考虑需求响应的虚拟电厂双层优化调度

考虑需求响应的虚拟电厂双层优化调度

齐展

大唐河北发电有限公司马头热电分公司

河北省邯郸市   056000

摘要：由于人们的生活水平越来越高，对电能的需求也越来越大，为了解决矿物能源短缺问题，可再生能源已经成为人们普遍关心的问题。此外，中国大部分地区的用电高峰时段较短，高峰时段较高，在短期“尖峰”时段增设发电设备，将会增加电网运行费用，造成不必要的经济损失。通过对电力市场供需双方的关系，可以有效地缓解电力市场的尖峰用电，从而达到削峰的目的。但由于电力系统中大多数用户的负载分布比较分散，很难将其作为电力系统的需求端直接投入到电网中，同时由于其输出功率波动大，因此将其纳入电网将会对电力系统的稳定性产生不利的影响。虚拟发电厂（VPP）技术是利用先进的通讯及控制技术对电网进行集中管理，并利用最优的算法使其成为一个整体，以降低电网的峰谷差，从而促进可再生能源的消纳，降低矿物燃料的消耗，改善环境品质。

关键词：虚拟电厂；双层优化；需求响应

1.虚拟电厂概述

建立虚拟电厂是实现可再生能源消纳、实现高比例清洁能源发展的关键途径。虚拟电力公司（VPP）是一种以市场为基础，通过市场推动企业间的交流与协作，为企业提供有效的电力服务。在此基础上，根据不同的实际情况和学者对虚拟电厂的认识，提出了不同的概念和定义。虚拟发电厂是分布式发电、可控负荷和分布式存储装置的有机结合，通过调控、通信技术对各种 DER进行整合，通过先进的控制技术，将分布式能源、可控负荷、分布式存储装置结合起来，从而达到对电力系统的有效利用，提高电力的可靠性，降低对电网的影响。

VPP可以将需求方的资源聚集起来，减少高峰时段的用电，从而形成一个虚拟的电力输出，并和可再生能源的发电系统共同参与到电网的削峰填谷中，从而增加 VPP的效益。目前，国内外的许多学者都在对 VPP的需求端进行了一些探讨。本文[1]提出一种基于需求响应的风力发电并网系统，该系统采用激励式需求响应 VPP模式，提高了系统的调度灵活性，从而提高了风力发电的效率；本文通过对风机、光伏和电动汽车的综合分析，证明了基于成本的需求反应可以缓解电力消耗曲线，而电动汽车和激励需求反应则可以提高运行收入。随着可再生能源的大量分布式接入，电力系统的容量和波动率将会给电网的稳定运行带来很大的挑战。[3]通过建立联合调度运行中心，将风机、储能设备和发电机组等组成一个联合发电系统，实现对电网的综合调度和协调，从而提高了电网的综合竞争力；本文[4]在综合考虑电动车的充电特点的基础上，将其看作一种可伸缩的能量储存设备，建立了包含电力车辆与风光发电机的混合动力系统，可有效地降低其对电网的影响，而不考虑需求端的资源分配；[5]采用碳捕获装置调节功率较高的特点，将碳捕获装置和风力发电装置结合在一起，降低了风力发电的波动。综合来看，新能源机组的组合可以有效地抑制新能源的出力波动，提高其使用效率。

目前，国内外学者对可再生能源消纳的研究仅限于通过需求方的支持，而很少涉及到需求方与发电方的利益。但是，仅仅依靠发电和需求两个方面的调度已经不能很好地适应电网的稳定运行，所以本文在上述研究基础上建立需求侧与发电侧相结合的双层优化模型。

1)在上层和底层技术层之间建立两种调度模式，对用户负载进行有效的管理，以最大的用户收益为目标，而底层模式则以最小的功率消耗为目标，实现了对电力需求和电力生产两方面的综合效益。

2)对所管辖的用户负载有自主定价的权利，根据分时电价的确定，对各种类型进行优化，并根据定价和激励需求的调度机制，建立不同的调度策略。

3)对包括多种类型的风光燃料-燃料-储存联合发电系统进行管理，并引进了一种弃风和弃光的处罚措施，以提高风力和太阳能的利用率。

2.VPP 模型的构建

图1显示了 VPP的模型结构。VPP通过双端通信连接到 VPP控制中心，建立了电力系统的能量消耗关系，通过通信、因特网、数据处理、智能决策等技术，通过集成优化控制，参与当日和当日的实时电力市场和系统调度，使得 VPP的综合效益最大化，同时减少可再生能源的出力随机性对系统安全稳定性能的影响，从而保证系统的高效、稳定、安全运行。

图 1 VPP 模型结构图

3.VPP的管理模式构建

CVPP的主要功能是对电网的负荷进行管理，实现与电力市场的交易均衡。对于内部订户， CVPP将通过建立分时电价来降低客户的负荷峰值和峰值。在电力市场上，由于电力市场的激烈竞争，价格高会造成用户的大量流失，所以， CVPP需要综合考虑各时段的运行成本、用户需求等多种因素，才能使用户的价格得到合理的调整。

为了减少电网运行费用，提高新能源的并网风险，本文假定 CVPP的50%负荷是在几天内通过电力供应商的合约采购，而另外50%的负荷则是通过 TVPP来承担。在 DG的发电费用高或者剩余负载超过 DG的情况下， CVPP会在实时的市场上采购电力，并对 DL进行调度。在剩余负载低于 DG出力的情况下，利用 CVPP在实时市场上销售 VPP的剩余电量。

公司主要负责监督公司内部的生产状况，并制订生产计划。在进行优化前，每个 DG将自己的输出数据上报给 TVPP控制中心，由控制中心进行调度。如果企业经营中出现了危险，或者无法达到产能计划，则会及时进行相应的调整。

4.VPP优化调度模型

本文以 VPP的最大收益为基础，构建了一个基于风电、光伏、燃气轮机、储能设备、需求侧响应和负载的虚拟电力系统。电力市场包括日前电价和当日实时电价， VPP根据当日电价、风电、光伏出力预测、负载侧响应策略、储能及燃气轮机出力特点，对 VPP进行了最大的经济效益。在即时交易中，由于风电、光伏发电具有内在的随机性和波动性，使其实际出力与预期不符，使 VPP的实际出力偏离了前几天的计划，因此将会受到实时均衡市场的处罚，从而使 VPP的盈利和最大的风险最大。因此， VPP日内运行控制主要针对充放电策略、燃气轮机出力、需求端响应等进行了优化，并根据燃气轮机良好的爬坡性能和充放电弹性特性，对实际出力进行补偿，从而实现 VPP在日内实时运行的收益最大和与日前计划出力偏差最小。

4.1 VPP的最优控制目标函数

本文提出了基于两种模型的最优日间最优调度模型，并将两种模型进行了综合，得到了 VPP的目标函数：

4.2求解方法

4.1节所建立的电力系统的最优调度问题是一种混合整数规划问题，采用 CPLEX商业计算器和 YAMLIP算法进行求解，并根据所建的虚拟电厂的目标函数和约束条件，通过 MATLAB 2016 a对该模型进行了优化。解决方法是这样的：

(1)定义一个常量，一个变量；

(2)设定目标函数、限制条件；

(3)所述参数结构；

5.结论

在此基础上，提出了一种基于需求响应的 VPP双层调度模型，在此基础上，利用最优的利润作为目标函数对电力系统的负载进行了优化，而在下层的 TVPP对电力系统进行了优化。

1)将分时电价和 DL计划相结合，能够改变电力使用者的用电习惯，并能有效地削峰填谷，降低实时市场中的 CVPP采购量，从而增加利润；

2)尽管分时电价能够适当降低用户的负荷峰谷差，但其效率没有与之相匹配，而且无法对用户的负荷进行直接控制，调整模式也不灵活；

3)建立了风光-燃-储气一体化 TVPP电力系统的出力模型，并在电价较低时段停发、电价高时段全发，以最大限度地利用新能源，降低 VPP的购电成本。本文将为 VPP的经营和经营管理模式的建立和发展起到借鉴作用，但未考虑到实时电价的不确定性，未来将会进一步探索更加切合实际的 VPP模式。

参考文献：

[1]刘春蕾,庞鹏飞,石纹赫,沈嘉昆,孙毅,鲍荟谕.计及碳中和效益及清洁能源消纳的虚拟电厂双层协同优化调度[J].供用电,2021,38(09):19-27.

[2]王开科,南东亮,李勇,张路,李笑竹.虚拟电厂参与大规模新能源系统的储能侧双层优化运行策略[J].电气工程学报,2020,15(02):24-33.

[3]赵丰明,樊艳芳.分时电价影响下的多能源虚拟电厂双层优化调度[J].电力系统保护与控制,2019,47(20):33-40.

[4]张高. 含多种分布式能源的虚拟电厂竞价策略与协调调度研究[D].上海交通大学,2019.

[5]张涛,王成,王凌云,张东方,章佳莹.考虑虚拟电厂参与的售电公司双层优化调度模型[J].电网技术,2019,43(03):952-961.