碳交易機制下多主體虛擬電廠參與電力市場的優化調度競標策略

郁海彬，張煜晨，劉揚洋，陸增潔，翁錦德

（1. 國網上海市電力公司市北供電公司，上海市 靜安區 200070；2. 國網上海市電力公司松江供電公司，上海市 松江區 201699；3. 國網上海市電力公司，上海市 浦東新區 200122）

0 引言

基于經濟、能源、碳排放“S”形增長趨勢與碳達峰、碳中和目標約束，國家能源局提出要推動儲能(stored energy，ES)[1]、負荷聚合商[2]、虛擬電廠(virtual power plant，VPP)[3-4]和新能源微電網[5]等新興市場主體參與電力市場(electricity market，EM)交易。分布式能源(distributed energy resource，DER)[6]存在間歇性的缺陷，很難獨立參與EM，但因其容量占比不斷提升，電網調頻調峰成為常態化，因此電力交易的管理模式亟待優化。碳交易機制[7]是一種促進節能減排的市場化途徑，通過碳排放權的分配和交易等措施來提高VPP 整體參與EM 的低碳和經濟性，有助于實現“3060”能源戰略目標。在此背景下，VPP 作為DER的智能管理手段，可顯著提升電網的靈活性與可調節能力；制定競標策略，對外可參與EM和碳交易市場，對內可協調內部成員利益分配。文獻[8]建立碳交易機制下考慮用電行為的VPP模型，促進用戶與發電側協同，算例表明碳交易機制具有促進可再生能源消納總量的優點。文獻[9]構建含風電機組(wind turbine，WT)、光伏發電(photovoltaic power，PV)、微型燃氣輪機(gas turbine，GT)、電動汽車(electric vehicl，EV)及ES的VPP 模型參與EM，輔助服務市場以及碳市場(carbon market，CM)，表明碳-電一體化交易策略模型能顯著降低高碳機組的競價出力，優化VPP 內能源出力結構及競價策略。文獻[10]將發電側與需求側調峰資源相結合，建立考慮碳交易的核-火-VPP 三階段聯合調峰模型，從經濟性與低碳性兩方面分析運行成本，以系統聯合調峰成本最低為優化目標，采用三階段調度方法確定核電機組的最優調峰模式與調峰深度，并有效平抑等效負荷的預測誤差。通過算例驗證了模型的合理性與有效性，表明其能夠緩解系統的調峰壓力，減少火電機組的啟停調峰，并降低系統的運行成本與碳排放，使經濟效益與環境效益得到均衡。上海地區構建黃埔區商業建筑VPP[11]，以柔性負荷(flexible load，FL)為主要成員，通過眾多用電設備的負荷削減來降低尖峰時段有功需求，調動需求響應資源參與市場和電網運行。文獻[12]綜述了CM 主要通過價格傳導機制推動電力低碳轉型，為助推電力脫碳機制發揮作用，應加強電-碳有機協同建設，積極構建新型電力系統并發展綠色金融體系。

目前，VPP 研究大多考慮電力系統的“源-網-荷-儲”側的靈活性、經濟性和可靠性等方面的積極影響，但考慮環保價值的層面較少。本文引入碳交易機制下的多主體VPP 參與電能量市場(electric energy market，EEM)和調峰市場(peak regulating market，PRM)，既保證了VPP 整體與各DER收益的合理分配，又體現了VPP的低碳效應，并在碳交易價格對碳排放量、WT和PV消納率及VPP 收益為案例分析基礎上，進一步探討了新能源消納與低碳效益之間的關聯性。最后，研究了不同碳配額下碳匯資源交易與電力價格、產量及能源需求變化率的關系，為后續CM 價格機制的優化提供參考。

1 VPP的研究現狀

1.1 國內VPP發展現狀

我國VPP 處于邀約型向市場型過渡階段。以深圳為例，到2025年，深圳將建成具備100萬kW級可調節能力的VPP，以保障能源電力系統能夠安全提供超過20 萬kW 的快速、靈活調節能力，形成年度最大負荷5%左右的穩定調控能力；江蘇建立了基于需求響應VPP 的主輔聯營模式[13]；浙江、上海、冀北等地均開展了大型VPP 試點。國內VPP發展現狀如表1所示。

表1 國內VPP發展現狀Tab. 1 Development status of domestic VPP

1.2 VPP結構與成員

VPP 結構如圖1 所示，VPP 將WT、PV、可控分布式電源(controllable distribution generation，CDG)、ES、FL[14-16]和其他可調控資源等多種DER 聚合為一個虛擬整體，具有對外可參與EM交易和對內可與各成員協調配合的雙側互動特點。

圖1 VPP結構Fig. 1 Structure of VPP

VPP 對外參與EM 時，為達到最大市場收益，需獲取市場信息并制定相應的競標計劃[17]。VPP 對內參與各成員協調配合工作，實現各DER 互動和效益分配，內部各個成員的功能如下：

1）WT、PV處理不可控分布式電源的出力不確定性，VPP調用內部CDG和靈活性資源來增強整體的可靠性。

2）CDG 快速響應調度指令，在一定范圍內進行功率調整，保證VPP的功率平衡。

3）靈活性資源ES 工作在充/放電模式時，分別等效為負荷/電源；FL 在VPP 中根據需求制定相應的充放電策略來有效轉移負荷，以實現削峰填谷、輔助服務等。

2 VPP的競標策略

VPP參與CM和EM進行交易，競標策略如圖2所示。在CM區域，VPP作為獨立個體參與碳交易與碳匯交易，此時VPP 擁有碳排放權；在EM區域，VPP對外參與EEM和PRM，通過制定最佳競標策略保證其參與EM時獲取最大效益[18-20]。在VPP 區域，VPP 對內部DER 各成員進行優化調度管理，具體如下：VPP 對外參與日前EEM 與PRM，在獲取2 個市場的信息后，VPP 以整體獲利最大為目標，確定靈活性資源在EEM 與PRM的競標電量，從而確定VPP 在2 個市場的競標計劃。

圖2 VPP競標策略Fig. 2 VPP bidding strategy

2.1 VPP內部各DER成員的追求目標

1） 對WT、PV出力消納

競標流程：向VPP 申報日前WT、PV 出力預測，制定發電計劃[21-23]；根據預測偏差，通過CDG 和FL 正負備用容量，實現WT、PV 消納及參與VPP后的經濟效益提升。

2） 對ES運行補償

ES 在EEM 通過負荷轉移降低購電成本，通過充放電提供填谷削峰調峰服務獲得補償。競標決策具體如下：VPP 根據外部市場和內部成員信息[24-25]，制定ES 的充放電計劃和補償價格。ES 參與PRM 時，VPP 給予ES 一定的調峰補償收益。

3） 對CDG、FL的最優決策

制定價格并引導CDG、FL進行競標決策，流程如下：VPP 引導整體經濟效益最大，制定價格信號，CDG 與FL 跟隨決策，以各自效益最大為目標制定競標計劃。

2.2 VPP的利益分配過程

VPP 在EEM 和PRM 的收益分配如圖3 所示。1）EEM 收益分配規則：VPP 獲得EEM 收益后，向內部WT、PV 和CDG 分配售電收益，向ES 和FL 給予補償等。2）PRM 收益分配規則：VPP 獲取PRM 收益， 向ES 和FL 分配部分調峰收益[26-27]。

圖3 VPP收益分配框圖Fig. 3 Block diagram of VPP benefit distribution

2.3 碳交易機制

引入碳交易與碳匯交易2種模式：1）碳交易中，VPP 在t時段的實際碳排放量低于配額量時，剩余碳排放權可在市場出售獲利，反之則必須購買超額部分的碳排放權；2）碳匯交易是通過市場交易給予資源豐富地區生態補償的手段，是資源豐富地區出售碳匯給超額碳排放企業或地區以消減其碳排放量[28-30]。2 種碳交易模式可互為補充，推動低碳經濟發展。電力客戶碳匯資源獲取方式如圖4所示。

圖4 電力客戶碳匯資源獲取方式Fig. 4 Methods of obtaining carbon sink resources for power customers

3 競標模型

3.1 VPP內部成員的數學模型

3.1.1 成員模型

1）WT模型VPP向調度上報發電出力預測值為

式中：PWT1,t為風電機組在t時段的實際出力值；εWT為風電在t時段的預測誤差。

2）PV模型

PV出力預測值為

式中：PPV1,t為光伏發電機組在t時段的實際出力值；εPV為光伏發電機組在t時段的預測誤差。

3）GT模型

GT在運行階段的發電成本為

式中：PGT,t為GT在t時段的輸出功率；aGT、bGT和cGT分別為GT 發電成本的二次項系數、一次項系數和常數項。

4）ES模型

ES的充放電雙向特性表示為

式中：PES,e,t為ES在t時段的充放電功率；PES,max為ES充放電功率的最大值。

5）FL模型

本文僅考慮FL 中可轉移負荷(shiftable load，SL)與可中斷負荷(interruptible load，IL)，SL表示如下：

式中：PSL,t為SL 在t時段的實際負荷；PSL,t0為SL在t時段的負荷轉移量；ΔPSL,t為SL 在t時段的調整量；ΔPSL,max和ΔPSL,min分別為SL 在t時段的調整上、下限；T為研究周期的時段數，T=24。

IL表示為

式中：PIL,t為IL 削減后t時段負荷；PIL,t0為IL 在t時段初始負荷；ΔPIL,t為IL 在t時段的負荷削減量。

3.1.2 目標函數

VPP競標決策時，其優化目標為PRM的整體收益最大，可表示如下：

式中：FVPP為VPP 整體收益；CVPP為VPP 的總成本；Benergy為VPP與電網交互的收益；Pb,t為VPP在t時段從電網購電的功率；ρb,t為VPP從電網購電的價格；Ps,t為VPP 在t時段向電網售電的功率；ρs,t為VPP向電網售電的價格；CCDG為CDG的發電成本；CWT為風電的懲罰成本；CPV為光伏的懲罰成本；CFL為VPP向柔性負荷支付的補償費用。

3.1.3 約束條件

1）功率平衡約束為

式中：PLOAD,t為FL 調整后在t時段的實際負荷；PCDG,t為t時段CDG的實際發電功率。

2）備用約束如下：

式中：ΔPWT+,t和ΔPPV+,t分別為WT和PV在t時段的正偏差，VPP需要為其保留相應的負備用；ΔPWT-,t和ΔPPV-,t分別為風電和光伏在t時段的負偏差；RCDG,up,t和RCDG,down,t分別為CDG 在t時段提供的正、負備用。

3）CDG的功率約束為

式中PCDG,max和PCDG,min分別為PCDG,t的上、下限。

4）FL中SL的約束為

式中PLOAD,t0為FL調整后在t時段的初始負荷。

FL中IL的約束為

式中ΔPIL,max為IL在t時段的負荷削減的上限。

5）ES約束如下：

式中：SOC,ES,t為ES 在t時段的荷電狀態；SOC,ES,t0為ES 的初始荷電狀態；SOC,ES,max和SOC,ES,min分別為ES荷電狀態的最大值和最小值。

3.2 碳交易機制數學模型

1） 碳交易

VPP在t時段的實際碳排放量低于該時段配額量時，可將剩余的碳排放權在市場上出售獲利；反之則必須購買超額部分的碳排放權，可表示為

式中：Et為t時段碳配額；Ct為t時段碳排放總量；ΔEt為差值，差值為正代表VPP有富余的碳排放權可供出售，差值為負代表VPP 需從碳交易市場上購買碳排放權，可表示為

式中：Fc,t為碳排放權交易收益；qc為單位碳配額的交易價格。

2） 碳匯資源交易

電力客戶的碳匯資源可表示為

式中：Abase為電網分配給電力客戶的基本碳配額；δP為電力客戶綠色發電量為P時獲得的碳配額獎勵量，其中，δ為電力客戶新能源發電碳匯資源轉化因子；Δφ表示電力客戶自身產生的碳排放量。

4 算例分析

4.1 參數設置

VPP 內部成員為WT、PV、GT、ES、FL(包括SL 和IL)。圖5 為WT 和PV 預測出力。GT模型參數如下：額定功率2 MW；最小發電功率0.5 MW；成本系數aGT、bGT和cGT分別為0.008、0.017、105。ES 模型參數如下：額定容量10 MW?h；額定充放電功率2 MW；荷電狀態范圍為0.1~0.9；初始荷電狀態0.2；充放電效率0.95。規定各時段負荷的25%為SL，各時段最大削減量負荷的10%為IL，預測誤差為10%。VPP經配網購售電，峰平谷時段的電價如表2 所示。VPP 制定內部成員出力計劃，保證VPP 整體效益和各DER利益。

圖5 WT與PV預測出力Fig. 5 Forecast output of WT and PV

表2 峰平谷電價Tab. 2 Power prices元/(MW?h)

4.2 EEM及PRM算例

VPP內各成員出力在EEM中的調度策略如圖6 所示，可以發現：該策略優先解決棄風棄光問題， 滿足綠色低碳需求； 購電功率在01:00—08:00(谷時段)較為集中，匹配較多的SL調整量；GT根據內部負荷與外部市場價格情況制定相應的發電出力；ES 滿足低負荷時充當負荷、高負荷時充當電源的雙向特性。VPP在購電價格較高的平時段13:00—17:00、22:00—24:00和峰時段19:00—21:00不進行購電，在峰時段09:00—12:00進行售電，最大程度優化調度。VPP與電網交互獲得收益并分配給內部成員，如表3所示。

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圖6 EEM中的調度策略Fig. 6 EEM scheduling policy

表3 VPP內部成員收益Tab. 3 VPP internal member income元

設定PRM 的準入條件為競標電量大于2.5 MW?h，VPP安排ES和FL作為調峰資源來參與調峰，在01:00—08:00參與填谷調峰，在09:00—12:00 和18:00—21:00 參與削峰調峰。設定5 種場景來分析，如表4 所示：1）場景1 中發布有填谷調峰、削峰調峰2 種需求；2）場景2 中發布填谷調峰需求；3）場景3 中發布削峰調峰需求；4）場景4中發布2種價格的填谷調峰需求；5）場景5中發布2種價格的削峰調峰需求。表5為不同場景的VPP 收益結果，可知，PRM 需求為場景1中需求時，VPP收益最大。

表4 PRM中的不同場景Tab. 4 Different scenarios in the PRM

表5 不同場景的VPP收益Tab. 5 Income of VPP in different scenarios元

圖7為VPP 在場景1—5 中的PRM 競標電量。不同需求下，VPP 調整規則如下：1）發布有填谷、削峰調峰2種需求時，VPP 調動ES充電和增加FL來參與填谷調峰，調動ES放電和削減FL參與削峰調峰；2）發布填谷調峰需求時，VPP調動ES 充電和增加FL 來參與填谷調峰；3）需求相同調峰價格不同時，VPP會改變調峰競標電量來提高收益。場景4中VPP調峰收益和總收益小于場景3，在削峰調峰價格不同時，VPP在高價時段增大調峰競標電量，低價時段減小調峰競標電量，使調峰收益和總收益增大。場景5中VPP的調峰收益和總收益大于場景2。在填谷調峰價格不同時，VPP使高價時段的調峰競標電量增大，使低價時段的調峰競標電量減小，從而使調峰收益增大。

圖7 5種場景下調峰競標電量Fig. 7 Peak bidding power under 5 scenarios

當調峰競標電量不滿足準入條件時，VPP內調峰資源不能有效參與調峰，如VPP 在場景1的谷時段04:00—05:00、場景2 的谷時段04:00—05:00 和場景4 的谷時段01:00—04:00 的調峰市場競標電量為0，僅靠FL 的負荷增加不能達到準入條件，使VPP 在該時段無法參與調峰。場景1 中ES與FL參與優化結果如圖8所示。

圖8 場景1中ES與FL的優化結果Fig. 8 Optimization results of ES and FL in scenario 1

ES 運行策略：參與PRM 時，獲得VPP 調峰補償；參與EEM 充電時，購電成本由VPP 承擔，放電時獲得VPP補償。補償價格會影響制定的ES出力計劃，改變VPP與ES的收益，而合適的補償價格既能保證VPP 收益，又能提高ES 和調峰收益。場景1 和2 中ES 及能量放電補償價格如圖9所示，VPP調動ES參與填谷調峰并給予相應的填谷調峰補償價格，設定ES 調峰補償價格為PRM價格的一半。場景1 中在填谷調峰和削峰調峰均參與的情況下，ES 獲得的調峰補償價格收益最大；場景2 的能量放電補償價格由VPP 制定，以提高ES收益。

圖9 場景1和2中補償價格Fig. 9 Compensation prices in scenarios 1 and 2

VPP 通過提供CDG 和FL 正負備用容量來優化WT、PV 出力的不確定性和提升新能源出力的穩定性。場景1 中VPP 的備用容量如圖10 所示：GT 提供正備用容量促進WT、PV 出力全額消納；FL提供正、負備用容量填補WT、PV所需出力與GT出力的差值。

圖10 場景1中VPP的備用容量Fig. 10 Backup capacity of VPP in scenario 1

4.3 碳交易機制的影響

不考慮需求響應，圖11為不同碳交易價格下VPP 碳排放量、WT/PV 消納率和VPP 收益曲線。圖11(a)分為3 個區域，分別為平緩區域、加速消納與加速減排區域、緩沖區域。當碳交易價格在120元/t以下時，碳交易價格對WT、PV消納率和碳排放量的影響較小；當碳交易價格在120~200元/t時，新能源出力加速消納且加速減少碳排放；當碳交易價格在200 元/t 以上時，2 條曲線總體分別呈現緩慢上升與下降趨勢。2 條曲線整體呈軸對稱型，這是因為WT和PV出力替代了部分GT。由圖11(b)可知，當碳交易價格較低時，VPP收益對碳交易價格的變化不敏感，減排能力有限；隨著碳交易價格進一步提升，WT和PV消納率增加，碳排放量降低，VPP總收益提高。

圖11 不同碳交易價格下碳排放量、WT/PV消納率和VPP收益曲線Fig. 11 Carbon emission, WT/PV accommodation rate and VPP revenue curve under different carbon trading prices

設定碳排放總量限制在5%、10%、20%和30%的情景，模擬出碳匯資源交易價格與電力價格、產量及能源需求變化率的關系曲線，如圖12所示，可以看出：1）碳排放總量限制越高，碳匯資源交易價格越高，抑制CO2排放效果更好；2）對碳匯資源碳價設定太低，主觀上會導致部分電力客戶購買市場中的碳匯資源，缺乏主動減排及技術改造行為，設定太高，減排效果更明顯，但破壞市場規律，影響碳資源的社會優化配置。因此，應根據各省內碳市場的實際建設情況制定政策，因地制宜，綜合考慮各方因素設定碳、電價格，引導和培育電力客戶適應低碳經濟發展模式。

圖12 碳匯資源交易價格與電力價格、產量和能源需求變化率關系Fig. 12 Relationship between carbon sink price and electricity price, output and energy demand change rate

5 結論

VPP 具備的有效能源管理和智能化調度對促進電網供需平衡、實現分布式能源低成本并網、充分消納清潔能源發電量以及推動綠色能源轉型具有重要的現實意義。考慮碳交易機制下的多主體VPP參與EEM和PRM，得出以下結論：

1）VPP可以確保穩定、可靠的電力供應，降低供電中斷的風險，具備多能互補特性。

2）碳交易價格的設定有助于提高VPP新能源消納的積極性，對電力市場價格有傳導效應，制定合理的碳交易價格是連接VPP 經濟與低碳協同的紐帶。

3）碳交易機制有利于市場對資源的優化配置及碳減排的目標，未來免費碳配額會減少，碳匯資源成為社會稀缺資源，價格勢必會越來越高，引入碳匯資源交易后的長期減排效果可以期待。