考慮響應(yīng)誤差的工業(yè)可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略

趙 越，蔡秋娜，王 龍，龔 超，鄭群儒，王 雨

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣州 510062；2.深圳華工能源技術(shù)有限公司，深圳 518129）

為促進(jìn)可再生能源消納和實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的削峰填谷，國內(nèi)多個(gè)省份均出臺(tái)了需求側(cè)響應(yīng)的激勵(lì)政策。單個(gè)工業(yè)企業(yè)用戶的可調(diào)負(fù)荷資源有限，通過負(fù)荷聚合商（LA，load aggregator）聚合海量可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與需求響應(yīng)，是未來電網(wǎng)削峰填谷的重要手段。然而，工業(yè)可調(diào)負(fù)荷受到設(shè)備自身的用途、啟停特性與生產(chǎn)運(yùn)行特性的約束，導(dǎo)致其在參與需求側(cè)響應(yīng)時(shí)存在啟停響應(yīng)速度及響應(yīng)時(shí)長的約束；同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備存在臨時(shí)改變響應(yīng)計(jì)劃和設(shè)備故障等行為。在制定工業(yè)可調(diào)設(shè)備聚合響應(yīng)策略時(shí)，若未考慮上述約束與行為，均將導(dǎo)致大量工業(yè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷聚合參與響應(yīng)時(shí)產(chǎn)生調(diào)節(jié)誤差，而這些誤差一旦疊加，將給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。LA如何管控用戶可調(diào)負(fù)荷，以保證可調(diào)負(fù)荷聚合后能夠按照計(jì)劃響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度的需求，減少電網(wǎng)調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)，是可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外關(guān)于可調(diào)負(fù)荷的研究已經(jīng)比較成熟。文獻(xiàn)[1]分析可調(diào)負(fù)荷的分類及各類可調(diào)負(fù)荷的特性，建立多種可調(diào)負(fù)荷模型。文獻(xiàn)[2]研究溫控負(fù)荷的分類方法，建立空調(diào)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型，考慮電熱水器的熱力學(xué)動(dòng)態(tài)特性，提出溫控負(fù)荷集群參與需求響應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度策略。文獻(xiàn)[3]研究家庭負(fù)荷參與需求響應(yīng)的特性，建立LA 調(diào)度模型。文獻(xiàn)[4]研究多種可調(diào)節(jié)負(fù)荷協(xié)調(diào)配合參與需求響應(yīng)的特性。文獻(xiàn)[5]提出一種新的峰值需求削減分配DCA（demand curtailment allocation）方法來管理需求側(cè)資源，以應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電所產(chǎn)生的波動(dòng)，大大提高了需求響應(yīng)的速度。文獻(xiàn)[6]分析了碳交易背景下，虛擬電廠參與碳交易的方式，并分析其對(duì)電網(wǎng)調(diào)度的影響。文獻(xiàn)[7]分析可調(diào)負(fù)荷資源聚合響應(yīng)的內(nèi)部經(jīng)濟(jì)優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[8]建立用戶效用模型和聚合商收益模型，考慮用戶與聚合商雙方的利益，建立主從博弈模型，求解得到LA最優(yōu)補(bǔ)償定價(jià)策略。文獻(xiàn)[9]對(duì)國外LA所開展的業(yè)務(wù)進(jìn)行總結(jié)，分別研究LA所聚合的包括可調(diào)負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置和分布式電源在內(nèi)的多類資源，詳細(xì)研究了LA 的運(yùn)營機(jī)制、調(diào)度和控制策略。

目前在可調(diào)負(fù)荷聚合參與需求響應(yīng)的研究中，已有考慮可調(diào)負(fù)荷響應(yīng)不確定性的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[10]針對(duì)LA參與電力輔助服務(wù)備用市場(chǎng)交易，建立LA的成本收益模型；考慮用戶響應(yīng)不確定性，構(gòu)建LA合約決策優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[7]基于需求響應(yīng)信息物理融合系統(tǒng)的特性，僅考慮激勵(lì)型需求側(cè)響應(yīng)IDR（incentive?based demand response），分別對(duì)需求響應(yīng)中配網(wǎng)對(duì)LA 的激勵(lì)和可靠性約束、用戶響應(yīng)的可靠性、LA的可靠性進(jìn)行建模，研究用戶響應(yīng)不確定性對(duì)LA 響應(yīng)能力、需求響應(yīng)可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。

上述研究對(duì)可調(diào)負(fù)荷及其響應(yīng)誤差的考慮相對(duì)較為單一，并未對(duì)實(shí)際響應(yīng)中工業(yè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷的誤差進(jìn)行分類建模與分析。為使聚合響應(yīng)策略與工程實(shí)際更為接近，本文將工業(yè)可調(diào)負(fù)荷分為可平移負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷兩大類，分別提出綜合考慮工業(yè)可調(diào)負(fù)荷啟停響應(yīng)速度、響應(yīng)時(shí)長、響應(yīng)誤差等因素的工業(yè)可平移負(fù)荷模型，以及以蓄熱電鍋爐為例的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷模型，并基于激勵(lì)型需求側(cè)響應(yīng)市場(chǎng)，研究日前工業(yè)可調(diào)負(fù)荷聚合調(diào)度模型；針對(duì)工業(yè)可調(diào)設(shè)備負(fù)荷波動(dòng)、設(shè)備故障等不確定性所造成的響應(yīng)誤差，提出考慮響應(yīng)誤差的日內(nèi)工業(yè)可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略，以降低由于工業(yè)可調(diào)負(fù)荷響應(yīng)誤差風(fēng)險(xiǎn)造成的影響。

1 工業(yè)可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)模型

本文將可調(diào)負(fù)荷類型選為工業(yè)負(fù)荷。工業(yè)負(fù)荷一般采用錯(cuò)峰啟停設(shè)備、調(diào)整生產(chǎn)線等手段調(diào)節(jié)負(fù)荷，具有可控性不強(qiáng)、負(fù)荷量大、負(fù)荷曲線波動(dòng)明顯等特點(diǎn)。

依據(jù)功能可將工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程的用電設(shè)備分為兩類：一是有嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝流程，需要按照順序啟停，通過工藝流程的整體平移來參與需求響應(yīng)，例如，水泥、金屬冶煉、紡織等行業(yè)，將其歸為可平移負(fù)荷；二是遵循在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)總用電量不變的特性，此類設(shè)備具有更強(qiáng)的靈活性，例如，蓄熱鍋爐、冰蓄冷等，將其歸為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷。

1.1 工業(yè)可平移負(fù)荷模型

傳統(tǒng)可平移負(fù)荷描述方法并未考慮工業(yè)設(shè)備的啟停特性，也未考慮可調(diào)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間能在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)整[11]。因此，本文構(gòu)建包含設(shè)備啟停響應(yīng)速度、啟停響應(yīng)功率、響應(yīng)時(shí)長等約束的工業(yè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷模型。

第i個(gè)工業(yè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷對(duì)象的特征向量Di可表示為

為滿足不同時(shí)間尺度的需求響應(yīng)需要，根據(jù)啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間差異及可調(diào)設(shè)備特性將可調(diào)負(fù)荷分成日前可調(diào)負(fù)荷和日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷，參與不同時(shí)間尺度的調(diào)節(jié)。

工業(yè)可平移負(fù)荷遵循不同行業(yè)的工藝流程，具有很強(qiáng)的順序性，本文將以水泥、金屬冶煉和紡織3個(gè)行業(yè)為例分析工業(yè)可平移負(fù)荷模型。

1.1.1 水泥

水泥廠的工藝流程如圖1所示。

圖1 水泥工藝流程Fig.1 Processes of cement production

圖1 中，破碎系統(tǒng)主要是對(duì)石灰石和配料的破碎和輸送，原料庫用于存儲(chǔ)水泥原料，生料磨用于將石灰石及其他配料碾磨形成一定細(xì)度的生料，回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)用于燒成熟料，熟料庫用于存儲(chǔ)水泥熟料，熟料磨用于將熟料變成水泥成品。

由于水泥廠配有原料庫與熟料庫，可存儲(chǔ)一定量的原料與熟料，同時(shí)為滿足不同產(chǎn)量的需求，水泥廠一般有多臺(tái)生料磨和熟料磨。因此，生料磨和熟料磨均可作為工業(yè)可調(diào)設(shè)備參與需求響應(yīng)。

1.1.2 金屬冶煉

鋼鐵制造涉及3 個(gè)階段：①鐵礦石和焦煤等原料在高爐內(nèi)煉制成生鐵；②生鐵轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)爐或電爐中冶煉；③進(jìn)行軋制或鍛造。

電弧爐冶煉是鋼鐵冶煉中最耗電的生產(chǎn)階段。電熔爐的用電特性為，一爐生鐵或廢鋼的融化時(shí)間大約為45 min，重新填爐需要15 min，重新填爐階段需要將電弧爐關(guān)閉。

以額定功率為2 500 kW的3臺(tái)電弧爐為例，其正常運(yùn)行時(shí)的預(yù)計(jì)響應(yīng)負(fù)荷如圖2 所示。本文取n?1臺(tái)電弧爐的額定功率值作為預(yù)計(jì)響應(yīng)負(fù)荷。

圖2 電弧爐的預(yù)計(jì)響應(yīng)負(fù)荷Fig.2 Expected response load of electric arc furnace

1.1.3 紡織

文獻(xiàn)[12]對(duì)前紡車間工序開展分析，發(fā)現(xiàn)紡織廠主要是通過調(diào)整車間的運(yùn)行時(shí)間來進(jìn)行負(fù)荷的平移，以達(dá)到需求響應(yīng)的目的。

1.2 工業(yè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷模型

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷具有靈活性強(qiáng)及在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)總用電量不變的特征。本文以蓄熱電鍋爐為例分析此類工業(yè)可調(diào)負(fù)荷的模型。

蓄熱電鍋爐是供熱設(shè)備，在電鍋爐的基礎(chǔ)上增加了儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)，將熱能儲(chǔ)存起來用于其他時(shí)段的供熱。蓄熱式電鍋爐具備控制系統(tǒng)，可通過控制系統(tǒng)靈活調(diào)整電鍋爐的啟停時(shí)間及電功率。

1）蓄熱電鍋爐的用電功率約束

2）蓄熱罐的充放速率約束

3）蓄熱罐的容量約束

4）熱負(fù)荷平衡約束

式中：hload,t為在t時(shí)段的區(qū)域熱負(fù)荷；ηr為電鍋爐的效率。

1.3 工業(yè)可調(diào)負(fù)荷響應(yīng)誤差

工業(yè)可調(diào)負(fù)荷響應(yīng)誤差主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面：①不參與需求響應(yīng)的正常生產(chǎn)負(fù)荷因?yàn)樯a(chǎn)計(jì)劃的調(diào)整而存在一定的響應(yīng)誤差；②參與需求響應(yīng)的設(shè)備故障。

1.4 可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)模型

假設(shè)基本時(shí)段為1 h，可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)模型可表示為

式中：Dn為工業(yè)可平移負(fù)荷集合；n為工業(yè)可平移負(fù)荷數(shù)量；T為基本時(shí)段數(shù)量；Padjust,i,t為可調(diào)設(shè)備i在t時(shí)段的計(jì)劃響應(yīng)負(fù)荷；xup,i,t、xi,t和xdown,i,t分別為工業(yè)可平移負(fù)荷i在t時(shí)段啟動(dòng)、正常運(yùn)行和關(guān)機(jī)狀態(tài)，均為0?1變量，1表示處于響應(yīng)狀態(tài)，0表示非響應(yīng)狀態(tài)；Vm為工業(yè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷集合，m為工業(yè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷數(shù)量；Pup,i、Pi和Pdown,i分別為可平移負(fù)荷啟動(dòng)負(fù)荷、預(yù)計(jì)響應(yīng)量和關(guān)停負(fù)荷；Pr,i,t為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)劃響應(yīng)量。

2 考慮響應(yīng)誤差的可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略

考慮工業(yè)可調(diào)負(fù)荷的響應(yīng)速度、響應(yīng)時(shí)長、響應(yīng)誤差等方面的約束，提出考慮響應(yīng)誤差的日前?日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略。其中，由負(fù)荷波動(dòng)所產(chǎn)生的響應(yīng)誤差，采用模糊參量來表示其不確定性。

2.1 考慮響應(yīng)誤差的日前可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

聚合商以可調(diào)負(fù)荷調(diào)用價(jià)格最低為目標(biāo)，調(diào)度各個(gè)設(shè)備的可調(diào)負(fù)荷，其目標(biāo)函數(shù)可表示為

式中，r1、r3為日前響應(yīng)負(fù)荷的波動(dòng)比例系數(shù)。

2.1.2 約束條件

1）日前需求約束

式中：PBid,1,t為t時(shí)段聚合商中標(biāo)的日前需求量；TD為日前需求響應(yīng)時(shí)段集合；α1為日前響應(yīng)量達(dá)到目標(biāo)區(qū)間的置信度水平。

參考廣東省市場(chǎng)化需求響應(yīng)規(guī)則，響應(yīng)量在預(yù)計(jì)響應(yīng)量的0.8～1.2 倍之間可直接參與結(jié)算，無需接收考核。

2）日前可平移負(fù)荷啟停次數(shù)約束

設(shè)日前可平移負(fù)荷一天內(nèi)啟停次數(shù)受限制，該約束可表示為

式中：ui,t、gi,t和di,t分別為第i個(gè)可平移負(fù)荷t時(shí)段是否為開啟、正常運(yùn)行和關(guān)機(jī)狀態(tài)的起始時(shí)段，為0?1變量，只有在其對(duì)應(yīng)啟動(dòng)時(shí)段為1，其余時(shí)段為0；Gi為第i個(gè)可平移負(fù)荷的一天內(nèi)最大的啟停次數(shù)。

3）可平移負(fù)荷起始響應(yīng)時(shí)段變量與響應(yīng)狀態(tài)變量關(guān)聯(lián)約束

可平移負(fù)荷起始響應(yīng)時(shí)段變量與響應(yīng)狀態(tài)變量存在的制約關(guān)系可表示為

4）可平移負(fù)荷的起始響應(yīng)時(shí)段變量約束

可平移負(fù)荷一天的啟動(dòng)、正常運(yùn)行、關(guān)機(jī)次數(shù)相等，即

5）可平移負(fù)荷響應(yīng)狀態(tài)變量約束

可平移負(fù)荷每個(gè)時(shí)段最多只能有一個(gè)響應(yīng)狀態(tài)變量為1，即

6）可平移負(fù)荷開機(jī)狀態(tài)、正常運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)機(jī)狀態(tài)耦合約束

當(dāng)可平移負(fù)荷由開機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，響應(yīng)時(shí)段變量與響應(yīng)狀態(tài)變量由gi,t?1=0、xup,t?1=1 變?yōu)間i,t=1、xup,t=0。由正常運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)機(jī)狀態(tài)同理。

7）可平移負(fù)荷開機(jī)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間約束

除此之外，還需要滿足可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的約束式（2）～（9），此處不再贅述。

2.1.3 決策變量

決策變量為日前可平移負(fù)荷的起始狀態(tài)變量xup,i,t、xi,t和xdown,i,t，日前可平移負(fù)荷的起始響應(yīng)時(shí)段變量ui,t、gi,t和di,t，以及日前可轉(zhuǎn)移負(fù)荷Pr,t。

2.1.4 求解算法

日前響應(yīng)決策模型中含模糊參變量，根據(jù)不確定規(guī)劃理論將其轉(zhuǎn)化為清晰等價(jià)類后進(jìn)行求解。

針對(duì)日前決策的響應(yīng)量約束即式（14），當(dāng)置信度α1＞0.5時(shí)，日前需求響應(yīng)負(fù)荷約束轉(zhuǎn)化為

將日前策略目標(biāo)函數(shù)中的負(fù)荷調(diào)度成本轉(zhuǎn)化為悲觀值，即

經(jīng)清晰等價(jià)類轉(zhuǎn)化后，此優(yōu)化問題屬于混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，利用商業(yè)軟件可直接求解。

2.2 考慮響應(yīng)誤差的日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略

以第2.1節(jié)中日前可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略結(jié)果及可平移負(fù)荷的啟停狀態(tài)作為本節(jié)的邊界條件，在此基礎(chǔ)上，以15 min 為時(shí)間尺度，在日內(nèi)依據(jù)響應(yīng)誤差、日內(nèi)需求響應(yīng)指令等日內(nèi)需求響應(yīng)參數(shù)的變化下，滾動(dòng)形成考慮響應(yīng)誤差的日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略。

在第1.3 節(jié)所述的兩類誤差中，由日前需求響應(yīng)負(fù)荷發(fā)生故障出現(xiàn)的響應(yīng)誤差，需要由日內(nèi)調(diào)節(jié)負(fù)荷補(bǔ)上缺額。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略的目標(biāo)為可調(diào)負(fù)荷調(diào)度成本最低。其目標(biāo)函數(shù)可表示為

假定聚合商在日內(nèi)需求響應(yīng)時(shí)段前1 h收到需求信息，在收到日內(nèi)需求信息后開始制定策略調(diào)度日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷，同時(shí)，用戶在開始啟動(dòng)設(shè)備前15 min收到聚合商調(diào)度指令，即聚合商無法修改下一個(gè)15 min的調(diào)度指令。

2.2.2 約束條件

日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷仍滿足可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)的啟停相關(guān)約束，即式（2）～（9）、式（16）～（22）的約束，時(shí)間尺度為15 min。除此之外，還需滿足以下約束。

1）可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)負(fù)荷約束

式中，α為響應(yīng)量達(dá)到目標(biāo)區(qū)間的置信度水平。

2）日內(nèi)需求響應(yīng)量約束

式中：PBid,1,t為日前需求響應(yīng)量；PBid,2,t為日內(nèi)需求響應(yīng)負(fù)荷。

當(dāng)日前需求響應(yīng)負(fù)荷故障，出現(xiàn)響應(yīng)誤差時(shí)，需要由日內(nèi)調(diào)節(jié)負(fù)荷補(bǔ)上缺額，確保聚合響應(yīng)量達(dá)到預(yù)計(jì)響應(yīng)區(qū)間。

3）調(diào)度指令約束

聚合商需在設(shè)備啟動(dòng)前15 min下發(fā)調(diào)度指令，也就是聚合商無法修改下一個(gè)15 min的調(diào)度指令。即

4）日內(nèi)可平移負(fù)荷啟停次數(shù)約束

設(shè)日內(nèi)可平移負(fù)荷一天內(nèi)啟停次數(shù)受限制，對(duì)應(yīng)的約束可表示為

2.2.3 決策變量

2.2.4 求解算法

日內(nèi)響應(yīng)決策模型中含模糊參變量，根據(jù)不確定規(guī)劃理論將其轉(zhuǎn)化為清晰等價(jià)類后再進(jìn)行求解。

針對(duì)日內(nèi)決策的響應(yīng)量約束式，當(dāng)置信度α＞0.5時(shí)，日內(nèi)需求響應(yīng)負(fù)荷約束可分別轉(zhuǎn)化為

將日內(nèi)策略目標(biāo)函數(shù)中的負(fù)荷成本轉(zhuǎn)化為悲觀值，即

經(jīng)清晰等價(jià)類轉(zhuǎn)化后，此優(yōu)化屬于混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，利用商業(yè)軟件可直接求解。

3 仿真算例分析

引入水泥、紡織、金屬制品、蓄熱電鍋爐等多個(gè)行業(yè)多種類型的可調(diào)負(fù)荷，分別對(duì)比考慮響應(yīng)誤差與不考慮響應(yīng)誤差的可調(diào)節(jié)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略[15]，進(jìn)而分析本文方法的優(yōu)勢(shì)；并通過仿真算例進(jìn)一步探究不同場(chǎng)景和不同置信度對(duì)可調(diào)節(jié)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略的影響。

3.1 參數(shù)設(shè)置

描述日前可調(diào)負(fù)荷特征的變量參數(shù)、日前負(fù)荷對(duì)象的最大啟停次數(shù)與日運(yùn)行時(shí)長約束如表1所示。

表1 日前可調(diào)負(fù)荷對(duì)象基本特征Tab.1 Basic features of day-ahead flexible load objects

日內(nèi)負(fù)荷僅考慮用戶1～5 水泥廠中處于備用狀態(tài)的生料磨與熟料磨。描述日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷特征的變量參數(shù)如表2所示。

表2 日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷對(duì)象基本特征Tab.2 Basic features of intra-day flexible load objects

聚合商與用戶的日前響應(yīng)合約價(jià)格及日內(nèi)響應(yīng)合約價(jià)格信息如表3 所示。聚合商在需求響應(yīng)市場(chǎng)中日前中標(biāo)情況如表4 所示。日前需求時(shí)段設(shè)置為9：00—14：00，共5 h，同時(shí)，需求側(cè)響應(yīng)類型暫時(shí)僅考慮填谷。

表3 可調(diào)負(fù)荷參與響應(yīng)合約價(jià)格Tab.3 Contract prices for flexible loads participating in demand response （￥·（kW·h）?1）

表4 聚合商在日前需求響應(yīng)市場(chǎng)中的中標(biāo)量Tab.4 Bidding load of load aggregator in day-ahead demand response market

聚合商在需求響應(yīng)市場(chǎng)中日內(nèi)中標(biāo)情況如表5所示。日內(nèi)需求時(shí)段設(shè)置為10：00—13：00，共3 h。

表5 聚合商在日內(nèi)需求響應(yīng)市場(chǎng)中的中標(biāo)量Tab.5 Bidding load of load aggregator in intra-day demand response market

電蓄熱鍋爐的最大電功率設(shè)置為10 MW；蓄熱罐的最大蓄（放）熱功率設(shè)置為10 MW，最大儲(chǔ)熱量設(shè)置為30 MW·h，蓄（放）熱效率設(shè)置為0.9；電鍋爐效率設(shè)置為0.98，日內(nèi)響應(yīng)價(jià)格為1.9 ￥/（kW·h）。電蓄熱鍋爐的供熱區(qū)域熱負(fù)荷需求如表6所示，用戶的峰谷電價(jià)如表7所示。

表6 電蓄熱鍋爐的供熱區(qū)域熱負(fù)荷需求Tab.6 District heat load requirements for electric heat storage boilers

表7 用戶電價(jià)Tab.7 Tariff for users

設(shè)置負(fù)荷調(diào)度成本悲觀值置信度水平γ、γ1為0.95，響應(yīng)量達(dá)目標(biāo)區(qū)間置信度水平α、α1為0.8。

3.2 仿真分析

3.2.1 不同場(chǎng)景需求響應(yīng)成本分析

為驗(yàn)證日前和日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷在需求響應(yīng)決策中的效果，基于本文所述模型對(duì)以下場(chǎng)景開展分析。

場(chǎng)景1僅考慮峰谷電價(jià)下的運(yùn)行情況，形成日前響應(yīng)的基線負(fù)荷。

場(chǎng)景2a僅參與日前需求響應(yīng)，不考慮響應(yīng)誤差。

場(chǎng)景2b僅參與日前需求響應(yīng)，考慮響應(yīng)誤差。

場(chǎng)景3同時(shí)參與日前需求響應(yīng)和日內(nèi)需求響應(yīng)。

場(chǎng)景4同時(shí)參與日前和日內(nèi)需求響應(yīng)，并且有計(jì)劃參與日前需求響應(yīng)的可調(diào)設(shè)備故障。

（1）在僅考慮峰谷電價(jià)的情況下，用戶根據(jù)自身設(shè)備的特性安排生產(chǎn)時(shí)間，具體響應(yīng)策略如圖3所示。由圖3 可知，大多數(shù)可調(diào)負(fù)荷在日內(nèi)啟停2次，以避免中午時(shí)段的高電價(jià)。在日前響應(yīng)中，以此響應(yīng)策略作為可調(diào)負(fù)荷參與聚合響應(yīng)的基準(zhǔn)值，則在此基礎(chǔ)上的響應(yīng)量方才有效。

圖3 可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略Fig.3 Response strategy for aggregated flexible loads

（2）在僅考慮日前需求響應(yīng)的情況下，需要用戶的日前可調(diào)負(fù)荷參與并與日前響應(yīng)需求相匹配。考慮響應(yīng)誤差與不考慮響應(yīng)誤差的響應(yīng)策略如圖4和圖5所示。

圖4 場(chǎng)景2a 下的日前階段可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略Fig.4 Response strategy for day-ahead aggregated flexible loads under Scenario 2a

圖5 場(chǎng)景2b 下的日前階段可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)策略Fig.5 Response strategy for day-ahead aggregated flexible loads under Scenario 2b

由圖4（a）可以看出，采用本文所提出的日前聚合響應(yīng)策略，能夠有效組織用戶的日前可調(diào)負(fù)荷資源參與日前需求響應(yīng)，滿足需求響應(yīng)市場(chǎng)的要求。

由圖4（b）和圖5可看出，水泥用戶參與比例大于冶煉與紡織用戶參與比例，符合實(shí)際響應(yīng)中水泥企業(yè)比冶煉、紡織行業(yè)靈活的情況；蓄熱電鍋爐由于價(jià)格較高，未參與日前響應(yīng)。

由圖4（b）可以看出，在不考慮響應(yīng)誤差時(shí)，響應(yīng)量接近最小響應(yīng)量約束；在負(fù)荷發(fā)生響應(yīng)誤差時(shí)，易導(dǎo)致響應(yīng)量不滿足要求。而在圖5中考慮響應(yīng)誤差后，響應(yīng)量更為接近中標(biāo)相應(yīng)量，不易發(fā)生上述情況。

（3）同時(shí)考慮日前和日內(nèi)需求響應(yīng)時(shí)，將在場(chǎng)景2b日前策略的基礎(chǔ)上，疊加日內(nèi)需求，在不改變?nèi)涨绊憫?yīng)計(jì)劃的同時(shí)，利用用戶的日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷參與，使聚合響應(yīng)效果滿足日前和日內(nèi)的需求響應(yīng)要求。

日內(nèi)響應(yīng)的最終執(zhí)行策略如圖6所示。由圖6可知，在疊加日內(nèi)需求響應(yīng)量并考慮響應(yīng)誤差后，可調(diào)負(fù)荷響應(yīng)量均處于目標(biāo)區(qū)間范圍內(nèi)。

圖6 日內(nèi)響應(yīng)最終執(zhí)行策略Fig.6 Final execution strategy for intra day response

（4）在場(chǎng)景2b 策略的基礎(chǔ)上，假設(shè)用戶8 的日前可調(diào)設(shè)備在11：00發(fā)生故障，可調(diào)設(shè)備故障前15 min聚合商收到設(shè)備故障無法參與響應(yīng)消息。聚合商知曉該設(shè)備故障前，10：30 的日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷調(diào)度計(jì)劃如圖7所示。

圖7 日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷調(diào)度計(jì)劃（10:30）Fig.7 Daily adjustable load dispatch plan(10:30)

由圖7 可知，在10：30 聚合商只能在日內(nèi)需求時(shí)段前1 h 收到需求，聚合商僅能依據(jù)已知的日內(nèi)需求量做策略，此時(shí)響應(yīng)策略與圖6的結(jié)果一致。

在11：00 用戶8 的日前可調(diào)設(shè)備發(fā)生故障后，日前響應(yīng)量向下移，聚合商知曉后需要調(diào)整日內(nèi)響應(yīng)負(fù)荷補(bǔ)上這部分差額，最終日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃如圖8所示。

圖8 最終日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃Fig.8 Final intraday scheduling plan

由圖8 可知，聚合商在知曉有設(shè)備故障后，及時(shí)調(diào)整日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷的策略，使最終的聚合響應(yīng)處于需求量要求范圍內(nèi)。

3.2.2 不同置信度對(duì)響應(yīng)成本的影響分析

僅考慮置信度水平不同的情況下，對(duì)日前及日內(nèi)需求響應(yīng)場(chǎng)景開展仿真，可得不同置信度對(duì)可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)成本的影響如圖9 所示。由圖9 可知，隨著置信度水平的增加，聚合響應(yīng)成本也在不斷增加。

圖9 不同置信度對(duì)可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)成本的影響Fig.9 Effect of different confidence levels on response cost of aggregated flexible loads

4 結(jié) 論

本文針對(duì)激勵(lì)型需求側(cè)響應(yīng)市場(chǎng)，提出考慮響應(yīng)誤差的日前日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷聚合響應(yīng)模型，分析不同場(chǎng)景下可調(diào)負(fù)荷的聚合響應(yīng)策略，得到以下結(jié)論。

（1）通過考慮設(shè)備響應(yīng)速度、響應(yīng)時(shí)長、響應(yīng)誤差等可調(diào)負(fù)荷特性，提出對(duì)應(yīng)的聚合響應(yīng)策略，更為精確地利用物理模型描述可調(diào)負(fù)荷響應(yīng)的實(shí)際情況。

（2）對(duì)用戶故障及日內(nèi)需求響應(yīng)等場(chǎng)景開展仿真，仿真結(jié)果說明，聚合響應(yīng)策略能夠充分利用日前與日內(nèi)可調(diào)負(fù)荷資源，在滿足需求量區(qū)間要求的同時(shí)，還保證了調(diào)度成本最小。