虛擬電廠負(fù)荷多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度策略

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摘要:在新能源日益被各國(guó)重視的背景下，虛擬電廠的重要性日益凸顯，在虛擬電廠的支持下能夠大規(guī)模地集合分散的分布式能源、用戶負(fù)荷，在整合多方資源的情況下提升供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，解決能源入網(wǎng)問(wèn)題。為此，本文就虛擬電廠及負(fù)荷側(cè)和發(fā)電側(cè)的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞:虛擬電廠;負(fù)荷側(cè);發(fā)電側(cè);多目標(biāo)優(yōu)化;調(diào)度策略

目前我國(guó)為了實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，需要調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，積極發(fā)展清潔能源，減少化石能源的使用。但是從當(dāng)前能源開(kāi)發(fā)利用情況來(lái)看，面臨著大規(guī)模的分布式新能源接入電網(wǎng)，其間歇性、隨機(jī)波動(dòng)性的沖擊將使電力系統(tǒng)面臨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)意義上的電力系統(tǒng)負(fù)荷優(yōu)化通過(guò)調(diào)度發(fā)電側(cè)能源來(lái)完成，但在新能源電力快速發(fā)展下，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)負(fù)荷由調(diào)度優(yōu)化已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需要，智能電網(wǎng)的快速發(fā)展為負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度創(chuàng)設(shè)了條件，需求響應(yīng)可以在價(jià)格激勵(lì)作用下引導(dǎo)用戶管理負(fù)荷，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)資源的合理利用。

1虛擬電廠

虛擬電廠的打造離不開(kāi)通信技術(shù)和軟件架構(gòu)的支持，在多個(gè)技術(shù)的綜合配合下能夠整合和優(yōu)化各類(lèi)資源的使用。虛擬電廠的本質(zhì)是一個(gè)資源和能源協(xié)調(diào)配合和分散使用的系統(tǒng)。虛擬電廠的運(yùn)作模式和發(fā)電站的模式十分類(lèi)似，電力資源的整合利用關(guān)系到虛擬電廠的運(yùn)作成效。比如制定發(fā)電時(shí)間表、限定發(fā)電上限、控制經(jīng)營(yíng)成本等，在這些功能的支持下，一個(gè)獨(dú)立的虛擬電廠能夠隨時(shí)和電力運(yùn)營(yíng)的參與者獲得聯(lián)系，通過(guò)直接和通信中心聯(lián)系為電網(wǎng)的運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。在全面整合資源信息的基礎(chǔ)上，整個(gè)虛擬電廠還會(huì)在比較大的范圍內(nèi)將這些信息整合在一起，統(tǒng)籌規(guī)劃資源的利用，從而為整個(gè)虛擬電廠的穩(wěn)定運(yùn)行提供重要支持。

2負(fù)荷側(cè)對(duì)虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度的影響

(1)基于分時(shí)電價(jià)的需求響應(yīng)對(duì)虛擬電廠調(diào)度的影響基于分時(shí)電價(jià)的需求響應(yīng)是指用戶能夠自主響應(yīng)分時(shí)電價(jià)變化，并根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整用電需求。站在經(jīng)濟(jì)適用的角度，在電價(jià)出現(xiàn)變化的情況下，負(fù)荷側(cè)電力用戶會(huì)根據(jù)自身發(fā)展需求來(lái)調(diào)整用電方式，優(yōu)化用電結(jié)構(gòu)。虛擬電廠會(huì)借助分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)電力用戶參與到負(fù)荷調(diào)節(jié)工作中，通過(guò)削峰填谷的方式來(lái)緩解高峰用電系統(tǒng)的供電壓力。負(fù)荷轉(zhuǎn)化率在實(shí)施分時(shí)電價(jià)管理之后，負(fù)荷會(huì)從高電價(jià)時(shí)間段朝著低電價(jià)時(shí)間段轉(zhuǎn)變。(2)基于負(fù)荷激勵(lì)的需求響應(yīng)對(duì)虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度產(chǎn)生的影響根據(jù)電力系統(tǒng)供需狀況相關(guān)政策要求，用戶在發(fā)生系統(tǒng)性或區(qū)域性電網(wǎng)緊急情況下降低電力需求，可獲得直接補(bǔ)償或電價(jià)折扣優(yōu)惠。傳統(tǒng)的激勵(lì)計(jì)劃包括直接負(fù)荷控制和可中斷負(fù)荷，市場(chǎng)環(huán)境下的激勵(lì)計(jì)劃包括需求側(cè)競(jìng)價(jià)、緊急需求響應(yīng)以及容量市場(chǎng)/輔助服務(wù)等。在開(kāi)展研究分析的時(shí)候選擇負(fù)荷功率較大、可以自由調(diào)節(jié)的高載能負(fù)荷作為重要的中斷負(fù)荷，在高載能負(fù)荷系統(tǒng)達(dá)到一定運(yùn)行速度的時(shí)候根據(jù)投切的實(shí)際情況來(lái)調(diào)節(jié)高能負(fù)荷，具體流程如下:1)可中斷用戶根據(jù)自身用電需求向虛擬電廠申報(bào)可中斷容量;2)虛擬電廠根據(jù)電源負(fù)荷情況制定發(fā)電調(diào)度計(jì)劃，得到可中斷容量值;3)可中斷用戶反饋，針對(duì)可中斷負(fù)荷的調(diào)度計(jì)劃是否可行，如不行則再次與虛擬電廠協(xié)商調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，最終雙方認(rèn)可，虛擬電廠確定最終可中斷負(fù)荷調(diào)度容量。

3負(fù)荷側(cè)和發(fā)電側(cè)協(xié)調(diào)運(yùn)行對(duì)虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度的影響

發(fā)電側(cè)資源包含常規(guī)意義上的電源和新能源，本電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)/技術(shù)與應(yīng)用文所研究的常規(guī)能源是水電機(jī)組和火電機(jī)組，新能源包含風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電。水電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度較快，但受季節(jié)因素的影響，火電機(jī)組的調(diào)整容量是裝機(jī)容量的三成到五成，機(jī)組運(yùn)行時(shí)可調(diào)節(jié)范圍較小，且調(diào)節(jié)速度緩慢。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電具有不穩(wěn)定、預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度不高的特點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電超過(guò)一定范圍時(shí)，僅僅依靠電源無(wú)法滿足風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的負(fù)荷需求。在此期間考慮到用戶需求響應(yīng)的作用機(jī)理，通過(guò)分時(shí)電價(jià)、可中斷負(fù)荷激勵(lì)措施能夠引導(dǎo)用戶因地制宜地調(diào)節(jié)和改善用電結(jié)構(gòu)，通過(guò)完成負(fù)荷移峰填谷來(lái)增加新能源消納的能力。傳統(tǒng)意義上的負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度是通過(guò)協(xié)調(diào)常規(guī)意義上的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然而常規(guī)電源的發(fā)電成本比較高，在發(fā)電的過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)污染。負(fù)荷側(cè)和發(fā)電側(cè)協(xié)調(diào)運(yùn)行后會(huì)改變負(fù)荷的運(yùn)行曲線，之后會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行成本消耗產(chǎn)生深刻的影響。在負(fù)荷曲線被改變之后，新能源的消納量會(huì)增加，常規(guī)意義上的電源發(fā)電量降低，相應(yīng)地，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本也會(huì)被降低。

4虛擬電廠負(fù)荷多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度策略模型

本文根據(jù)負(fù)荷側(cè)和發(fā)電側(cè)協(xié)調(diào)運(yùn)行虛擬電廠多目標(biāo)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度的特點(diǎn)打造出發(fā)電成本、新能源、環(huán)境成本，考慮環(huán)境成本后電量成本目標(biāo)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度模型，將分目標(biāo)乘除法理論應(yīng)用到虛擬電廠多目標(biāo)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度，減少人為主觀因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，提升優(yōu)化方案的科學(xué)性。

4.1策略模型

(1)可中斷負(fù)荷模型負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)一端可以向下劃分為激勵(lì)需求響應(yīng)和價(jià)格需求響應(yīng)，激勵(lì)需求響應(yīng)會(huì)通過(guò)中斷的方式來(lái)調(diào)整負(fù)荷的使用。另外，通過(guò)系統(tǒng)負(fù)荷操作能夠調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的資源應(yīng)用，根據(jù)用戶的需要來(lái)為其提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。虛擬電廠控制中心還會(huì)向用戶發(fā)布負(fù)荷削減指令，用戶根據(jù)自己的情況從中獲得補(bǔ)償。Ctpv=KPVPtpv式中，Ctpv是t時(shí)刻PV發(fā)電成本;KPV是PV運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)。為了能夠充分利用可再生資源，假設(shè)PV工作在最大功率跟蹤模式下。Ptpv是t時(shí)刻PV運(yùn)行時(shí)的可中斷負(fù)荷成本系數(shù)。(2)虛擬電廠優(yōu)化模型虛擬電廠VPP控制中心會(huì)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)節(jié)電力資源，根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)需求來(lái)合理調(diào)控電力系統(tǒng)的負(fù)荷資源，對(duì)每一個(gè)分布狀態(tài)的資源和能源利用情況進(jìn)行調(diào)控。在經(jīng)過(guò)一系列的設(shè)備轉(zhuǎn)化和交互之后，電力公司可以通過(guò)熱補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)激勵(lì)發(fā)電，目標(biāo)函數(shù)如下:式中，t是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)段總數(shù);λtp是t時(shí)刻配電網(wǎng)購(gòu)電價(jià);up是VPP售電標(biāo)識(shí)符;ptl是負(fù)荷需求預(yù)測(cè)數(shù)值;nIL是參與需求響應(yīng)的用戶總數(shù);PILj是j時(shí)刻CHP機(jī)組出力變量。(3)約束條件熱電聯(lián)產(chǎn)CHP在具體運(yùn)作的時(shí)候可以劃分為背壓形式和冷凝形式兩種，前一種的熱電比是十分固定的，在確定之后不可以隨意調(diào)節(jié)，后面一面的熱電比是可以結(jié)合實(shí)際情況做出調(diào)節(jié)的。CHP的電出力約束如下:

4.2算例

本文考慮包含光伏PV、熱電聯(lián)產(chǎn)CHP、熱電負(fù)荷IL的虛擬電廠VPP，其中，熱電聯(lián)產(chǎn)CHP通過(guò)以熱定電的方式運(yùn)行。(1)本算例分布式電源單位電量成本光伏1.2元/kWh;熱電聯(lián)產(chǎn)CHP0.616元/kW。(2)本算例分布式電源參數(shù)PV:功率上限為10MW，功率下限為0MW，運(yùn)行成本系數(shù)9.6元/MW－1;CHP1:功率上限為10MW，功率下限為4MW，發(fā)電效率為0.4，爬坡率0.10MW.min－1，熱電比1.5，運(yùn)行成本系數(shù)47元/MW－1;CHP2:功率上限為6MW，功率下限為1MW，發(fā)電效率為0.35，爬坡率0.05MW.min－1，熱電比1.7，運(yùn)行成本系數(shù)47元/MW－1。(3)負(fù)荷預(yù)測(cè)和光伏預(yù)測(cè)曲線光伏、負(fù)荷預(yù)測(cè)如圖1所示。假設(shè)虛擬現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)波動(dòng)方差為0.1，負(fù)荷預(yù)測(cè)的波動(dòng)方差為0.01，執(zhí)行工業(yè)峰谷電價(jià)。(4)結(jié)果分析本文使用遺傳算法解決預(yù)測(cè)曲線，在權(quán)重系數(shù)出現(xiàn)變化的時(shí)候，電力公司成本和虛擬電廠收益的兩個(gè)目標(biāo)變化如圖2所示。在虛擬電廠收益增大的時(shí)候，電力公司為刺激用戶削減負(fù)荷和增加熱出力的補(bǔ)償，成本也會(huì)增加。為了能夠保證虛擬電廠的收益，取二者權(quán)重為0.5時(shí)的情況作為參照。在實(shí)踐操作中設(shè)置兩個(gè)運(yùn)行策略，第一個(gè)運(yùn)行策略是虛擬電廠和電網(wǎng)互動(dòng)，通過(guò)可中斷負(fù)荷參與響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的資源應(yīng)用。由于可中斷補(bǔ)償會(huì)隨著調(diào)用量的變化出現(xiàn)階段性的遞增，因此，在電價(jià)比較高的階段的時(shí)候，VPP能夠獲得更多的利潤(rùn)，每個(gè)用戶都會(huì)削減負(fù)荷數(shù)值，且補(bǔ)償費(fèi)用較低的用戶會(huì)率先削減負(fù)荷。第二個(gè)策略是熱電互補(bǔ)。引入熱電互補(bǔ)之后，由于熱補(bǔ)償價(jià)格低于可中斷負(fù)荷補(bǔ)償成本，電力公司優(yōu)先增加CHP發(fā)電量，用戶可中斷負(fù)荷削減量在時(shí)間段和數(shù)量上表現(xiàn)出不斷減少的狀態(tài)。受CHPI單位成本比較少的影響，優(yōu)先增加CHPI出力，一直到CHPI的單位成本達(dá)到最大的狀態(tài)。在14:00～16:00時(shí)間段和19:00～21:00時(shí)間段，電力資源的用價(jià)會(huì)達(dá)到一種較高的水平。CHP2發(fā)電成本會(huì)處于一種不斷增加的狀態(tài)。僅僅考慮中斷負(fù)荷調(diào)整，電力公司的補(bǔ)償費(fèi)用為4.835萬(wàn)元，結(jié)合熱電互補(bǔ)電力公司補(bǔ)貼成本為4.102萬(wàn)元，成本降低15.16%，VPP的收益增加17.76%，由此可見(jiàn)可中斷負(fù)荷參與響應(yīng)以及熱電互補(bǔ)協(xié)調(diào)都能夠提升VPP的收益。圖2雙目標(biāo)最優(yōu)解集

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著新能源電力快速發(fā)展和電力系統(tǒng)對(duì)分布式能源的日益重視，本文在綜合考慮負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)和發(fā)電側(cè)常規(guī)電源對(duì)新能源系統(tǒng)運(yùn)作影響的基礎(chǔ)上，以新能源消納量最大，系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，打造考慮虛擬電廠經(jīng)濟(jì)性和快速性的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)算例驗(yàn)證計(jì)及負(fù)荷側(cè)和發(fā)電側(cè)協(xié)調(diào)運(yùn)行的虛擬電廠通過(guò)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度，最終有效減少了系統(tǒng)運(yùn)行成本，提升了新能源消納水平。

作者：鄭霓虹 單位：南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司