基于均衡理論的虛擬電廠市場參與模式及方法探討

湖北電力交易中心有限公司 胡紅嬌 胡羽川 鄭瀟嘯 范 旻 國網(wǎng)湖北省電力有限公司 徐博倫

可持續(xù)發(fā)展理念在電廠發(fā)電中應(yīng)用廣泛，我國電力公司為貫徹落實生態(tài)發(fā)展理念，實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，電廠以分布式結(jié)構(gòu)以及集中式混合發(fā)電為主要模式，但該結(jié)構(gòu)存在成本較好、控制力薄弱等問題，虛擬電廠市場參與可有效改善此問題，提高該結(jié)構(gòu)的控制力，其在運行過程中更加安全、可靠。

1 虛擬電廠概述

1.1 虛擬電廠內(nèi)涵

由于虛擬電廠起步較晚，對虛擬電廠的研究尚在進(jìn)行階段，國內(nèi)外尚未統(tǒng)一對其的定義。雖然國外有部分學(xué)者根據(jù)虛擬電廠的性質(zhì)、特點對其定義進(jìn)行明確，認(rèn)為其是以服務(wù)為核心的聚合裝置，具備資源整合功能，可試產(chǎn)與配電系統(tǒng)的交互合作；也有學(xué)者認(rèn)為其是與家庭聯(lián)合的裝置集群，在兩者相協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上可實現(xiàn)調(diào)峰作用，具有一定的靈活屬性。本文所探討的虛擬電廠是一種基于數(shù)字技術(shù)、通信技術(shù)實現(xiàn)能源儲存、控制的聚合裝置，在電力系統(tǒng)運行過程中實現(xiàn)電源協(xié)同管理，是具有綜合性能的管理系統(tǒng)。虛擬電廠基于控制技術(shù)、計量技術(shù)以及通信技術(shù)的應(yīng)用，輔助電網(wǎng)管理，其核心功能在于通信、聚合[1]。

1.2 虛擬電廠組成部分及關(guān)鍵技術(shù)

我國于2018年開始虛擬電網(wǎng)的項目建設(shè)，輔助電力企業(yè)進(jìn)行輸電網(wǎng)及配電網(wǎng)的綜合管理，其作為一種信息系統(tǒng)，以分布式電源的形式進(jìn)行信息通信、電力控制，輔助進(jìn)行電力輸送，按照其功能以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，虛擬電廠的組成部分可分為分布式電源、能源儲存系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)：分布式電源是指供給電力能源的裝置，包括風(fēng)電、水電站、燃?xì)廨啓C等；能源儲存虛擬電廠的主要功能之一，基于能源儲存系統(tǒng)實現(xiàn)對電能、空氣能、磁能、電容器的儲能；信息通信技術(shù)是指虛擬電廠在能源管理過程中所采用的技術(shù)，基于系統(tǒng)的信息通信功能實現(xiàn)對控制數(shù)據(jù)的采集與分析，完成配電的最終目標(biāo)。

虛擬電廠主要基于三種技術(shù)實現(xiàn)對能源的綜合管理，在與主網(wǎng)連接的基礎(chǔ)上輔助配電管理，應(yīng)用協(xié)調(diào)控制技術(shù)；基于對數(shù)據(jù)信息的采集以及計算是使用智能計量技術(shù)；對控制目標(biāo)進(jìn)行信號傳輸以及指令傳達(dá)應(yīng)用信息通信技術(shù)[2]。

1.3 虛擬電廠交互模式概述

考慮到虛擬電廠的市場參與，應(yīng)用均衡理論對其參與模式進(jìn)行判斷，基于通信技術(shù)與儲能技術(shù)實現(xiàn)主網(wǎng)與虛擬電廠間的通信交互，最終實現(xiàn)收斂的目標(biāo)。基于均衡理論對其交互模式進(jìn)行分析，需保障兩者間的協(xié)調(diào)性，在此需要考慮兩個問題。

首先，虛擬電廠操作及管理人員需進(jìn)行安全約束，實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度。在此過程中需計算每個節(jié)點需耗費的電力能源及電價。設(shè)計虛擬電廠主網(wǎng)節(jié)點，將其作為外設(shè)條件進(jìn)行電價分析，對整體內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化；其次，虛擬電廠交互運行過程中將采集的節(jié)點電價信息傳輸至虛擬電廠系統(tǒng)中。若電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)為分布式，則受其傳輸功率影響無法滿足主網(wǎng)的交互需求?？紤]單個分布式電源的影響效果，主網(wǎng)若對每個分布式電源進(jìn)行信息交互，實現(xiàn)對其的控制優(yōu)化會大大提高成本、降低運行效益。因此，利用虛擬電網(wǎng)對分布式電源進(jìn)行優(yōu)化、儲能，實現(xiàn)對電源的綜合管理[3]。

思考上述兩個問題，基于市場均衡理論對虛擬電廠進(jìn)行交互模式構(gòu)建，虛擬電廠可與主網(wǎng)進(jìn)行交互，實現(xiàn)對分布式電源的柔性管理并與主網(wǎng)間進(jìn)行信息交互。在此過程中，虛擬電廠系統(tǒng)在進(jìn)行信息、結(jié)果優(yōu)化后，會將最終的信息傳輸至主網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，主網(wǎng)在收到信息后會根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行電價控制。由于此模式中電價作為主網(wǎng)的外設(shè)條件，其在交互期間同時可實現(xiàn)虛擬電廠出力調(diào)節(jié)。因此，基于均衡理論實現(xiàn)主網(wǎng)節(jié)點電價與虛擬電廠間的交互模式構(gòu)建，對其上層以及下層進(jìn)行模型構(gòu)建，反復(fù)進(jìn)行兩者間的交互，即實現(xiàn)主網(wǎng)節(jié)點電價分析及虛擬電廠出力，直至優(yōu)化完成。

2 虛擬電廠模型構(gòu)建

2.1 虛擬電廠模型

虛擬電廠需具備能源儲存、柔性負(fù)荷等功能，實現(xiàn)對分布式能源的科學(xué)控制，實現(xiàn)運行成本最優(yōu)化。由于光伏電能和負(fù)荷具有不確定性，受運行條件所影響，模型構(gòu)建需考慮上述兩個問題。具體模型構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)需包括以下點內(nèi)容：虛擬電廠運行成本最優(yōu)化，其中包括系統(tǒng)運行成本及燃?xì)廨啓C設(shè)備運行成本，計算柔性負(fù)荷指標(biāo)及收益；燃?xì)廨啓C的發(fā)電功率指標(biāo)，并對其進(jìn)行約束設(shè)計；計算虛擬電廠能源儲存指標(biāo)及放電功率，并對其進(jìn)行約束設(shè)計；考慮到能源儲存與放電功率之間的關(guān)系，對其進(jìn)行約束；實現(xiàn)電能與能源儲存之間的均衡性，對其進(jìn)行計算；儲存能源參數(shù)設(shè)計，并對其約束值進(jìn)行計算；虛擬電廠柔性負(fù)荷指標(biāo)計算，對其電量進(jìn)行約束設(shè)計；計算在全天運行模式下柔性負(fù)荷用電量參數(shù)，對其下限進(jìn)行明確；分布式結(jié)構(gòu)下光伏裝置的出力結(jié)算，并對其進(jìn)行約束設(shè)計；實現(xiàn)虛擬電廠運行過程中的總功率平衡。

由于分布式電源結(jié)構(gòu)的市場交易規(guī)模較小，系統(tǒng)在運行期間可很好地對其進(jìn)行消納?？紤]到虛擬電廠的網(wǎng)絡(luò)約束問題及虛擬電廠與主網(wǎng)間的交互問題，判斷其是否可進(jìn)行均衡的市場交易。本模型設(shè)計將潮流約束作為重點內(nèi)容，采用線性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可滿足大規(guī)模的虛擬電廠市場參與，將潮流約束與虛擬電廠模型有效地融合[4]。

2.2 主網(wǎng)模型

主網(wǎng)需具備發(fā)電、約束等功能，考慮到主網(wǎng)配電系統(tǒng)成本最優(yōu)化，構(gòu)建主網(wǎng)模型、實現(xiàn)兩者間的均衡交互，設(shè)計市場交易單元。主網(wǎng)模型構(gòu)建既要保障其發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也要滿足虛擬電廠的約束目標(biāo)，模型構(gòu)建主要包括：實現(xiàn)主網(wǎng)運行成本最優(yōu)設(shè)計，發(fā)電機的發(fā)電成本最??；對發(fā)電機的發(fā)電功率參數(shù)進(jìn)行明確，對其功率指標(biāo)進(jìn)行約束計算；主網(wǎng)系統(tǒng)的可再生能源利用效率，計算器發(fā)電功率，并對其進(jìn)行約束計算；主網(wǎng)交互線路的約束設(shè)計；確保主網(wǎng)運行過程中的功率平衡效益，實現(xiàn)對其功率參數(shù)的計算；主網(wǎng)系統(tǒng)搜集各個節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對電價指標(biāo)計算。

2.3 優(yōu)化求解

基于均衡理論實現(xiàn)兩者間的交互，滿足其市場交易功能。在滿足上述條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型構(gòu)建，對其上層與下層間的關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化求解，使其滿足均衡設(shè)計的目標(biāo)，如此反復(fù)求解的過程，當(dāng)收斂之后停止計算，迭代求解的過程如下：將主網(wǎng)電價指標(biāo)進(jìn)行初始化設(shè)計，采集不同時間段的網(wǎng)點電價信息，基于通信功能的實現(xiàn)將其傳輸至虛擬電廠系統(tǒng)之中；虛擬電廠在對內(nèi)部儲能及柔性負(fù)荷優(yōu)化計算的基礎(chǔ)上進(jìn)行約束設(shè)計，滿足約束指標(biāo)后對其出力指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，期間需確保虛擬電廠運作成本的最優(yōu)化。最終結(jié)合儲能指標(biāo)及負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行最終出力信息的計算；主網(wǎng)系統(tǒng)和虛擬電廠優(yōu)化計算完成后判斷其是否滿足收斂條件，若滿足條件則可計算出最優(yōu)解，若不滿足條件則需進(jìn)行調(diào)節(jié)；主網(wǎng)和虛擬電廠進(jìn)行調(diào)節(jié)，主網(wǎng)在與虛擬電廠交互的情況下獲取相應(yīng)的出力信息，在進(jìn)行潮流約束的情況下進(jìn)行成本最優(yōu)設(shè)計。對主網(wǎng)系統(tǒng)中的發(fā)電機及能源進(jìn)行調(diào)整，通過出力指標(biāo)計算對電價信息進(jìn)行明確；虛擬電廠繼續(xù)進(jìn)行出力計算，如此反復(fù)直至收斂。

在迭代交互計算過程中，對虛擬電廠的出力信息及主網(wǎng)系統(tǒng)的電價信息進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到收斂的效果。此方法基于均衡理論對虛擬電廠進(jìn)行設(shè)計，既滿足了其可交易的市場效果，也可實現(xiàn)成本的最優(yōu)設(shè)計。主網(wǎng)在運行期間不需對虛擬電廠各個節(jié)點的信息進(jìn)行采集即可獲取最終的節(jié)點電價信息。主網(wǎng)與虛擬電廠間的信息交互停留在電價信息及出力信息上，最終可實現(xiàn)對資源的優(yōu)化整合，信息傳輸效率較快，控制效益較高。

2.4 收斂結(jié)果

基于上述模型內(nèi)容實現(xiàn)主網(wǎng)與虛擬電廠間的交互，由于使用雙層模型對其進(jìn)行構(gòu)建，具有非線性屬性，可能會導(dǎo)致其存在多個解的情況，使其計算結(jié)果出現(xiàn)震蕩。虛擬電廠在運行過程中與主網(wǎng)進(jìn)行交互，如期間出現(xiàn)發(fā)電機故障、發(fā)電機停機等問題，則可能會對最終的電價結(jié)果信息準(zhǔn)確性造成影響，電力企業(yè)在市場交易的過程中可能會減少售電量以保障自身的收益。若虛擬電廠的購電量有所降低、主網(wǎng)在穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，可能會導(dǎo)致計算的電價信息有所提升，虛擬電廠會更加傾向于向主網(wǎng)進(jìn)行購電以獲取更多的收益。因此，基于均衡理論考慮兩者間的市場交易，需制定相應(yīng)的交易準(zhǔn)則，在振蕩的范圍計算成本的最優(yōu)解，實現(xiàn)社會服務(wù)最優(yōu)化。

具體過程如下所示：記錄在虛擬電廠模型迭代求解計算過程中出現(xiàn)振蕩的情況及概率；計算主網(wǎng)運行與虛擬電廠運行過程中耗費的總成本參數(shù)，包括兩者間的收益；在振蕩范圍內(nèi)計算兩者交互運行的成本參數(shù)，制定電價方案?；谑諗拷Y(jié)果實現(xiàn)對虛擬電廠應(yīng)用的最優(yōu)化，減少由于振蕩情況對主網(wǎng)方與虛擬電廠運營商交互所產(chǎn)生的額外成本問題。在模型構(gòu)建過程中考慮上述問題，計算振蕩發(fā)生過程中虛擬電廠與主網(wǎng)的運行成本及收益，合理的制定節(jié)點電價，保障了主網(wǎng)與虛擬電廠的收益，實現(xiàn)社會服務(wù)的最優(yōu)設(shè)計。

3 虛擬電廠算例分析

3.1 算例概述

基于上述模型中的主網(wǎng)與虛擬電網(wǎng)間的信息交互，實現(xiàn)對主網(wǎng)系統(tǒng)及虛擬電廠系統(tǒng)的構(gòu)建。主網(wǎng)參數(shù)計算以廣東省夏日全天系統(tǒng)負(fù)荷計算為主，進(jìn)行各個節(jié)點的功率計算及效率計算，對儲能效率及燃?xì)廨啓C的功率參數(shù)進(jìn)行分析。虛擬電廠的最大放電功率為18MW，運行效率指標(biāo)為95%，每小時的充電容量參數(shù)為180MW。主網(wǎng)燃?xì)廨啓C的在兩個場景中運行，場景1最大功率參數(shù)為15MW，每小時運行成本為40元；場景2最大功率參數(shù)為20MW，每小時運行成本為40元，應(yīng)用市場均衡理論對兩個運行場景進(jìn)行算例分析。

為確保虛擬電廠與主網(wǎng)間的交互性，考慮到均衡理論的實踐應(yīng)用設(shè)計兩個場景：場景1。虛擬電廠向主網(wǎng)系統(tǒng)傳輸出力信息參數(shù)，主網(wǎng)向虛擬電廠傳遞電價信息參數(shù)。反復(fù)進(jìn)行信息交換、數(shù)據(jù)優(yōu)化，最終達(dá)到收斂的效果。該場景主要基于兩者之間的迭代交互進(jìn)行；場景2。虛擬電廠根據(jù)運行期間峰谷電價參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，虛擬電廠在承擔(dān)電價風(fēng)相關(guān)的同時，主網(wǎng)進(jìn)行電價信息優(yōu)化。虛擬電廠根據(jù)主網(wǎng)傳輸?shù)碾妰r參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最終輸出出力信息。

3.2 算例結(jié)果

基于上述兩個場景實現(xiàn)虛擬電廠與主網(wǎng)系統(tǒng)間的交互。對最終的結(jié)果進(jìn)行分析，選擇最優(yōu)策略?；谀Ｐ驮趫鼍?中的使用，虛擬電廠以分布式主網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，光伏發(fā)電最終成本計算為0，虛擬電廠在主網(wǎng)傳輸?shù)碾妰r信息為最低值時進(jìn)行儲能，在電價達(dá)到最高值時輔助放電，可實現(xiàn)虛擬電廠利益的最大化。

計算虛擬電廠與主網(wǎng)間的運行成本，主網(wǎng)成本價格在365214元左右，虛擬電廠的收益在125311元左右。計算虛擬電廠與主網(wǎng)系統(tǒng)運行總成本，虛擬電廠在電價最低時儲能、在電價最高時放電，可有效保障自身的利益。對比兩個場景成本以及效益，場景2中的主網(wǎng)成本在369851元左右，虛擬電廠的收益在89657元左右。對比兩個場景，應(yīng)用市場均衡理論對其進(jìn)行分析，虛擬電廠的收益有所增加、成本有所降低。

3.3 收斂結(jié)果分析

在應(yīng)用模型期間，虛擬電廠與主網(wǎng)間的交互可能存在振蕩問題，導(dǎo)致虛擬電廠的參數(shù)發(fā)生改變。將虛擬電廠儲能作為唯一變量，對虛擬電廠的出力參數(shù)進(jìn)行分析。當(dāng)出現(xiàn)振蕩情況時，虛擬電廠在確保成本最低時，以社會服務(wù)、社會福利為原則進(jìn)行應(yīng)用。

綜上，虛擬電廠的市場參與重點內(nèi)容在于保障其與主網(wǎng)間的協(xié)調(diào)性?；谑袌鼍饫碚摌?gòu)建虛擬電廠模型，使用迭代交互的方式對其進(jìn)行優(yōu)化。最終結(jié)果表明，基于上述方法可實現(xiàn)主網(wǎng)與虛擬電廠間的優(yōu)化交互，主網(wǎng)在不獲取信息的情況下實現(xiàn)交互，收斂速度有所提升，該模式既減少了電廠運行的成本投入，也有效提高了市場的經(jīng)濟效益，具有雙重優(yōu)勢。