考慮調(diào)節(jié)成本的負(fù)荷聚合商策略性報(bào)價(jià)及其尖峰市場(chǎng)出清優(yōu)化

張嶺喬, 周正成, 沈莎莎, 向運(yùn)琨, 劉漢林, 王威, 孟科

(1. 國網(wǎng)湖南綜合能源服務(wù)有限公司, 湖南 長沙 410007；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙供電分公司, 湖南 長沙 410002；3. 長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114；4. 北華大學(xué), 吉林 吉林 132013)

0 引言

隨著我國風(fēng)電、 光伏裝機(jī)規(guī)模持續(xù)高速增長,煤電調(diào)節(jié)資源占比不斷下降。 與常規(guī)電源相比, 新能源發(fā)電機(jī)組具有間歇性、 波動(dòng)性、 隨機(jī)性等特點(diǎn)。 風(fēng)力發(fā)電季節(jié)性明顯, 冬季風(fēng)能強(qiáng)盛, 夏季風(fēng)力較??； 光伏發(fā)電依賴于太陽光照, 日均可用時(shí)間約4 h, 僅占全天的1/6, 作為獨(dú)立能源無法覆蓋其他5/6 的時(shí)間, 尤其是晚間用電高峰。 風(fēng)、 光大規(guī)模并網(wǎng)后, 會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)高峰時(shí)供電不足, 低谷時(shí)新能源消納困難等問題, 導(dǎo)致電力系統(tǒng)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大、 調(diào)節(jié)能力下降。

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展和人民生活水平的提高, 全社會(huì)電氣化水平持續(xù)增長, 尖峰時(shí)段出現(xiàn)頻次增加且負(fù)荷數(shù)值更加突出, 促使用戶用電曲線的峰谷差進(jìn)一步拉大。 清潔能源資源分布與負(fù)荷需求在空間維度和時(shí)間維度上呈逆向分布的特性, 日間尖峰時(shí)段枯竭的清潔能源無法滿足用戶需求, 夜間低谷時(shí)段用戶用電無法促進(jìn)清潔能源消納, 電力供需不平衡矛盾逐步嚴(yán)重[1]。 利用發(fā)電機(jī)組的不斷啟停、 調(diào)峰緩解峰谷差將造成資源大量浪費(fèi)[2]。因此, 對(duì)需求側(cè)用電進(jìn)行優(yōu)化管理, 利用經(jīng)濟(jì)或激勵(lì)手段措施優(yōu)化需求側(cè)耗能模式, 有利于提高電力工效、 提高供電可靠性。

需求響應(yīng)可分為價(jià)格型需求響應(yīng)和激勵(lì)型需求響應(yīng)。 基于價(jià)格型需求響應(yīng)的定價(jià)策略主要分為實(shí)時(shí)電價(jià)、 分時(shí)電價(jià)和尖峰電價(jià)等。 文獻(xiàn)[3] 考慮了網(wǎng)絡(luò)安全約束, 以調(diào)度成本最小化為目標(biāo), 提出了價(jià)格型需求響應(yīng)模型, 有效解決了風(fēng)電消納問題。 文獻(xiàn)[4－5] 基于價(jià)格需求彈性矩陣, 研究了用戶在恒定價(jià)格下的響應(yīng)行為, 并計(jì)及用戶用電方式滿意度, 建立了分時(shí)電價(jià)決策模型。 文獻(xiàn)[6－7] 研究了可中斷負(fù)荷的補(bǔ)償定價(jià)機(jī)制, 鼓勵(lì)用戶積極參與中斷負(fù)荷合同簽訂, 并論證了實(shí)施可中斷負(fù)荷激勵(lì)可以有效促進(jìn)清潔能源消納。

負(fù)荷聚合商作為具備電力市場(chǎng)售電公司資質(zhì)的新生服務(wù)企業(yè), 主要為用戶提供購電交易和專業(yè)需求響應(yīng)技術(shù), 通過聚合需求響應(yīng)資源并代理參與需求響應(yīng)容量、 電能量競價(jià)獲得收益。 文獻(xiàn)[8] 總結(jié)了負(fù)荷聚合商業(yè)務(wù)和功能, 基于需求響應(yīng)資源分類, 提出了負(fù)荷聚合商運(yùn)營、 調(diào)度和控制策略。 文獻(xiàn)[9] 提出了基于邊際效用的負(fù)荷聚合商調(diào)峰競價(jià)模型, 有效提高了簽約用戶的響應(yīng)積極性。 文獻(xiàn)[10] 基于電－氣－熱多能源日前市場(chǎng)基本運(yùn)行機(jī)制, 提出了負(fù)荷聚合商參與需求響應(yīng)市場(chǎng)的最優(yōu)交易策略。 文獻(xiàn)[11] 提出了以自身利益最大化為目標(biāo)的負(fù)荷聚合商參與日前市場(chǎng)投標(biāo)模型, 不僅激勵(lì)柔性負(fù)荷資源積極參與電力市場(chǎng)交易, 也有利于電力系統(tǒng)維持供需平衡。 文獻(xiàn)[12] 根據(jù)空調(diào)熱動(dòng)力學(xué)模型, 提出了針對(duì)定頻空調(diào)負(fù)荷的直接控制模型, 緩解了尖峰時(shí)段電力短缺問題, 顯著提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率。 文獻(xiàn)[13] 基于終端用戶性質(zhì)分類, 提出了多類型用戶參與需求響應(yīng)收益模型。 以上主要是基于激勵(lì)用戶響應(yīng)、 最大化自身利益等方面開展的負(fù)荷聚合商最優(yōu)競價(jià)策略研究、 負(fù)荷聚合商參與電力市場(chǎng)交易策略, 但未考慮負(fù)荷調(diào)控成本, 沒有針對(duì)尖峰時(shí)段削減負(fù)荷的負(fù)荷聚合商參與需求響應(yīng)的市場(chǎng)競價(jià)出清機(jī)制進(jìn)行研究。

針對(duì)上述問題, 本文提出一種考慮調(diào)節(jié)成本的負(fù)荷聚合商策略性報(bào)價(jià)及其尖峰市場(chǎng)出清優(yōu)化模型。 首先, 按照電壓等級(jí)、 用電特性、 負(fù)荷曲線,以及單位時(shí)間負(fù)荷調(diào)節(jié)能力等方面對(duì)終端用戶分類。 再次, 根據(jù)分類情況, 建立負(fù)荷調(diào)節(jié)成本數(shù)學(xué)模型。 再次, 考慮負(fù)荷調(diào)節(jié)成本關(guān)系數(shù)學(xué)模型, 構(gòu)建策略性報(bào)價(jià)模型, 以負(fù)荷聚合商負(fù)荷調(diào)節(jié)成本之和最小為目標(biāo), 建立負(fù)荷聚合商參與尖峰市場(chǎng)出清模型。 最后, 對(duì)尖峰需求場(chǎng)景分類, 以某市負(fù)荷聚合參與不同尖峰場(chǎng)景為案例進(jìn)行算例分析, 驗(yàn)證競價(jià)出清機(jī)制的科學(xué)性。

1 負(fù)荷聚合商界定及靈活資源分類

1.1 負(fù)荷聚合商界定

負(fù)荷聚合商作為協(xié)調(diào)大工業(yè)用戶、 一般工商業(yè)用戶、 居民用戶和電網(wǎng)調(diào)度、 交易中心的中間機(jī)構(gòu)[12], 可通過專業(yè)的技術(shù)手段整合負(fù)荷資源, 參與中長期市場(chǎng)或需求響應(yīng)市場(chǎng)。 以某區(qū)域度夏電力需求響應(yīng)實(shí)施辦法為例, 明確電力需求響應(yīng)市場(chǎng)的參與響應(yīng)主體為直接需求用戶和負(fù)荷聚合商。

在“計(jì)劃＋市場(chǎng)” 雙軌制運(yùn)行的背景下, 電力用戶被分為非市場(chǎng)化用戶與市場(chǎng)化用戶。 其中, 市場(chǎng)化用戶主要為大工業(yè)用戶與部分一般工商業(yè)用戶, 可參與電力市場(chǎng)競價(jià)交易, 并按出清電價(jià)結(jié)算。 非市場(chǎng)化用戶主要為居民用戶和部分一般工商業(yè)用戶, 無法參與電力市場(chǎng)交易, 通常由負(fù)荷聚合商代理購買計(jì)劃電量, 并根據(jù)上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)結(jié)算電費(fèi)。 根據(jù)電力市場(chǎng)規(guī)則, 電力交易中心按時(shí)組織電力批發(fā)市場(chǎng)和電力零售市場(chǎng)交易。 大工業(yè)用戶可直接參與批發(fā)市場(chǎng)購電, 或由負(fù)荷聚合商代理參與購電交易, 而一般工商業(yè)用戶則必須通過負(fù)荷聚合商參與零售市場(chǎng)交易, 如圖1 所示。

圖1 負(fù)荷聚合商參與市場(chǎng)交易框架

1.2 終端用戶調(diào)節(jié)潛力分析

參與尖峰需求響應(yīng)市場(chǎng)的用戶應(yīng)具有以下特點(diǎn): 1) 具有一定的價(jià)格敏感性, 可根據(jù)價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)措施改變用電行為； 2) 擁有一定比例的可控負(fù)荷, 在尖峰時(shí)段可按合同限制用電時(shí)段及時(shí)長。 然而, 負(fù)荷與源、 網(wǎng)的互動(dòng)調(diào)節(jié)越來越多, 在緩解電力供需矛盾的同時(shí), 也帶來了挑戰(zhàn)。 用戶負(fù)荷響應(yīng)情況參差不齊、 用戶行為特征差異化嚴(yán)重,亟需開展基于生產(chǎn)流程的電力終端用戶調(diào)節(jié)潛力聚類分析。 因此, 對(duì)終端用戶按照電壓等級(jí)、 負(fù)荷調(diào)節(jié)能力以及下降單位功率成本分類, 分為大工業(yè)用戶、 一般工商業(yè)用戶和居民用戶三類。

1.2.1 大工業(yè)用戶

如圖2 所示, 大工業(yè)用戶日負(fù)荷與生產(chǎn)特性和峰谷電價(jià)相關(guān), 但負(fù)荷總體波動(dòng)較小。 在每日23:30至次日的07:00 處于夜間休息時(shí)段, 負(fù)荷呈不斷下降的趨勢(shì), 但該時(shí)段電價(jià)為谷時(shí)電價(jià), 負(fù)荷總體依舊保持在較高水平； 每日10:15—14:00 處于午間休息時(shí)段, 負(fù)荷不斷減小, 在12:00 達(dá)到該時(shí)段最低值后再持續(xù)增大； 每日15:00—22:00 處于正常工作時(shí)段, 但電價(jià)為高峰、 尖峰電價(jià), 負(fù)荷在該時(shí)段內(nèi)持續(xù)降低, 在22:00 后, 負(fù)荷急劇增大, 恢復(fù)至高負(fù)荷水平。

圖2 大工業(yè)用戶典型日負(fù)荷曲線

具備負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力的典型大工業(yè)用戶按行業(yè)主要分為鋼鐵和有色金屬行業(yè)、 建材行業(yè)、 化工行業(yè)、 造紙行業(yè)和機(jī)械制造行業(yè)。 針對(duì)大工業(yè)用戶負(fù)荷設(shè)備的特點(diǎn), 按照安全保障負(fù)荷、 主要生產(chǎn)負(fù)荷、 輔助生產(chǎn)負(fù)荷、 非生產(chǎn)性負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分類。 其中, 安全保障負(fù)荷是斷電后將會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的負(fù)荷； 主要生產(chǎn)負(fù)荷和輔助生產(chǎn)負(fù)荷是斷電后不會(huì)造成危險(xiǎn), 僅影響生產(chǎn)進(jìn)度的負(fù)荷； 非生產(chǎn)性負(fù)荷是除上述之外的負(fù)荷, 斷電靈活性較高、 斷電后不會(huì)產(chǎn)生重大影響。

由于鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)負(fù)荷的連續(xù)性, 調(diào)控方式都為自控, 調(diào)控時(shí)間和自身設(shè)備特性有關(guān)。 非生產(chǎn)性負(fù)荷占比較小, 調(diào)控方式為直控(柔性), 準(zhǔn)備和恢復(fù)時(shí)間可以達(dá)到秒級(jí), 響應(yīng)時(shí)間為0.5 ～2 h。 生產(chǎn)性負(fù)荷可調(diào)比例約為19%, 非生產(chǎn)性負(fù)荷約占1%, 綜合調(diào)控負(fù)荷約占總生產(chǎn)負(fù)荷的20%。

水泥行業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)是為了提高生產(chǎn)效率, 并非是工藝技術(shù)所限, 其具備負(fù)荷中斷潛力, 適宜參與電力需求響應(yīng)。 在生產(chǎn)條件允許的情況下, 水泥行業(yè)可調(diào)控負(fù)荷約占總生產(chǎn)負(fù)荷的24%。

雖然電解鋁企業(yè)采用連續(xù)工作制, 但在生產(chǎn)工藝上具備中斷潛力, 適宜參與電力需求響應(yīng)。 電解鋁企業(yè)主要生產(chǎn)負(fù)荷鋁電解槽、 鑄造爐占總負(fù)荷的75%, 占總可調(diào)節(jié)負(fù)荷的18%。 在生產(chǎn)條件允許的情況下, 可調(diào)控負(fù)荷約占總生產(chǎn)負(fù)荷的22%。

通用及專用設(shè)備制造企業(yè)的主要生產(chǎn)負(fù)荷可調(diào)節(jié)能力最高, 總可調(diào)節(jié)負(fù)荷的占16%, 主要可調(diào)節(jié)設(shè)備包括熔化爐、 鼓風(fēng)機(jī)、 烘干機(jī)等。 其中,熔化爐以自控方式為主, 鼓風(fēng)機(jī)、 烘干機(jī)可以實(shí)現(xiàn)柔性直控； 輔助負(fù)荷、 非生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)節(jié)能力分別為總可調(diào)節(jié)負(fù)荷的3%、 1%, 調(diào)節(jié)方式分別為自控、剛性直控。 在生產(chǎn)條件允許的情況下, 通用及專用設(shè)備制造企業(yè)的綜合調(diào)控負(fù)荷約占總生產(chǎn)負(fù)荷的20%。

1.2.2 一般工商業(yè)用戶

一般工商業(yè)用戶由賓館、 商業(yè)綜合樓宇及寫字樓等用戶組成, 負(fù)荷主要由空調(diào)系統(tǒng)、 照明系統(tǒng)、電梯、 動(dòng)力系統(tǒng)及生活用電五大類構(gòu)成。 一般工商業(yè)用戶日負(fù)荷根據(jù)營業(yè)時(shí)間可分為兩個(gè)時(shí)段, 其中每日的09:00—21:00 為高負(fù)荷時(shí)段, 每日的22:00—次日08:00 為低負(fù)荷時(shí)段, 負(fù)荷在同一時(shí)段內(nèi)均保持相對(duì)穩(wěn)定, 如圖3 所示。

圖3 一般工商業(yè)用戶典型日負(fù)荷曲線

根據(jù)同類設(shè)備午、 晚高峰時(shí)段運(yùn)行狀態(tài)不同,將賓館可調(diào)負(fù)荷分為午高峰和晚高峰兩個(gè)時(shí)段。 午高峰時(shí)段, 賓館可調(diào)負(fù)荷占賓館總負(fù)荷的25%；晚高峰時(shí)段, 賓館可調(diào)負(fù)荷占賓館總負(fù)荷的21%。

商業(yè)綜合體用戶的可控電力負(fù)荷主要以空調(diào)負(fù)荷、 照明負(fù)荷為主, 通過直控方式控制, 且調(diào)控效果良好, 能夠柔性調(diào)節(jié), 可最大程度減少對(duì)用戶的影響。 大型商業(yè)綜合體可調(diào)節(jié)負(fù)荷占比約36%,其中, 夏季空調(diào)負(fù)荷可調(diào)節(jié)能力最大, 約占19%,照明、 冷庫、 電熱鍋爐的調(diào)節(jié)能力占比可達(dá)13%。

根據(jù)寫字樓的負(fù)荷特性, 空調(diào)設(shè)備、 辦公照明和電熱鍋爐的負(fù)荷占比較大, 對(duì)這三類負(fù)荷進(jìn)行調(diào)控不會(huì)產(chǎn)生較大的安全隱患, 具備較高的調(diào)控潛力。 通過柔性直控的方式, 調(diào)節(jié)空調(diào)參數(shù)以降低功率, 實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)負(fù)荷調(diào)控。 通過剛性直控的方式,切斷照明負(fù)荷電源以降低功率, 實(shí)現(xiàn)秒級(jí)負(fù)荷調(diào)控。 電熱鍋爐可以通過切斷電源和調(diào)節(jié)控制兩種方式來調(diào)節(jié)功率。 寫字樓總體可調(diào)負(fù)荷占比約32%。

1.2.3 居民用戶

城鄉(xiāng)居民用戶負(fù)荷曲線與居民生活習(xí)慣相關(guān),負(fù)荷利用一般開始于每日07:00—08:00, 在每日11:00—13:00 和19:00—23:00 時(shí)段達(dá)到負(fù)荷高峰, 且晚高峰時(shí)段負(fù)荷相比午高峰時(shí)段負(fù)荷更大,如圖4 所示。 早上由于氣溫較低和上班因素, 負(fù)荷較低； 中午氣溫升高, 負(fù)荷受做飯和開空調(diào)需求影響, 負(fù)荷較高； 晚上居民用電設(shè)備負(fù)荷較高, 出現(xiàn)晚高峰并逐步下降直到凌晨。

圖4 居民用戶典型日負(fù)荷特性曲線

居民用戶主要負(fù)荷設(shè)備包括空調(diào)、 熱水器、 照明等, 且夏季和冬季的用電設(shè)備基本一致。 其中,空調(diào)負(fù)荷約占居民高峰期負(fù)荷的40%～50%； 熱水器負(fù)荷約占居民高峰期負(fù)荷的10%～30%； 電冰箱負(fù)荷約占居民高峰期負(fù)荷的1%～5%； 照明負(fù)荷約占居民高峰期負(fù)荷的10%～20%。

1.3 負(fù)荷聚合商需求響應(yīng)調(diào)控框架設(shè)計(jì)

可調(diào)控資源具有分散性、 多樣性及靈活性等特征, 在需求響應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用逐漸增大的情況下, 將可調(diào)控資源納入電力系統(tǒng)調(diào)度框架, 并實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和及時(shí)控制。 圖5 為基于負(fù)荷聚合商技術(shù)功能和市場(chǎng)功能的需求響應(yīng)調(diào)控框架。 首先, 負(fù)荷聚合商接受電網(wǎng)調(diào)度指令, 并及時(shí)控制其管轄的各類可調(diào)負(fù)荷設(shè)備。 在每一個(gè)可調(diào)控負(fù)荷設(shè)備安裝智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 隨時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)荷變化, 根據(jù)電網(wǎng)功率變化與系統(tǒng)控制指令對(duì)可調(diào)控設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。 另一方面, 負(fù)荷聚合商將對(duì)按約調(diào)控負(fù)荷的用戶提供一定的激勵(lì)。 用戶根據(jù)負(fù)荷聚合商激勵(lì)的補(bǔ)償價(jià)格, 決定自身的響應(yīng)電量。 用戶調(diào)節(jié)負(fù)荷功率會(huì)產(chǎn)生一定的調(diào)節(jié)成本, 對(duì)于理性用戶而言, 只有當(dāng)響應(yīng)激勵(lì)收益大于需求響應(yīng)成本時(shí), 用戶才愿意主動(dòng)調(diào)整負(fù)荷。 最后, 當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)電力供需不平衡時(shí), 調(diào)度基于負(fù)荷聚合商的技術(shù)功能和市場(chǎng)功能, 實(shí)現(xiàn)用戶的負(fù)荷轉(zhuǎn)移和中斷。

圖5 負(fù)荷聚合商需求響應(yīng)調(diào)控框架

2 負(fù)荷聚合商降負(fù)荷成本建模

2.1 大工業(yè)用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)成本建模

從大工業(yè)用戶生產(chǎn)方式來看, 生產(chǎn)單元分為連續(xù)性生產(chǎn)單元和可間斷性生產(chǎn)單元。 連續(xù)性生產(chǎn)單元的工序需連續(xù)生產(chǎn), 電力負(fù)荷按時(shí)段調(diào)控的裕度不大； 可間斷性生產(chǎn)單元按合同訂單調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)奏, 具體尖峰時(shí)段負(fù)荷下調(diào)潛力。 為衡量用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)潛力, 定義生產(chǎn)間斷性系數(shù)為K。

式中,Pind為可間斷生產(chǎn)單元負(fù)荷,P總為總生產(chǎn)負(fù)荷。

當(dāng)電力用戶生產(chǎn)間斷性系數(shù)K＞0 時(shí), 下調(diào)負(fù)荷成本可表示為:

式中,Ctri(P) 為負(fù)荷調(diào)節(jié)成本；P為用戶下調(diào)負(fù)荷；Cind(P) 為用戶降低負(fù)荷后間接性減少生產(chǎn)導(dǎo)致的利潤下降成本；Clr(P) 為用戶恢復(fù)負(fù)荷的時(shí)間成本；Cele(P) 為用戶下調(diào)負(fù)荷的少用電費(fèi)；Cdir(P) 為用戶降低負(fù)荷后直接減少生產(chǎn)導(dǎo)致的利潤下降成本。

當(dāng)電力用戶生產(chǎn)間斷性系數(shù)K＝0 時(shí), 下調(diào)負(fù)荷成本可表示為:

式中,Cop(P) 為用戶單位時(shí)間負(fù)荷生產(chǎn)產(chǎn)品利潤。

1) 直接成本

定義用戶負(fù)荷的削減量為削減負(fù)荷, 用戶單位削減負(fù)荷所帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失為降負(fù)荷直接成本系數(shù), 降負(fù)荷成本與削減負(fù)荷的函數(shù)關(guān)系為降負(fù)荷成本函數(shù), 此函數(shù)為:

式中,ca、cb、cd分別為保生產(chǎn)段、 保經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)段和保安全段的降負(fù)荷直接成本系數(shù)[14]；P1為保生產(chǎn)段與保經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)段的邊界功率；P2為保經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)段與保安全段的邊界功率。 削減負(fù)荷越大, 對(duì)用戶生產(chǎn)和安全影響越大。

2) 間接成本

定義用戶間接成本損失為下調(diào)可間斷生產(chǎn)單元負(fù)荷間接影響產(chǎn)品產(chǎn)生利潤, 非線性函數(shù)為:

式中,cm為間接成本損失系數(shù)。

2.2 一般工商業(yè)降負(fù)荷成本建模

對(duì)于一般工商業(yè)用戶, 其下調(diào)負(fù)荷主要以控制中央空調(diào)為主, 成本函數(shù)關(guān)系為:

式中,Cgia(P) 為一般工商業(yè)用戶調(diào)節(jié)功率為P時(shí)的調(diào)節(jié)成本；Ccom(P) 為調(diào)節(jié)功率為P時(shí)減少的用電成本；Cele(P) 為調(diào)整空調(diào)負(fù)荷后顧客舒適度下降導(dǎo)致的間接性經(jīng)濟(jì)損失。

2.3 居民用戶降負(fù)荷成本建模

對(duì)于居民用戶, 下調(diào)負(fù)荷主要通過調(diào)整空調(diào)、熱水器等溫控設(shè)備的使用, 以及洗衣機(jī)、 洗碗機(jī)等電器負(fù)荷的轉(zhuǎn)移, 成本函數(shù)關(guān)系為:

式中,Cres(P) 為居民用戶調(diào)節(jié)功率為P時(shí)的調(diào)節(jié)成本。

2.4 約束條件

1) 用戶降負(fù)荷上下限約束

式中,ΔPi,max和ΔPi,min分別為用戶i下調(diào)負(fù)荷上下限,ΔPi,min一般為0,ΔPi,max為用戶調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力[13]。

2) 用戶用電連續(xù)性約束

式中,Pi＋ΔPi為用戶i下調(diào)后的負(fù)荷；和分別為超前或滯后一個(gè)時(shí)段的用戶負(fù)荷； ΔPi,u和ΔPi,d分別為用戶i的負(fù)荷增減速率限制。

3 負(fù)荷聚合商策略性報(bào)價(jià)及其尖峰市場(chǎng)出清優(yōu)化

3.1 負(fù)荷聚合商參與尖峰市場(chǎng)交易流程

1) 發(fā)布需求信息。 當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)電力供小于求時(shí), 啟動(dòng)尖峰需求響應(yīng)市場(chǎng), 并向負(fù)荷聚合商發(fā)布需求響應(yīng)信息, 包含需求時(shí)段、 需求負(fù)荷等。

2) 負(fù)荷聚合商申報(bào)響應(yīng)負(fù)荷。 首先, 負(fù)荷聚合商向代理用戶發(fā)布需求響應(yīng)邀約信息。 然后, 負(fù)荷聚合商根據(jù)代理用戶用電需求、 負(fù)荷調(diào)整能力等情況, 向交易商申報(bào)下調(diào)負(fù)荷。

3) 負(fù)荷聚合商根據(jù)代理用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)成本,向交易商申報(bào)補(bǔ)償價(jià)格。

4) 按照負(fù)荷聚合商負(fù)荷調(diào)節(jié)成本報(bào)價(jià)由低到高排序出清, 直至滿足尖峰市場(chǎng)需求響應(yīng)負(fù)荷最大值。 最后, 以負(fù)荷聚合商申報(bào)價(jià)格出清。

3.2 負(fù)荷聚合商策略性報(bào)價(jià)模型

在實(shí)際的尖峰市場(chǎng)競價(jià)過程中, 負(fù)荷聚合商會(huì)考慮自身利益的獲取, 將在保證一定中標(biāo)負(fù)荷的前提下策略性申報(bào)負(fù)荷－電價(jià)曲線, 可表述為:

式中,λi(Pi) 為負(fù)荷聚合商i在參與市場(chǎng)競價(jià)時(shí),申報(bào)的關(guān)于可響應(yīng)負(fù)荷遞增的電價(jià)函數(shù), 該函數(shù)為策略性報(bào)價(jià)函數(shù)；πi(Pi) 為負(fù)荷聚合商i的基于真實(shí)成本的報(bào)價(jià)函數(shù), 即真實(shí)報(bào)價(jià)函數(shù)；Pi為負(fù)荷聚合商i的可響應(yīng)負(fù)荷；4ΔPi為負(fù)荷聚合商i可響應(yīng)的最大負(fù)荷, 取值小于或等于公示信息Pi,pub；δi為負(fù)荷聚合商i的報(bào)價(jià)策略系數(shù)。 其中, 負(fù)荷聚合商為了保證一定的中標(biāo)率, 防止報(bào)價(jià)過高而落標(biāo),報(bào)價(jià)策略系數(shù)δi的取值通常較小。

3.3 負(fù)荷聚合商參與尖峰市場(chǎng)出清優(yōu)化模型

負(fù)荷聚合商參與尖峰市場(chǎng), 調(diào)節(jié)成本函數(shù)為:

式中, A、 B、 C 分別為負(fù)荷聚合商代理的大工業(yè)用戶、 一般工商業(yè)用戶和居民用戶數(shù)量。

以尖峰需求響應(yīng)市場(chǎng)購買成本之和最小為目標(biāo)出清, 目標(biāo)函數(shù)為

式中,N為參與尖峰市場(chǎng)出清的負(fù)荷聚合商數(shù)量；Pi為負(fù)荷聚合商申報(bào)功率。

3.4 約束條件

1) 市場(chǎng)需求約束

式中,Ptrad為尖峰市場(chǎng)需求量。

2) 個(gè)人理性約束

引入機(jī)制設(shè)計(jì)中的個(gè)人理性 (individual rational) 約束, 激勵(lì)負(fù)荷聚合商參與尖峰市場(chǎng),表明補(bǔ)償價(jià)格的制定必須使自愿參與的負(fù)荷聚合商所獲得的利潤至少大于0, 數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

3) 負(fù)荷聚合商響應(yīng)約束

負(fù)荷聚合商參與尖峰市場(chǎng)先申報(bào)負(fù)荷不得超過可調(diào)節(jié)潛力最大值:

式中,Pi,max為負(fù)荷聚合商i最大調(diào)節(jié)負(fù)荷。

4 算例分析

4.1 分析場(chǎng)景

根據(jù)湖南省2020 年日內(nèi)96 點(diǎn)負(fù)荷均值及水電、 風(fēng)電、 光伏96 點(diǎn)出力均值為特征對(duì)電網(wǎng)尖峰運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行分類, 分類結(jié)果及場(chǎng)景特征見表1。

表1 尖峰需求響應(yīng)場(chǎng)景

選取某市典型尖峰場(chǎng)景為案例進(jìn)行分析, 分別符合場(chǎng)景一和場(chǎng)景四特征。 圖6 (a) 為2020 年某市典型尖峰場(chǎng)景, 20:00—22:00 為尖峰需求響應(yīng)時(shí)段, 最高時(shí)段負(fù)荷為768.2 MW, 尖峰市場(chǎng)需求響應(yīng)負(fù)荷量為10 000 kW·h。 圖6 (b) 為2020 年某市典型尖峰場(chǎng)景, 11:30—15:30出現(xiàn)尖峰時(shí)段,最高時(shí)段負(fù)荷為820.5 MW, 尖峰市場(chǎng)需求響應(yīng)負(fù)荷量為10 000 kW·h。

圖6 典型實(shí)際場(chǎng)景

4.2 分析結(jié)果

選取湖南電力市場(chǎng)的實(shí)際案例, 分析典型尖峰場(chǎng)景一和場(chǎng)景四的負(fù)荷聚合商基于降負(fù)荷成本報(bào)價(jià)的尖峰市場(chǎng)出清結(jié)果。 本需求響應(yīng)市場(chǎng)共10 家負(fù)荷聚合商參與, 類型及需求響應(yīng)潛力見表2。

1) 場(chǎng)景一

負(fù)荷聚合商主體報(bào)量報(bào)價(jià)情況見表3, 其中負(fù)荷聚合商主體1 報(bào)量報(bào)價(jià)最低, 分別為800 kW·h和2.3 元； 負(fù)荷聚合商主體10 報(bào)量報(bào)價(jià)最高, 分別為3 500 kW·h 和4.2 元。

表3 負(fù)荷聚合商參與尖峰典型場(chǎng)景一報(bào)量報(bào)價(jià)

表4 為負(fù)荷聚合商參與尖峰典型場(chǎng)景一出清結(jié)果, 共有5 個(gè)負(fù)荷聚合商中標(biāo), 中標(biāo)價(jià)格分別為2.3 元、 2.5 元、 2.8 元、 3.0 元、 3.2 元和3.5元, 中標(biāo)功率分別為800 kW·h、 1 000 kW·h、1 500 kW·h、 2 000 kW·h、 2 300 kW·h 和2 400 kW·h。場(chǎng)景一尖峰需求量小, 持續(xù)時(shí)間短, 故中標(biāo)負(fù)荷聚合商數(shù)量少, 中標(biāo)價(jià)格偏低, 且負(fù)荷聚合商代理類型大多為居民和商業(yè)用戶。

表4 負(fù)荷聚合商參與尖峰典型場(chǎng)景一出清結(jié)果

2) 場(chǎng)景四

各負(fù)荷聚合商主體報(bào)量報(bào)價(jià)情況見表5, 其中負(fù)荷聚合商主體1 報(bào)量報(bào)價(jià)最低, 分600 kW·h 和2.5 元； 負(fù)荷聚合商主體10 報(bào)量報(bào)價(jià)最高, 分別為9 000 kW·h 和5.3 元。

表5 負(fù)荷聚合商參與尖峰典型場(chǎng)景四報(bào)量報(bào)價(jià)

表6 為負(fù)荷聚合商參與尖峰典型場(chǎng)景四出清結(jié)果, 市場(chǎng)上負(fù)荷聚合商主體均中標(biāo), 中標(biāo)價(jià)格分別為2.5 元、 2.8 元、 3.0 元、 3.2 元、 3.5 元、3.8 元、 4.0 元、 4.2 元、 5.0 元和5.3 元, 中標(biāo)功率分別為600 kW·h、 800 kW·h、 1 500 kW·h、1 600 kW·h、 2 200 kW·h、 2 500 kW·h、 2 800 kW·h、3 500 kW·h、 6 500 kW·h、 8 000 kW·h。 場(chǎng)景四尖峰需求量大、 持續(xù)時(shí)間長, 此場(chǎng)景下, 用戶用電需求高, 需求響應(yīng)能力低于場(chǎng)景三。 因此, 盡管市場(chǎng)上負(fù)荷聚合商均中標(biāo), 但中標(biāo)功率低于場(chǎng)景一, 且中標(biāo)價(jià)格偏高。

表6 負(fù)荷聚合商參與尖峰典型場(chǎng)景四出清結(jié)果

5 結(jié)論

尖峰時(shí)段用電增長和電源出力不確定性已成為拉閘限電的主要原因。 負(fù)荷聚合商作為一種代理終端用戶的中間機(jī)構(gòu), 具有參與需求響應(yīng)市場(chǎng)的能力。 本文提出一種考慮調(diào)節(jié)成本的負(fù)荷聚合商策略性報(bào)價(jià)及其尖峰市場(chǎng)出清優(yōu)化模型, 提高了負(fù)荷聚合商參與尖峰需求響應(yīng)市場(chǎng)響應(yīng)積極性, 極大地削減了尖峰時(shí)段負(fù)荷。 主要結(jié)論如下:

1) 基于終端用戶分類的負(fù)荷聚合商負(fù)荷調(diào)節(jié)成本建模為負(fù)荷聚合商參與尖峰市場(chǎng)報(bào)價(jià)報(bào)量提供了科學(xué)依據(jù)； 本文提出的以尖峰市場(chǎng)交易成本之和最小為目標(biāo)的出清模型有效促進(jìn)了負(fù)荷聚合商參與市場(chǎng), 降低需求響應(yīng)成本。

2) 在不同尖峰場(chǎng)景下, 因?yàn)樨?fù)荷聚合商代理用戶用電需求、 響應(yīng)潛力和降幅成本不同, 所以申報(bào)負(fù)荷和價(jià)格不同。 當(dāng)尖峰場(chǎng)景需求量大、 持續(xù)時(shí)間長時(shí), 因用戶自身用電需要, 負(fù)荷聚合商申報(bào)負(fù)荷偏低、 申報(bào)價(jià)格偏高。