考慮負荷精細化的虛擬電廠優化調度

粟世瑋，吉雅鑫，鄒 宇，智 李

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443000；2.三峽大學梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室，湖北 宜昌443000；3.廣西電網公司欽州供電局，廣西 欽州 535000)

1 引言

近年來可再生能源的發展受到越來越多的關注，風能、太陽能等一大批分布式能源(DER)依靠污染低、靈活方便的特性被廣泛的推廣和使用[1-2]，而并網的不確定性卻日益突出且難以控制[3]，虛擬電廠(virtual power plant，VPP)的提出為解決此問題提供新的方法[4-5]。

虛擬電廠是并網運行的發配電系統，在現有的研究中，針對新能源波動性問題，文獻[6]提出聚合儲熱裝置的光熱電站以及風電和火電構成虛擬電廠，利用光熱儲熱電站消除日前和實時出力偏差，通過收縮空間的和聲算法對模型進行優化，但并未將用戶側考慮在內；文獻[7-8]提出采用分時電價的策略調度抽水蓄能與儲能電池配合解決風電消納和火電機組調節的困難，但并未考慮VPP作為發電系統對負荷的影響；文獻[9]為解決新能源消納問題，聚合風、柴油發電機以及分布式儲能裝置形成VPP，通過并網式儲能和用戶儲能兩種運行狀態進行對比，說明并網式儲能能夠根據可再生能源的出力情況合理充放電，使VPP收益最大，但該文獻并未考慮用戶側收益情況；在針對負荷側參與調度的研究中，多數考慮為工業負荷，極少數為民用負荷，文獻[10]將工業負荷分為迎峰負荷和避峰負荷，重點考慮可削減負荷與VPP控制中心簽署合同參與虛擬電廠的競價，卻未考慮可轉移負荷的調度；文獻[11]將大樓中的可供熱負荷視為可調熱負荷參與激勵需求響應，在一定人體溫度適應范圍內通過削減負荷量來緩解熱電機組調節的壓力，但并未對可供熱負荷精細化分類；文獻[12]提出風、光、儲、燃氣輪機以及價格需求響應構成虛擬電廠，通過調節儲能充放電和需求側響應等靈活資源提高間歇式能源的消納水平，但缺乏對用戶負荷進行分類說明。上述研究都僅是從電源側或負荷側進行研究，并未實現源荷互動[13-14]，且僅僅考慮了整個負荷群參與單一類型的需求響應(Demand Response，DR)，并未對負荷精細化處理。

實際上負荷的響應與其類型有關。因此本文根據負荷的用電特性將負荷精細化分類建立模型參與兩種類型的需求響應[15-16]，建立含有風-燃-儲的虛擬電廠優化調度模型以減小實際調度的出力偏差、消納新能源為目的參與電力市場。鑒于日前調度中根據風電的預測值采用燃氣輪和儲能系統補償新能源的出力，作為VPP的日前最優申報結果；而在實時調度中由于風電波動性會造成實際與日前出力有一定偏差，引起VPP在參與電力市場中有一部分懲罰，收益可能無法達到最優，因此為減小VPP出力偏差，對負荷精細化參與需求響應來提升VPP的收益實現用戶和VPP社會效益雙贏。

2 虛擬電廠的構成及運行

2.1 虛擬電廠的組成

以某一區域為例，建立一個包含風電場、燃氣輪機和儲能系統的虛擬電廠，在用戶側對負荷精細化分類，并且施加一定的需求響應，引導其參與VPP調度。其結構如圖1所示：

圖1 虛擬電廠參與電力市場結構圖

2.2 虛擬電廠優化調度流程

在VPP中，控制中心根據日前的風電以及負荷情況預測次日的風電及負荷，結合日前市場電價及燃氣輪機和儲能的發電成本制定最優的發電計劃，但實時調度中，風電的波動性導致實際出力與日前出力有一定偏差，通過優化儲能充放電及負荷參與需求響應達到減小偏差，提高VPP收益的效果，具體調度如下圖所示：

圖2 VPP優化調度流程圖

2.3 虛擬電廠各部分運行策略

1)可再生能源：在VPP中，風電屬于可再生清潔能源，其出力不會對環境造成污染，因此在風電有出力的情況下VPP要優先利用風電。

2)儲能系統和燃氣輪機：由于風電的波動使VPP實際出力與日前出力有一定偏差，可能使VPP參與電力市場有一定缺電懲罰，因此可通過儲能和燃氣輪機出力減小出力偏差，使VPP實際出力接近日前出力，從而使其在電力市場中獲得最優收益。即當風電實際出力大于日前出力時，用戶可先將部分高峰負荷轉移過來，若出力仍有剩余，可減小燃氣輪機出力并將多余的出力儲存或向電力市場出售；而當風電實際出力小于日前出力時，儲能和燃氣輪機共同出力，用戶參與響應轉移或削減一部分負荷量，若出力不足則需向電力市場購電。

3)用戶負荷：在VPP中，考慮負荷側用戶參與需求響應，需通過轉移或削減部分負荷，達到上述效果，為更好的讓負荷參與響應，本文提出根據負荷用電特性將負荷進行精細化分類后參與需求響。

3 用戶負荷精細化分類及其需求響應模型

3.1 用戶精細化分類及建模

由于不同負荷的用電特性不同，故可以根據用電特性可以將用戶負荷分為可控負荷時段和不可控負荷。而對于可控負荷考慮到其工作特性[17]不同分為3類。

1)I類可平移負荷：工作時間可以根據計劃而改變如：洗衣機，洗碗機。

(1)

(2)

(3)

2)II類可削減負荷：在高峰時期依據電價的變化可以減少一部分用電，如空調。

(4)

(5)

(6)

(7)

3)III類可中斷負荷：工作時長有一定的約束，在用電高峰期與用戶簽訂協議，給該類用戶一定補償(電費折扣)，比如在用電高峰時期，冰箱可以根據食物的保鮮程度停止供電，但不能使食物變質。

(8)

(9)

(10)

那么用戶需求響應前的用電功率為

(11)

其中，Pg為固定負荷。

3.2 負荷精細化參與需求響應模型

由于P上述I、II類負荷對電價較為敏感，能夠根據電價的改變而隨時變化用電行為，故文獻[18]將負荷精細化后參與價格需求響應；由于 類負荷多為中小型企業的日常用電，根據電價隨意變動會影響這些企業的工作運行，因此文獻[19]提出將這些負荷集中與電網簽訂合同獲得激勵補償，在用電高峰期削減部分電量。

3.2.1 價格需求響應(PBDR)

I、II類負荷參與價格需求響應，通過電價的刺激改變原有用電行為，優化負荷曲線實現削峰填谷。其中負荷參與PBDR后功率為

(12)

式中，ΔP為t時刻I、II類負荷參與PDBR的變化量；qt0、qt為響應前后電價的；s、t表示某一時刻；est為電力價格彈性，其中當s=t，est被稱為自彈性；當s≠t，est被稱為交叉彈性。自彈性一般為負值，交叉彈性一般為正值。

3.2.2 激勵需求響應(IBDR)

III類可中斷負荷，在電網高峰期電力公司會給一定的補償刺激其參與響應，減小電網機組的調節壓力，那么t時刻III類負荷參與響應削減的電量為

(13)

(14)

4 負荷精細化參與虛擬電廠調度模型

4.1 VPP優化調度目標函數

由于風電的波動性會使風電實際出力與日前出力存在偏差，因此需要負荷精細化參與需求響應來彌補風電偏差，故以VPP實際收益為目標函數，考慮負荷精細化參與VPP調度模型如下

(15)

(16)

(17)

在實際的調度中，市場電價可表示為

(18)

考慮到實時調度中，由于風電的波動性可能造成VPP出力不能完全與日前上報電網的計劃出力一致，故會有一定的偏差，那么用戶用電將受到威脅，出現供不應求的情況，增加電網運行的難度，此時VPP調度中心制定分時電價策略，引導用戶可控負荷中的I、II類負荷參與響應，同時給出III類用戶一定補償刺激其響應。考慮到用戶參與響應會對其用電費用有一定的影響，則用戶用電費用表達式

(19)

其中：C1為用戶的用電費用；Ct為各時段電價。

4.2 約束條件

1)功率平衡約束

(20)

2)儲能裝置的容量和充放電約束

(21)

3)燃氣輪機出力約束

PGT，min

(22)

4)風電出力約束

gw，min

(23)

5)負荷參與需求響應的轉移量

(24)

5 算例分析

5.1 算例參數說明

VPP由1×2 MW燃氣輪機；2×2 MW的風電廠以及儲能和用戶負荷構成。其中燃氣輪機的最大出力為2 MW；儲能參數如表1所示；表2為VPP調度中心制定分時電價表，圖3為風電及負荷出力曲線。取價格需求響應的自彈性系數為-0.2，交叉彈性系數為0.03[19]。采用MATLAB工具包進行求解模型。

圖3 風電出力及用戶負荷曲線

表1 儲能電池參數

表2 分時電價表

日前及實時電價曲線如圖4所示。

圖4 日前及實時市場中的電價曲線

5.2 仿真結果分析

1)不同負荷參與需求響應仿真及分析

將用戶與VPP作為同等重要的利益主體，在實際調度考慮用戶和虛擬電廠占同等地位進行分析。

場景1：用戶不參與需求響應

場景2：僅I、II類負荷參與價格需求響應；

場景3：僅III類負荷參與激勵需求響應；

場景4：I、II、III類負荷同時參與需求響應；

由表3可知，用戶不參與DR時，VPP收益最小，并且當用戶3負荷同時參與DR時，VPP出力滿足負荷需求的情況下還有部分處理出售給電力市場，VPP收益達到最大。

表3 虛擬電廠實際收益對比

2)負荷精細化參與需求響應時VPP儲能裝置的狀態及燃氣輪機出力曲線

由圖5看出，當VPP日前出力大于實際出力時，此時儲能吸收少量功率，如6點時儲能裝置處于儲能狀態；當VPP日前小于實際出力，由于高峰轉移一部分負荷量，儲能裝置處于放電，如18點時。

圖5 儲能充放電狀態及燃氣輪機出力曲線

3)精細化分類參與需求響應的負荷曲線

不同場景下負荷參與DR下的負荷曲線如圖6所示。

圖6 不同場景的需求響應負荷曲線

由圖6可知，對負荷精細化后參與DR其曲線的負荷曲線峰谷差均有所減小。其中場景1填谷效果較好；場景2的削峰效果較好；而場景3的負荷曲線較為平滑。不同場景下用戶用電費用如下表4所示。可見，當3類負荷同時參與DR時，表明負荷精細化能夠促進用戶需求響應，用戶的用電費用最小。

表4 不同場景下用戶用電費用

4)VPP不平衡出力分析

由于風電實際出力與計劃出力存在偏差，在VPP中對負荷精細化參與DR及儲能裝置充放電對偏差進行補償，若仍存在偏差，即為不平衡出力，則在三種場景下VPP不平衡出力如圖7所示。

圖7 VPP不平衡出力

圖7中坐標軸以上出力為正代表VPP電力市場售電，坐標軸以下為VPP從電力市場中購電。由圖可見，當I、II類負荷參與價格需求響應通過負荷量的轉移，將VPP出力不足時段負荷量轉移至出力較多時段；通過中斷一部分III類負荷減小不平衡出力，3類負荷同時參與DR，VPP不平衡出力最小。

6 結論

1)風電的波動性會引起實際出力與日前出力有一定誤差，將負荷精細化參與需求響應，分四個場景進行對比分析，分別從VPP收益、VPP儲能裝置的狀態、負荷曲線、用戶用電費用及VPP不平衡出力對比可知，價格需求響應填谷能力較強，激勵需求響應的削峰能力較強，3類負荷同時參與需求響應的負荷曲線峰谷差最小，VPP收益最大，用戶用電費用最小，實現VPP與用戶雙贏。

2)考慮到負荷參與需求響應保證在滿足用戶負荷正常工作條件下充分調動用戶參與響應的積極性，減小用電費用、提高VPP的收益，達到社會效果最佳目的。本文重點考慮VPP作為一個整體參與電力市場的運行，并未考慮VPP出力對主網機組的影響，這將會是下一步研究重點。