電力現貨市場環境下園區型綜合能源系統多階段聯合優化運行

楊曉華

（云南電網有限責任公司計量中心 云南昆明 650051）

結合最新電力現貨市場準則，設計園區型綜合能源系統參與電力市場的系統框架和運行模式。基于多階段、大尺度、多層次的思想，建立多階段聯合優化經濟運行模型，包括日前、日內、實時3 個階段。通過隨機優化概率，約束解決光伏、負荷不穩定的問題，利用線性規劃算法，求解電力現貨市場最優申報用電量和日內24h 功率計劃曲線。在實時階段，使用模型預測控制算法，對功率、電價信息的滾動跟蹤預測和校正反饋，實現實時市場同步滾動優化。

1 園區型綜合能源系統結構分析及建模分析

1.1 園區型綜合能源系統結構構成

綜合能源系統可以實現電能、熱能、氣能等多種能源資源形式的協同優化運行，滿足用戶群眾多元化的能源資源需求。園區型綜合能源系統包括風電機組、光伏機組、燃氣輪機、燃氣鍋爐、熱泵、蓄電池及蓄熱槽等能源生產、轉換、存儲設備，充分考慮電熱符合需求，響應個電動汽車接入。

1.2 主要設備模型

1.2.1 燃氣輪機

燃氣輪機是園區型綜合能源系統中常見的發電設備，其燃料是天然氣。燃氣輪機利用流通的氣體促使葉輪旋轉，實現做功發電。在燃燒期間，排出的高溫余熱煙氣在經過回收后，便可以進行供熱［1］。其模型可以具體描述為：

上述公式中：PGT(t)和QGT(t)是t時段燃氣輪機的供電功率和供熱功率；GGT(t)是t時段燃氣輪機的天然氣消耗量；ηGT是燃氣輪機的發電效率；β是天然氣低熱值，取9.73kW·h/m3；α 是燃氣輪機的熱電比，取1.29.73kW·h/m3；PGT，max是燃氣輪機的供電功率上限；ΔPGT(t)是燃氣輪機的爬坡速率。

1.2.2 燃氣鍋爐模型

燃氣鍋爐是園區型綜合能源系統中常用的熱源設備，以天然氣為基本燃料。其模型可以具體描述為：

QGB(t)=ηGBβGGB(t)

0≤QGB(t) ≤QGB，max

上述公式中：QGB(t)是t時段燃氣輪機的供熱功率；GGB(t)是t時段燃氣輪機的天然氣消耗量；ηGB是燃氣輪機的供熱效率；QGB，max是燃氣鍋爐的供熱功率上限［2］。

1.2.3 熱泵模型

熱泵是園區型綜合能源系統中的能量轉換設備，通過消耗電能產熱。其模型具體描述為：

QEH(t)=ηEHPEH(t)

0≤QEH(t) ≤QEH，max

上述公式中：QEH(t)是t時段熱泵的供熱功率；ηEH是熱泵的供熱效率；QEH，max是熱泵的供熱功率上限。

1.2.4 儲能設備模型

園區型綜合能源系統中的儲能設備包括蓄電池、蓄熱槽，因為蓄電池、蓄熱槽的儲能特點比較相同，以蓄電池來舉例進行建模，蓄熱槽模型與之比較雷同。公式如下：

0≤PES，c(t) ≤PES，c，max

0≤PES，d(t) ≤PES，d，max

PES，c(t)PES，d(t)=0

SES(t)=SES(t- 1)+[PES，c(t)ηES，cSB-PES，d(t)ηES，dSB]·Δt

SES，min≤SES(t) ≤SES，max

SES(T)=SES(0)

上述公式中：PES，c(t)、PES，d(t)是t時段蓄電池的充放電功率；PES，c，max和PES，d，max是t時段蓄電池的充放電功率的最大上限；SES(t)是t時段蓄電池的儲能狀態；ηES，c和ηES，d是t時段蓄電池的充放電功率；SES，min和SES，max是蓄電池儲能狀態的上限；T是優化運行周期的時段數，取24；Δt是時間間隔，取1h。

2 園區型綜合能源系統在電力現貨市場的運行模式分析

在電力市場進入到改革之前，園區內部的工作人員主要是根據工商業階梯電價來繳納電費的。而在電力現貨市場環境下，電價要按照用戶的實際用電情況及網絡阻塞情況，采用靈活、多變的動態電價，促使其成為時間變量。因為差價合約、偏差考核機制，從中長期、日前、日內實時市場分析，不管哪一階段，都會影響用電成本，在一定程度上給綜合能源系統的市場經濟運行帶來不小的挑戰。

2.1 園區型綜合能源系統參與電力市場手段

工商業園區通過配電網便于為廣大人民群眾輸送大量的電力資源，不僅如此，還能借助光伏、CHP機組、鍋爐、儲能等進行電力資源的供應。作為工商業園區的用戶代表，主要負責內部、外部的工作。第一，對外方面。主要參與電力市場的交易，簽署電力合同，用于參與電力市場的各種交易活動，足以接受電力工作人員的業務考核。第二，對內方面。為園區內部提供更多的電力資源，在滿足基本供應需求的條件下，保證園區的電力資源的經濟性［3］。

2.2 電力現貨市場價格模型

現階段，電力現貨市場最常使用的一種手段就是差價合約機制，結合中長期電力市場所存在的偏差，將其控制在最低范圍之內，并建立不同階段的差價結算機制，按照目前電力現貨市場所推行的原則，根據差價合約和偏差考核手段，為用戶群體設計最佳的電價，其計算公式如下：

Cfee=∑QLntPLnt+∑(QD，t-QLnt)PD，t+∑(QR，t-QD，t)PR，t+CR，t+CLP，t

上述公式中：Cfee是用戶用電成本；QLnt、PLnt是園區型綜合能源系統經過中長期市場簽訂的合同，具體劃分t時段的電量、電價；QD，t是t時段用戶群體在電力現貨日前市場申報用電量；PD，t是t時段現貨市場日前交易出清后所建立日前出清電價；QR，t是t時段用戶在電力現貨實時市場中的實際用電量；PR，t是t時段現貨市場實時交易期間的實時電價；CR，t是t時段電力市場的轉移收益，重點體現在由于市場價格和用電計劃偏差而產生的允許收益，計算方式如上述公式所表示；CLP，t是t時段偏差考核成本，重點體現在將中長期協議電量月度偏差考核折算到當日的處罰成本。其計算方式如下：

當QD，t>QR，t(1+δ)且PD，t

CR，t=∑[QD，t-QLnt(1+δ)](PR，t-PD，t)

當QD，tPR，t時，有：

CR，t=∑[QD，t(1+δ) -QLnt](PD，t-PR，t)

CLP，t=(QdLnt∑QD，t)PLdt

園區型綜合能源系統對電網售電價格按照各個地區制定的分布式上網電價進行電力結算，在此過程中，相關工作人員可以忽略單個綜合能源系統對電力市場的影響，將園區用戶作為電力能源的供應者。

2.3 綜合能源系統聯合的運行模式

電力市場包括中長期市場和現貨市場，其中，現貨市場包括日前、日內、實時3個階段。本文研究的運行模式是立足于時間尺度上，保證電力資源和電力現貨市場同行同向，按照日前、日內、實時等階段，采用遞進式電網調度管理模式，實現電力資源的全面優化。在電力現貨市場下，綜合能源系統運行模式分為以下幾個方面。

2.3.1 日前優化

在電力現貨市場環境下，綜合能源系統要每天對后一天的分時負荷曲線進行繪制，便于其主動參與到現貨市場中。但是，申報方式和日前出清電價和實時電價存在巨大的差異性，很容易增加電力成本。所以，在日前申報過程中，用電負荷申報曲線直接影響現貨市場的經濟收益。

在電量申報過程中，對所申報的負荷曲線進行重新的規劃、調整，保證后一天的電力能源成本降低至最低范圍之內。通過對負荷、光伏功率的隨機概率進行制約，考慮分布式電源的影響因素，具體分析其經濟性成本、日前電價和中長期合同電價間存在的偏差電量。在對其進行重新整合后，計算后一天的電網購電曲線，滿足日前電力市場基本需求［5-6］。

在此過程中，如果實時電價和出清電價相同，按照中長期合同電量和日前電價及申報電量形成的差價合約，通過上述Cfee公式，計算這一階段電費Cfee-da公式為：

Cfee-da=∑QLntPLnt+∑(QD，t-QLnt)PD，t+CLP，t

2.3.2 日內優化

在日內優化階段，具體落實出清電價。通過確定日前市場的現貨價格，在具體進入到實時運行階段之前，對正在申報電量進行重新計算，主要目的在于針對綜合能源系統日內用電計劃做出未雨綢繆的準備工作。另一方面，日內優化模型和日前優化模型大體相同，它們之間最大的不同就是結合出清的日前價格，實時監測電價，通過上述公式計算電網購電成本，根據CHP機組、電鍋爐等設備的調節能力，減少日內總體用能成本，優化計算不同階段的電價曲線，從而獲得1d之內的電功率負荷曲線。

2.3.3 實時優化

在實時優化過程中段，為了滿足人們對于電力能源的基本需求，相關工作人員使用滾動優化出清方法，在日內實時階段同步滾動優化，以15min為時間周期，重新繪制綜合能源系統用電負荷曲線，讓廣大人民群眾在第一時間了解國家政府部門出臺的電價信息。

實時優化包括以下內容。一方面，實時同步現貨市場，根據時間周期，及時跟蹤、預測已經出臺的電價信息，在差價合約允許存在的誤差范圍之內，整合CHP機組、電鍋爐及儲能系統功率，降低成本的支出。另一方面，以日前發用電計劃曲線為參照物，預測負荷曲線、分布式發電功率的用電情況，堅持低投入、高回報的原則，對日前計劃存在的誤差進行重新調整，保證日內全局計劃和實時階段局部優化的協調運行。

3 園區型綜合能源系統在電力現貨市場的多階段優化模型分析

3.1 日前、日內優化

日前、日內優化模型基本上是一樣的，但是二者也存在一定的差異，主要是日前優化是預測日前電價后進行重新計算，而日內優化主要保證最后的出清價格，從而獲得日內24h 的用電功率計劃曲線。目前，市場電量申報模型的目標函數以經濟性為主，主要是保證總成本最小化，其計算公式為：

fope=∑[CLgrid，t+rgaspgas，t+ut(1 -ut-1)cst+rompt]

上述公式中：pgas，t是t時段天然氣的能源消耗功率；rgas是天然氣的單位耗量成本；pt是單位功率運行維護成本；ut是0-1變量，表示t時段CHP機組啟停狀態，取值是1 時表示啟動，取值為0 的時候表示停機；cst表示啟動成本；CLgrid，t是t時段日前電費成本。

3.2 基于MPC的實時滾動優化

在電力現貨市場下，光伏發電、負荷功率、實時市場中的電價信息都不太穩定。MPC主要是緩解系統內部的控制問題，換句話說，它是一種滾動優化控制方法，對于減少外界干擾因素有一定的推動作用，有助于解決一些不太穩定的影響因素。

MPC以計劃曲線為跟蹤目標，結合實際情況，對2個滾動階段進行預測。在實時運行過程中，以最新預測數據和實時運行數據進為主，對其進行重新規劃?？紤]到日內計劃采用24h 短期預測，已有較高的預測精度，由超短期光伏、負荷功率、實時電價進行跟蹤預測，重新調整實時下達的功率計劃指令。

4 結語

綜上所述，在電力現貨市場環境下，對園區型綜合能源系統多階段聯合運行模型進行規劃，符合電力市場運行的基本要求。在電力現貨市場階段，相關工作人員要全面考慮中超短期光伏、負荷功率、實時電價對于電力成本的影響，便于保證目標市場電量申報的最佳性。與此同時，電力資源價格不是唯一的參考，而是以時變量形式在日前、日內和實時這3 個階段進行逐一的判斷，有效控制其中存在的差價，保證電力單位獲得最佳的經濟效益。