)熱系數(shù)；Rk為封閉空間層熱阻；?w為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)。

將公式(10)、(11)、(12)代入公式(9)中可得熱負(fù)荷激勵(lì)型需求響應(yīng)最終模型為

(TPMV-Tout(t)) -Qine-Qinh

(14)

2.3 用戶(hù)舒適度建模

在對(duì)負(fù)荷實(shí)施需求響應(yīng)的同時(shí)還應(yīng)考慮用戶(hù)舒適度，以往研究大多數(shù)忽略了用戶(hù)舒適度對(duì)用戶(hù)實(shí)際參與需求響應(yīng)決策的影響。由于熱負(fù)荷要通過(guò)改變室內(nèi)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)，考慮到人體對(duì)環(huán)境溫度的感知具有一定的模糊性，本文引入平均熱感覺(jué)標(biāo)度預(yù)測(cè)指標(biāo)(predicted mean vote，PMV)來(lái)表示人體對(duì)外部環(huán)境溫度的滿(mǎn)意程度，PMV指標(biāo)是丹麥范格爾教授提出的表示熱反應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，代表了同一環(huán)境下大多數(shù)人的冷熱感覺(jué)的平均，具體分為7個(gè)檔次，其中PMV=-1、-2、-3分別表示人體感覺(jué)為冷，涼，稍涼；PMV=0、1、2、3分別表示人體感覺(jué)為舒適、稍熱、較熱、熱，如圖2所示。

圖2 PMV指標(biāo)與用戶(hù)舒適度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between PMV index and user comfort

在其他因素處于舒適水平時(shí)，室內(nèi)溫度與PMV指標(biāo)的關(guān)系為[22]

(15)

即當(dāng)室內(nèi)溫度為26 ℃時(shí)，λPMV為0，表示此時(shí)用戶(hù)舒適度最高，λPMV越大，用戶(hù)熱感覺(jué)越強(qiáng)烈，熱負(fù)荷需求響應(yīng)空間越大。

根據(jù)ISO-7730標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，PMV指標(biāo)在-0.5～0.5之間為人體適宜狀態(tài)，對(duì)應(yīng)公式(15)計(jì)算可得相應(yīng)的室內(nèi)溫度為24.8 ℃和27.3 ℃。

由于人與人之間存在生理差異，對(duì)冷熱感覺(jué)并不完全相同，故范格爾教授又提出預(yù)測(cè)不滿(mǎn)意百分?jǐn)?shù)(Predicted Percentage of Dissatisfied，PPD)指標(biāo)來(lái)表示人對(duì)環(huán)境溫度不滿(mǎn)意的百分?jǐn)?shù)，并提出PMV與PPD之間的定量關(guān)系[24]，兩者合稱(chēng)PMV-PPD指標(biāo)：

PPD=100-95×

(16)

根據(jù)公式(16)計(jì)算可得，當(dāng)PMV指標(biāo)為0時(shí)，用戶(hù)舒適度最高，此時(shí)PPD值最低為5%，即對(duì)環(huán)境溫度不滿(mǎn)意度最低，隨著PMV指標(biāo)逐漸接近-3或3時(shí)，用戶(hù)舒適度下降，PPD值逐漸增大，最大值可為100%。用戶(hù)舒適度和用戶(hù)對(duì)環(huán)境溫度不滿(mǎn)意度直接影響用戶(hù)參與需求響應(yīng)的意愿，即用戶(hù)舒適度越高，對(duì)環(huán)境溫度不滿(mǎn)意度越低，用戶(hù)參與需求響應(yīng)的意愿越高，反之越低，如圖3所示。

圖3 用戶(hù)參與需求響應(yīng)意愿與PMV指標(biāo)的關(guān)系Fig. 3 Relationship between users’ willingness to participate in demand response and PMV index

本文為計(jì)算簡(jiǎn)便，設(shè)定用戶(hù)參與需求響應(yīng)的意愿滿(mǎn)足0～1概率分布，當(dāng)環(huán)境溫度滿(mǎn)足24.8 ℃至27.3 ℃之間，用戶(hù)便參與需求響應(yīng)，若環(huán)境低于24.8 ℃或高于27.3 ℃，用戶(hù)則不參與需求響應(yīng)，具體公式表達(dá)如下：

(17)

式中：K表示用戶(hù)參與需求響應(yīng)的概率，K為0時(shí)表示用戶(hù)不參與需求響應(yīng)，K為1時(shí)表示用戶(hù)參與需求響應(yīng)。

3 虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)如下：

CVPP=CWPP(t)+CPV(t)+CSC(t)+CHS(t)+

CEB(t)+CM(t)+CIBDR(t)

(18)

式中：CVPP為虛擬電廠(chǎng)的總成本；CWPP(t)為t時(shí)風(fēng)力發(fā)電成本；CPV(t)為t時(shí)光伏發(fā)電成本；CSC(t)為t時(shí)儲(chǔ)電裝置的出力成本；CHS(t)為t時(shí)蓄熱槽的出力成本；CEB(t)為t時(shí)電鍋爐的出力成本；CM(t)為t時(shí)虛擬電廠(chǎng)向電網(wǎng)購(gòu)電成本；CIBDR(t)為t時(shí)熱負(fù)荷激勵(lì)型需求響應(yīng)成本。其中：

CWPP(t)=KWPPgWPP(t)

(19)

CPV(t)=KPVgPV(t)

(20)

CSC(t)=KSC|gSC(t)|

(21)

CHS(t)=KHS|QHS(t)|

(22)

CEB(t)=KEBQEB+P(t)gEB(t)

(23)

CM=PM(t)gM(t)

(24)

CIBDR(t)=ΔQheart(t)Pheart

(25)

式中：K為設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本系數(shù)；P(t)為t時(shí)刻的電價(jià)；PM為電網(wǎng)售電價(jià)格；gM(t)為t時(shí)虛擬電廠(chǎng)購(gòu)電量；Pheart為削減熱負(fù)荷補(bǔ)償價(jià)格；ΔQheart(t)為削減的熱負(fù)荷。

3.2 約束條件

(1)電、熱功率平衡：

g(t)=gWPP(t)+gPV(t)+gSOC(t)-gEB(t)

(26)

QEB(t)-Qheart(t)=QHS(t)

(27)

式中：g(t)為電負(fù)荷總需求量。

(2)風(fēng)電發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電機(jī)、電鍋爐運(yùn)行約束：

(28)

(29)

(30)

(3)儲(chǔ)電裝置、儲(chǔ)熱裝置運(yùn)行約束：

(31)

(32)

(33)

(34)

(4)用戶(hù)舒適度約束：

在供暖時(shí)，保持室內(nèi)溫度在人體適宜狀態(tài)，電鍋爐產(chǎn)生熱量與室內(nèi)溫度的關(guān)系為[22]

(35)

(36)

(37)

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文以華北地區(qū)某虛擬電廠(chǎng)為例，風(fēng)機(jī)和光伏設(shè)備參數(shù)如附錄A表1所示，儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)如附錄A表2所示，電鍋爐設(shè)備參數(shù)如附錄A表3所示,電網(wǎng)購(gòu)售電價(jià)格[25]如附錄A表4所示?？紤]到短期氣溫預(yù)測(cè)可基本滿(mǎn)足熱負(fù)荷預(yù)測(cè)需要，本文在計(jì)算熱負(fù)荷需求時(shí)，以日前天氣預(yù)測(cè)信息為基準(zhǔn)，忽略相關(guān)不確定因素的影響。初始電價(jià)統(tǒng)一為0.4元/(kW·h)，峰谷分時(shí)電價(jià)采取的價(jià)格彈性系數(shù)如附錄A表5所示，峰電價(jià)時(shí)段為11：00～15：00、19：00～21：00，電價(jià)為0.8元/(kW·h)；平電價(jià)時(shí)段為08：00～10：00、16：00～18：00、22：00～23：00，電價(jià)是0.5元/(kW·h)；谷電價(jià)時(shí)段為24：00～07：00，電價(jià)為0.2元/(kW·h)，房屋結(jié)構(gòu)參數(shù)如附錄A表6所示[18]。

4.2 虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行場(chǎng)景分析

為了驗(yàn)證本文所提通過(guò)電、熱綜合需求響應(yīng)降低虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行成本的有效性，設(shè)定了以下三種場(chǎng)景：

場(chǎng)景1：不考慮任何需求響應(yīng)措施。以虛擬電廠(chǎng)原始運(yùn)行方式為參照，便于后續(xù)直觀(guān)的與場(chǎng)景2和場(chǎng)景3中的虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行情況作對(duì)比；

場(chǎng)景2：僅考慮電負(fù)荷價(jià)格型需求響應(yīng)。在虛擬電廠(chǎng)原始運(yùn)行方式上增加考慮電負(fù)荷價(jià)格型需求響應(yīng)，以直觀(guān)體現(xiàn)單種負(fù)荷單一的需求響應(yīng)對(duì)虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行的影響；

場(chǎng)景3：考慮電負(fù)荷價(jià)格型需求響應(yīng)且熱負(fù)荷激勵(lì)型需求響應(yīng)。在場(chǎng)景2上進(jìn)一步增加考慮用戶(hù)舒適度的熱負(fù)荷激勵(lì)型需求響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)綜合多種負(fù)荷多類(lèi)型需求響應(yīng)對(duì)虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行的影響。

場(chǎng)景1中虛擬電廠(chǎng)的電負(fù)荷主要由風(fēng)光發(fā)電提供，其預(yù)測(cè)功率曲線(xiàn)圖如圖4所示，熱負(fù)荷主要由電鍋爐提供，其預(yù)測(cè)功率曲線(xiàn)圖如圖5所示，蓄電池與蓄熱槽輔助供電供熱，其預(yù)測(cè)功率如圖6所示，其中負(fù)數(shù)表示儲(chǔ)能裝置處于儲(chǔ)能狀態(tài)，虛擬電廠(chǎng)與電網(wǎng)交易情況如圖7所示，其中負(fù)數(shù)表示虛擬電廠(chǎng)將多余電能售于電網(wǎng)。

圖4 風(fēng)光出力情況及電負(fù)荷需求曲線(xiàn)Fig. 4 Wind and solar power output and power load demand curve

圖5 電鍋爐出力情況及熱負(fù)荷需求曲線(xiàn)Fig. 5 Output and heat load demand curve of electric boiler

圖6 儲(chǔ)能設(shè)備蓄能、用能情況Fig. 6 Energy storage and consumption of energy storage equipment

圖7 虛擬電廠(chǎng)與電網(wǎng)交易的情況Fig. 7 Transaction between virtual power plant and power grid

場(chǎng)景2虛擬電廠(chǎng)控制中心對(duì)電負(fù)荷實(shí)施價(jià)格型需求響應(yīng)，電負(fù)荷根據(jù)價(jià)格彈性系數(shù)發(fā)生改變，其需求量變化曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 電負(fù)荷變化曲線(xiàn)圖Fig. 8 Electric load change curve

電負(fù)荷需求響應(yīng)后，谷電價(jià)和平電價(jià)時(shí)段的電負(fù)荷需求相比響應(yīng)前提高了407.9 MW，而峰電價(jià)時(shí)段的電負(fù)荷需求較響應(yīng)前降低了457.3 MW，電負(fù)荷峰谷差比從響應(yīng)前的2.87降為2.15，由此實(shí)現(xiàn)了電負(fù)荷的削峰填谷，緩解了虛擬電廠(chǎng)的運(yùn)行壓力，使運(yùn)行更加平穩(wěn)。同時(shí)，由于電負(fù)荷的削峰填谷，節(jié)省的電一部分用來(lái)提高電鍋爐產(chǎn)熱，其出力較場(chǎng)景1提高了147 MW，儲(chǔ)能裝置的功率總量不變，時(shí)段功率跟隨電負(fù)荷和電鍋爐功率變化而產(chǎn)生輕微變化，如圖9所示，進(jìn)而影響到虛擬電廠(chǎng)與電網(wǎng)的交易量，其中虛擬電廠(chǎng)購(gòu)電量雖然增多12.34 MW，但購(gòu)電多發(fā)生在電價(jià)谷時(shí)段，且虛擬電廠(chǎng)售電量增多54.13 MW，如圖10所示。

圖9 電負(fù)荷響應(yīng)后電鍋爐和儲(chǔ)能設(shè)備的功率圖Fig. 9 Power diagram of electric boiler and energy storage

圖10 虛擬電廠(chǎng)與電網(wǎng)交易量的對(duì)比圖Fig. 10 Comparison of transaction volume between virtual power plant and power grid

場(chǎng)景3在電負(fù)荷實(shí)施價(jià)格型需求響應(yīng)的同時(shí)，對(duì)熱負(fù)荷實(shí)施適當(dāng)?shù)募?lì)型需求響應(yīng)，考慮降低虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行成本的同時(shí)補(bǔ)償成本也盡可能小，故選定電負(fù)荷與熱負(fù)荷需求量的共同高峰期，即19時(shí)至23時(shí)進(jìn)行激勵(lì)型需求響應(yīng)，而不同PMV指標(biāo)下，室內(nèi)設(shè)定溫度不同，所需熱負(fù)荷也不同，則用戶(hù)舒適度與熱負(fù)荷需求量關(guān)系如圖11所示。

圖11 不同舒適度下熱負(fù)荷需求量變化曲線(xiàn)圖Fig. 11 Heat load demand curve under different comfort

從圖11中明顯看出在保證用戶(hù)舒適度的前提下，λPMV為-0.5時(shí)，熱負(fù)荷需求量越小，此時(shí)供熱設(shè)備壓力最小，由于熱負(fù)荷需求與電鍋爐成本呈線(xiàn)性相關(guān)，故此時(shí)電鍋爐成本最小。該時(shí)段熱負(fù)荷需求量減少50 MW，電鍋爐出力較場(chǎng)景2減少50 MW、從而降低了虛擬電廠(chǎng)與電網(wǎng)的交易量，其購(gòu)電量較場(chǎng)景2減少53.89 MW，如圖12所示，進(jìn)一步降低了虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠(chǎng)優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)。

圖12 電鍋爐、儲(chǔ)能裝置出力及與電網(wǎng)交易量圖Fig. 12 Output of electric boiler and energy storage device and trading volume with power grid

根據(jù)各設(shè)備運(yùn)行成本參數(shù)，電網(wǎng)購(gòu)售電價(jià)格，激勵(lì)型需求響應(yīng)補(bǔ)償成本等數(shù)據(jù)，計(jì)算并對(duì)比三種場(chǎng)景下的虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行總成本，如表1所示。

表1 三種場(chǎng)景下虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行成本對(duì)比

不同場(chǎng)景下虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行具體成本分析如下：三種場(chǎng)景下的虛擬電廠(chǎng)中風(fēng)機(jī)的運(yùn)行成本都為13.5萬(wàn)元，光伏發(fā)電機(jī)的運(yùn)行成本都為0.83萬(wàn)元，由于風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電機(jī)為三種場(chǎng)景下虛擬電廠(chǎng)的提供電負(fù)荷，其所處外在環(huán)境相同，且設(shè)備參數(shù)相同，故運(yùn)行成本相同；場(chǎng)景2和場(chǎng)景3都考慮了電負(fù)荷價(jià)格型需求響應(yīng)，電負(fù)荷實(shí)現(xiàn)削峰填谷，其需求曲線(xiàn)發(fā)生改變，從而影響了儲(chǔ)能設(shè)備的時(shí)段功率，蓄電池和蓄熱槽的運(yùn)行成本隨著電負(fù)荷的需求變化而整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，分別由0.2萬(wàn)元上漲到0.76萬(wàn)元和0.66萬(wàn)元；場(chǎng)景2中電負(fù)荷需求改變而熱負(fù)荷需求不變的情況直接影響了電鍋爐產(chǎn)熱量，場(chǎng)景3中考慮用戶(hù)舒適度的熱負(fù)荷激勵(lì)型需求響應(yīng)進(jìn)一步使熱負(fù)荷需求降低，進(jìn)而電鍋爐時(shí)段功率發(fā)生變化，整體上其運(yùn)行成本由2.3萬(wàn)元降低到2.2萬(wàn)元；激勵(lì)型需求響應(yīng)要給予響應(yīng)用戶(hù)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，故場(chǎng)景3中需求響應(yīng)成本為0.002 6萬(wàn)元；場(chǎng)景2中電負(fù)荷需求的減少使虛擬電廠(chǎng)與電網(wǎng)交易量降低，場(chǎng)景3在場(chǎng)景2的基礎(chǔ)上減少熱負(fù)荷需求，從而使虛擬電廠(chǎng)與電網(wǎng)的交易量進(jìn)一步降低，故虛擬電廠(chǎng)向電網(wǎng)購(gòu)電成本由最初的67.4萬(wàn)元降低到33.6萬(wàn)元，最后降低到27.6萬(wàn)元；通過(guò)對(duì)比虛擬電廠(chǎng)總成本，能夠發(fā)現(xiàn)場(chǎng)景3中的虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行總成本最低，即對(duì)電、熱負(fù)荷實(shí)施需求響應(yīng)措施有效實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷的轉(zhuǎn)移與削減，優(yōu)化了虛擬電廠(chǎng)的運(yùn)行成本，為考慮用戶(hù)舒適度的虛擬電廠(chǎng)優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

5 結(jié)論

(1)本文基于峰谷分時(shí)電價(jià)和平均熱感覺(jué)指數(shù)，分別對(duì)虛擬電廠(chǎng)中的電、熱負(fù)荷進(jìn)行價(jià)格型和激勵(lì)型需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電、熱負(fù)荷綜合需求響應(yīng)，通過(guò)改變負(fù)荷需求量來(lái)降低虛擬電廠(chǎng)的運(yùn)行成本。此外，虛擬電廠(chǎng)與電網(wǎng)進(jìn)行交易，一方面有助于消納棄風(fēng)棄光，另一方面有助于增加虛擬電廠(chǎng)的收益，為虛擬電廠(chǎng)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題提供參考。

(2)虛擬電廠(chǎng)在對(duì)負(fù)荷實(shí)施需求響應(yīng)的同時(shí)考慮用戶(hù)舒適度，有助于提高用戶(hù)響應(yīng)積極性，使實(shí)際響應(yīng)量靠近預(yù)計(jì)響應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的削峰填谷，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行成本的目標(biāo)。

(3)本文簡(jiǎn)單地將居民響應(yīng)量計(jì)為滿(mǎn)足虛擬電廠(chǎng)要求的響應(yīng)量，且設(shè)定室內(nèi)溫度可隨時(shí)調(diào)節(jié)改變，然而居民響應(yīng)量是難以確定的，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度需要時(shí)間，且該時(shí)間與室外溫度有關(guān)，這些問(wèn)題值得進(jìn)一步開(kāi)展研究。