趙晉輝，李玉凱，韓佳兵，趙鈞，梁聰

1.南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇南京，211106； 2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京，100192

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，建設(shè)清潔低碳安全高效的能源節(jié)約型社會，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)委員會上提出“實(shí)施可再生能源替代行動，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”，分布式電源（distributed resources，DR）以其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全、靈活等優(yōu)點(diǎn)在“雙碳”目標(biāo)布局中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。并網(wǎng)型微電網(wǎng)將DG、儲能單元及負(fù)載單元組成一個既能并網(wǎng)參與電力系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)配，又能在需要時與外網(wǎng)斷開獨(dú)立運(yùn)作的系統(tǒng)，一定程度上解決了DG容量小、數(shù)量大、分布不均導(dǎo)致的單機(jī)接入成本高、管理困難的問題。但由于并網(wǎng)型微電網(wǎng)的主要目標(biāo)是讓DG能夠就地消納以減小電能傳輸損耗，因此受地理區(qū)域限制，大規(guī)模、多區(qū)域DG的有效利用存在一定局限性。在此基礎(chǔ)上，虛擬電廠（virtual power plant，VPP）通過高級測量技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)等手段將多種分布式發(fā)電單元、可控負(fù)荷以及儲能單元聚合起來[5-6]，以一個特殊電廠的身份參與電網(wǎng)運(yùn)行協(xié)調(diào)管理和電力市場互動[7]，實(shí)現(xiàn)電源側(cè)多能互補(bǔ)和負(fù)荷側(cè)柔性互動，為真正實(shí)現(xiàn)DG的大規(guī)模并網(wǎng)提供了切實(shí)可行的解決方案。

為充分發(fā)揮VPP在DG消納、負(fù)荷管理等方面的優(yōu)勢，需制定合適的優(yōu)化調(diào)度策略以協(xié)調(diào)VPP內(nèi)成員、網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。目前有關(guān)VPP優(yōu)化調(diào)度的研究主要是在對各類分布式能源出力預(yù)測的基礎(chǔ)上制定其最優(yōu)調(diào)度策略，以達(dá)到VPP內(nèi)運(yùn)行效益最大化的目的。楊毅等人的研究[8]對并網(wǎng)型微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益、電壓質(zhì)量和電網(wǎng)調(diào)峰服務(wù)等方面的能力進(jìn)行了綜合考慮，在原有的粒子群算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，大幅提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行水平；楊秋爽等人的研究[9]對風(fēng)電、光伏和電儲能三類成員的協(xié)同運(yùn)行方式進(jìn)行了研究，得出了適當(dāng)棄風(fēng)棄光并利用電儲能設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)可有效提高微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)論；JULW等人的研究[10]建立了包含風(fēng)電、儲能等分布式資源的VPP調(diào)度模型，以實(shí)現(xiàn)多能資源的互補(bǔ)；Kuzle I等人的研究[11-12]引入一個以VPP利潤最大化為目標(biāo)的混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型來解決內(nèi)部VPP調(diào)度問題；范松麗等人的研究[13]則結(jié)合隨機(jī)模擬和遺傳算法進(jìn)行求解并探討了VPP協(xié)調(diào)運(yùn)行過程中如何綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行風(fēng)險問題。在“雙碳”目標(biāo)背景下，碳排放配額將成為決定發(fā)電主體市場競爭力的核心要素，而VPP中的燃煤/氣發(fā)電機(jī)組、儲能裝置等成員是碳排放配額的主要受限對象。因此，本文提出“雙碳”目標(biāo)背景下考慮碳排放成本的VPP優(yōu)化調(diào)度模型，旨在為VPP在“雙碳”目標(biāo)布局下的推廣和應(yīng)用提供支撐。

1 “雙碳”背景下的VPP模型

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文研究的VPP主要包括光伏、風(fēng)電等典型DG以及用戶側(cè)儲能和負(fù)荷等成員。在實(shí)際運(yùn)行中，由VPP調(diào)控中心綜合考慮調(diào)度成本和碳排放成本，對各個成員的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)VPP的經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。整個VPP通過聯(lián)絡(luò)線接入外電網(wǎng)，能夠和外電網(wǎng)上的其他VPP進(jìn)行信息與能量交互，還可以與主網(wǎng)進(jìn)行能量交互（圖1）。

1.2 供能單元模型

（1）光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏（photovoltaic，PV）發(fā)電系統(tǒng)的出力可根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)出力和實(shí)際環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算[14]，如式（1）所示：

式中，Ppv為系統(tǒng)出力，Pstc為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)出力（I=1.0kW/m2，θstc=25℃）；αθ為溫度系數(shù)；θt為t時刻光伏面板的溫度；It為t時刻實(shí)際太陽輻照強(qiáng)度。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，通常將其邊際成本視為0。

（2）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。采用韋布爾分布對風(fēng)電機(jī)組（wind turbines，WT）的出力進(jìn)行計(jì)算。首先利用風(fēng)電機(jī)組歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)對尺度參數(shù)ξ與形狀參數(shù)k進(jìn)行擬合，設(shè)隨機(jī)變量為v，如式（2）所示[13]：

式中m為風(fēng)速。在此基礎(chǔ)上，風(fēng)電機(jī)組的出力可由式（3）表示：

式中：Pwt為風(fēng)電機(jī)組的原始模擬出力；mmin、mrated與mout分別為風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速、額定風(fēng)速與切出風(fēng)速；R為風(fēng)電機(jī)組的額定出力。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的特點(diǎn)，通常將其邊際成本視為0。

（3）分布式發(fā)電系統(tǒng)。分布式發(fā)電系統(tǒng)主要包括燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)和用于調(diào)峰的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)等。其發(fā)電主要成本CMT包括燃料和維護(hù)等各類成本，如式（4）所示：

式中：PDG(t)為t時刻機(jī)組的出力；ρDG、γDG、 DG為分布式發(fā)電系統(tǒng)的單位運(yùn)行成本系數(shù)。

（4）電儲能系統(tǒng)。電儲能設(shè)備在運(yùn)行過程中通常有三種工況，即充能工況、釋能工況和停運(yùn)工況。其中，前兩種工況的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：下標(biāo)B代表電池儲能設(shè)備；δB為儲能過程中的消耗率；ηin和ηout分別是輸入轉(zhuǎn)化效率和輸出轉(zhuǎn)化效率；Δt是時間步長；Pin和Pout分別是能源輸入量和能源輸出量。

（5）碳排放模型。在我國“雙碳”背景下，政府既可以通過拍賣出售配額，也可以向相關(guān)主體免費(fèi)發(fā)放配額。其中免費(fèi)分配法主要包括歷史數(shù)據(jù)法、基準(zhǔn)線法和基于產(chǎn)出與排放強(qiáng)度的配額分配法三種。由于基準(zhǔn)線法在國內(nèi)應(yīng)用較廣，故本文選取其作為碳排放配額分配方法，計(jì)算方法如式（7）~（8）所示：

式中：Pt為虛擬電廠在時刻i的總發(fā)電量；PDG,i(t)為第i個DG在t時刻的出力；m為DG總數(shù)；Pbat,j(t)為第j電儲能系統(tǒng)在t時刻的電功率；n為電儲能系統(tǒng)總數(shù)；EQ為虛擬電廠總碳排放配額；ε為單位電量排放配額。

在虛擬電廠中，由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的碳排放量約等于0，因此，系統(tǒng)的碳排放主要指的是分布式發(fā)電系統(tǒng)和電儲能系統(tǒng)的碳排放情況，虛擬電廠的碳排放量可由式（9）計(jì)算得出：

式中：EC為虛擬電廠各個成員24小時碳排放量之和；δDG,i為第i個DG的碳排放強(qiáng)度；δbat,j為第j個電儲能系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度。

據(jù)工業(yè)碳排放公式，虛擬電廠的碳排放成本可由式（10）計(jì)算得出：

式中：CCE為系統(tǒng)碳排放成本；μ為虛擬電廠參與碳交易的單價；d為碳排放量階梯范圍系數(shù)；k為碳交易單價階梯增長系數(shù)。值得注意的是，當(dāng)虛擬電廠存在EC＜EQ時，系統(tǒng)可通過出售EQ與EC之差的碳排放配額以獲得盈利。

1.3 約束條件

（1）設(shè)備輸出功率約束。

式中，Pi,max和Pi,min分別為VPP供能單元i的有功出力上限和下限。

（2）電儲能系統(tǒng)運(yùn)行約束。電儲能系統(tǒng)的充能工況和釋能工況相互獨(dú)立，且均可在允許范圍內(nèi)自由調(diào)整充/釋能功率，有以下約束：

電儲能系統(tǒng)的充能、釋能工況時長應(yīng)當(dāng)合理安排，做到系統(tǒng)能量能在一定周期內(nèi)消耗完畢再重新充滿，達(dá)到系統(tǒng)利用效率的最大化。因此有如下約束：

式中：T是一個充能和釋能工況的完整周期；是電儲能系統(tǒng)在充能工況下的損耗。

（3）爬坡率約束。

式中：Pi,t-1為燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等分布式發(fā)電系統(tǒng)在（t-1，t)時段內(nèi)的出力，和分別為其最大爬坡上升功率和爬坡下降功率。

（4）電功率平衡。

整個互動過程中，需滿足電能供給量與負(fù)荷的平衡約束，如式（15）所示：

其中，Pload(t)、PPV(t)、PWT(t)、PGT(t)、PIC(t)、PST(t)分別為用戶側(cè)電負(fù)荷功率、光伏發(fā)電系統(tǒng)功率、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)功率、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)功率和電儲能系統(tǒng)功率，Pcut(t)為系統(tǒng)在t時段的切負(fù)荷量。

（5）聯(lián)絡(luò)線容量約束。

式中，Pgrid,max為VPP與大電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線允許的最大傳輸功率。

（6）系統(tǒng)失荷率約束。

式中：λLPSP表示虛擬電廠的失荷率（loss of power supply probability，LPSP），是評估供電系統(tǒng)供電可靠性的重要參數(shù)。為系統(tǒng)運(yùn)行工況下允許的最大失荷率，Tsch為一個調(diào)度周期，而WLPSP則是一個調(diào)度周期內(nèi)的總失荷量，在t時段系統(tǒng)負(fù)荷完全滿足時，λLPSP為0，反之則為λLPSP=Pcut(t)Δt。

2 面向并網(wǎng)型微電網(wǎng)的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度策略

2.1 運(yùn)行方式及策略

考慮碳排放成本的VPP運(yùn)行流程如圖2所示。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

虛擬電廠運(yùn)行優(yōu)化的總體目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：CVPP、CPV、CWT、CGT、CIC分別表示虛擬電廠系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本，CCE是系統(tǒng)的碳排放成本。

2.3 求解方法及流程

由于前文獲得的是一個混合整數(shù)非線性優(yōu)化模型，為提升其優(yōu)化速度，采用周燦煌等人的研究[16]中提出的線性化方法將其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性模型。

對VPP的優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)優(yōu)化方法，首先，定義2個評估指標(biāo)來分別評估VPP在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和碳排放方面的效益；其次，采用多目標(biāo)粒子群算法（multi-objective particle swarm optimization，MOPSO）對該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，得到一系列可行的Pareto解；最后，通過對Pareto解集中的多個解進(jìn)行對比計(jì)算評估以得出最優(yōu)解（圖3）。

3 算例分析

3.1 運(yùn)行方式及策略

采用風(fēng)/光/內(nèi)/燃/儲并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，該系統(tǒng)由1個50MW風(fēng)電場、1個60MW光伏發(fā)電場、2臺100MW燃?xì)廨啓C(jī)、1臺10MW內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組以及45MW的電儲能系統(tǒng)組成，其中將電儲能系統(tǒng)在充能和釋能工況下的效率均取為95%，初始荷電狀態(tài)為0.18，碳排放強(qiáng)度為0.4。天然氣價格為2.28元/m3，系統(tǒng)允許最大失荷率λLPSP=0，不可控分布式發(fā)電機(jī)組和可控分布式發(fā)電機(jī)組參數(shù)分別見表1和表2。系統(tǒng)輸電線路損耗率為3%，不考慮系統(tǒng)內(nèi)部損耗。

表1 不可控分布式發(fā)電機(jī)組參數(shù)

案例采用的典型日電負(fù)荷、風(fēng)力發(fā)電功率及太陽輻照度預(yù)測曲線如圖4所示。

VPP與電網(wǎng)間的購電電價采用分時電價機(jī)制，如圖5所示。

本文所使用的算法迭代次數(shù)設(shè)定為300次，種群規(guī)模設(shè)定為100。在算例的碳排放模型中，設(shè)定μ=50元/t，d=40t，k=25%。本文所建立的虛擬電廠混合整數(shù)非線性優(yōu)化模型在計(jì)算中采用商業(yè)求解器CPLEX進(jìn)行求解，所采用的計(jì)算機(jī)為Intel Xeon 4216 @3.2GHz、64GB。

3.2 結(jié)果分析

在系統(tǒng)調(diào)度過程中，一方面需要分配燃?xì)廨啓C(jī)、調(diào)峰用內(nèi)燃機(jī)和電儲能系統(tǒng)的出力以降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，另一方面需要利用電儲能系統(tǒng)的充放電使系統(tǒng)保持平衡，各個DG出力的優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。其中，為更好地展示儲能系統(tǒng)對負(fù)荷波動和清潔能源出力波動的平衡作用，將電負(fù)荷和儲能系統(tǒng)出力（充電為負(fù)值，放電為正值）之和視為折算負(fù)荷。

從圖6的優(yōu)化結(jié)果中可以看出，本文所提算法能夠調(diào)節(jié)虛擬電廠的運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)對用戶負(fù)荷的良好適應(yīng)。由于每個時段內(nèi)的不同機(jī)組單位運(yùn)行成本和碳排放成本均不同，故每個時段的出力組成也會有明顯差異。在19：00前，由于機(jī)組出力上下限約束，虛擬電廠使用不同分布式發(fā)電機(jī)組作為系統(tǒng)的主要電源。同時，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的邊際成本和碳排放成本均為系統(tǒng)內(nèi)最低，虛擬電廠系統(tǒng)始終優(yōu)先使用二者來滿足用戶負(fù)荷。

表2 可控分布式發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)

經(jīng)過優(yōu)化，能夠提升VPP的總體收益，詳見表3。

表3 VPP效益

從表3中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化調(diào)節(jié)后，通過對風(fēng)電、光伏等可再生能源的協(xié)調(diào)調(diào)度，棄風(fēng)率由14.4%降低至5.0%，棄光率由38.6%降低至19.9%，有效提高了清潔能源消納水平。同時，可控分布式發(fā)電機(jī)組成本從1,792,534.75元降低至1,721,112.21元，提升了3.98%，“雙碳”成本也從原來的1,845.22元下降至-1,532.55元，實(shí)現(xiàn)了碳排放成本的由正轉(zhuǎn)負(fù)，即可通過出售碳配額進(jìn)行獲益。上述結(jié)果表明本文所提算法能有效通過虛擬電廠DG之間的協(xié)同調(diào)度，降低VPP的碳排放成本以及清潔能源的未利用量。VPP調(diào)度的碳排放量與成本結(jié)果如圖7~8所示。

由圖8可以看出，調(diào)度后的碳排放成本在24小時內(nèi)整體均呈現(xiàn)下降趨勢。特別是在00：00-07：00和9：00-16：00兩個時段內(nèi)，通過對光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和儲能系統(tǒng)的利用，碳排放成本得到大幅降低。說明該調(diào)度模型能夠結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和電儲能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提出系統(tǒng)內(nèi)成員的優(yōu)化運(yùn)行策略，顯著降低VPP的碳排放成本。

4 結(jié)語

本文針對“雙碳”背景下的并網(wǎng)型微電網(wǎng)搭建VPP多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，綜合考慮VPP系統(tǒng)中各機(jī)組發(fā)電成本、碳排放成本以及負(fù)荷波動及DG出力波動的影響，并對風(fēng)/光/內(nèi)/燃/儲并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)論如下。

（1）本文綜合考慮碳排放成本與清潔能源消納對VPP運(yùn)行的影響，通過調(diào)整可控DG的運(yùn)行策略，在顯著降低VPP運(yùn)行成本的同時提升了其環(huán)保水平，并且通過電儲能系統(tǒng)有效平抑了不可控DG的出力波動。

（2）相比于傳統(tǒng)的VPP調(diào)度模型，本文所提模型將碳排放成本和清潔能源消納水平作為調(diào)度策略制定的主要考慮因素，優(yōu)化結(jié)果表明，該模型的發(fā)電成本降低了3.98%，棄光率降低18.7%，棄風(fēng)率降低9.4%，碳排放成本減少了183.1%，實(shí)現(xiàn)了降低碳排放量、增加清潔能源消納量的目的。