虛擬電廠運營模式下差別電價的二層優化模型

劉慶偉，雷 霞，徐貴陽，戴詩容

（1.西華大學電氣信息學院，成都610039；2.寧夏電力公司中衛供電公司，中衛755000）

電力緊缺一直是電力供應部門一個亟待解決的問題，隨著經濟的快速增長，能源問題也越來越突出，節能減排[1，2]是國家制定一切方針政策的重要保證。文獻[3-5]基于節能減排的各種發電機組的最優調度，分別建立以能耗最小、污染物排放量最小以及網損最小的多目標優化模型。為了節能減排目標，國家對全國高耗能企業取消高耗能優惠電價，實行差別電價政策。差別電價[6]屬于電力企業針對不同用戶對電能資源的不同需求而實施的電能商品市場營銷行為。我國將高耗能產業的企業區分為淘汰類、限制類、允許和鼓勵類，對其實行差別電價策略，將產業政策和價格杠桿有力地結合起來，使其成為政府遏制高耗能產業盲目發展和低水平重復建設，加快淘汰落后生產技能和設備，推動產業結構調整和技術升級，緩解能源供應緊張以及節能減排的政策工具。文獻[7]建立了差別電價政策的系統動力學模型，對影響差別電價政策效果的因素進行了分析；文獻[8]基于Agent 模擬的建模方法構建了研究差別電價影響效果的多Agent 模型，突破了傳統數學模型考慮因素不足的缺點；文獻[9]采用投入產出模型和價格影響模型研究差別電價對我國能源、環境和經濟的影響，但是在差別電價的具體實施過程中，仍然存在很多的問題和困難。以上研究只局限于差別電價的具體實施，而沒考慮利用不同供電策略[10]在滿足高耗能企業用電的同時進行差別電價調整。

本文針對能耗大、高污染的高耗能企業，在能效電廠研究基礎上，提出了一種含有虛擬電廠的供電方式用以優化高耗能用電，即在差別電價研究的基礎上，引入具有節能效應[7]和分布式能源發電集群體的虛擬電廠的概念，建立供電公司與虛擬電廠決策的優化模型，并對新的供電方式下社會綜合效益進行分析。

1 虛擬電廠的運營模式

虛擬電廠VPP（virtual power plant）是一種能效電廠[11，12]EPP（efficiency power plant），其能效性能[13]是通過實施一系列節電計劃和能效項目，有效地進行需求側管理計劃。EPP 為用戶提供用電設備的節能改造，鼓勵高耗能用戶采用節能新設備和生產新技術，降低用電負荷，提高能源利用效率以及節能減排，達到與投資新建電廠和擴建電力系統相同的效果，并使節電項目實現產業化。文獻[14]將能效電廠與供應側資源同等納入電源規劃建立混合整數規劃模型，利用該模型計算出滿足一系列約束條件的規劃期裝機順序和各時段的機組出力以及優化方案的裝機容量、固定成本、運行成本和污染物排放量等指標，能效電廠的優化方案具有更好的經濟性和環境效益；文獻[15]用半方差理論探討了低碳經濟下能效電廠在各種節電措施下的風險投資優化組合問題；能效電廠的規劃方法[16]首先是調查設備參數得出可實現的節約電量潛力、最大節約負荷及其相應的經濟效益數據，根據評估指標排序，選出節電潛力較大、社會環境效益明顯的技術改造措施和行業進行能效電廠規劃。

虛擬電廠為企業提供一系列節電設備，同時還具有自身分布式發電群、可控負載和存儲系統。虛擬電廠的能源管理系統從各個組件上得到相關信息，并發送控制信號。文獻[18]以市場為基礎提出一個虛擬電廠模型，將單個的分布式能源鏈接為一個整體來服務當前電力市場；文獻[19-20]中虛擬電廠將光伏發電、風力發電、儲能電池以及燃氣輪機等分布式能源作為一個集群體，并采用信息通信采集技術對各種新能源進行檢測和能量管理，建立虛擬電廠的利潤最大化模型，利用可控負荷和存儲系統（電氣和熱）實現各種能源的最優調度。

本文基于分布式能源發電集群體建立一個提供一系列節能設備和技術的虛擬電廠，將其作為一個新的電能供應角色參與市場運行，提供一種全新的供電方式，有利于節能減排和企業的健康發展。虛擬電廠的運營模式流程如圖1 所示。

圖1 虛擬電廠運營模式流程Fig.1 Flow chart of VPP operating model

由圖1 可見，虛擬電廠的運營包含政府機構、電網公司、高耗能企業以及銀行等信貸機構。政府機構是方針政策的制定者，通過對高耗能企業的調研制定相應的差別電價，在虛擬電廠建設初期，虛擬電廠由政府扶持；電網公司是差別電價執行者，同時將用戶對差別電價的反響反饋給政府機構，同時電網企業承擔VPP 的投資興建以及技術支持；高耗能企業是差別電價實行者，按照差別電價進行電費繳納，在友好協商的基礎上，與虛擬電廠之間簽訂合作合同，接受節能設備的改造。虛擬電廠的投資運營初始最關鍵的是確定融資模式和回收模式，即通過什么形式和途徑籌集建設資金和效益的回收。

本文提出一個以市場為基礎的虛擬電廠模型，此模型最大的特點就是把單個的分布式能源[21]聚集為一個整體來服務于當前的高耗能市場，實現分布式能源的一體化管理模式，增強供電可靠性和穩定性，提高供電效率。虛擬電廠的分布式能源群考慮包括太陽能光伏發電PV（photovoltaic）、風力發電WT（wind power generation）、微型燃汽輪機MT（micro gas turbine）、燃料電池FC（fuel cell）和燃氣輪機GT（gas turbine）的微電網系統[22]。在虛擬電廠運營模式流程中，政府制定的差別電價嵌套其中，因此在高耗能企業接受節能設備改造后，其對應的差別電價要做相應的調整，其對應差別電價運行流程如圖2 所示。

圖2 差別電價運行圖Fig.2 Operational chart of differential power price

由圖2 可見，高耗能企業接受節能新設備改造之后，政府通過對高耗能企業進行調研，并通過聽證對差別電價進行修正調整，在更好地促進企業健康快速發展的同時更加完善差別電價機制，達到節能減排的目的。同時虛擬電廠作為分布式能源群的聚集整體，高耗能企業接受虛擬電廠的節能新設備改造，獲得從虛擬電廠的供電購買權，簽訂電能購買合同；通過虛擬電廠和電網公司協商，虛擬電廠給企業供電必須有最大供應量，高耗能企業可以從虛擬電廠獲得最大購買量之內的電量，所需其余電量按照經過重新調整的差別電價從電網公司獲得。

2 問題的決策分析

供電公司與虛擬電廠作為電能供應方，面臨著兩者之間利益重新分配問題，存在一定利益沖突同時又協作供電。

2.1 虛擬電廠（VPP）決策分析

虛擬電廠為企業提供節能設備和相應的生產新技術指導，得到節能設備費，同時按照協議為此類企業提供電能服務；虛擬電廠作為分布式發電集群體，考慮包括太陽能光伏發電、風力發電、燃料電池和燃氣輪機的能源系統，通過聯絡線與低壓配電網進行雙向功率交換。VPP 所具有各發電集群體各發電單元的發電成本為

式中：n 為虛擬電廠中發電元件個數；ad、bd和cd為發電元件d 的成本系數；adqd2+bdqd為可變成本；cd為固定成本。

分布式發電集群體每年的固定投資費用為

式中：βd為第d 個分布式電源的固定投資年平均費用系數；Q′DG，d為第d 個分布式電源的固定投資費用。

VPP 為企業提供節能設備及其新技術，在一定的供電時間段T 內所得到的能效收益為

式中：λ′it為優化后統一銷售電價；P3it為在供電時間段T 內每個改造企業從VPP 購買的用戶負荷量。

虛擬電廠參與市場運行后，其購售電的目標是在保證穩定運行的情況下，使得自身的收益最大化。因此，目標函數可表述為

其中約束條件包括：

（1）功率平衡約束 虛擬電廠中的發電元件大多位于微電網負荷中心處，忽略網絡損耗，則虛擬電廠內電量平衡約束為

（2）單元發電元件出力約束為

式中，qd，min與qd，max分別為微電網中發電元件d 的最小出力和最大出力。

（3）購買力約束 用戶根據接受節能設備裝置的投資費用及自身的生產條件，從虛擬電廠獲得電能購買量有所差異，且具有最大購買量，即

2.2 供電公司決策分析

供電公司根據接受節能設備改造企業名單，對不接受節能改造企業按照原先差別電價供電和可中斷補償；對接受節能設備改造的企業通過與虛擬電廠協商并按照新的電價標準供電。針對虛擬電廠單獨供電，供電公司收取一定的供電補償費用，即

式中：M 為不參與節能設備改造企業總個數；λit為對該部分企業實施的差別電價；P1it為在供電時間段T 內該部分用戶的負荷量；P2it為在供電時間段T 內每個改造企業從供電公司購買的用戶負荷量；S 虛擬電廠收益；α 為供電公司從虛擬電廠收取的供電補償費用系數，0 ＜α ＜1；L 為對企業進行的可中斷補償總費用；λ0為供電公司在一定的供電時間段T 內從各個市場購電的平均價格；P0為相對應的購電量。其約束條件包括：

（1）在不考慮網損情況下系統功率平衡約束為

（2）對于接受節能設備改造的用戶，其優化后的統一銷售電價應小于之前差別電價，即

3 基于二層優化的整合模型

二層規劃是分層決策問題的數學建模方法，可以處理多目標決策問題。通過上述決策的分析，虛擬電廠與供電公司之間由于供電協調關系，存在一定的利益沖突，兩者又同時為用戶合作供電，因此虛擬電廠與供電公司之間存在博弈關系。

本文將供電公司利益作為上層決策，同時將用戶節能設備改造之后的購電成本小于改造前作為上層決策的約束條件；將虛擬電廠的利益作為下層決策，在相對開放的電力市場中建立二層優化的整合模型，即

二層優化模型中，上層為供電公司收益最大，下層為VPP 收益最大，此模型求解思路為先由下層得到VPP 所擁有的各種分布式能源集群體的最優出力，再將其傳遞到供電公司，求解得到VPP 統一的差別電價。本文下層采用遺傳算法，其中種群規模為40，交叉概率為0.5，變異概率為0.03，迭代次數為100；上層采用遍歷隨機搜索的方法，遍歷搜索次數為10 000。當進行購售電量優化時，下層先通過優化得到各分布式發電元件的發電量以及銷售電價，將結果帶入上層；上層根據負荷量優化得到供電公司售電量以及銷售電價，在銷售電價滿足一定范圍條件下，設定兩次銷售電價差值范圍作為收斂性的判斷條件，求得最優銷售電價。二層優化模型求解過程流程如圖3 所示。

4 社會綜合效益分析

4.1 用戶效益分析

接受節能設備改造的企業其用電由供電公司和虛擬電廠共同承擔，當企業利用新設備正常生產運營時，單位產品耗電量減少，排污成本減少，在購買相同電量情況下企業產品產值有所提高。設改造前后在消耗相同電量Dh情況下，購電成本為

圖3 二層優化模型求解流程Fig.3 Flow chart of solving bi-level optimization model

式中：Ci0為用戶節能設備改造前的購電成本；Ci1為用戶節能設備改造后購電成本。假設消耗同等電量情況下，企業節能設備改造前后產品產值分別為V0、V1，產銷率為100%，則改造前后所獲利潤分別為

式中：C0′為改造前除電費以外的其他固定成本；C1′為改造后除電費以外的污染物排放費等其他固定成本，包括節能設備購置費用為政府部門根據企業生產情況給予響應的補貼費用；R0為企業節能設備改造前所獲利潤；R1為企業節能設備改造后所獲利潤。

4.2 綜合效益分析

在進行節能設備改造之前，供電公司按照制定好的差別電價對企業售電，此時供電公司所得收入為F0；節能設備改造以后按照以上二層優化模型求得所得收入為F1，除去供電補償費用外虛擬電廠所得收入為S1，因此改造前后所取得的社會綜合效益分別為

式中：H0為改造前的社會綜合效益；H1為改造后的社會綜合效益。根據虛擬電廠差別電價的二層優化模型，便可求得節能設備改造后的社會綜合效益。

5 算例分析

以某市10 家高耗能企業為例，設有6 家設備老化及污染嚴重企業率先接受節能設備改造，改造后其供電服務由供電公司和虛擬電廠共同承擔，其余仍然按照原差別電價供電。供電公司按照峰平谷時段劃分為企業供電，時段劃分以及各個時段的差別電價和所需負荷見表1，虛擬電廠發電集群體各發電元件參數見表2，改造后供電公司和虛擬電廠的統一售電電價為λ′it，供電公司從各個發電商平均的購電價格為190 元/MW·h。

表1 峰平谷時段劃分及負荷Tab.1 Time period divided and load MW·h

表2 虛擬電廠發電集群體各發電元件參數Tab.2 Parameters of generation component of VPP power

二層優化模型的初始化參數為：供電公司從虛擬電廠收取的供電補償費用系數α=0.15；可中斷補償總費用為L；本算例仿真設定節能改造初期VPP 擁有的節能設備按照近乎于引入價格賣給節能改造企業，即企業節能改造成本近似等于VPP的節能設備投資成本；約束條件中的節能改造企業從VPP 獲得的最大電能購買力按照企業從VPP購買節能設備多少的情況而定，本算例仿真的最大購買力Pi，max假定為改造企業所需所有電能的一半。按照算法流程進行二層優化模型的求解，得到改造后的滿足各種約束條件的供電公司及虛擬電廠的最優銷售價格，以及虛擬電廠各個分布式發電單元的最優出力，如表3 所示。企業用戶改造前后生產以及效益的情況如表4 所示。

表3 VPP 與供電公司購售電優化結果Tab.3 Optimal purchase results of VPP and distribution network

表4 節能改造前后企業效益對比Tab.4 Contrast of corporate benefit with and without engery-saving reform

由表3 和表4 可知，企業節能改造后，通過優化VPP 與供電公司售給節能改造企業峰平谷各個時段的價格均降低；購買相同電量時，峰平谷各個時段在減少了購電成本的同時企業效益均有大幅度提高，產品產值率也大大提高。由此，VPP 與供電公司的收益不但取決于最終銷售價格與售電量，也與兩者之間協商的不同的供電補償費用有關。更確切地說，與兩者之間的供電補償費用系數有關，不同的供電補償費用系數會影響社會綜合效益的變化。以峰時段為例說明供電補償費用系數對社會綜合效益的影響，如圖3 所示。

圖3 供電補償費用系數對社會綜合效益的影響Fig.3 Power supply compensation coefficient affects the social benefits

由圖3 可見，社會綜合效益總體上是隨著供電補償費用系數的增大而減少。因此，VPP 與供電公司在對供電補償費用系數進行協調時應盡量取較小值為宜。當供電補償費用系數為0.15 時，所取得的社會綜合效益最大。由此類推，在平時段和谷時段社會綜合效益與供電補償費用系數同樣呈現類似的變化。當供電補償費用系數為0.15 時，VPP和供電公司的收益以及社會綜合效益如表5 和表6 所示。

表5 VPP 與供電公司收益Tab.5 The profit of VPP and distribution network 106 元

表6 社會綜合效益分析Tab.6 Comprehensive analysises of social benefits

VPP 和供電公司售給節能改造企業峰平谷各個時段的價格均有所減少，同時供電公司售給節能改造企業的電量相比之前也相應減少。雖然VPP 對供電公司提供一定的供電補償費用，但節能設備改造后供電公司售電總收入在峰平谷各個時段相比以前均有所減少。通過企業節能改造前后對比，在峰平谷各個時段供電公司總收益分別減少了17.8%、21.2%和19.2%；所取得的社會綜合效益有明顯增加，增幅分別為19.4%、22.7%和13.1%。

由上述分析可知，虛擬電廠的收益、高耗能企業的收益和社會福利相對于未引入VPP 時均有所增加，供電公司雖然從表面上看收益下降，但由于本文所建立的VPP 的歸屬權屬于電網企業，因此VPP 的收益也屬于電網企業的整體所有，因此在電網公司統一調配下其整體收益不會減少。與此同時，在節能減排下政府機構為了能更好地進行需求側的激勵政策，會對供電公司進行一定的政策性補貼以避免供電公司由于目前收益減少而采取的抵制行為。其具體的補貼標準視情況而定。

6 結語

本文針對能耗大、高污染的被限制以及勒令淘汰的高耗能企業，運用所建立的虛擬電廠來探索一種新的供電方式用以優化高耗能用電，即在差別電價研究的基礎上，引入具有節能效應和分布式能源發電集群體的虛擬電廠的概念，使其與差別電價相結合，將政府制定的差別電價與虛擬電廠運營模式相結合，建立虛擬電廠運營模式下差別電價的二層優化模型，重新對差別電價進行優化調整。針對節能改造企業，通過算例分析得到虛擬電廠和供電公司各自售電量以及統一的最優銷售電價，且具有耗能大、污染重等問題的企業進行節能設備改造后用電成本大幅度減少了；同時，在購買相同電量情況下，企業效益得到了顯著提高，所取得的社會綜合效益也大大提高，更好地促進了企業健康發展。通過對差別電價的優化調整，從而為政府機構制定合理的電價政策提供具有實際意義的參考，更好地促進社會快速發展。

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