基于均衡理論的虛擬電廠市場參與模式及方法探討

湖北電力交易中心有限公司 胡紅嬌 胡羽川 鄭瀟嘯 范 旻 國網湖北省電力有限公司 徐博倫

可持續發展理念在電廠發電中應用廣泛，我國電力公司為貫徹落實生態發展理念，實現能源結構優化，電廠以分布式結構以及集中式混合發電為主要模式，但該結構存在成本較好、控制力薄弱等問題，虛擬電廠市場參與可有效改善此問題，提高該結構的控制力，其在運行過程中更加安全、可靠。

1 虛擬電廠概述

1.1 虛擬電廠內涵

由于虛擬電廠起步較晚，對虛擬電廠的研究尚在進行階段，國內外尚未統一對其的定義。雖然國外有部分學者根據虛擬電廠的性質、特點對其定義進行明確，認為其是以服務為核心的聚合裝置，具備資源整合功能，可試產與配電系統的交互合作；也有學者認為其是與家庭聯合的裝置集群，在兩者相協調的基礎上可實現調峰作用，具有一定的靈活屬性。本文所探討的虛擬電廠是一種基于數字技術、通信技術實現能源儲存、控制的聚合裝置，在電力系統運行過程中實現電源協同管理，是具有綜合性能的管理系統。虛擬電廠基于控制技術、計量技術以及通信技術的應用，輔助電網管理，其核心功能在于通信、聚合[1]。

1.2 虛擬電廠組成部分及關鍵技術

我國于2018年開始虛擬電網的項目建設，輔助電力企業進行輸電網及配電網的綜合管理，其作為一種信息系統，以分布式電源的形式進行信息通信、電力控制，輔助進行電力輸送，按照其功能以及結構進行分析，虛擬電廠的組成部分可分為分布式電源、能源儲存系統及通信網絡：分布式電源是指供給電力能源的裝置，包括風電、水電站、燃氣輪機等；能源儲存虛擬電廠的主要功能之一，基于能源儲存系統實現對電能、空氣能、磁能、電容器的儲能；信息通信技術是指虛擬電廠在能源管理過程中所采用的技術，基于系統的信息通信功能實現對控制數據的采集與分析，完成配電的最終目標。

虛擬電廠主要基于三種技術實現對能源的綜合管理，在與主網連接的基礎上輔助配電管理，應用協調控制技術；基于對數據信息的采集以及計算是使用智能計量技術；對控制目標進行信號傳輸以及指令傳達應用信息通信技術[2]。

1.3 虛擬電廠交互模式概述

考慮到虛擬電廠的市場參與，應用均衡理論對其參與模式進行判斷，基于通信技術與儲能技術實現主網與虛擬電廠間的通信交互，最終實現收斂的目標。基于均衡理論對其交互模式進行分析，需保障兩者間的協調性，在此需要考慮兩個問題。

首先，虛擬電廠操作及管理人員需進行安全約束，實現經濟調度。在此過程中需計算每個節點需耗費的電力能源及電價。設計虛擬電廠主網節點，將其作為外設條件進行電價分析，對整體內部系統進行協調優化；其次，虛擬電廠交互運行過程中將采集的節點電價信息傳輸至虛擬電廠系統中。若電力系統電源結構為分布式，則受其傳輸功率影響無法滿足主網的交互需求。考慮單個分布式電源的影響效果，主網若對每個分布式電源進行信息交互，實現對其的控制優化會大大提高成本、降低運行效益。因此，利用虛擬電網對分布式電源進行優化、儲能，實現對電源的綜合管理[3]。

思考上述兩個問題，基于市場均衡理論對虛擬電廠進行交互模式構建，虛擬電廠可與主網進行交互，實現對分布式電源的柔性管理并與主網間進行信息交互。在此過程中，虛擬電廠系統在進行信息、結果優化后，會將最終的信息傳輸至主網系統內，主網在收到信息后會根據優化結果進行電價控制。由于此模式中電價作為主網的外設條件，其在交互期間同時可實現虛擬電廠出力調節。因此，基于均衡理論實現主網節點電價與虛擬電廠間的交互模式構建，對其上層以及下層進行模型構建，反復進行兩者間的交互，即實現主網節點電價分析及虛擬電廠出力，直至優化完成。

2 虛擬電廠模型構建

2.1 虛擬電廠模型

虛擬電廠需具備能源儲存、柔性負荷等功能，實現對分布式能源的科學控制，實現運行成本最優化。由于光伏電能和負荷具有不確定性，受運行條件所影響，模型構建需考慮上述兩個問題。具體模型構建目標函數需包括以下點內容：虛擬電廠運行成本最優化，其中包括系統運行成本及燃氣輪機設備運行成本，計算柔性負荷指標及收益；燃氣輪機的發電功率指標，并對其進行約束設計；計算虛擬電廠能源儲存指標及放電功率，并對其進行約束設計；考慮到能源儲存與放電功率之間的關系，對其進行約束；實現電能與能源儲存之間的均衡性，對其進行計算；儲存能源參數設計，并對其約束值進行計算；虛擬電廠柔性負荷指標計算，對其電量進行約束設計；計算在全天運行模式下柔性負荷用電量參數，對其下限進行明確；分布式結構下光伏裝置的出力結算，并對其進行約束設計；實現虛擬電廠運行過程中的總功率平衡。

由于分布式電源結構的市場交易規模較小，系統在運行期間可很好地對其進行消納。考慮到虛擬電廠的網絡約束問題及虛擬電廠與主網間的交互問題，判斷其是否可進行均衡的市場交易。本模型設計將潮流約束作為重點內容，采用線性化的結構設計，可滿足大規模的虛擬電廠市場參與，將潮流約束與虛擬電廠模型有效地融合[4]。

2.2 主網模型

主網需具備發電、約束等功能，考慮到主網配電系統成本最優化，構建主網模型、實現兩者間的均衡交互，設計市場交易單元。主網模型構建既要保障其發電系統的穩定性，也要滿足虛擬電廠的約束目標，模型構建主要包括：實現主網運行成本最優設計，發電機的發電成本最小；對發電機的發電功率參數進行明確，對其功率指標進行約束計算；主網系統的可再生能源利用效率，計算器發電功率，并對其進行約束計算；主網交互線路的約束設計；確保主網運行過程中的功率平衡效益，實現對其功率參數的計算；主網系統搜集各個節點的數據信息，實現對電價指標計算。

2.3 優化求解

基于均衡理論實現兩者間的交互，滿足其市場交易功能。在滿足上述條件的基礎上進行模型構建，對其上層與下層間的關系進行優化求解，使其滿足均衡設計的目標，如此反復求解的過程，當收斂之后停止計算，迭代求解的過程如下：將主網電價指標進行初始化設計，采集不同時間段的網點電價信息，基于通信功能的實現將其傳輸至虛擬電廠系統之中；虛擬電廠在對內部儲能及柔性負荷優化計算的基礎上進行約束設計，滿足約束指標后對其出力指標進行調整，期間需確保虛擬電廠運作成本的最優化。最終結合儲能指標及負荷指標進行最終出力信息的計算；主網系統和虛擬電廠優化計算完成后判斷其是否滿足收斂條件，若滿足條件則可計算出最優解，若不滿足條件則需進行調節；主網和虛擬電廠進行調節，主網在與虛擬電廠交互的情況下獲取相應的出力信息，在進行潮流約束的情況下進行成本最優設計。對主網系統中的發電機及能源進行調整，通過出力指標計算對電價信息進行明確；虛擬電廠繼續進行出力計算，如此反復直至收斂。

在迭代交互計算過程中，對虛擬電廠的出力信息及主網系統的電價信息進行優化，最終達到收斂的效果。此方法基于均衡理論對虛擬電廠進行設計，既滿足了其可交易的市場效果，也可實現成本的最優設計。主網在運行期間不需對虛擬電廠各個節點的信息進行采集即可獲取最終的節點電價信息。主網與虛擬電廠間的信息交互停留在電價信息及出力信息上，最終可實現對資源的優化整合，信息傳輸效率較快，控制效益較高。

2.4 收斂結果

基于上述模型內容實現主網與虛擬電廠間的交互，由于使用雙層模型對其進行構建，具有非線性屬性，可能會導致其存在多個解的情況，使其計算結果出現震蕩。虛擬電廠在運行過程中與主網進行交互，如期間出現發電機故障、發電機停機等問題，則可能會對最終的電價結果信息準確性造成影響，電力企業在市場交易的過程中可能會減少售電量以保障自身的收益。若虛擬電廠的購電量有所降低、主網在穩定運行的基礎上，可能會導致計算的電價信息有所提升，虛擬電廠會更加傾向于向主網進行購電以獲取更多的收益。因此，基于均衡理論考慮兩者間的市場交易，需制定相應的交易準則，在振蕩的范圍計算成本的最優解，實現社會服務最優化。

具體過程如下所示：記錄在虛擬電廠模型迭代求解計算過程中出現振蕩的情況及概率；計算主網運行與虛擬電廠運行過程中耗費的總成本參數，包括兩者間的收益；在振蕩范圍內計算兩者交互運行的成本參數，制定電價方案。基于收斂結果實現對虛擬電廠應用的最優化，減少由于振蕩情況對主網方與虛擬電廠運營商交互所產生的額外成本問題。在模型構建過程中考慮上述問題，計算振蕩發生過程中虛擬電廠與主網的運行成本及收益，合理的制定節點電價，保障了主網與虛擬電廠的收益，實現社會服務的最優設計。

3 虛擬電廠算例分析

3.1 算例概述

基于上述模型中的主網與虛擬電網間的信息交互，實現對主網系統及虛擬電廠系統的構建。主網參數計算以廣東省夏日全天系統負荷計算為主，進行各個節點的功率計算及效率計算，對儲能效率及燃氣輪機的功率參數進行分析。虛擬電廠的最大放電功率為18MW，運行效率指標為95%，每小時的充電容量參數為180MW。主網燃氣輪機的在兩個場景中運行，場景1最大功率參數為15MW，每小時運行成本為40元；場景2最大功率參數為20MW，每小時運行成本為40元，應用市場均衡理論對兩個運行場景進行算例分析。

為確保虛擬電廠與主網間的交互性，考慮到均衡理論的實踐應用設計兩個場景：場景1。虛擬電廠向主網系統傳輸出力信息參數，主網向虛擬電廠傳遞電價信息參數。反復進行信息交換、數據優化，最終達到收斂的效果。該場景主要基于兩者之間的迭代交互進行；場景2。虛擬電廠根據運行期間峰谷電價參數進行優化調整，虛擬電廠在承擔電價風相關的同時，主網進行電價信息優化。虛擬電廠根據主網傳輸的電價參數進行調整優化，最終輸出出力信息。

3.2 算例結果

基于上述兩個場景實現虛擬電廠與主網系統間的交互。對最終的結果進行分析，選擇最優策略。基于模型在場景1中的使用，虛擬電廠以分布式主網系統進行設計，光伏發電最終成本計算為0，虛擬電廠在主網傳輸的電價信息為最低值時進行儲能，在電價達到最高值時輔助放電，可實現虛擬電廠利益的最大化。

計算虛擬電廠與主網間的運行成本，主網成本價格在365214元左右，虛擬電廠的收益在125311元左右。計算虛擬電廠與主網系統運行總成本，虛擬電廠在電價最低時儲能、在電價最高時放電，可有效保障自身的利益。對比兩個場景成本以及效益，場景2中的主網成本在369851元左右，虛擬電廠的收益在89657元左右。對比兩個場景，應用市場均衡理論對其進行分析，虛擬電廠的收益有所增加、成本有所降低。

3.3 收斂結果分析

在應用模型期間，虛擬電廠與主網間的交互可能存在振蕩問題，導致虛擬電廠的參數發生改變。將虛擬電廠儲能作為唯一變量，對虛擬電廠的出力參數進行分析。當出現振蕩情況時，虛擬電廠在確保成本最低時，以社會服務、社會福利為原則進行應用。

綜上，虛擬電廠的市場參與重點內容在于保障其與主網間的協調性。基于市場均衡理論構建虛擬電廠模型，使用迭代交互的方式對其進行優化。最終結果表明，基于上述方法可實現主網與虛擬電廠間的優化交互，主網在不獲取信息的情況下實現交互，收斂速度有所提升，該模式既減少了電廠運行的成本投入，也有效提高了市場的經濟效益，具有雙重優勢。