考慮電-氫市場(chǎng)的虛擬電廠兩階段優(yōu)化策略研究

石夢(mèng)舒，許小峰，張繼廣，李憶，周保中，樂鷹，畢圣

（1. 華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京市 昌平區(qū) 102200；2. 華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

隨著中國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施，風(fēng)電、光伏等新能源將迎來更快速發(fā)展，新能源的滲透率將不斷提高，這將會(huì)加大新能源功率波動(dòng)對(duì)微電網(wǎng)及其接入系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響和運(yùn)行調(diào)度的難度[1]。一方面，可再生能源的出力存在較大的不確定性，對(duì)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力提出了更高的要求，平抑可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性和間接性是亟須解決的問題。另一方面，隨著可再生能源的裝機(jī)容量不斷提高，棄風(fēng)、棄光以及棄水現(xiàn)象也愈發(fā)嚴(yán)重，充分消納可再生能源、提升能源利用效率也是正在面臨的挑戰(zhàn)之一[2-3]。虛擬電廠(virtual power plant，VPP)作為一種智慧能源系統(tǒng)，具有雙向潮流的特性，既可以作為可控電源加強(qiáng)電力的供給能力向電網(wǎng)供電調(diào)峰，也可以作為可控負(fù)荷增加電力的消納，配合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)填谷，平滑系統(tǒng)的出力和需求，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供保障[4-6]。除了為電力系統(tǒng)的運(yùn)行提供保障獲得補(bǔ)償收益之外，VPP也可以作為靈活性資源參與容量、電量以及輔助服務(wù)等各級(jí)電力市場(chǎng)，通過市場(chǎng)交易獲得經(jīng)濟(jì)收益[7]。

儲(chǔ)能可以彌補(bǔ)新能源在隨機(jī)波動(dòng)性方面的先天缺陷，從根本上解決高比例新能源消納的難題[8]。氫儲(chǔ)能作為一種清潔高效的能源，能夠在VPP 中發(fā)揮重要的作用[9-10]。區(qū)別于其他儲(chǔ)能系統(tǒng)，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅能夠充分消納棄風(fēng)、棄光以及棄水等資源，作為儲(chǔ)能保障電力供應(yīng)，也可以作為氫原料的來源之一，提升系統(tǒng)內(nèi)部的附加價(jià)值，并且提高VPP 參與外部市場(chǎng)的能力[11-12]。然而，針對(duì)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與VPP 的研究尚少。文獻(xiàn)[13] 構(gòu)建了以電轉(zhuǎn)氣碳捕集系統(tǒng)耦合和燃?xì)鈸綒錇橹黧w的VPP，在考慮階梯碳交易的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[14]構(gòu)建了基于堿性電解槽寬功率適應(yīng)模型的風(fēng)光氫熱VPP 模型，探索了用電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池替代蓄電池，并同時(shí)熱電聯(lián)供，再考慮氧氣市場(chǎng)下的經(jīng)濟(jì)性和可行性。文獻(xiàn)[15] 構(gòu)建了以光伏耦合電解水制氫系統(tǒng)的虛擬電廠，研究了其運(yùn)行模式，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性展開了分析。

VPP 作為靈活性資源豐富的主體，能夠在電力市場(chǎng)中發(fā)揮重要作用[16]，隨著綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展，多能互補(bǔ)也逐漸成為VPP 內(nèi)部資源優(yōu)化的趨勢(shì)，VPP 也可以作為獨(dú)立主體參與多能市場(chǎng)[17-18]。目前針對(duì)VPP 參與電力市場(chǎng)的研究主要包括市場(chǎng)機(jī)制的設(shè)計(jì)[19-21]和交易策略[7,22-24]。文獻(xiàn)[25]提出了一種基于拍賣理論的異構(gòu)分布式能源虛擬電站聯(lián)盟方法，充分考慮了VPP 之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。文獻(xiàn)[26]深入分析了電力市場(chǎng)的交易機(jī)制，對(duì)電力市場(chǎng)中VPP 的風(fēng)險(xiǎn)成本進(jìn)行了建模，并運(yùn)用博弈的模型對(duì)VPP 的投標(biāo)策略展開研究。文獻(xiàn)[27]建立了由風(fēng)電場(chǎng)、抽水蓄能電站和燃?xì)廨啓C(jī)組成的VPP，并考慮電價(jià)和風(fēng)電出力的不確定性，提出了VPP 競(jìng)標(biāo)策略。文獻(xiàn)[28]為進(jìn)一步刻畫VPP 在市場(chǎng)博弈行為中的特點(diǎn)，將古諾博弈模型引入電力市場(chǎng)，并運(yùn)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論對(duì)該博弈過程進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[29]提出了一種基于主從博弈的VPP 內(nèi)部購售電價(jià)格制定方法，通過電價(jià)信號(hào)引導(dǎo)產(chǎn)消者調(diào)整發(fā)用電策略，最終形成VPP 的對(duì)外出力。文獻(xiàn)[30]提出了一種VPP 參與日前電力市場(chǎng)的內(nèi)外協(xié)調(diào)的競(jìng)標(biāo)策略，在考慮外部競(jìng)標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行內(nèi)部資源博弈。

然而，少有文獻(xiàn)細(xì)化研究氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在VPP中的應(yīng)用，也鮮有研究其在氫市場(chǎng)中的作用。本文考慮可再生能源、柔性負(fù)荷、抽蓄儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能的資源互補(bǔ)特性，構(gòu)建兩階段優(yōu)化模型，提出一種外部多能源市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)和內(nèi)部資源優(yōu)化策略。

1 虛擬電廠電-氫兩級(jí)市場(chǎng)參與模式

如圖1 所示，虛擬電廠由可再生能源發(fā)電機(jī)組、抽蓄電站、柔性負(fù)荷及氫儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成。虛擬電廠運(yùn)營商(virtual power plant operator，VPPO)通過收集市場(chǎng)信息向VPP 下達(dá)運(yùn)行指令。而VPP通過VPPO 下達(dá)的指令對(duì)內(nèi)部資源進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)的VPP 參與電力市場(chǎng)的模式主要是通過電源側(cè)峰時(shí)售電、儲(chǔ)能側(cè)峰谷套利減少負(fù)荷需求以及負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)來提供輔助服務(wù)。本研究中VPP 參與日前的電能量市場(chǎng)和調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)，以價(jià)格接受者的方式參與日前階段的電力市場(chǎng)，在獲取電力調(diào)度機(jī)構(gòu)發(fā)布的電能量市場(chǎng)的市場(chǎng)信息(購售電價(jià)格、峰平谷時(shí)段等)和調(diào)峰市場(chǎng)的市場(chǎng)信息(填谷調(diào)峰、削峰調(diào)峰的調(diào)峰時(shí)段和調(diào)峰補(bǔ)償價(jià)格)后，根據(jù)競(jìng)標(biāo)策略協(xié)調(diào)內(nèi)部成員資源，通過優(yōu)化進(jìn)一步調(diào)整在電能量市場(chǎng)和調(diào)峰市場(chǎng)的競(jìng)標(biāo)計(jì)劃，向電力調(diào)度機(jī)構(gòu)上報(bào)在電能量市場(chǎng)和調(diào)峰市場(chǎng)的競(jìng)標(biāo)電量等信息。氫儲(chǔ)能系統(tǒng)和抽蓄電站都可以參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)，但是對(duì)于氫儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，其參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)或是氫市場(chǎng)的資源總量是固定的，因此需要根據(jù)價(jià)格進(jìn)行決策。

圖1 虛擬電廠結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of virtual power plant structure

2 虛擬電廠市場(chǎng)參與模型

2.1 第一階段運(yùn)行優(yōu)化模型

2.1.1 第一階段目標(biāo)函數(shù)

對(duì)于下層模型而言，VPPO 的目標(biāo)是系統(tǒng)總運(yùn)行成本最低。其系統(tǒng)運(yùn)行成本包括棄風(fēng)棄光的懲罰成本、失負(fù)荷的懲罰成本、購電成本、設(shè)備啟停成本以及設(shè)備運(yùn)行成本。

式中：CVPP為系統(tǒng)運(yùn)行成本；為棄風(fēng)棄光的懲罰成本；為失負(fù)荷的懲罰成本；為購電成本；為設(shè)備啟停成本；為設(shè)備運(yùn)行成本；分別為棄電懲罰電價(jià)、失負(fù)荷懲罰電價(jià)以及購電電價(jià)，元/(kW?h)；和Pb,t分別為棄電功率、失負(fù)荷功率以及購電功率，kW。

2.1.2 第一階段約束條件

1）功率平衡約束

功率平衡約束條件為

2）備用容量約束

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電與光伏的全額消納，VPP 通過抽蓄電站和柔性負(fù)荷保留相應(yīng)的正負(fù)備用應(yīng)對(duì)風(fēng)電、光伏的出力偏差。備用容量約束條件如下：

式中：ΔPw+,t、ΔPpv+,t分別為風(fēng)電和光伏出力的正偏差，kW；ΔPw-,t、ΔPpv-,t分別為風(fēng)電和光伏出力的負(fù)偏差，kW；Rp,up,t、Rp,down,t分別為抽蓄電站的正備用和負(fù)備用，kW；Rfl,up,t、Rfl,down,t分別為柔性負(fù)荷的正備用和負(fù)備用，kW。

3）設(shè)備出力約束

風(fēng)電出力約束條件如下：

光伏出力約束條件如下：

式中：I為單位面積太陽能輻射量，kW/m2；A為光伏面積，m2；λ為系統(tǒng)綜合效率，一般取0.8。

抽蓄電站出力約束條件如下：

式中：ηp,t為抽水工況下抽水蓄能電站在t時(shí)段的工作狀態(tài)變量，取0 或1；為抽水蓄能電站的額定抽水功率，kW。

抽蓄電站出力約束條件為

抽蓄電站不同時(shí)抽水蓄能和放電。

氫儲(chǔ)能系統(tǒng)出力約束條件如下：

式中：Hm,t為制氫量，m3；α為電轉(zhuǎn)氫的系數(shù)；ηp-h為電轉(zhuǎn)氫的效率；β為氫轉(zhuǎn)電的系數(shù)，取1；ηh-p為氫轉(zhuǎn)電的效率，%；Hc,t為耗氫量，m3。

儲(chǔ)氫設(shè)備的累積儲(chǔ)氫量Hs,t滿足如下約束：

氫儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行約束條件為

其中，電解槽和燃料電池不同時(shí)啟動(dòng)。

4）設(shè)備啟停約束

設(shè)備頻繁啟停不僅會(huì)造成成本增加，也會(huì)影響設(shè)備的正常使用，加劇設(shè)備的磨損。因此，在典型運(yùn)行日內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的啟停次數(shù)需要保障在合理范圍內(nèi)。設(shè)備啟停約束條件為

式中：ns-s為設(shè)備的啟停次數(shù)；ns-s max為典型日內(nèi)設(shè)備的最大啟停次數(shù)。

5）調(diào)峰約束

對(duì)于柔性負(fù)荷而言，其滿足如下調(diào)峰約束：

式中：ΔPl,t為柔性負(fù)荷的可調(diào)量，kW；為柔性負(fù)荷的最大可調(diào)量，kW。柔性負(fù)荷參與調(diào)峰市場(chǎng)需要根據(jù)調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)的時(shí)段進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，其他時(shí)段的調(diào)峰量為0。

柔性負(fù)荷調(diào)峰狀態(tài)約束條件為：

式中：ΔPl,vf,t、ΔPl,pf,t分別為柔性負(fù)荷填谷調(diào)峰和削峰調(diào)峰電量，kW；uvf、upf分別為填谷調(diào)峰標(biāo)志和削峰調(diào)峰標(biāo)志，取0或1，且不同時(shí)為1。

2.2 第二階段競(jìng)標(biāo)策略

2.2.1 第二階段目標(biāo)函數(shù)

VPPO 目標(biāo)是系統(tǒng)總收益最大，包含在電能量市場(chǎng)獲得的售電收益、提供輔助服務(wù)的收益以及在氫市場(chǎng)售氫獲得的收益。系統(tǒng)總收益表示為

調(diào)峰輔助服務(wù)又分為削峰調(diào)峰輔助服務(wù)和削谷調(diào)峰輔助服務(wù)，且服務(wù)價(jià)格不同。因此，VPPO提供輔助服務(wù)可獲得的收益可細(xì)化成如下模型：

式中：pvf,t、ppf,t分別為填谷調(diào)峰價(jià)格和削峰調(diào)峰價(jià)格，元/kW；qvfb,t為VPPO 的填谷調(diào)峰競(jìng)標(biāo)容量，kW；qpfb,t為VPPO 的削峰調(diào)峰競(jìng)標(biāo)容量，kW。

式中：qp,vf,t、qfl,vf,t分別為抽蓄電站和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與填谷調(diào)峰的充電電量、柔性負(fù)荷參與填谷調(diào)峰的負(fù)荷增加量，kW；qp,pf,t、qfl,pf,t分別為抽蓄電站和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與削峰調(diào)峰的放電電量、柔性負(fù)荷參與填谷調(diào)峰的負(fù)荷減少量，kW。

2.2.2 第二階段約束條件

VPPO 在電能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)的競(jìng)標(biāo)會(huì)互相影響，VPP 可提供的靈活性資源有限并且固定，因此VPPO 需要抉擇參與能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)的資源分配問題。VPP在t時(shí)刻的系統(tǒng)靈活性可表示為

式中FVPP,t由下層提供。

2.3 求解方法

本研究采用粒子群優(yōu)化算法和Cplex求解器組合求解，在MATLAB2019a平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。粒子群算法已被廣泛用作求解優(yōu)化問題的啟發(fā)式算法之一，具體流程如下：1）初始化粒子，對(duì)于上層模型中電能量市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)量、輔助服務(wù)市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)量以及氫市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)量決策變量的每個(gè)粒子，給定初始化速度和位置；2）下層Cplex求解器根據(jù)下層目標(biāo)函數(shù)對(duì)VPP的內(nèi)部資源進(jìn)行優(yōu)化，以得到最優(yōu)的購售電策略，并更新VPP內(nèi)部的靈活性資源量反饋給上層，上層粒子群算法根據(jù)下層反饋的靈活性資源量更新競(jìng)標(biāo)量，并計(jì)算總收益，評(píng)估總收益的變化情況；3）若模型已經(jīng)達(dá)到終止條件，尋優(yōu)過程結(jié)束，算法終止，否則，更新粒子的速度和位置并返回第2）步。

3 算例分析

3.1 參數(shù)及場(chǎng)景設(shè)計(jì)

VPPO 根據(jù)電力調(diào)度機(jī)構(gòu)的需求以及獲取到的電力市場(chǎng)和氫市場(chǎng)的價(jià)格信息，通過聚合VPP內(nèi)部的靈活性資源進(jìn)行合理分配，以達(dá)到系統(tǒng)總收益最大的目的?？稍偕茉窗l(fā)電、柔性負(fù)荷、抽蓄電站和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)均可參與電力市場(chǎng)的調(diào)峰需求，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以參與氫市場(chǎng)。調(diào)峰時(shí)段購售電及輔助服務(wù)的價(jià)格如圖2 所示。VPP 在24個(gè)時(shí)段均可參與電能量市場(chǎng)。

圖2 電力市場(chǎng)價(jià)格Fig. 2 Electricity market price

VPP 內(nèi)部風(fēng)電、光伏出力以及原始負(fù)荷的預(yù)測(cè)如圖3 所示，根據(jù)風(fēng)電、光伏的出力特性以及負(fù)荷需求特性，本研究選取了春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)的典型日。

圖3 負(fù)荷及出力Fig. 3 Load and output

本文設(shè)定每個(gè)柔性負(fù)荷在各時(shí)段的最大調(diào)整量為該時(shí)段負(fù)荷的20%，調(diào)峰市場(chǎng)的準(zhǔn)入條件為單日競(jìng)標(biāo)電量不小于5 000 kW，在削峰調(diào)峰時(shí)段，VPP 最大購電量為250 kW?h，本文的其他參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 參數(shù)Tab. 1 Parameters

3.2 競(jìng)標(biāo)結(jié)果

表2為典型場(chǎng)景設(shè)計(jì)情況。不同季節(jié)典型日不同場(chǎng)景的競(jìng)標(biāo)電量如圖4所示。在場(chǎng)景1，即僅有可再生能源發(fā)電和柔性負(fù)荷參與輔助服務(wù)的情況下，夏季典型日才能勉強(qiáng)達(dá)到輔助服務(wù)市場(chǎng)的調(diào)峰基準(zhǔn)條件，其余季節(jié)均不能參與輔助服務(wù)市場(chǎng)。場(chǎng)景3 在考慮單一氫儲(chǔ)能的情況下，僅能在夏季和秋季參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，且秋季勉強(qiáng)達(dá)到基準(zhǔn)條件；春季略低于調(diào)峰基準(zhǔn)條件。場(chǎng)景2 和場(chǎng)景4 四季均能參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，且抽蓄電站和氫儲(chǔ)能同時(shí)參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的情況下調(diào)峰能力更強(qiáng)。具體典型日競(jìng)標(biāo)結(jié)果見表3。

表2 典型場(chǎng)景Tab. 2 Typical scenarios

表3 電能量市場(chǎng)總競(jìng)標(biāo)結(jié)果Tab. 3 Total bidding results of electricenergy market kW?h

圖4 輔助服務(wù)總競(jìng)標(biāo)電量Fig. 4 Total bidding power for auxiliary service

根據(jù)表3 可知，場(chǎng)景1、2 在不同季節(jié)的電能量市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)結(jié)果一致。原因主要有2點(diǎn)：1）在本文優(yōu)化結(jié)果中抽蓄儲(chǔ)能并不直接參與上級(jí)電網(wǎng)電能量市場(chǎng)，而是通過減少柔性負(fù)荷的方式提供輔助服務(wù)，因?yàn)橘忞妰r(jià)格要高于售電價(jià)格，因此減少購電才是實(shí)現(xiàn)總凈收益最大的策略；2）場(chǎng)景1、2可再生能源發(fā)電均在平時(shí)段和峰時(shí)段提供電能量服務(wù)，對(duì)于抽蓄儲(chǔ)能，峰時(shí)段和平時(shí)段的價(jià)差并不能使其從中套利，因此在平時(shí)段可再生能源發(fā)電用于參與電能量市場(chǎng)。場(chǎng)景3、4電能量市場(chǎng)的競(jìng)標(biāo)結(jié)果一致，并且在不同季節(jié)均低于場(chǎng)景1、2。對(duì)于氫儲(chǔ)能，在平時(shí)段通過消納風(fēng)電光伏制氫獲得的總收益要高于參與電能量市場(chǎng)的售電收益。因此對(duì)于場(chǎng)景3、4，其平時(shí)段的可再生能源發(fā)電均不參與電能量市場(chǎng)。

典型日競(jìng)標(biāo)總收益如表4所示，可以看出，在春季，針對(duì)電力市場(chǎng)，場(chǎng)景3 收益最低，因?yàn)閳?chǎng)景1和場(chǎng)景3僅能參與電能量市場(chǎng)。對(duì)于場(chǎng)景3而言，平時(shí)段可再生能源發(fā)電用于制氫的收益要高于參與電能量市場(chǎng)的收益，因此場(chǎng)景3 的電能量市場(chǎng)收益低于場(chǎng)景1。場(chǎng)景3 的氫收益大于場(chǎng)景4的氫收益，場(chǎng)景3 未達(dá)到調(diào)峰競(jìng)標(biāo)電量，在滿足失負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的售氫收益要大于燃料電池的售電收益。而對(duì)于場(chǎng)景4 而言，因?yàn)槠湟呀?jīng)達(dá)到了調(diào)峰的門檻電量，調(diào)峰需求響應(yīng)的收益大于售電收益，因此氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在最大限度滿足能夠參與的輔助服務(wù)需求的前提下，多余氫氣才用于在氫市場(chǎng)交易。場(chǎng)景3 的購電成本要高于場(chǎng)景2，這是由于氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量低于抽蓄儲(chǔ)能。相比于場(chǎng)景2和場(chǎng)景4，場(chǎng)景3仍存在棄電懲罰，這是受氫儲(chǔ)能系統(tǒng)容量所限；增設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)后，VPP均不存在失負(fù)荷。

表4 典型日競(jìng)標(biāo)總收益Tab. 4 Total bidding revenue for a typical day元

夏季和秋季情況較為一致：在夏季場(chǎng)景1 可以參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，因此其在電力市場(chǎng)的收益要高于秋季；相比于春季，場(chǎng)景3 在夏季和秋季均可參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，因此其收益要高于場(chǎng)景1，但是受氫儲(chǔ)能系統(tǒng)容量所限，其收益均低于場(chǎng)景2；夏季和秋季的氫市場(chǎng)收益均為0，因?yàn)閺浹a(bǔ)柔性負(fù)荷需求減少的購電成本和獲得的輔助服務(wù)收益要高于在氫市場(chǎng)的收益，因此氫儲(chǔ)能系統(tǒng)制得的氫氣全部用于燃料電池發(fā)電。

冬季典型日的情況與春季較一致，不再贅述。

3.3 內(nèi)部資源優(yōu)化結(jié)果

3.3.1場(chǎng)景1

圖5為柔性負(fù)荷需求響應(yīng)情況，可以看出，夏季和冬季在峰時(shí)段的需求響應(yīng)量較大，歸因于本文根據(jù)配網(wǎng)的運(yùn)行情況設(shè)計(jì)了最大可購電量。若柔性負(fù)荷在需求響應(yīng)之后仍大于最大可購電量，會(huì)產(chǎn)生失負(fù)荷情況，因此需要儲(chǔ)能出力彌補(bǔ)。

圖5 柔性負(fù)荷需求響應(yīng)情況Fig. 5 Flexible load demand response

3.3.2場(chǎng)景2

圖6為春季典型日抽蓄電站充放電情況，抽蓄電站優(yōu)先消納VPP 內(nèi)部的可再生能源棄電，未達(dá)到抽蓄電站容量限制的部分通過在配網(wǎng)買電以實(shí)現(xiàn)峰谷套利。由于抽蓄電站在四季的運(yùn)行情況一致，因此本文對(duì)于其他季節(jié)不再贅述。

圖6 抽蓄電站充放電情況Fig. 6 Charging and discharging conditions of the pumped storage power station

3.3.3場(chǎng)景3

氫系統(tǒng)制儲(chǔ)用氫情況如圖7所示，可以看出，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在春季和冬季情況一致，夏季和秋季情況一致。對(duì)于春季和冬季，由于不能參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，其燃料電池不啟動(dòng)，制得的氫氣全部?jī)?chǔ)存，用于第二日在氫市場(chǎng)交易。在夏季和秋季，其可以參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，制氫儲(chǔ)存起來以供燃料電池使用。

圖7 氫系統(tǒng)制儲(chǔ)用氫情況Fig. 7 Hydrogen production, storage and consunption in hydrogen system

氫儲(chǔ)能充放電情況如圖8 所示，可以看出，春季和冬季氫儲(chǔ)能系統(tǒng)不發(fā)電，在夏季和秋季的峰時(shí)段發(fā)電，谷時(shí)段和平時(shí)段制氫。由于未達(dá)到制氫裝置的容量限制，秋季和冬季氫儲(chǔ)能系統(tǒng)都在平時(shí)段購電。

圖8 氫儲(chǔ)能充放電情況Fig. 8 Charge and discharge of hydrogen energy storage

3.3.4場(chǎng)景4

儲(chǔ)能充放電情況如圖9所示，可以看出，在谷時(shí)段，可再生能源的棄電優(yōu)先用于氫儲(chǔ)能系統(tǒng)制氫，多余棄電用于抽蓄電站。由于抽蓄電站的容量較大，未達(dá)到容量上限的部分通過在上級(jí)電網(wǎng)購電滿足。平時(shí)段的可再生能源出力均用于氫儲(chǔ)能系統(tǒng)和抽蓄電站，這是因?yàn)闇p少的購電成本和輔助服務(wù)收益之和高于在電能量市場(chǎng)的售電收益。在峰時(shí)段，優(yōu)先消納抽蓄儲(chǔ)能，當(dāng)抽蓄儲(chǔ)能不滿足需求時(shí)，燃料電池啟動(dòng)彌補(bǔ)不足。這是因?yàn)槌樾铍娬緝H能通過電力市場(chǎng)獲得收益，而氫儲(chǔ)能系統(tǒng)既可以獲得輔助服務(wù)收益，又可以獲得氫市場(chǎng)收益。氫儲(chǔ)能系統(tǒng)直接參與電能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)的收益要低于其參與氫市場(chǎng)的收益，但是小于在峰時(shí)段減少的購電成本和輔助服務(wù)收益之和，因此在滿足峰時(shí)段負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)選擇參與氫市場(chǎng)。

圖9 儲(chǔ)能充放電情況Fig. 9 Charge and discharge of energy storage

氫儲(chǔ)能系統(tǒng)制儲(chǔ)用氫情況如圖10所示，春秋季情況趨于一致，在第2 個(gè)峰時(shí)段消耗氫氣用于燃料電池發(fā)電。當(dāng)抽蓄不能滿足負(fù)荷需求時(shí)，燃料電池啟動(dòng)以彌補(bǔ)不足。在夏季，燃料電池未出力，因?yàn)槌樾铍娬境隽ψ銐蚺c峰時(shí)段柔性負(fù)荷匹配。而在冬季，抽蓄電站出力難以滿足負(fù)荷需求，燃料電池在第1 個(gè)峰時(shí)段就開始出力。相比于其他3 個(gè)季節(jié)，冬季儲(chǔ)氫量在典型日的最后時(shí)段接近為0，主要源于冬季負(fù)荷需求大，制氫幾乎全部用于燃料電池，不能參與氫市場(chǎng)交易。

圖10 氫儲(chǔ)能系統(tǒng)制儲(chǔ)用氫情況Fig. 10 Hydrogen production and storage in hydrogen energy storage system

4 結(jié)論

對(duì)虛擬電廠參與電力市場(chǎng)和氫市場(chǎng)的競(jìng)標(biāo)策略展開研究，根據(jù)虛擬電廠內(nèi)部可再生電源、柔性負(fù)荷、抽蓄儲(chǔ)能及氫儲(chǔ)能的資源互補(bǔ)特性，構(gòu)建了考慮競(jìng)標(biāo)策略和內(nèi)部資源運(yùn)行優(yōu)化策略的兩階段模型。在考慮虛擬電廠參與外部市場(chǎng)的總收益，以及虛擬電廠內(nèi)部棄電懲罰、失負(fù)荷懲罰雙層目標(biāo)下，針對(duì)虛擬電廠內(nèi)部資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，并將優(yōu)化后的靈活性能力反饋給虛擬電廠運(yùn)營商，以調(diào)整競(jìng)標(biāo)策略，直到實(shí)現(xiàn)最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略。采用粒子群算法結(jié)合Cplex求解器求解，結(jié)果表明：

1）構(gòu)建的內(nèi)外側(cè)雙層優(yōu)化模型能夠保障虛擬電廠根據(jù)外部電力市場(chǎng)和氫市場(chǎng)的信息進(jìn)行最優(yōu)競(jìng)標(biāo)決策，并基于競(jìng)標(biāo)情況對(duì)內(nèi)部資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以達(dá)到虛擬電廠在電-氫兩級(jí)市場(chǎng)總凈收益最大的目標(biāo)。

2）在當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境下，抽蓄電站可以通過與上級(jí)電網(wǎng)互動(dòng)實(shí)現(xiàn)峰谷套利。但是對(duì)于氫儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，如果通過購電以彌補(bǔ)峰時(shí)段負(fù)荷需求是缺乏經(jīng)濟(jì)性的，但是在考慮氫市場(chǎng)的情況下，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在谷時(shí)段和平時(shí)段可以通過在上級(jí)電網(wǎng)購電制氫進(jìn)一步獲得售氫收益。