供電公司與虛擬電廠的協調調度研究

國網湖北省電力公司武漢市江夏區供電公司優質服務調度指揮中心 陳 蕖

0 引言

由于分布式電源分布范圍廣泛，單個點的發電量小，發電時間和發電量具有不確定性等一系列特點，導致了他們在接入電網時會造成電力系統的運行成本增加，電能質量下降，運行管理困難等問題。面對這種局面，目前主要的解決方法是通過建立微電網或虛擬電廠的方法來解決，本文主要針對建立虛擬電廠的條件下來進行分析。虛擬電廠（virtual power plant，VPP）將各類分布式的電源進行集中管理和控制，從而實現將原有廣泛分布的無規律電源整合成為一個有機的整體，接受統一的調度控制，形成集群效應[1-3]。

如何有效控制虛擬電廠的投入和出力，減小虛擬電廠給電網帶來的沖擊，實現電網與虛擬電廠的雙贏，是目前需要重點考慮的一個問題。為了使得虛擬電廠在配合電網安全經濟運行的同時，還能保證自身發電的經濟收益，對虛擬電廠的合理調度控制顯得十分重要。本文對供電公司和虛擬電廠的配合控制進行了分析，建立了虛擬電廠與供電公司聯合調度控制模型，通過對數學模型的分析和求解，得出了兩者之間的合作空間和利益分配方案。

1 調度模型分析

本文在建立虛擬電廠數學模型時，僅考慮風能、太陽能和水能等分布式電源在內[4-5]，并在文中的風能、太陽能和水能分對應i=1，2，3來表示。在確定單個虛擬電廠運行的目標函數時，數學模型的函數目標是凈收入期望最大，需要考慮到虛擬電廠中分布式電源的實際出力收入和虛擬電廠自身所消耗的費用兩個部分，因此其目標函數為：

其中，m表示電力系統中的某個虛擬電廠，表示該虛擬電廠在t時段內的預期出力值，表示該虛擬電廠中s場景下的i種電源在t時間段內的實際輸出，λ表示為計劃電價，λ+表示上調價格，表示下調價格。

單個虛擬電廠運行過程中所需要考慮的約束條件主要包括以下幾個方面：

（1）發電能力約束

（2）棄風約束

（3）棄光約束

（4）水量平衡

（5）水電轉換效率

（6）容量約束

假設在某區域電力系統中存在M′個虛擬電廠，所有的虛擬電廠形成了一個電廠聯盟h，用S來表示聯盟h工作場景的個數；用Im表示虛擬電廠m中的分布式電源數量，則虛擬電廠聯盟h的目標函數可以表示為：

區別于單個虛擬電廠，多個虛擬電廠的聯盟h的目標函數中，表示為聯盟預期總出力值，Δ表示為聯盟h預期總出力與實際出力的差值。

此時進一步將M′個虛擬電廠與供電公司共同組成聯盟，則新聯盟的目標函數應該為整個聯盟向聯盟外，即除去虛擬電廠以外的其他電源支付費用最小：

此時聯盟中所有虛擬電廠的收益和如式(9)所示。

2 協調調度算法

虛擬電廠與供電公司協調調度的基礎在于滿足個體虛擬電廠和整體聯盟的共同需求，假聯盟中有xV1，…，xVM，xD等多個合作方案，則聯盟整體理性為：

個體理性為：

其中式子(10)表示個體收益應高于單個虛擬電廠運行時的收益。運用夏普利值法對收益值進行具體分配，此時參與者m的合作收益可以用式(12)來表示：

其中|h|表示聯盟h中的虛擬電廠數量，n表示為聯盟中參與分配的虛擬電廠數。

3 算例分析

假設某地虛擬電廠中分布式電源概況如表1所示，地區不同季節典型日負荷需求量如圖2所示，風能和太陽能的出力時間預測如圖3和圖4所示。

表1 分布式電源概況

圖2 配電網負荷需求

圖3 風能和太陽出力預測

表2所示為聯盟收支表，在表中對虛擬電廠與供電公司在非合作與合作兩種情況下的收支情況進行了對比，從表中可以看出，經過夏普利值法進行出力分配后的虛擬電廠總收益要大于非合作與合作兩種模式下的收益。分析圖4，可以看出雖然單個虛擬電廠與供電公司組成的聯盟中收入變化不多，但當虛擬電廠同供電公司合作時，通過調整虛擬電廠出力，負荷曲線變得更加平緩，這對電力系統起到了削峰填谷的作用，有助于幫助電力系統的經濟性運行。

表2 聯盟收支表

從表3可以看出，在供電公司與兩個虛擬電廠共同組成的聯盟下，兩個虛擬電廠的收益有所增加。其收入增加的原因在于，在夏普利值法計算出力分配的前提下，能實現在保持分布式能源發電占比不變得情況下，增加了發電機組的數目，進而減小虛擬電廠中棄風棄光量，同時也減小了系統所需的備用設備。

圖4 計劃出力對比表

表3 多虛擬電廠下的聯盟收益表

4 總結

本文針對目前熱門的可再生能源如何高效利用的問題，研究了供電公司與虛擬電廠的協調調度。建立了虛擬電廠與供電公司協同調度的數學模型，確定了目標函數和約束條件，并通過夏普利值法對數學模型進行求解。運用所建立的數學模型和模型算法對實際案例對進行分析，計算結果表明，在虛擬電廠與供電公司的協同調度模型下，對虛擬電廠進行合理調度，能夠增加系統整體利潤，提高系統設備利用率，優化電力系統負荷曲線等。因此，該理論分析具有實際指導意義，為現有的虛擬電廠和供電公司提供了更多的合作空間，減小分布式能源的接入給電力系統帶來的沖擊。后續研究中，將對虛擬電廠中分布式能源種類進行擴充，進一步完善約束條件，在現有基礎上構件考慮網絡約束的協調調度模型。