新型電力系統(tǒng)下虛擬電廠研究

摘 要：

隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，電力系統(tǒng)迎來(lái)深刻變化，大量分布式電源、可調(diào)負(fù)荷等靈活資源具有種類(lèi)多、時(shí)間無(wú)序、點(diǎn)多面廣等特性，造成電網(wǎng)可控性、調(diào)節(jié)能力不足。虛擬電廠作為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑，能夠廣泛聚合與調(diào)控需求側(cè)多元資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電源的響應(yīng)分配、實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制，在破解清潔能源消納難題方面發(fā)揮著重要作用。首先分析建設(shè)虛擬電廠的必要性，然后設(shè)計(jì)虛擬電廠的架構(gòu)，最后研究面向市場(chǎng)交易的虛擬電廠聚合調(diào)控算法。算法驗(yàn)證分析結(jié)果表明，虛擬電廠對(duì)提升新型電力系統(tǒng)靈活性、電力安全保供能力具有重要意義。

關(guān)鍵詞：

虛擬電廠; 新型電力系統(tǒng); 分布式電源; 聚合調(diào)控

中圖分類(lèi)號(hào)： TM73

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）11-0065-08

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.11.008

Research on Virtual Power Plants Under New Power Systems

YANG Guangming

（Guoneng Bengbu Power Generation Co.，Ltd.， Bengbu 233000， China）

Abstract：

With the promotion of “dual carbon” goals，the power system has undergone profound changes.A large number of flexible resources such as distributed power sources and adjustable loads have characteristics such as diverse types，disordered time，and wide range of points，resulting in insufficient controllability and regulation ability of the power grid.As an important path for China to achieve the “dual carbon” goals，virtual power plants play an important role in solving the problem of clean energy consumption.The diverse resources on the demand side can be widely aggregated and regulated，which achieves the responsive allocation and real-time coordinated control of distributed energy.Firstly，the necessity of constructing virtual power plants is analyzed.Then，the architecture of virtual power plants is designed.Finally，the aggregation and control algorithm of virtual power plants for market transactions is studied.The algorithm validation analysis shows that virtual power plants are of great significance in improving the flexibility of new power systems and ensuring power safety and supply capacity.

Key words：

virtual power plant; new power system; distributed power sources; aggregation and control

0 引 言

在“雙碳”目標(biāo)背景下，新型電力系統(tǒng)建設(shè)不斷推進(jìn)，隨之出現(xiàn)了供給側(cè)隨機(jī)性日益凸顯、需求側(cè)隨機(jī)性愈發(fā)顯著等新特征，引發(fā)了電壓不穩(wěn)、消納困難及消納成本過(guò)高等諸多問(wèn)題［1-4］。目前，隨著風(fēng)、光等清潔能源的大規(guī)模接入，新型電力系統(tǒng)運(yùn)行面臨諸多困難。首先，新能源發(fā)電具有不確定性，對(duì)負(fù)荷的穩(wěn)定可靠支撐能力不足，豐饒與短缺交織，帶來(lái)充裕性挑戰(zhàn);其次，新能源接入電壓支撐能力較弱，交流線路短路比不足，設(shè)備電力電子化，導(dǎo)致電力電子設(shè)備快速響應(yīng)特性帶來(lái)寬頻振蕩等與電力電子相關(guān)的穩(wěn)定性挑戰(zhàn);然后，新能源發(fā)電的邊際運(yùn)行成本低、系統(tǒng)成本高，能源電力系統(tǒng)深度脫碳支撐技術(shù)面臨瓶頸，單一技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力零碳排放面臨巨大的經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn);最后，新能源發(fā)電運(yùn)行方式可行域大幅縮小，運(yùn)行控制極為困難［5］。多構(gòu)網(wǎng)源可能因過(guò)電壓限值導(dǎo)致運(yùn)行控制方式多變，使動(dòng)態(tài)軌跡具有不確定性和復(fù)雜性，極大地增加控制難度，發(fā)生連鎖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)凸顯。因此，新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中將長(zhǎng)期面臨源網(wǎng)荷儲(chǔ)全過(guò)程的安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境“矛盾三角形”的挑戰(zhàn)［6-7］。

虛擬電廠是新型電力系統(tǒng)框架下解決上述問(wèn)題的一種有效應(yīng)對(duì)手段。虛擬電廠通過(guò)能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將分散的能源資源和負(fù)荷整合，使其變成具有一定規(guī)模、可調(diào)節(jié)的負(fù)荷資源和發(fā)電容量，依據(jù)電力供需、電價(jià)波動(dòng)等因素的變化來(lái)直接參與大電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電力的安全及時(shí)供應(yīng)。虛擬電廠將原本海量的無(wú)序能源資源變得高效、有序、可調(diào)節(jié)利用，解決了電網(wǎng)峰谷差大、局部電力供應(yīng)緊張等問(wèn)題，有助于實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型，提高新能源并網(wǎng)比例［8-9］。虛擬電廠的這種特征在可靠控制各種不確定隨機(jī)性電力能源、削峰填谷、緩解電力局部供應(yīng)緊張等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)［10-13］。因此，虛擬電廠作為一種廣泛聚合與調(diào)控需求側(cè)多元資源的技術(shù)，是提升電力系統(tǒng)的靈活性與調(diào)節(jié)能力的重要手段之一，可實(shí)現(xiàn)對(duì)可調(diào)節(jié)資源的調(diào)控和優(yōu)化，充分挖掘系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)潛力，參與電力電量平衡。在用電高峰期或出現(xiàn)緊急負(fù)荷需求時(shí)，虛擬電廠可通過(guò)相關(guān)信息化聚合平臺(tái)將分布式電源，可調(diào)節(jié)、可轉(zhuǎn)移、可削減負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置聚合成一個(gè)虛擬的“電廠”，將分散的大量可中斷、可轉(zhuǎn)移的用電負(fù)荷聚合起來(lái)，實(shí)行精細(xì)化統(tǒng)一管理，進(jìn)行供用電的運(yùn)行和調(diào)度，解決電力供需平衡的矛盾，消納分布式能源并降低供用電成本，帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［14-15］。本文在分析當(dāng)前新型電力系統(tǒng)發(fā)展面臨的問(wèn)題后，探索了新型電力系統(tǒng)下發(fā)展虛擬電廠的優(yōu)勢(shì)并對(duì)發(fā)展虛擬電廠的必要性進(jìn)行深入分析;建立了面向市場(chǎng)化交易的虛擬電廠聚合調(diào)控模型，驗(yàn)證了通過(guò)協(xié)調(diào)優(yōu)化各類(lèi)資源，虛擬電廠能夠充分利用資源間的互補(bǔ)特性，獲得可觀的收益。

1 新型電力系統(tǒng)下建設(shè)虛擬電廠的必要性

1.1 緩解極端天氣下電力供需矛盾

虛擬電廠聚合多元用戶的海量異構(gòu)資源，并提取資源的響應(yīng)速度、響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、響應(yīng)容量等特征參數(shù)。在極端天氣或發(fā)電側(cè)出力不足等場(chǎng)景下，虛擬電廠可組織多元用戶資源主動(dòng)參與固定費(fèi)率的需求響應(yīng)市場(chǎng)邀約、調(diào)峰輔助服務(wù)交易，最大限度地支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電力可靠供應(yīng)。

1.2 提升新型電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力

大規(guī)模波動(dòng)性可再生能源接入后，傳統(tǒng)源隨荷動(dòng)的電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)方式受到挑戰(zhàn)，靈活性可調(diào)節(jié)資源容量不足。虛擬電廠可聚合工商業(yè)、居民客戶等多元資源參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)，提升系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力，減小電力平衡壓力。在電網(wǎng)用電高峰或者低谷時(shí)段，虛擬電廠可根據(jù)邀約指令或輔助服務(wù)市場(chǎng)交易計(jì)劃安排，優(yōu)化調(diào)節(jié)負(fù)荷、儲(chǔ)能、分布式能源等資源。

1.3 促進(jìn)分布式能源并網(wǎng)消納

分布式能源出力存在不確定性，低電壓等級(jí)分布式電源信息接入率低，大規(guī)模發(fā)展后影響負(fù)荷預(yù)測(cè)精度，增大負(fù)荷預(yù)測(cè)的時(shí)空不確定性，同時(shí)疊加集中式新能源電站影響，將導(dǎo)致局部地區(qū)日間負(fù)荷低谷時(shí)段調(diào)峰難度加大。虛擬電廠可以實(shí)現(xiàn)各類(lèi)分布式發(fā)電資源間的高效連接與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)先進(jìn)的自動(dòng)響應(yīng)控制技術(shù)、靈活的商業(yè)模式，開(kāi)展分布式能源本地交易，同時(shí)依托現(xiàn)貨市場(chǎng)進(jìn)行集中交易，最大限度地提升分布式能源的消納能力。

1.4 服務(wù)用戶開(kāi)展多元化用能服務(wù)

虛擬電廠通過(guò)分析異構(gòu)資源互補(bǔ)特性，綜合內(nèi)部資源最優(yōu)碳流計(jì)算與成本效益，采用最優(yōu)碳流的虛擬電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，提升用戶用電能效的同時(shí)降低用戶碳排放。虛擬電廠可對(duì)用戶負(fù)荷特性進(jìn)行深入挖掘，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶在線聚合容量與調(diào)節(jié)潛力，預(yù)測(cè)市場(chǎng)情況，支撐用戶參與中長(zhǎng)期現(xiàn)貨場(chǎng)景下的電能量、輔助服務(wù)及容量市場(chǎng)。

2 新型電力系統(tǒng)下虛擬電廠總體設(shè)計(jì)

在新型電力系統(tǒng)下，源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化虛擬電廠可協(xié)助完成復(fù)雜跨空間的廣域源網(wǎng)荷儲(chǔ)中分散的能源、負(fù)荷等多類(lèi)型資源有序合理聚合，協(xié)同高效管控，并參與異構(gòu)電力系統(tǒng)友好互動(dòng)的智能管控平臺(tái)［16-18］。為打造源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化虛擬電廠，促進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)融合和關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的“可觀、可測(cè)、可控”，本文設(shè)計(jì)了虛擬電廠框架。

2.1 虛擬電廠的系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬電廠框架圖如圖1所示。虛擬電廠架構(gòu)通過(guò)信息手段，將廣域可調(diào)資源連接，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備數(shù)據(jù)與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)交互信息的可靠、實(shí)時(shí)傳輸，具備能效管理、需求響應(yīng)、輔助服務(wù)、市場(chǎng)交易等功能，同時(shí)整合優(yōu)化各類(lèi)分布式資源與外部第三方系統(tǒng)及內(nèi)部系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合能源管理系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、電力交易系統(tǒng)、營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)等的高效交互。

（1） 虛擬電廠運(yùn)行平臺(tái)。虛擬電廠運(yùn)行平臺(tái)通過(guò)先進(jìn)的能源物聯(lián)、通信、控制等技術(shù)聚合分布式能源、可調(diào)負(fù)荷、用戶側(cè)儲(chǔ)能、充換電站等不同類(lèi)型的可調(diào)節(jié)資源，依托人工智能（AI）算法實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)聚合和智能交易，并根據(jù)電網(wǎng)調(diào)節(jié)互動(dòng)要求，實(shí)現(xiàn)相關(guān)資源系統(tǒng)在毫秒級(jí)、秒級(jí)、分鐘級(jí)和小時(shí)級(jí)等多時(shí)空尺度的各類(lèi)調(diào)節(jié)。

（2） 虛擬電廠管控平臺(tái)。虛擬電廠運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)各類(lèi)資源主體的管理及與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的協(xié)同互動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)交易優(yōu)化決策、補(bǔ)償結(jié)算效益評(píng)估、市場(chǎng)需求及時(shí)響應(yīng)、狀態(tài)感知靈活聚合、信息預(yù)測(cè)容量估計(jì)等功能，友好地指導(dǎo)虛擬電廠參與大電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)，包括參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)、響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)度指令、市場(chǎng)能源交易等。

2.2 虛擬電廠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

數(shù)量眾多的分布式能源及可調(diào)節(jié)用電負(fù)荷等靈活異質(zhì)資源具有種類(lèi)眾多、參數(shù)各異、時(shí)間無(wú)序、點(diǎn)多面廣等特點(diǎn)，虛擬電廠需要依靠安全、強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)靈活資源多層級(jí)聚合管理、端到端的可信能源交易和源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化的本體控制運(yùn)行。

虛擬電廠是信息網(wǎng)絡(luò)與能量網(wǎng)絡(luò)高度融合的大規(guī)模、復(fù)雜的高維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)多樣、靈活資源運(yùn)行狀態(tài)多變，因此虛擬電廠網(wǎng)絡(luò)是“能量-信息-價(jià)值”三流“分離-匯聚”的綜合能源異構(gòu)耦合信息網(wǎng)絡(luò)。為確保通信可靠安全、業(yè)務(wù)交互實(shí)時(shí)響應(yīng)，虛擬電廠網(wǎng)絡(luò)采用分層、分區(qū)的云邊協(xié)同架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化管理與靈活互濟(jì)。按照云邊協(xié)同的數(shù)據(jù)通信架構(gòu)，其通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由云邊2級(jí)組成，即邊緣采集層和云端通信層。虛擬電廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。虛擬電廠信息通信網(wǎng)絡(luò)在兼容原業(yè)務(wù)系統(tǒng)的架構(gòu)上升級(jí)改造，通過(guò)可信驗(yàn)證和密碼保護(hù)加強(qiáng)安全防護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備接入及異構(gòu)系統(tǒng)可信交互的安全可靠認(rèn)證。

利用云邊端協(xié)同機(jī)制實(shí)現(xiàn)虛擬電廠多層級(jí)聚合協(xié)調(diào)管控，管控平臺(tái)與調(diào)控平臺(tái)實(shí)時(shí)可信互動(dòng)，調(diào)控策略經(jīng)由云端通信層下發(fā)后，在邊緣采集層解析形成操作指令，傳達(dá)至操作終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)調(diào)控操作指令及時(shí)下達(dá)快速?zèng)Q策響應(yīng)。在安全防護(hù)方面，按照“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的原則，從網(wǎng)絡(luò)隔離、攻擊防護(hù)、傳輸安全、應(yīng)用安全和管理安全等多個(gè)安全角度，筑牢虛擬電廠安全縱深防護(hù)體系，加強(qiáng)虛擬電廠區(qū)域邊界、通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算環(huán)境三重安全防護(hù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽俊?/p>

邊緣采集層主要由用戶側(cè)能源（如各類(lèi)用電負(fù)荷、分布式光伏、儲(chǔ)能電站等）、終端設(shè)備（如傳感器、智能電表等）和集控設(shè)備（如遠(yuǎn)動(dòng)裝置、配電自動(dòng)化終端等）構(gòu)成，其將終端設(shè)備信息匯集至嵌有通信模組的集控設(shè)備進(jìn)而通過(guò)邊緣通信層進(jìn)一步傳輸。

云端通信層主要由網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、安全防護(hù)設(shè)備等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠與管控平臺(tái)及其他系統(tǒng)的可信互動(dòng)。云端通信層的鏈路通道采取雙鏈路通道，兼容多種通信方式的聚合組網(wǎng)，包括互聯(lián)網(wǎng)、電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)等。

3 面向市場(chǎng)交易的虛擬電廠聚合調(diào)控技術(shù)

3.1 虛擬電廠運(yùn)行不確定性場(chǎng)景模擬

在虛擬電廠的決策過(guò)程中，分布式資源和電價(jià)的不確定性有著重要影響。本文通過(guò)生成分布式資源場(chǎng)景集M和電價(jià)場(chǎng)景集V描述虛擬電廠決策中面臨的不確定性。分布式資源場(chǎng)景集M包括分布式風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組、用戶負(fù)荷的不確定性場(chǎng)景，3種資源的不確定性相互獨(dú)立，均服從以預(yù)測(cè)值為均值的正態(tài)分布。電價(jià)場(chǎng)景集V包括日前電價(jià)場(chǎng)景和實(shí)時(shí)電價(jià)場(chǎng)景，其中電價(jià)波動(dòng)服從以預(yù)測(cè)值為均值的正態(tài)分布。

假設(shè)生成的分布式資源場(chǎng)景數(shù)為m，電價(jià)場(chǎng)景數(shù)為u，由于分布式資源場(chǎng)景和電價(jià)場(chǎng)景相互獨(dú)立，則總場(chǎng)景數(shù)為NK=mu。傳統(tǒng)的蒙特卡羅法可以使隨機(jī)優(yōu)化具有更優(yōu)表現(xiàn)，但需要生成大量的隨機(jī)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致隨機(jī)優(yōu)化的計(jì)算效率偏低。為了解決上述問(wèn)題，本文采用拉丁超立方抽樣法對(duì)蒙特卡羅法生成的不確定性場(chǎng)景進(jìn)行縮減，在保持計(jì)算精度的同時(shí)提高效率。

拉丁超立方抽樣本質(zhì)上是一種分層采樣法，能夠用更少的樣本數(shù)覆蓋同樣大小的樣本空間，同時(shí)不會(huì)忽略尾部的樣本值，其抽樣步驟如下。

（1） 采樣。假設(shè)隨機(jī)變量Xi，其采樣規(guī)模為R，Xi的累積分布函數(shù)為

Yi=Fi（Xi）， Yi∈［0，1］（1）

其中，Yi的范圍被R均勻等分，Yi的采樣值即為等分后各區(qū)間的中間數(shù)，則Xi的r個(gè)采樣值可以通過(guò)逆變換求得，即

Xir=r－0.5FR， r=1，2，3，…，R（2）

則可以得到初始采樣矩陣為

Zi=［Xi1，Xi2，…，XiR］（3）

（2） 排序。由于分布式函數(shù)是增函數(shù)，因此上述采樣得到的初始矩陣具有正相關(guān)性，對(duì)其進(jìn)行亂序處理，得到獨(dú)立的正態(tài)分布采樣矩陣Zi。

按照抽樣方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)精簡(jiǎn)的不確定場(chǎng)景的提升優(yōu)化效率，并保證計(jì)算精度。

3.2 市場(chǎng)環(huán)境下虛擬電廠優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度模型

條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值法（CVaR）由風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值法演變而來(lái)，其是在給定置信水平α的情況下，評(píng)估超過(guò)某概率的風(fēng)險(xiǎn)損失的期望值，其計(jì)算公式為

RCVaR=E［f（X，ξ）f（X，ξ）lt;RVaR］=

RVaR－E［RVaR－f（X，ξ）f（X，ξ）lt;RVaR］=RVaR－11－β∫f（X，ξ）lt;RVaR［RVaR－f（X，ξ）］p（ξ）ξ（4）

式中： RVaR——置信水平為α下的風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值;

RCVaR——α下的條件風(fēng)險(xiǎn)值;

X——決策量組合;

ξ——不確定量;

f（X，ξ）——收益函數(shù);

p（ξ）——ξ的概率密度函數(shù)。

其目標(biāo)函數(shù)為

maxf=（1－β）B+βRCVaR（5）

式中： B——不確定場(chǎng)景集計(jì)算得到的期望收益;

β——風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避系數(shù)。

期望收益表達(dá)式為

B=∑Nkk=1πk（EDAk+ERTk+Eloadk－Cpvk－Cwtk－Cmtk－Cessk－Cdrk）（6）

式中： πk——場(chǎng)景k發(fā)生的概率;

EDAk——日前市場(chǎng)收益;

ERTk——實(shí)時(shí)市場(chǎng)收益;

Eloadk——負(fù)荷管理收益;

Cpvk——光伏機(jī)組成本;

Cwtk——風(fēng)電機(jī)組成本;

Cmtk——燃機(jī)成本;

Cessk——儲(chǔ)能成本;

Cdrk——需求響應(yīng)成本。

日前市場(chǎng)收益的表達(dá)式為

EDAk=－∑Tt=1λDAk，tPDAt （7）

式中： λDAk，t——場(chǎng)景k下t時(shí)段日前市場(chǎng)電價(jià);

PDAt——t時(shí)段虛擬電廠在日前市場(chǎng)的交易電量。

實(shí)時(shí)市場(chǎng)收益的表達(dá)式為

ERTk=－∑Tt=1λRTk，tPRTk，t－∑Tt=1λpenaltytPRTk，t（8）

式中： λRTk，t——場(chǎng)景k下t時(shí)段虛擬電廠實(shí)時(shí)市場(chǎng)的電價(jià);

PRTk，t——場(chǎng)景k下t時(shí)段虛擬電廠實(shí)時(shí)市場(chǎng)的交易電量;

λpenaltyt——t時(shí)段市場(chǎng)交易電量的懲罰單價(jià)。

新能源機(jī)組成本的表達(dá)式為

Cpvk=∑Tt=1（γpvPpvk，t）（9）

式中： γpv——新能源機(jī)組的維護(hù)成本系數(shù);

Ppvk，t——場(chǎng)景k下t時(shí)段新能源機(jī)組的發(fā)電總量。

燃機(jī)成本的表達(dá)式為

Cmtk=∑Tt=1∑NJj=1（ajPmtk，j，t+bj）（10）

式中： NJ——虛擬電廠管理的燃?xì)鈾C(jī)組數(shù)目;

aj，bj——第j個(gè)燃?xì)鈾C(jī)組的成本系數(shù);

Pmtk，j，t——場(chǎng)景k下第j個(gè)燃?xì)鈾C(jī)組t時(shí)段的發(fā)電總量。

電儲(chǔ)能成本的表達(dá)式為

Cessk=∑Ni=1∑Tt=1ci（Pchak，i，t+Pdisk，i，t）（11）

式中： N——虛擬電廠所轄的電儲(chǔ)能設(shè)備數(shù)量;

ci——第i個(gè)儲(chǔ)能的成本折舊系數(shù);

Pchak，i，t——場(chǎng)景k下t時(shí)段第i個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備的充電功率;

Pdisk，i，t——場(chǎng)景k下t時(shí)段第i個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備的放電功率。

電化學(xué)儲(chǔ)能裝置使用壽命逐漸縮減，其成本與儲(chǔ)能的充放電量近似成一次函數(shù)關(guān)系。

負(fù)荷管理收益的表達(dá)式為

Eloadk=∑Tt=1ft（loadk，t－Pdrt）

Cdrk=∑Tt=1λcomtPdrt（12）

式中： ft——t時(shí)段市場(chǎng)售電標(biāo)價(jià);

loadk，t——k場(chǎng)景下t時(shí)段用戶負(fù)荷;

λcomt——t時(shí)段補(bǔ)償單價(jià);

Pdrt——t時(shí)段需求響應(yīng)量。

場(chǎng)景模擬的約束條件依據(jù)算法收斂條件確定，具體包括功率平衡約束、機(jī)組出力約束、荷電狀態(tài)約束、需求需要約束。

條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值可根據(jù)場(chǎng)景法引入輔助變量進(jìn)行線性化處理，變量為

maxξ，ηkξ－11－α∑Nkk=1πkηk，

ηk≥ξ－Bk， ηk≥0（13）

式中： ξ、ηk——輔助參數(shù);

ξ——置信水平α下的風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值;

Bk——場(chǎng)景k下的收益。

經(jīng)過(guò)上述轉(zhuǎn)化，虛擬電廠優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度模型可表示為

maxf=（1－β）B+βξ－11－α∑Nkk=1πkηk（14）

3.3 分布式資源效益分析方法

（1） 夏普利值的資源收益貢獻(xiàn)分析。虛擬電廠聚合調(diào)控各類(lèi)能源資源參與市場(chǎng)交易，獲得最大的收益，其表達(dá)式為

Φ（i）=∑S∈N{i}S?。∟－S－1）！N！· "［ν（S∪{i}）－ν（S）］（15）

每類(lèi)分布式資源在資源組合形成的虛擬電廠中通過(guò)聚合優(yōu)化調(diào)控參與市場(chǎng)交易獲得的收益期望值，即為其對(duì)應(yīng)的夏普利值。

（2） 獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)度理論下的資源風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)分析。虛擬電廠風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源內(nèi)、外2個(gè)因素，內(nèi)因是分布式資源的隨機(jī)性，外因是市場(chǎng)電價(jià)。其貢獻(xiàn)度表達(dá)式為

CSACt=ρ（Lt）（16）

式中： ρ（Lt）——僅記風(fēng)險(xiǎn)因素t時(shí)，虛擬電廠參與市場(chǎng)的CVaR值。

4 算例分析

本文以某區(qū)域當(dāng)天的新能源出力（風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組）數(shù)據(jù)和負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)及市場(chǎng)電價(jià)預(yù)測(cè)曲線數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析。虛擬電廠內(nèi)部參數(shù)如表1所示;燃?xì)鈾C(jī)組參數(shù)如表2所示;電儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)如表3所示。

4.1 不同風(fēng)險(xiǎn)偏好的虛擬電廠投標(biāo)策略分析

根據(jù)算法模型計(jì)算不同風(fēng)險(xiǎn)偏好的虛擬電廠收益CVaR及期望收益值。不同風(fēng)險(xiǎn)偏好的虛擬電廠收益如表4所示。

β=0.2和β=0.6時(shí)，不同風(fēng)險(xiǎn)偏好的虛擬電廠日前投標(biāo)策略如圖3所示。

一般情況下，當(dāng)發(fā)電充裕時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)偏好型虛擬電廠在日前市場(chǎng)的出售電能比風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避型虛擬電廠高;當(dāng)發(fā)電緊張時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)偏好型虛擬電廠在日前市場(chǎng)的買(mǎi)電比風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避型虛擬電廠低。

風(fēng)險(xiǎn)偏好型虛擬電廠對(duì)新能源的發(fā)電量較為重視，風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避型虛擬電廠為了避免實(shí)時(shí)市場(chǎng)的偏差懲罰，傾向于選擇較為穩(wěn)妥的策略。

伴隨風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避系數(shù)的逐漸增長(zhǎng)，期望收益逐漸減少，CVaR值逐漸增加，體現(xiàn)了高風(fēng)險(xiǎn)、高收益的原理。

4.2 虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

從不同維度進(jìn)行了虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度的對(duì)比分析。不同維度下仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4（a）和圖4（c）對(duì)比分析可知，考慮風(fēng)險(xiǎn)因素時(shí)，不同風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避系數(shù)下可控機(jī)組的調(diào)度情況大體趨勢(shì)相同。圖4（a）和圖4（b）對(duì)比了不同場(chǎng)景下虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度策略，可以得出在23 h時(shí)，即使電價(jià)略低于燃?xì)鈾C(jī)組成本，燃?xì)鈾C(jī)組依然滿發(fā)以平抑風(fēng)電出力偏差。由圖4（d）可知，在無(wú)不確定因素下，可控資源的調(diào)度主要與其邊際成本有關(guān)。

4.3 分布式資源效益貢獻(xiàn)分析

根據(jù)分布式資源效益算法計(jì)算的分布式資源夏普利值（β=0.5），各類(lèi)分布式資源的收益比較如表5所示。

由表5可知，風(fēng)光機(jī)組利潤(rùn)貢獻(xiàn)最大，燃?xì)鈾C(jī)組相對(duì)較低;電儲(chǔ)能收益提升比例最大，負(fù)荷次之。綜合分析，利用各類(lèi)分布式資源間的耦合互補(bǔ)特性聚合優(yōu)化調(diào)控實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)提升獲得收益。不同風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避系數(shù)下虛擬電廠收益增量統(tǒng)計(jì)如表6所示。

由表6可知，隨著風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避系數(shù)的增加，虛擬電廠逐漸傾向于利用互補(bǔ)特性平抑隨機(jī)性，收益增量也逐漸增加。

不同風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避系數(shù)下各風(fēng)險(xiǎn)因素的獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)度如表7所示。

由表7可知，縱向比較分析，隨著風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避系數(shù)的增加，雖然電價(jià)波動(dòng)較大，但每列的風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)度變化趨于平穩(wěn)，表明懲罰機(jī)制對(duì)市場(chǎng)交易具有有效監(jiān)管作用。橫向比較分析，不同風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避系數(shù)下，貢獻(xiàn)度均變化趨勢(shì)均一致，由風(fēng)電、光伏、電價(jià)、負(fù)荷依次減小，風(fēng)險(xiǎn)程度則與之相反。

總之，新能源機(jī)組具有高風(fēng)險(xiǎn)、高收益的特性，虛擬電廠只有在一些新能源等可控資源參與聚合調(diào)控時(shí)，獲得的收益最多。

5 結(jié) 語(yǔ)

在新型電力系統(tǒng)框架下，虛擬電廠是未來(lái)重要的新型電廠形式之一。虛擬電廠作為一種廣泛聚合與調(diào)控需求側(cè)多元資源的技術(shù)，是提升電力系統(tǒng)的靈活性與調(diào)節(jié)能力的重要技術(shù)支撐。本文通過(guò)分析虛擬電廠的系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，建立了面向市場(chǎng)化的虛擬電廠聚合調(diào)控模型。虛擬電廠利用平臺(tái)聚合與控制功能，可實(shí)現(xiàn)分散資源規(guī)模效益，參與需求響應(yīng)、現(xiàn)貨市場(chǎng)、輔助服務(wù)等。

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收稿日期： 2024-07-21