電采暖聚合型虛擬電廠調峰經(jīng)濟優(yōu)化調度方法

王 宏魏曉強祁 峰王 珺

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司調度中心,黑龍江 哈爾濱 150090;2.電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室(燕山大學),河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著電采暖設備在我國北方地區(qū)的普遍應用,規(guī)模化電采暖負荷的用能彈性具有巨大的需求側響應能力,是重要的可調控負荷資源[12]?！笆奈濉逼陂g,我國負荷尖峰化趨勢將越發(fā)顯著,在煤電發(fā)展受限的情況下,亟需充分挖掘與發(fā)揮需求側資源在削峰填谷、緩解電力供需矛盾、推進清潔能源消納方面的作用[3-4]。

為充分利用電采暖負荷可調控能力,發(fā)揮其規(guī)?；в?可將異構、地理位置分散的電采暖負荷聚合成虛擬電廠(virtual power plant,VPP),實施資源聚合與能量管控,此種方式是充分利用負荷側資源參與電網(wǎng)調峰的有效組織形式[5]。

針對虛擬電廠的優(yōu)化調度管理方法,文獻[6]將熱電廠、風電場、光伏電站、電鍋爐和柔性負荷聚合為虛擬電廠,基于拉丁超立方采樣的場景法處理風光出力的不確定性,提出了一種基于實時電價的虛擬電廠運行策略。文獻[7]提出了“靈活性可調資源-聚合調節(jié)特性-優(yōu)化目標建?！钡奶摂M電廠多級優(yōu)化配置體系。文獻[8]針對虛擬電廠的棄風光問題,建立了一種虛擬電廠接入配電網(wǎng)的經(jīng)濟調度模型。文獻[9]針對電、熱為代表的多類型負荷,以及可控機組、儲能裝置、風機的協(xié)調調度問題,提出了考慮電熱綜合需求響應的虛擬電廠優(yōu)化調度模型。目前,虛擬電廠優(yōu)化調度方法大多僅考慮各類可控負荷需求響應對整體調度的影響,未深入探討可控負荷個性化需求的充分利用,需求響應模型多為綜合性模型。然而,電采暖用戶用能具有經(jīng)濟性、舒適性等個性化需求,不同電采暖用戶的需求響應能力具有較大差異,而現(xiàn)有研究沒有考慮到不同電采暖用戶的響應程度具有差異,沒有針對用戶需求進行負荷分類,而且所考慮的價格激勵型需求響應的電量與電價變化呈線性關系,不能體現(xiàn)實際電采暖負荷需求響應的特點,導致電采暖負荷需求響應特性不能被充分利用,使得虛擬電廠電采暖負荷調度結果不能達到預期的經(jīng)濟優(yōu)化目標。本文針對電采暖型虛擬電廠,開展考慮電采暖差異化需求的虛擬電廠優(yōu)化調控方法研究。

1 電采暖型VPP互動機制與管理架構

在大數(shù)據(jù)信息與通信技術支持下,虛擬電廠聚合用戶側電采暖負荷,構建負荷聚集商的運營機制。由電采暖聚合VPP的對外靈活特性,通過合理的激勵策略使電采暖負荷參與需求側響應,實現(xiàn)整體出力的靈活調節(jié)與虛擬發(fā)電特性。同時,虛擬電廠作為整體參與電力市場購售電與電網(wǎng)調峰市場,實現(xiàn)利益最大化的運營目標[1012]。圖1 為 電采暖型虛擬電廠組織架構與互動機制。

圖1 虛擬電廠組織架構與互動機制

隨著智能配電網(wǎng)量測終端的建設,利用基于邊緣計算的入戶式電采暖能量管理裝置可實現(xiàn)電采暖用戶能量與信息采集終端覆蓋[1315]。VPP通過配置智慧管理與控制中心,基于采集終端與控制中心雙向通信,可實現(xiàn)電采暖負荷實時狀態(tài)感知與合理精準管控;通過評估內(nèi)部電采暖負荷可調控能力,制定最優(yōu)激勵策略,并通過各個控制器向各個電采暖集群發(fā)送相應的控制指令;電采暖用戶通過手機短信通知接收到激勵政策與控制指令后,可通過手機APP調整個人電采暖設備的相關運行狀態(tài)。

2 VPP需求側響應激勵策略

2.1 單個電采暖負荷熱動態(tài)模型

綜合考慮房屋建筑結構、室內(nèi)溫度、天氣等因素,根據(jù)建筑物熱量傳遞原理建立房屋室溫變化與傳熱量的時變方程[16]。單位時間內(nèi)室內(nèi)溫度變化與傳熱量的關系為

式中:ΔTin為建筑物室內(nèi)溫度的變化量;Qh為房屋保持合適溫度需要電采暖設備供應的熱量;Qs為陽光輻射向室內(nèi)提供的熱量;Qc和Qv分別為室內(nèi)外建筑圍護的傳導熱量和空氣的交換熱量,以室內(nèi)向室外傳熱為正方向;Cair為建筑物中空氣的總熱容。

對于某具體建筑,其房屋結構和保溫參數(shù)已知,根據(jù)文獻[17]中房屋熱交換關系可計算Qc,由建筑節(jié)能設計標準[18]可得Qv和Qs,如式(2)—(4)。

式中:Tin、Tout分別為室內(nèi)、室外氣溫;Kc為綜合傳熱系數(shù),與建筑各墻體、屋頂、地面、門窗對室外的傳熱系數(shù)以及房屋各部分建筑圍護面積相關;Kv為綜合換熱系數(shù),與比熱容、空氣密度以及建筑漏風間隙總面積有關為室外風速;Fw為建筑等值采光面積,與房屋門窗面積和陽光輻射強度折減系數(shù)有關;Gs為陽光輻射強度。

為維持室內(nèi)溫度不變,根據(jù)能量平衡關系,式(1)可表示為

2.2 考慮人體舒適度的室內(nèi)設定溫度計算

對于供熱設備性能的評價,通常采用人體舒適度作為重要指標,對于電采暖設備供熱性能評價本文引入人體熱感覺預測平均標度(predicted mean vote,PMV)指標[19]反映人體熱舒適度的室內(nèi)溫度。

在工程中,PMV 指標計算公式為

式中:φPMV為反映人體熱舒適度的PMV 指標;Ts為人體皮膚溫度;M為人體代謝率;Iel為人體服裝熱阻。

將式(6)經(jīng)數(shù)學變換,得到考慮人體舒適度指標的室內(nèi)溫度為

PMV 指標可分為7級,φPMV為0時是人體最佳的熱舒適狀態(tài),其他分級與舒適度對應關系見表1。ISO 7730規(guī)定PMV 指標在[-0.5,0.5]為人體最佳熱舒適狀態(tài)[19]。

表1 PMV指標分級

2.3 考慮用能差異化的電采暖負荷激勵策略

由電采暖負荷熱力學模型可知,電采暖負荷的可調節(jié)能力受用戶舒適度區(qū)間、室外溫度及電采暖熱力學參數(shù)隨機性影響。其中,用戶舒適度區(qū)間為可改變因素,可通過補貼方式激勵用戶改變固有用能方式,從而使電采暖負荷具備需求側響應特性,參與電網(wǎng)運行。從電采暖負荷用戶參與需求響應的效用角度來看,最穩(wěn)定、可觀測與可量化的用能偏好是用戶的舒適度偏好與經(jīng)濟偏好,具體特征分類如表2所示。

表2 電采暖負荷用能需求分類

由上述基于用戶用能偏好差異性的電采暖用戶分類結果,本文構建虛擬電廠電采暖用戶激勵策略如下:當用戶用能需求在舒適度指標區(qū)間[-0.5,0.5]時為一級舒適度,設虛擬電廠在此區(qū)間內(nèi)的單位調用容量電采暖負荷起始補貼電價為cHL.1,電采暖設備運行在該溫度區(qū)間下,對舒適型用戶激勵效果最佳;當用戶用能需求在舒適度指標區(qū)間[-1,1]時為二級舒適度,設此區(qū)間單位容量起始補貼電價為cHL.2,此區(qū)間范圍對標準型用戶激勵效果最佳;當用戶用能需求在舒適度指標區(qū)間[-2,2]時為三級舒適度,設在此區(qū)間單位容量起始補貼電價為cHL.3,此區(qū)間范圍下對經(jīng)濟型用戶激勵效果最佳。

基于現(xiàn)有需求側響應特性與效益模型理論[12],電采暖調用容量與補貼價格具有邊際遞增效應,將電采暖用戶單位調用容量補貼成本簡化為二次方形式。建立具有二次函數(shù)特征的補貼成本模型為

式中:i為用戶類型(i=1,2,3);cHL.i為各型電采暖負荷單位調用容量補貼成本;PHL.i(t)為t時刻各類電采暖負荷實際用電功率;PHL.0.i、ωHL.i為電采暖負荷在t時刻的偏好功率和偏離懲罰系數(shù)。

3 VPP日前經(jīng)濟優(yōu)化調度模型

VPP日前經(jīng)濟優(yōu)化調度模型的目標為通過制定電采暖負荷調用計劃從而參與電網(wǎng)調峰,使自身運營收益最大化。基于上述要求,構建VPP 日前經(jīng)濟優(yōu)化調度模型的目標為VPP次日運行收益期望最大,決策變量為各類電采暖負荷調用容量。

3.1 建立模型

3.1.1 目標函數(shù)

日前經(jīng)濟優(yōu)化調度的目標是VPP次日運行期望收益最大。目標函數(shù)為VPP日運行收益F,其中,收益包括VPP 調峰收益F1、用戶售電收益F2,成本包括電力市場購電成本C1、電采暖負荷調用成本C2,具體表示為

式(9)中各項具體表示如下:

(1)VPP調峰收益

式中:λVPP(t)、PVPP.F分別為虛擬電廠在t時段參與調峰輔助服務的調峰報價和中標容量。

(2)VPP轄區(qū)售電收益

式中:λp、λf、λv分別為VPP制定的分時峰、平、谷電價;m、n、p分別為一日內(nèi)劃分的峰、平、谷時段個數(shù);PHL(t)為t時段用戶電采暖負荷實際購電功率。

(3)VPP市場購電成本

式中:λM(t)、PVPP.B(t)分別為t時段日前現(xiàn)貨市場電價與VPP市場購電功率。

(4)電采暖負荷調用成本

式中:PDR.i(t)為t時刻第i類電采暖負荷調用容量。

3.1.2 約束條件

3.1.2.1 電采暖負荷運行約束

(1)熱功率平衡約束

具體見式(5)。

(2)用戶舒適度指標約束

一級舒適度PMV1:φPMV∈[-0.5,0.5]。二級舒適度PMV2:φPMV ∈[-1,1]。三級舒適度PMV3:φPMV∈[-2,2]。

(3)電采暖調用容量及調用次數(shù)約束

電采暖負荷調用容量約束

調用次數(shù)約束

3.1.2.2 VPP功率平衡約束

3.1.2.3 VPP調峰約束

式中:PVPP.F.max為VPP最大調峰容量。

3.2 模型求解

本文以小時為時段,日為運行周期,基于Matlab仿真軟件,采用粒子群算法對模型進行優(yōu)化求解,具體步驟如下。

(1)基于歷史數(shù)據(jù),輸入冬季典型日各時段的室外溫度、VPP 電采暖用戶室內(nèi)取暖溫度及原始電網(wǎng)電價作為初始數(shù)據(jù),得到電采暖用戶各時段熱負荷需求曲線;

(2)初始化VPP內(nèi)電采暖用戶類型及每戶電采暖設備參數(shù)等數(shù)據(jù),以該日峰電開始時刻為起點,根據(jù)式(1)至式(7)計算各類電采暖負荷在調度周期T內(nèi)各時段用電功率,構建VPP原始負荷曲線;

(3)根據(jù)VPP各時段調峰功率及負荷原始用電曲線,得出周期T下VPP的凈負荷功率曲線;

(4)基于第3節(jié)虛擬電廠日前經(jīng)濟優(yōu)化調度模型,進行調度模擬,計算各時段VPP運行收益與成本,利用粒子群優(yōu)化算法求解VPP各時段電采暖負荷調用容量。模型優(yōu)化計算流程如圖2所示。

圖2 粒子群優(yōu)化算法的模型優(yōu)化計算流程

4 算例分析

4.1 算例說明

以黑龍江省某地區(qū)實際配電網(wǎng)為例進行分析,該地區(qū)年均最大負荷功率為44.79 MW,該配電網(wǎng)包含大規(guī)模電采暖負荷,將上述聚合成VPP。根據(jù)文獻[20-22],采用日前市場電價如圖3所示,VPP參與電網(wǎng)調峰服務,調峰投標時間為每日10:00-12:00、20:00-24:00,調峰補貼為0.87元/k Wh。電采暖設備運行參數(shù)、用戶房屋參數(shù)等參考文獻[22]。根據(jù)用戶用能差異化需求將該地區(qū)電采暖負荷聚和為3種典型電采暖用戶,其熱阻及熱容參數(shù)詳見表3。電采暖用戶的室內(nèi)初始溫度均勻分布在[19.5℃,24.5℃]。不同舒適度下電采暖負荷調控參數(shù)如表4所示。VPP各時段電價如表5所示。

圖3 日前市場電價

表3 典型電采暖用戶類型

表4 各舒適度等級電采暖負荷調控參數(shù)

表5 VPP各時段電價

4.2 結果分析

4.2.1 不同類型電采暖可調控容量分析

基于對不同舒適度電價補貼及用戶需求,該地區(qū)不同時段各舒適度等級參與需求側響應的電采暖用戶數(shù)量如圖4所示。

圖4 各舒適度需求下用戶參與需求響應數(shù)量

由圖4可知,在用戶居家時段01:00—05:00及20:00—24:00,參與一級舒適度響應的用戶數(shù)較多;在外出工作時段08:00—12:00 和14:00—18:00,參與一級舒適度響應的用戶數(shù)量較少。全天參與二級和三級舒適度等級響應的用戶數(shù)量波動相對于一級較少。

4.2.2 VPP日前經(jīng)濟優(yōu)化調度結果

為提高VPP運行經(jīng)濟性,考慮不同舒適度差異化需求,根據(jù)電采暖需求響應、VPP優(yōu)化調度模型,以某典型日24個時段電采暖負荷功率為基礎數(shù)據(jù)進行分析。該典型日實際電采暖負荷功率情況如圖5所示。

圖5 VPP原始負荷功率曲線

根據(jù)電力市場日電價和電采暖單位容量補貼電價,以不同舒適度需求的電采暖調控容量為決策,對虛擬電廠日前經(jīng)濟調度模型進行求解,得到各時段虛擬電廠經(jīng)濟優(yōu)化調度結果如圖6 所示。不同舒適度補貼下各類電采暖負荷調控容量結果如圖7所示。由虛擬電廠經(jīng)濟調控模型得出VPP調峰收益4 350元,內(nèi)部售電收益273 691元,電力市場購電成本104 896元,電采暖負荷調用成本45 568元。采用本文提出的考慮電采暖差異化需求虛擬電廠優(yōu)化調控方法,實現(xiàn)電采暖負荷主動參與電網(wǎng)運行調控,VPP日運行費用顯著降低,實現(xiàn)虛擬電廠盈利目標。

圖6 電采暖調控容量

圖7 各類電采暖負荷調控容量結果

5 結論

本文針對電采暖負荷用能差異化與經(jīng)濟性需求,提出一種考慮電采暖差異化需求的虛擬電廠優(yōu)化調控方法。算例結果表明本文建立的虛擬電廠日前經(jīng)濟優(yōu)化調度模型能夠有效利用電采暖負荷需求響應彈性參與電網(wǎng)調峰,VPP 日運行收益可達12.75 萬元,使VPP 運行具有較好的經(jīng)濟性。建議在充分考慮電采暖用戶用能差異化需求基礎上,制定合理的VPP激勵補貼政策。