基于負(fù)荷聚合商的需求側(cè)響應(yīng)優(yōu)化模型研究

楊澄宇,趙 毅,劉慕騏,于惠博,雷蔚充

(沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院,遼寧 沈陽 110136)

0 引言

隨著電力市場發(fā)展,以長時(shí)交易為主的電量市場逐漸向現(xiàn)貨市場發(fā)展[1-3]。在現(xiàn)有的電力現(xiàn)貨市場中,小型用戶由電網(wǎng)公司統(tǒng)一調(diào)度,其固有用電模式導(dǎo)致現(xiàn)貨市場中頻繁出現(xiàn)極端價(jià)格,降低了現(xiàn)貨市場運(yùn)行效率[3-4]。需求響應(yīng)是指電力市場中的用戶根據(jù)市場價(jià)格或激勵調(diào)節(jié)消費(fèi)模式的市場互動行為,包括激勵型和電價(jià)型2種需求響應(yīng)形式[5]。

國內(nèi)外針對電價(jià)型需求響應(yīng)研究較為深入[6-8]。發(fā)達(dá)國家發(fā)展電力市場時(shí)間較長,激勵型需求響應(yīng)已被應(yīng)用于電力市場體系中,國內(nèi)針對激勵型需求響應(yīng)的研究相對滯后,相關(guān)研究仍處于試運(yùn)行階段[8-10]。文獻(xiàn)[11]在考慮可轉(zhuǎn)移負(fù)荷或緊急參與需求響應(yīng)的資源后求解日前市場的節(jié)點(diǎn)電價(jià);文獻(xiàn)[12]研究了日前市場的調(diào)度優(yōu)化問題,通過需求響應(yīng)資源的合理購入降低系統(tǒng)成本;文獻(xiàn)[13]結(jié)合用戶報(bào)量不報(bào)價(jià)的行為模式,修正了用戶的申報(bào)負(fù)荷。目前,有關(guān)激勵型需求響應(yīng)的研究有2種,一種是以投標(biāo)為目標(biāo)進(jìn)行決策優(yōu)化;另一種是通過對用戶用電行為的控制策略進(jìn)行優(yōu)化[14-16]。文獻(xiàn)[17]基于電價(jià)型需求響應(yīng)展開相關(guān)研究,闡述了電力市場中需求響應(yīng)會對配電網(wǎng)產(chǎn)生間接影響;文獻(xiàn)[18]提出一種考慮價(jià)格型需求響應(yīng)與風(fēng)電出力不確定性的電熱聯(lián)合調(diào)度方法,引入價(jià)格型需求響應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)發(fā)用電側(cè)資源與需求響應(yīng)資源相互協(xié)調(diào);文獻(xiàn)[19]研究了直接負(fù)荷控制項(xiàng)目的實(shí)施過程,分析了導(dǎo)致用戶退出直接負(fù)荷控制的因素,提出了基于需求側(cè)長控方案的供需雙側(cè)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型;文獻(xiàn)[20]研究了用戶典型用能模式的特點(diǎn)及其行為原因,為需求響應(yīng)策略的制訂提供理論支持;文獻(xiàn)[21]針對激勵型需求響應(yīng),研究了配電網(wǎng)運(yùn)行的變化趨勢,并對其在特定條件下的可靠程度進(jìn)行分析,但并未給出具體的需求響應(yīng)調(diào)度策略。通過對以上文獻(xiàn)分析,現(xiàn)有相關(guān)研究忽略了用戶參與市場的方式及響應(yīng)行為的差異性和需求響應(yīng)對配電網(wǎng)可靠性的影響。

本文考慮不同的用戶市場參與方式及響應(yīng)行為的差異性,設(shè)計(jì)適用于聚合商聚合場景的需求響應(yīng)機(jī)制,并給出相應(yīng)的結(jié)算方法以提升優(yōu)化機(jī)制的可持續(xù)運(yùn)行能力;提出負(fù)荷聚合商基于負(fù)荷削減與負(fù)荷轉(zhuǎn)移2種需求響應(yīng)合同的投標(biāo)決策優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)了需求響應(yīng)環(huán)境下配電網(wǎng)可靠性評估。

1 考慮用戶類型的需求響應(yīng)模型

1.1 需求響應(yīng)模型的框架設(shè)計(jì)

在電力市場中,直接參與的用戶稱為一類用戶,間接參與的用戶稱為二類用戶。二類用戶采用固定電價(jià)結(jié)算,具有基數(shù)大、分散性強(qiáng)、不具備需求側(cè)彈性的特點(diǎn)。本文以二類用戶需求響應(yīng)為研究對象,設(shè)計(jì)基于負(fù)荷聚合商的需求響應(yīng)機(jī)制架構(gòu),通過需求響應(yīng)負(fù)荷聚合商聚合二類用戶,使其作為提供需求響應(yīng)的實(shí)體。需求響應(yīng)機(jī)制框架見圖1。

圖1 需求響應(yīng)機(jī)制框架

1.2 用戶側(cè)間接參與需求響應(yīng)的機(jī)制

從電力系統(tǒng)整體運(yùn)行方面的角度考慮,負(fù)荷聚合商的聚合管理能夠更好的應(yīng)對負(fù)荷增長為電力系統(tǒng)及電力市場運(yùn)營帶來的諸多問題,節(jié)約源側(cè)發(fā)電成本和配電側(cè)投資,提高電力市場運(yùn)行效率。從荷側(cè)考慮,作為基于源測和荷側(cè)的需求響應(yīng)機(jī)制中間商,聚合商為廣大二類用戶和諸多中小負(fù)荷提供了降低用電成本、參與市場調(diào)節(jié)的機(jī)會,能夠通過專業(yè)技術(shù)手段全面開發(fā)各類負(fù)荷的響應(yīng)潛力,充分調(diào)動荷側(cè)各類潛在的靈活資源響應(yīng)到市場價(jià)格波動中,實(shí)現(xiàn)終端負(fù)荷用電效率整體提高。

電力市場初期實(shí)行全電量競價(jià)上網(wǎng)和邊際電價(jià)出清,聚合商相應(yīng)的可以針對市場的直接和間接參與者簽訂雙邊合同形成代理投標(biāo)決策模式。聚合商可根據(jù)合同雙方要求及實(shí)時(shí)市場信號刺激,基于用戶分類將主要針對代理二類用戶提出在日前市場的需求響應(yīng)策略,如圖2所示。

圖2 聚合商代理二類用戶需求響應(yīng)策略

當(dāng)二類用戶需求預(yù)測值較小時(shí),市場出清電價(jià)較低,一類用戶成交電量較高。隨著二類用戶需求預(yù)測值逐漸增大,市場出清電價(jià)隨之升高,一類用戶成交電量逐漸降低,在極端情況下,一類用戶成交電量甚至降到極低水平,二類用戶用電需求會抬高市場的出清價(jià)格,影響市場高效運(yùn)行。

本文提出一種考慮需求響應(yīng)負(fù)荷聚合商的需求響應(yīng)機(jī)制,通過某一電價(jià)閾值觸發(fā)需求響應(yīng),使二類用戶積極參與需求響應(yīng),調(diào)節(jié)日前用電模式,保證參與需求響應(yīng)各方穩(wěn)定收益。

1.3 基于負(fù)荷聚合商的需求響應(yīng)出清模型

為建立本文提出的負(fù)荷聚合商聚合場景下的需求響應(yīng)機(jī)制,建立計(jì)及二類用戶的市場出清模型,電價(jià)達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí),使用所提出的出清模型優(yōu)化出清,引導(dǎo)二類用戶實(shí)施需求響應(yīng)。為充分調(diào)動用戶響應(yīng)潛力,優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為聚合商的總收益最大。模型如式(1)、式(2)所示。

maxFL=BⅠ+BⅡ-CG

(1)

maxFⅡ=BⅠ+BⅡ-CG-CⅡ

(2)

式中:FL為聚合商的總收益;FⅡ?yàn)槎愑脩粜枨箜憫?yīng)的所有市場參與者的總效益;BⅠ和BⅡ分別為一類用戶和二類用戶的用電效益;CG為電力生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)電成本,包括發(fā)電機(jī)組的啟停和運(yùn)維成本;CⅡ?yàn)槎愑脩魠⑴c需求響應(yīng)時(shí)消耗的成本。上述模型與聚合商場景下的情況相比,需求響應(yīng)市場的總成本增加了二類用戶的需求響應(yīng)成本。

(3)

(4)

(5)

式中:T為時(shí)段數(shù);NⅠd為一類用戶個(gè)數(shù);dⅠj,t為一類用戶j在t時(shí)段的負(fù)荷功率;BⅠj,t(dⅠj,t)為一類用戶j在t時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷功率dⅠj,t的價(jià)格;NG為發(fā)電企業(yè)中的機(jī)組數(shù)量;PGi,t為常規(guī)響應(yīng)周期內(nèi)發(fā)電設(shè)備的有功功率;ai、bi、ci分別為常規(guī)機(jī)組的發(fā)電成本的二次、一次、常數(shù)項(xiàng)系數(shù);NⅡd為代理二類用戶的負(fù)荷聚合商總數(shù);ΔdⅡj,t為負(fù)荷聚合商j在t時(shí)段的負(fù)荷功率變化量;CⅡj,t(ΔdⅡj,t)為負(fù)荷聚合商j在t時(shí)段對應(yīng)負(fù)荷功率變化量ΔdⅡj,t的報(bào)價(jià)。

1.4 需求響應(yīng)效益分配方法

在本文所提出的需求響應(yīng)策略中,需求響應(yīng)成本以需求響應(yīng)投標(biāo)量的形式體現(xiàn),將需求響應(yīng)帶來的部分收益按照投標(biāo)報(bào)價(jià)分配給參與響應(yīng)行為的用戶。當(dāng)需求響應(yīng)由市場極端高電價(jià)或系統(tǒng)調(diào)峰需求觸發(fā)時(shí),聚合商獲得的總收益等于其成交電量與需求響應(yīng)市場出清前后市場價(jià)格差的乘積,即:

BDR,t=dDR,t(ρm-ρt)

(6)

式中:BDR,t為聚合商t時(shí)段獲得的總收益;dDR,t為t時(shí)段參與響應(yīng)各類用戶的響應(yīng)電量成交值;ρm為市場價(jià)格上限,需求響應(yīng)市場出清前一類用戶在t時(shí)段使用的電價(jià)即為ρm;ρt為響應(yīng)后用戶實(shí)際的用電電價(jià)。一類用戶擬獲得的總收益將劃分給一類用戶和代理二類用戶的負(fù)荷聚合商,即:

BDR,t=BⅠ,t+BⅡ,t

(7)

式中:BⅡ,t為二類用戶在t時(shí)段分得的收益;BⅠ,t為一類用戶在t時(shí)段分得的收益。負(fù)荷聚合商分得的收益BⅡ,t用于彌補(bǔ)其執(zhí)行需求響應(yīng)的成本,可根據(jù)負(fù)荷聚合商的需求調(diào)整量和邊際需求響應(yīng)報(bào)價(jià)進(jìn)行計(jì)算。

負(fù)荷聚合商申報(bào)的期望價(jià)格一般等于或者高于其引導(dǎo)二類用戶實(shí)施需求響應(yīng)的成本。同時(shí),為了避免負(fù)荷聚合商的需求響應(yīng)收益過高導(dǎo)致一類用戶無法獲得正常水平收益,需求響應(yīng)市場出清后需要對結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn),即一類用戶分得的收益須為非負(fù)數(shù),這是保證需求響應(yīng)機(jī)制在t時(shí)段真正有效的必要條件,否則仍需保留原電力市場在t時(shí)段的最初出清結(jié)果。

2 電力市場中的激勵型需求響應(yīng)

2.1 電力市場運(yùn)行模式

負(fù)荷聚合商可以將居民及商業(yè)等中小型負(fù)荷聚合,作為這些負(fù)荷場景參與市場投標(biāo)的代表實(shí)體,這類用戶可以在合同規(guī)定的時(shí)段內(nèi)調(diào)節(jié)用電行為,并得到相應(yīng)的利潤補(bǔ)償。在日前市場中,聚合商通過手段短期預(yù)測負(fù)荷,以提前得到下一時(shí)段的市場情況,并制定投標(biāo)策略實(shí)現(xiàn)自身的最大收益。在實(shí)時(shí)市場中,聚合商基于合同規(guī)定的時(shí)間和容量彈性調(diào)節(jié)用戶負(fù)荷。

2.2 激勵型需求響應(yīng)投標(biāo)決策

投標(biāo)容量以用戶自身利潤最大化為目標(biāo),即:

(8)

負(fù)荷削減和負(fù)荷轉(zhuǎn)移的初始成本約束如式(9)—式(12)所示。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

負(fù)荷削減和負(fù)荷轉(zhuǎn)移的時(shí)間約束如式(15)、式(16)所示。

(15)

(16)

負(fù)荷削減和負(fù)荷轉(zhuǎn)移的次數(shù)約束如式(17)—式(20)所示。

(17)

(18)

(19)

(20)

3 配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評估

常用的配電網(wǎng)可靠性評價(jià)指標(biāo)包括年平均負(fù)荷和峰值負(fù)荷。但是,隨著電力市場環(huán)境更迭,原有指標(biāo)在新的市場環(huán)境下,無法滿足其實(shí)時(shí)性。選擇一個(gè)靈敏穩(wěn)定的評價(jià)指標(biāo),在激勵型需求響應(yīng)環(huán)境下的電力市場中十分必要,系統(tǒng)缺供電量指標(biāo)(energy not supplied,ENS)作為需求響應(yīng)條件下的配電網(wǎng)可靠性評價(jià)指標(biāo)可以滿足負(fù)荷變化的需求。

(21)

式中:ENS為系統(tǒng)缺供電量指標(biāo),即本文再次選定的可靠性評價(jià)指標(biāo);Pi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷情況;Ui為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)年平均缺電時(shí)間;n為所評價(jià)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)。配電網(wǎng)可靠性評估流程如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)可靠性評估流程

4 算例分析

4.1 需求響應(yīng)機(jī)制驗(yàn)算

本文基于IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行算例分析,其中,包括6個(gè)一類用戶、14個(gè)代理二類用戶、10個(gè)可參與需求響應(yīng)市的負(fù)荷聚合,日前市場的出清價(jià)格上限為350元/MW,需求響應(yīng)的觸發(fā)條件為出清價(jià)格超出閾值?？紤]二類用戶需求響應(yīng)市場出清價(jià)格曲線見圖4,通過負(fù)荷聚合商競價(jià)并調(diào)控二類用戶實(shí)施需求響應(yīng),市場出清電價(jià)和一類用戶電價(jià)均得到了有效控制,其價(jià)格均回落閾值以內(nèi)。

圖4 二類用戶需求響應(yīng)市場出清價(jià)格曲線

為驗(yàn)證靈活負(fù)荷對需求響應(yīng)的影響,設(shè)置4%～14%的靈活負(fù)荷占比,不同比例下收益結(jié)果如表1所示。

由表1可知,靈活負(fù)荷的比例超過10%時(shí),出清電價(jià)相較于原始電價(jià)有明顯下降,其中,一類用戶的用電價(jià)格低于上限4%,有效降低了其在高峰需求時(shí)段的電價(jià),證明了本文所提機(jī)制有效性。

表1 不同用戶需求響應(yīng)收益結(jié)果

4.2 需求響應(yīng)投標(biāo)決策驗(yàn)算

負(fù)荷削減合同參數(shù)如表2所示,負(fù)荷轉(zhuǎn)移合同參數(shù)表3所示。需求響應(yīng)前后負(fù)荷曲線如圖5所示,需求響應(yīng)前負(fù)荷峰谷差為218.5 MW,響應(yīng)后的負(fù)荷峰谷差為167.3 MW。證明本文所提投標(biāo)策略可以實(shí)現(xiàn)抑峰填谷。

表2 負(fù)荷削減合同參數(shù)

表3 負(fù)荷轉(zhuǎn)移合同參數(shù)

圖5 需求響應(yīng)前后負(fù)荷曲線

采用ENS指標(biāo)對激勵型需求下配電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行評估,評估結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,在需求響應(yīng)后指標(biāo)顯著降低,年平均降低7.4MWh,明顯改善了配電網(wǎng)可靠性。

圖6 配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)變化

5 結(jié)語

本文根據(jù)中國電力現(xiàn)貨市場建設(shè)中的需求響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化,針對需求響應(yīng)的投標(biāo)決策問題,計(jì)及不同形式用戶的響應(yīng),制定相應(yīng)聚合商聚合場景下的需求響應(yīng)機(jī)制架構(gòu),通過決策策略降低系統(tǒng)在負(fù)荷高峰時(shí)段過高的電價(jià),提出融合負(fù)荷削減與負(fù)荷轉(zhuǎn)移的聚合商投標(biāo)決策機(jī)制,并基于該機(jī)制構(gòu)建市場出清模型,以自身利潤為目標(biāo)函數(shù),改變聚合商用電行為,實(shí)現(xiàn)抑峰填谷,提升了配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。