考慮負荷聚合商的源荷雙側合作協同運行策略

蔡浩陽，王維慶，范添圓，朱姝林

(新疆大學可再生能源發電與并網控制教育部工程研究中心，烏魯木齊 830047)

近年來，隨著可再生能源裝機規模不斷增加，電氣負荷的種類日趨多元化，其發電間歇性與用戶行為復雜性給電力系統的供需平衡能力帶來了巨大的挑戰[1]。傳統依靠發電側出力維持供需平衡的能力有限，且成本較高[2]。因此，如何通過需求側與發電側協同調度實現電力系統經濟性與環保性成為現有研究的重點內容之一。

通常需求側用戶可分為商業用戶、工業用戶和居民用戶。前兩者對供電可靠性要求較高，屬于不可控負荷，而后者用電量占社會總用電量的36.6%，且負荷種類多樣，存在主動負荷參與調度的可行性[3]。負荷聚合商(load aggregator，LA)作為發達國家整合用戶需求側資源的專業機構，近些年在中國一些省份開始出現。目前關于LA的研究多集中在控制某類負荷的啟停以達到削峰填谷或優化負荷曲線的目的。文獻[4-5]為了降低電動汽車集中充電對電力平衡的沖擊，通過LA與用戶簽訂雙邊合約，對EV進行有序充/放電，為解決可再生能源消納問題提供了方案。文獻[6]為了解決因空調造成的負荷尖峰現象，通過LA制定激勵機制來鼓勵用戶空調負荷參與需求響應(demand response，DR)，證明了通過LA的合理調度能夠緩解負荷波動。以上文獻大多是以一種負荷作為LA調控對象，然而用戶需求側存在多種類型的負荷，僅調用一種負荷會造成需求側資源的閑置。

目前，已有學者對需求側或發電側的優化調度開展了相關研究。文獻[7]考慮了需求側激勵型多能源響應，以系統運行成本最低為目標，建立了LA-用戶的DR模型，并通過算例證明模型在降低虛擬電廠調度成本和聚合商補償成本方面的有效性。文獻[8]通過挖掘需求側柔性負荷的可調度潛力，減少了系統運行成本，降低了負荷峰谷差。文獻[9]提出了風光儲結合的優化策略，引入基于電力彈簧的虛擬儲能，經驗證能夠提高系統運行的經濟性。文獻[10]考慮了碳捕集電廠與風電協調配合的調度策略，構建了以DR與碳捕集電廠靈活運行方式的低碳經濟調度模型，并通過仿真驗證所提模型的正確性。然而，上述文獻大多僅從發電側或需求側進行優化，對用戶側資源管理以及考慮源荷兩側的協調配合的研究較少，因此需要對源荷雙側協同優化運行做進一步的研究。

綜上，針對現有研究的不足，首先建立需求側不可控負荷、可平移負荷和可削減負荷模型。其次，在系統分時電價的作用下，用戶側可平移負荷在負荷峰谷時段根據自身用電狀況將用電方式做出一定的調整。之后，LA以負荷削減合同的方式調用用戶側可削減負荷參與需求側優化。在源荷雙側協同優化問題上，將發電調度商與LA以參與者平等地位建立合作博弈模型，以源荷合作聯盟成本最低為目標優化源荷兩側的機組出力及負荷曲線，并以Shaple值分配法作為聯盟成本分配策略。最后，通過算例對比LA參與源荷合作前后系統各成本的變化情況，驗證所提策略在提高可再生能源消納量以及電力系統經濟運行方面的可行性。

1 源荷合作架構及負荷分類

1.1 LA參與的源荷合作運行基本框架

用戶側負荷參與DR可以分為價格型和激勵型兩種模式，前者通過制定最優電價間接地引導用戶用電行為，其響應效果取決于用戶的意愿，具有不確定性和調度潛力有限等局限；后者常用于LA或配電中心和終端用戶簽訂用電協議，獲取調度權力。源荷合作運行系統框架如圖1所示，發電調度商代表源側，源側考慮傳統的火電和風電；LA代表荷側，其聚合的需求側資源包括分布式光伏、電儲能、電負荷。日前，發電調度商對次日負荷峰谷時段進行預測，制定分時電價，LA調用轄區內用戶的可平移負荷錯峰用電。日內，LA與轄區內自愿參與LA管理的用戶簽訂負荷削減合同，合同規定LA會考慮用戶用能訴求的情況下對用戶可削減負荷進行調度，之后LA根據發電調度商通知的削減量，調用負荷削減合同。

圖1 源荷合作運行系統框架

1.2 需求側電負荷分類

LA結合用戶的用電需求、不同電負荷的物理特性以及工作時段和時長，將用戶的電負荷劃分為如下三類[11]。

(1)不可控負荷。這類負荷多為一、二級負荷，對供電可靠性要求高，無法參與LA調用。

(2)可轉移負荷。這類負荷工作時間固定，工作時段可調，可對電價變動做出一定的響應如錯峰用電等，但響應能力較弱，這類負荷典型的有洗衣機，洗碗機等。

(3)可削減負荷。這類負荷用電靈活，在給予補償的情況下具有較大的調峰潛力，如空調、熱水器等。

2 基于合作博弈的源荷合作協同運行模型

2.1 博弈基本要素

(1)參與者。源側與計及LA的荷側。

(2)策略。源側為火電機組的機組組合處理情況與風電上網情況；荷側為LA提供的可轉移負荷量、可削減負荷量和用戶側光伏的上網情況。

(3)支付。為源荷雙側合作協同運行問題，將源荷雙側的支付均定義為其運行成本。其中源側包括火電機組燃料成本、啟停成本以及棄風懲罰成本；荷側包括LA代理用戶的購電成本、棄光懲罰成本、對可平移負荷調用的補償成本以及對可削減負荷調用的補償成本，具體參與者的支付函數如下。

2.2 荷側支付函數

f1=Cp+CV+Ctr+Ccu

(1)

式(1)中：f1為荷側支付函數；Cp、CV、Ctr、Ccu分別為LA向發電調度商的購電成本、棄光懲罰成本、調用用戶可平移負荷的補償成本和調用用戶可削減負荷的補償成本。

2.2.1 LA購電成本

LA為所轄區域內用戶利益代表方，根據用戶實際情況，需要按照分時電價進行電費支付，購電成本可表示為

(2)

式(2)中：ω(t)為t時刻的電價；Pd(t)為原始電負荷；Pbat(t)為t時刻電儲能的輸出功率；Ptru(t)為t時刻可平移負荷增加的負荷量；Ptrd(t)為t時刻可平移負荷減少的負荷量；Pcu(t)為LA在t時刻被調用的負荷削減量；Pv(t)為t時刻LA所轄區域的光伏出力。

2.2.2 棄光懲罰成本

為促進節能減排及可再生能源優先上網，考慮可再生能源的棄電懲罰，其表達式為

(3)

2.2.3 可平移負荷補償成本

參考文獻[12]采用用戶實際負荷偏離原始負荷的程度來衡量用戶的用電滿意度，得到調用可平移負荷的成本為

(4)

式(4)中：θ為電負荷偏離懲罰系數；Pd1為調用可平移負荷后的負荷。

2.2.4 可削減負荷補償成本

可削減負荷用電時間和用電靈活性都較高，本文采用LA與用戶簽訂負荷削減合同的方式對可削減負荷進行調用，合同內容主要涉及：對負荷的削減量、補償價格、用戶對負荷的使用需求，調用削減負荷成本為

(5)

2.3 源側支付函數

f2=CG+CO,F+CW

(6)

式(6)中：f2為源側支付函數；CG、CO,F、CW分別為火電機組燃料成本、火電機組啟停成本、棄風懲罰成本。

(1)火電機組燃料成本。

(7)

(2)火電機組啟停成本。

(8)

(3)棄風懲罰成本。

棄風懲罰成本表達式與棄光成本表達式[式(3)]類似。

2.4 系統內部約束條件

(1)功率平衡約束。

Pd(t)+Ptru(t)-Ptrd(t)+Pbat(t)

(9)

Pd1(t)=Pd(t)+Ptru(t)-Ptrd(t)

(10)

(2)可再生能源出力約束。

(11)

(3)電儲能約束。

(12)

(13)

(4)可平移負荷約束。可平移負荷其周期內總用電量不變，電能使用時間可以改變。

(14)

(5)可削減負荷約束。用戶與LA簽訂若干削減合同，單日負荷削減量不能超過合同提供的削減量，每小時削減量也不應超過一定的比例，單個合同的削減時間不能超過合同規定最大削減時間。

(15)

(6)火電機組出力約束。

(16)

(7)火電機組爬坡約束。

(17)

(8)火電機組啟停時間約束。

(18)

(9)旋轉備用約束。

(19)

3 合作博弈收益分配模型

合作博弈是指參與者通過強有力協議的方式形成合作聯盟，在可靠協議的約束下，參與者完全有可能通過合作實現整體最優。在合作博弈模型下，參與者通過聯盟獲得額外收益，而且聯盟的整體利益要大于每個成員單獨行動時的收益之和，聯盟每個成員分配的收益要大于其單獨行動的收益。本文構建的考慮LA的源荷雙側合作協同運行策略，以合作聯盟成本最低為目標，并以Shapley值分配法作為合作聯盟的成本分配策略，通過LA調用用戶側可平移和可削減負荷參與系統運行，從而實現合作聯盟的整體成本降低和源荷兩側的成本降低，達到整體理性(聯盟總成本低于不合作時的成本)和個體理性(個體在聯盟的成本低于不合作時的成本)。

合作聯盟形成后，為保證聯盟的長期穩定，公平的分配方案就顯得至關重要。Shapley值分配法以各個參與者對聯盟總目標做出的貢獻來進行收益的分配，既杜絕了分配的過度平均化，又能根據參與者對聯盟影響進行不同程度的分配，不僅體現了合理性又能滿足公平分配的原則，Shapley值分配法表達式為

(20)

式(20)中：xi為聯盟中第i個成員的收益；s為總聯盟n在排除參與者{i}后的任意子聯盟；v為合作聯盟的特征函數；v(s)為聯盟s中所有成員通過合作產生的收益；v(s{i})為聯盟s中排除成員i后其余成員形成合作聯盟的收益；|s|為聯盟s所包含的成員個數；(n-|s|)!為剩余成員的排列；[v(s)-v(s{i})]為成員i參與不同聯盟為自身參與聯盟創造的邊際貢獻。

4 算例分析及對比驗證

4.1 算例說明

以某區域電網作為算例驗證，系統拓撲結構如圖2所示，6臺火電機組在節點1并網，總裝機容量為500 MW的風電場在節點3并網，LA代理用戶側總容量為300 MW的分布式光伏在節點10并網。負荷預測曲線、風電和光伏預測出力如圖3所示?；痣姍C組參數如表1所示。系統各基本參數如表2所示。電價參數如表3所示。風電和光伏發電成本忽略不計，調度時間間隔1 h，調度周期T=24 h；風、光棄電懲罰成本參考文獻[13]取500元/(MW·h)。本文算例調用CPLEX進行優化求解。

1～11為節點

圖3 風電、光伏及負荷預測曲線

表1 火電機組參數

表2 系統基本參數

表3 電價參數

4.2 優化結果對比分析

4.2.1 源荷合作調度分析

為驗證本文模型的合理性與可行性，設置以下場景進行對比仿真。

場景1不考慮LA參與的調度。此情景下LA不參與系統調度，發電測以自身發電成本最低為目標，需求側用戶以自身用電滿意度最大為目標，LA對用戶的可平移負荷和可削減負荷不進行調用。

場景2考慮LA參與的源荷合作協同優化調度。此情景下發電調度商與LA形成合作聯盟，以聯盟成本最低為目標，發電調度商根據日前的負荷預測制定分時電價，LA調用用戶10%的可平移負荷進行錯峰用電。在日內，LA通過與用戶簽訂負荷削減合同的方式調用用戶的可削減負荷，負荷削減合同如表4所示。

表4 負荷削減合同

由圖4、圖5可以看出，在場景一中，當LA不參與系統調度時，源側為了應對負荷峰谷波動火電機組會有不同的啟停，造成高額的啟停費用，損失了系統的經濟性；同時，因2:00—7:00這段時間負荷較低而風電出力較大使得可再生能源棄電嚴重。對比兩個圖可以看出，LA代表的荷側與發電調度商代表的源側形成合作聯盟以后，LA通過調用用戶可平移負荷和可削減負荷改善了負荷曲線，降低了火電機組的頻繁啟停，這部分成本的降低使得系統發電經濟性提高，而且優化了負荷曲線，同時在棄風、棄光懲罰下，使得可再生能源的棄電明顯降低，但由于風電存在反調峰特性，少量的棄風無法避免。

圖4 場景1機組出力

圖5 場景2機組出力

由表5可知，在LA參與源荷組成合作聯盟的場景下，火電機組啟停成本降為0，風、光棄電成本也降低為0。這是由于對于用戶可平移負荷的調用，雖然總的用電量沒有變，但將原來負荷峰時段轉移到了谷時，改善了負荷曲線，使得負荷谷時段風電、光伏上網發電量增加，棄電成本大幅降低，提高了系統的環保性；同時對用戶可削減負荷的調用使得負荷的峰值降低，火電機組的燃料成本降低了14.45 萬元。雖然在源荷合作場景下，調用用戶可平移和可削減負荷給與了用戶10.97萬元的補償費用，但總成本減少142萬元，很大程度提高了系統的經濟性。

表5 不同場景下源荷成本對比

4.2.2 不同比例可平移負荷調度結果分析

考慮可平移負荷調度比例和可削減負荷對系統調度的影響，分析可轉移負荷比例為5%、10%和15%的調度結果。由表6可知，隨著LA對可平移負荷調用比例的升高，系統總成本將會降低，可再生能源棄電成本大幅降低，當可平移負荷調用比例超過15%，可再生能源消納量達到最大，系統總的成本將下降緩慢。

由表7可知，當系統調用10%可平移負荷的同時調用可削減負荷，此時可再生能源消納水平與表6中調用15%的可平移負荷水平相當，且系統總成本相對更低，由于對于負荷削減合同的調用降低了負荷的峰值使得此時的火電發電成本降低幅度更大，雖然補償成本也增加，但總成本得到降低，而當可平移負荷比例增加到15%時，由于此時火電機組不再啟停，可再生能源實現完全消納，系統的總成本的下降并不明顯。

表6 不同比例可平移負荷的影響

表7 不同比例可平移負荷和可削減負荷的影響

綜上可知，當可平移負荷調用比例為10%且調用可削減負荷時，系統風、光得到完全消納，且火電發電成本也降至最低，系統總成本也降至較低水平，倘若此時再增加可平移負荷調用比例，系統的總成本下降并不明顯，且影響了用戶的用電舒適度。由此證明，可平移負荷比例為10%且調用可削減負荷的源荷合作協同運行策略為系統最優，此時系統的經濟性與環保性均有提升。

4.2.3 負荷削減合同調用情況分析

負荷削減合同調用與負荷曲線變化如圖6所示，可以看出，合同的調用主要發生在負荷峰時段11:00—12:00、20:00—22:00，且在調用可平移負荷的基礎上，通過負荷削減合同的實施，改善了負荷曲線，降低了負荷的峰值。由此證明，本文所提策略能夠改善負荷曲線，降低負荷峰谷差，使負荷曲線更加平滑，減少了火電機組的發電成本。

圖6 負荷削減合同調用及負荷曲線變化情況

4.3 合作聯盟成本分配

場景1中，發電調度商和LA獨立運行，此時發電調度商的成本為v{1}=320.13萬元，LA的成本為v{2}=1 331.16 萬元。場景2中，發電調度商與LA組成合作聯盟的總成本v{1,2}=1 509.29萬元。

通過Shapley值分配法計算源荷兩側在合作聯盟中所分攤的運行成本如表8所示。由表8可知，源荷組成合作聯盟的場景下，發電調度商與LA的成本對比單獨運行時均有所降低，分別降低了22.18%和5.33%，總成本也降低了8.60%，由此證明了合作聯盟的整體理性和個體理性，滿足合作博弈存在的必要條件，證明了本文源荷合作協同運行策略的合理性。

表8 合作博弈收益分配

5 結論

提出了考慮LA的源荷雙側合作協同運行策略，構建了源荷合作運行基本框架，以源荷合作聯盟運行成本最低為目標，并以Shapley值作為源荷合作聯盟的成本分配策略，通過CPLEX進行求解，通過對結果進行分析，得到以下結論。

(1)所提策略使發電調度商和LA的成本均得以降低，源荷兩側成本分別降低22.18%和5.33%，提高了系統運行的經濟性。以負荷削減合同的方式解決了LA對用戶可削減負荷調度障礙的問題，同時LA對可削減負荷和可平移負荷的調用，使得火電發電成本降低了14.45萬元，啟停成本降低了24.72萬元，延長了機組壽命，提高了系統運行的經濟性與環保性。

(2)通過算例對比，驗證當可平移負荷的比例為10%且調節可削減負荷時，能夠使得可再生能源消納量達到最大，可再生能源棄電成本降至最低，同時對參與調度的用戶進行了補償，保證了一定的用電滿意度，對源荷兩側均有益處。