考慮負(fù)荷調(diào)節(jié)的分布式市場(chǎng)交易模式

韓國(guó)棟，吉培榮，王飛

(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司荊門供電公司，湖北 荊門 448000)

0 引言

隨著高比例光伏（photovoltaic，PV）接入電網(wǎng)，考慮到儲(chǔ)能設(shè)備（energy storage systems，ESS）的優(yōu)勢(shì)，光伏和儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)配合逐漸受到關(guān)注[1-5]，亟須探究配網(wǎng)公司和光儲(chǔ)投資商在分布式市場(chǎng)中進(jìn)行電能交易的模式，從而為用戶提供更好服務(wù)。

電力市場(chǎng)的電能交易主要分為集中式交易和分散式交易[6-8]。針對(duì)集中式交易方式，文獻(xiàn)[9-10]提出了市場(chǎng)交易模型，得到了配網(wǎng)公司的最優(yōu)購(gòu)電策略。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了基于線路容量的主動(dòng)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)競(jìng)價(jià)模式，對(duì)配網(wǎng)公司購(gòu)電策略具有指導(dǎo)意義。在當(dāng)前電力市場(chǎng)下，用戶側(cè)出現(xiàn)了不同類型的利益主體，例如獨(dú)立的分布式電源（distributed generation，DG）投資商、ESS 設(shè)備投資商等。文獻(xiàn)[9-11]研究了交易模式，但所提方法不能較好地適應(yīng)于分布式的電力供應(yīng)者。

針對(duì)分布式電力供應(yīng)商的交易問(wèn)題，文獻(xiàn)[12-13]建立了一種雙層模型來(lái)模擬電能交易過(guò)程。文獻(xiàn)[14]提出一種針對(duì)用戶側(cè)多個(gè)分布式的電力供應(yīng)商的電能交易框架。文獻(xiàn)[15]提出了去中心化的配網(wǎng)運(yùn)行模式和方法。文獻(xiàn)[12-15]針對(duì)分布式電能交易所進(jìn)行了研究，但都只考慮到了PV 產(chǎn)生的電能交易。由于ESS 具有儲(chǔ)存電能的優(yōu)勢(shì)，ESS 和PV 協(xié)調(diào)配合不僅能夠緩解隨機(jī)性和波動(dòng)性給電力系統(tǒng)帶來(lái)的影響，同時(shí)ESS 也可以利用峰谷價(jià)差在“高儲(chǔ)低放”過(guò)程中給市場(chǎng)主體帶來(lái)更多的效益。在此情況下，要研究用戶側(cè)光儲(chǔ)協(xié)調(diào)的分布式電能交易。文獻(xiàn)[16]建立了多時(shí)步雙層魯棒優(yōu)化模型，以研究分布式光儲(chǔ)系統(tǒng)的電能交易。文獻(xiàn)[17-18]研究了用戶側(cè)分布式光儲(chǔ)協(xié)調(diào)的電能交易問(wèn)題。綜上，現(xiàn)有分布式光伏和儲(chǔ)能的電能交易研究并沒(méi)有考慮到不同類型的多個(gè)投資商的情況，也沒(méi)有在交易過(guò)程中考慮用戶實(shí)施需求響應(yīng)來(lái)調(diào)整負(fù)荷的情況。

本文考慮了系統(tǒng)末端配電網(wǎng)和用戶層面出現(xiàn)大量市場(chǎng)主體的情況，提出一種考慮光儲(chǔ)協(xié)調(diào)和用戶負(fù)荷調(diào)整的分布式市場(chǎng)交易模式。首先針對(duì)配網(wǎng)公司、多個(gè)光儲(chǔ)投資商之間電能和信息的傳遞關(guān)系，提出了分布式市場(chǎng)交易的框架；然后建立配網(wǎng)公司和不同類型的多個(gè)光儲(chǔ)投資商的市場(chǎng)交易模型；接著提出了適用于該市場(chǎng)交易雙層優(yōu)化模型的求解方法；最后仿真結(jié)果驗(yàn)證了該市場(chǎng)交易模型的可行性。

1 市場(chǎng)主體交易模型

本文提出的分布式交易框架如圖1 所示。在圖1 中，分布式市場(chǎng)交易包括配網(wǎng)公司、獨(dú)立光儲(chǔ)投資商和電力用戶。配網(wǎng)公司在與光儲(chǔ)投資商進(jìn)行交易時(shí)，購(gòu)買PV 發(fā)電量，在與上一級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行交易時(shí)，從電力日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)進(jìn)行購(gòu)電[19-20]。光儲(chǔ)投資商可以確定PV 售電電價(jià)，并確定自身?yè)碛泄鈨?chǔ)機(jī)組的發(fā)電售電量和ESS 設(shè)備的充、放電量，并與配網(wǎng)公司進(jìn)行電能交易來(lái)提高自身收益。電力用戶則主動(dòng)實(shí)施需求響應(yīng)，以積極調(diào)整負(fù)荷[21-22]。

圖1 分布式市場(chǎng)交易框架Fig. 1 Transaction framework of the distributed market

1.1 配網(wǎng)公司交易模型

配網(wǎng)公司作為連接光儲(chǔ)投資商和電力用戶交易的市場(chǎng)主體，從光儲(chǔ)投資商和上一級(jí)電網(wǎng)的電力市場(chǎng)買電，將其出售給電力用戶。配網(wǎng)公司市場(chǎng)交易模型的目標(biāo)函數(shù)為

1.2 光儲(chǔ)投資商交易模型

光儲(chǔ)投資商將PV 機(jī)組所發(fā)電能出售給配網(wǎng)公司，當(dāng)PV 發(fā)電量充足時(shí)，利用儲(chǔ)能裝置將多余PV 電量?jī)?chǔ)存起來(lái)。本文假設(shè)每個(gè)光儲(chǔ)投資商都可以投資建設(shè)屬于自己的ESS 裝置。光儲(chǔ)投資商市場(chǎng)交易模型的目標(biāo)函數(shù)為

2 分布式市場(chǎng)交易模型求解

在分布式市場(chǎng)交易中，配網(wǎng)公司的優(yōu)化問(wèn)題和光儲(chǔ)投資商的優(yōu)化問(wèn)題相互影響。本文將分布式市場(chǎng)交易模型的求解過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)殡p層優(yōu)化問(wèn)題，雙層優(yōu)化模型如圖2 所示。

圖2 雙層優(yōu)化模型Fig. 2 Two-layer optimization model

光儲(chǔ)投資商根據(jù)配網(wǎng)公司的策略，同時(shí)結(jié)合用戶負(fù)荷來(lái)決定PV 和ESS 的相關(guān)策略，而配網(wǎng)公司的收益也依賴于光儲(chǔ)投資商的策略。本文采用粒子群算法[23-24]來(lái)求解上層配網(wǎng)公司的優(yōu)化問(wèn)題，基于Matlab 中的Cplex 求解器[25]來(lái)求解下層光儲(chǔ)投資商的優(yōu)化問(wèn)題。市場(chǎng)交易雙層模型的具體優(yōu)化算法如下。

（1）初始化。初始化負(fù)荷數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；初始化粒子數(shù)量、迭代次數(shù)、迭代收斂誤差；初始化配網(wǎng)公司的決策變量，包括日前市場(chǎng)購(gòu)電電量、實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)電電量以及用戶需求響應(yīng)調(diào)整的負(fù)荷量。

（2）下層光儲(chǔ)投資商優(yōu)化。基于配網(wǎng)公司的決策變量，以收益最大化為目標(biāo)，計(jì)算自身收益，進(jìn)行最優(yōu)決策，包括PV 售電價(jià)格、PV 售電電量、ESS 電量。

（3）基于步驟（2）中光儲(chǔ)投資商的優(yōu)化策略，計(jì)算粒子適應(yīng)度，從而更新配網(wǎng)公司的優(yōu)化決策。

（4）判斷算法是否達(dá)到收斂條件，如果是，則輸出配網(wǎng)公司和光儲(chǔ)投資商的優(yōu)化策略；如果否，則返回步驟（2）進(jìn)行下一步迭代。

3 算例分析

采用IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)系統(tǒng)驗(yàn)證所提方法的有效性。配網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。本文假設(shè)整個(gè)分布式市場(chǎng)交易中存在3 個(gè)光儲(chǔ)投資商。在圖3 中，紅色、綠色和藍(lán)色虛線框所劃分出的3 個(gè)區(qū)域內(nèi)的電力用戶所消耗的PV 電能分別來(lái)自不同的光儲(chǔ)投資商。

圖3 IEEE 33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig. 3 IEEE 33 node system

3 個(gè)光儲(chǔ)投資商分別在各自所屬的區(qū)域內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都安裝有光伏和儲(chǔ)能裝置。光儲(chǔ)投資商的相關(guān)信息如表1 所示。在粒子群算法中，本文設(shè)置粒子個(gè)數(shù)為50，最大迭代次數(shù)為100 次，收斂判定的允許誤差值為1 0-3。

表1 光儲(chǔ)投資商信息Table 1 Information of DG investors

電力用戶實(shí)施需求響應(yīng)調(diào)整負(fù)荷后，配網(wǎng)公司的日前市場(chǎng)購(gòu)電量、實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)電量和售電量、ESS 充、放電量如圖4～7 所示。由圖4 可知，用電高峰時(shí)間段內(nèi)日前市場(chǎng)購(gòu)電量要明顯高于用電低谷時(shí)段的購(gòu)電量。這是因?yàn)橛脩粼诟叻鍟r(shí)期內(nèi)對(duì)電力的需求大于低谷時(shí)期，配網(wǎng)公司要滿足用戶的負(fù)荷需求，要在高峰時(shí)期從日前市場(chǎng)購(gòu)買更多的電能。由圖5 可知，實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)電量曲線在08:00—18:00 內(nèi)較低，在其余時(shí)間段內(nèi)相對(duì)較高。PV 售電量則剛好相反，07:00—18:00內(nèi)相對(duì)較高，尤其是10:00—15:00 時(shí)段內(nèi)，而其他時(shí)段內(nèi)較低。在08:00—18:00 內(nèi)，PV 機(jī)組可以發(fā)電，尤其在10:00—15:00 光照強(qiáng)烈，PV 發(fā)電充足，PV 售電價(jià)格降低，因此在0 8:0 0—18:00 時(shí)段內(nèi)實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)電量較少，主要利用PV 電量。結(jié)合圖6 和圖7 可知，ESS 的充電電量在09:00—18:00 時(shí)較高，而在其他時(shí)段內(nèi)則為0，其放電電量剛好相反。

圖4 配網(wǎng)公司日前市場(chǎng)購(gòu)電量Fig. 4 Electricity of distribution company from dayahead market

圖5 實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)電量和售電量Fig. 5 Real time market power purchase and sales

圖6 ESS 充電電量Fig. 6 Charge electricity of ESS

圖7 ESS 放電電量Fig. 7 Discharge electricity of ESS

將用戶實(shí)施需求響應(yīng)調(diào)整負(fù)荷后的一天內(nèi)各時(shí)段不同光儲(chǔ)投資商的PV 價(jià)格和配網(wǎng)公司購(gòu)買的實(shí)時(shí)市場(chǎng)電能價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，如圖8 所示。由圖8 可知，在時(shí)段08:00—18:00，實(shí)時(shí)市場(chǎng)電力價(jià)格大體上是略高于其他時(shí)間段內(nèi)的價(jià)格的。在時(shí)段1 0:0 0—1 5:0 0，光儲(chǔ)投資商的PV 價(jià)格略低，時(shí)段01:00—7:00 和19:00—24:00，PV 價(jià)格為0。由于時(shí)段10:00—15:00 上PV 機(jī)組能夠產(chǎn)生較多的電量。光儲(chǔ)投資商為了追求利益，決策出較低的PV 價(jià)格，從而賣出更多的PV 電量，增加了自身的售電收益。

圖8 實(shí)時(shí)市場(chǎng)電價(jià)和PV 電價(jià)Fig. 8 Real time market price and PV price

進(jìn)一步，對(duì)比考慮用戶負(fù)荷調(diào)整的分布式市場(chǎng)交易（場(chǎng)景1）和不考慮用戶負(fù)荷調(diào)整的分布式市場(chǎng)交易（場(chǎng)景2）結(jié)果，來(lái)說(shuō)明負(fù)荷調(diào)整對(duì)分布式市場(chǎng)交易的影響。2 種場(chǎng)景下實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)電量和PV 價(jià)格對(duì)比如圖9 和圖10 所示。從圖9可以看出，場(chǎng)景1 下配網(wǎng)公司的實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)電電量在時(shí)段01:00—04:00 高于場(chǎng)景2。其原因是在該時(shí)段，場(chǎng)景1 考慮到了負(fù)荷的調(diào)整，用戶將一部分高峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移到了該時(shí)段內(nèi)。在時(shí)段10:00—13:00，場(chǎng)景1 的實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)電量高于場(chǎng)景2，則在該在時(shí)段內(nèi)PV 的售電量有所減少。在時(shí)段18:00—22:00，場(chǎng)景1 的實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)電電量要低于場(chǎng)景2。從圖10 可以看出，場(chǎng)景1 下3 個(gè)光儲(chǔ)投資商的PV 價(jià)格都高于場(chǎng)景2，因?yàn)閳?chǎng)景1 下的PV 售電量較少，光儲(chǔ)投資商為了追求自身利潤(rùn)，適當(dāng)提高了PV 的售電電價(jià)。

圖9 實(shí)時(shí)購(gòu)電量Fig. 9 Real time power purchase

圖10 PV 價(jià)格Fig. 10 PV price

2 種場(chǎng)景下配網(wǎng)公司和光儲(chǔ)投資商的總收益如表2 所示。由表2 可知，配網(wǎng)公司和3 個(gè)光儲(chǔ)投資商在場(chǎng)景1 下得到的總收益相較于場(chǎng)景2 分別增加了15.61 萬(wàn)元、29.47 萬(wàn)元、23.86 萬(wàn)元和27.75 萬(wàn)元。其原因在于，對(duì)于配網(wǎng)公司而言，用戶將高峰時(shí)期的負(fù)荷調(diào)整到低谷時(shí)期，使得配網(wǎng)公司在高峰時(shí)段18:00—22:00 從實(shí)時(shí)市場(chǎng)購(gòu)電電量降低，但是在時(shí)段01:00—04:00 和10:00—13:00 上的實(shí)時(shí)購(gòu)電量增加。總體來(lái)看，銷售給電力用戶實(shí)時(shí)市場(chǎng)電量增加，從而增加了總收益。對(duì)于光儲(chǔ)投資商而言，雖然用戶調(diào)整負(fù)荷使得其高峰時(shí)期的用電量降低，光儲(chǔ)投資商的光伏電能在高峰時(shí)期的收益有所降低，但是其擁有的儲(chǔ)能供電能夠利用峰谷價(jià)差獲得更多的收益，從而導(dǎo)致光儲(chǔ)投資商的總收益有所增加。

表2 總收益Table 2 Total revenue萬(wàn)元

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于市場(chǎng)改革后出現(xiàn)大量市場(chǎng)主體的背景，針對(duì)系統(tǒng)末端即配電網(wǎng)和用戶層面，提出了一種考慮光儲(chǔ)協(xié)調(diào)和用戶負(fù)荷調(diào)整的分布式市場(chǎng)交易模式，建立了配網(wǎng)公司和不同類型的多個(gè)光儲(chǔ)投資商的市場(chǎng)交易模型，并進(jìn)行求解。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的可行性以及在市場(chǎng)交易模型中考慮用戶負(fù)荷轉(zhuǎn)移的必要性。