劉金朋,劉胡詩涵,張雨菲,鄧嘉明,胡國松,李萬鵬
(1.華北電力大學經(jīng)濟與管理學院,北京 102206;2.華北電力大學國際教育學院,北京 102206)
隨著構建新型電力系統(tǒng)加快推進,大規(guī)??稍偕茉窗l(fā)展建設與分布式能源穿透能力不斷提升,呈現(xiàn)源端供給資源日趨豐富、用端需求負荷靈活多變的發(fā)展態(tài)勢,電源、電網(wǎng)側的調節(jié)資源已難以滿足系統(tǒng)安全高效的運行需求,亟須深入挖掘需求側資源的靈活調節(jié)潛力。在需求側資源中,居民側柔性負荷資源呈現(xiàn)規(guī)模大、響應快、靈活性高的特征[1],調控作用日益凸顯,但其單個容量較小、數(shù)量眾多、隨機性較強,不利于直接參與電力市場交易[2]。負荷聚合商(Load Aggregator,LA)通過整合需求響應(Demand Response,DR)資源參與電力市場調控,一方面聚合居民用戶的負荷資源參與DR 市場交易,從而提高居民閑置資源的利用率。另一方面,協(xié)助居民用戶建立高效合理的用電習慣,從而提升居民用電的高效性,其具有重要的資源耦合與高效利用助推作用[3-5]。
目前,國內(nèi)關于居民用戶與LA 的研究主要集中在調控優(yōu)化上。文獻[6-7]深入闡述了LA 的運營機制和調度策略,詳細分析了居民用戶與LA 的相互作用。文獻[8]引入聚合器提出實時交易響應模型,進行柔性資源的最優(yōu)調度。文獻[9-10]引入非合作博弈理論,分別以最大化LA 利潤和最小化投標量偏差為目標,構建了居民日前投標和實時調度的分層模型。文獻[11-12]引入主從博弈理論,以最大化LA、分布式電源主體的經(jīng)濟效益和最小化居民用電成本為目標進行經(jīng)濟優(yōu)化調度研究。文獻[6-12]所提出的有關LA 調度優(yōu)化的策略,都是基于可調節(jié)潛力為最大值時所得到的結果,其未考慮影響柔性負荷可調節(jié)潛力程度的因素,忽略了用戶的用電習慣和用能感受,會導致投標競價的策略結果有一定偏差。文獻[13]基于信息間歇決策理論對用戶響應不確定性進行建模,量化LA 收益和風險損失。文獻[14]考慮用戶調節(jié)行為多樣性,構建基于用戶空調負荷溫度控制的LA 日前優(yōu)化模型。文獻[15]基于裕度指標的狀態(tài)隊列優(yōu)先算法,構建了LA日前經(jīng)濟調度模型,實現(xiàn)部分負荷優(yōu)先響應。文獻[16]基于信用激勵機制構建了需求側激勵價格雙層優(yōu)化模型。文獻[13-16]所提出的柔性負荷可調節(jié)潛力研究,僅考慮了用戶的用電舒適度,未考慮用戶的響應意愿度,其結果可能會導致LA 參與市場交易有一定的信息偏差,從而影響其實施的精準性。
為此,本文進一步深化居民可調節(jié)潛力問題研究,考慮用電物理約束,引入用戶響應意愿度和電器用電閾值度,建立居民柔性負荷可調節(jié)潛力模型。同時,考慮電力調度與LA 的交互體系,構建基于非合作博弈理論的日前投標優(yōu)化模型,進行最優(yōu)投標決策問題研究,推動居民用電調控與LA 運營研究創(chuàng)新拓展。
在本文中,電力市場由電力公司調度部門、LA和居民用戶構成。其中,電力公司調度部門通過電網(wǎng)公司所給的歷史負荷數(shù)據(jù),預測負荷量以獲得負荷削峰時段,并將削峰時段的預測負荷量和電價信息參數(shù)告知所有參與投標的LA,各LA 通過聚合居民用戶的可調節(jié)潛力資源,最大化考慮各自的利益進行投標決策,最終將得到的決策結果反饋給電力公司調度部門,電力公司調度部門據(jù)此制定調度計劃給電網(wǎng)公司,電網(wǎng)公司根據(jù)調度計劃與售電公司和LA 進行購電。在此過程中,LA 通過對居民可調節(jié)潛力資源的分析獲得DR 投標競價資本。LA 參與電力市場進行日前投標決策優(yōu)化的思路框架如圖1 所示。
圖1 LA參與電力市場進行日前投標決策優(yōu)化的思路框架Fig.1 Framework of thinking for optimization of dayahead bidding decision by LA in electricity market
LA 作為連接中小型電力用戶、電力市場的中間機構,應在考慮DR 的基礎上,選擇居民常用的高耗能用電設備進行負荷聚合,即形成動態(tài)可控負荷。動態(tài)可控負荷是指在一定的調控策略下可以靈活控制、快速調整的用戶側負荷[17]。本文在此將其分為三類:可中斷可平移負荷,可中斷不可平移負荷以及不可中斷可平移負荷[18]。
可調節(jié)負荷Ⅰ:指可中斷可平移的負荷類型,用戶對該類負荷的需求主要集中在最終用電總量上,如電動汽車(Electric Vehicle,EV),只需在用戶出行前達到用戶所需的充電量即可滿足用戶需求。因此,本文以EV 為研究對象,考慮其行程所需負荷的可接受狀態(tài)閾值,引入用戶舒適度和用電習慣,得出可調節(jié)負荷Ⅰ的可調節(jié)潛力模型。
可調節(jié)負荷Ⅱ:指可中斷不可平移的負荷類型,用戶對該類負荷的需求主要集中在使用時段上,如洗衣機(Washing Machine,WM)、洗碗機等,只需在用戶規(guī)定時段內(nèi)完成相應任務即可滿足用戶需求[15]。因此,本文以WM 為研究對象,考慮其用電時間段的可接受調節(jié)閾值,得出可調節(jié)負荷Ⅱ的可調節(jié)潛力模型。
可調節(jié)負荷Ⅲ:指不可中斷可平移負荷的負荷類型,用戶對該類負荷的需求主要集中在使用溫度上,如空調(Air Conditioning,AC)、電熱水器等溫控設備,只需根據(jù)用戶設定的溫度區(qū)間進行調控,就會減小對用戶的影響。因此,本文以AC 為研究對象,在保證用戶體感舒適度的前提下,考慮最大降負載能力,得出可調節(jié)負荷Ⅲ的可調節(jié)潛力模型。
為了量化用戶參與DR 的積極性,本文引入用戶響應意愿度作為指標,通過考慮用戶對電價的敏感性,來衡量用戶的響應意愿度。
以當前用電價格pnow與用戶預期用電價格pexp進行比較,若pnow高于pexp,則當前用電成本過高,為了降低用電成本,用戶愿意協(xié)調用電計劃,通過調節(jié)用電量的方式來參與DR,以獲取補貼來彌補用電舒適度下降的結果;若pnow低于pexp,則當前用電成本不高,為了保障自身用電舒適度,用戶不太愿意過多改變用電計劃,參與DR 的意愿度較低。同時,居民用戶對價格敏感程度還與其自身異質性有關。其中,受教育程度高以及年輕的用戶對電價波動較敏感,認為補償費用能夠彌補用電舒適度下降的損失,容易接受新事物,參與DR 積極性較高;而高收入家庭對用電舒適度更注重,認為補償費用不能彌補用電計劃變動帶來的損失,其參與DR 積極性較低。綜合考慮用戶對電價敏感程度的影響因素,設定用戶響應系數(shù)φ,反映用戶對電價的敏感程度和響應意愿。
2.3.1 EV負荷用能閾值度
本文將EV 負荷分為離網(wǎng)和在網(wǎng)兩種充放電狀態(tài),離網(wǎng)包括早間時段上班行程和晚間時段下班行程,在網(wǎng)包括早間時段和晚間時段[19]??紤]EV 用戶的用能訴求,可知其能否參與負荷調節(jié)與每次出行所需的荷電狀態(tài)閾值SOCth相關[20],同時,為防止特殊情況如堵車等帶來的電能消耗,要求每次出行的荷電狀態(tài)不能低于出行狀態(tài)閾值S′OCth。
式中:l為EV 出行的距離;L為EV 的最大設計續(xù)航里程;τ為出行閾值度,本文中取τ=5%。
用戶響應意愿度可影響EV 用戶的在網(wǎng)充放電時間,當pnow>pexp時,EV 用戶在網(wǎng)放電概率高,可接受出行狀態(tài)閾值降低;當pnow<pexp,EV 用戶在網(wǎng)充電概率高,可接受出行狀態(tài)閾值增高。在此引入用戶用能閾值度,對在網(wǎng)和離網(wǎng)2 種狀態(tài)下EV 不同荷電狀態(tài)情況進行討論:
1)若EV 在網(wǎng)后可進行放電調度,并在調度結束后開始充電直至離網(wǎng)而不影響出行計劃,則該用戶的用能閾值度較高,EV 具有放電可調節(jié)潛力。定義第iEV輛EV 在放電調節(jié)后離網(wǎng)時刻的荷電狀態(tài)為
式中:tdis為放電調節(jié)開始時刻;tend為調節(jié)結束時刻;tout為離網(wǎng)時刻;α為充放電效率,本文中取α=0.9;B為EV 的電池容量;WEV為EV 的額定功率。
2)若EV 在網(wǎng)后不能進行放電調度,則該用戶的EV 負荷用能閾值度一般,僅能進行正常充電行為,EV 具有充電可調節(jié)潛力。定義第iEV輛EV 在充電調節(jié)后離網(wǎng)時刻的荷電狀態(tài)為。
式中:tcha為充電調節(jié)開始時刻。
由這2 種情況可得出第iEV輛EV 的充、放電可調節(jié)潛力
(1)離網(wǎng)狀態(tài)的充放電可調節(jié)潛力:
(2)在網(wǎng)狀態(tài)的充放電可調節(jié)潛力:
當EV 荷電狀態(tài)高于可接受出行狀態(tài)閾值時,EV 負荷可進行放電調度,其可調節(jié)潛力為負值,反之,EV 負荷進行充電調度,其可調節(jié)潛力為正值。因而,聚合區(qū)域內(nèi)t時刻EV 總數(shù)nEV的負荷充、放電可調節(jié)潛力分別為APEV_cha(t),APEV_dis(t):
2.3.2 WM負荷時間閾值度
本文結合用戶用電習慣得出WM 負荷的使用開始、停止時刻分別為tWM_s,tWM_e,在此考慮可接受調節(jié)閾值得到使用時間。從中可看出考慮用戶響應意愿度,可擴展用戶WM 負荷的使用時間段,則聚合區(qū)域內(nèi)t時刻全部WM 的負荷可調節(jié)潛力APWM,t為:
式中:nWM為聚合區(qū)域內(nèi)WM 總數(shù);WWM為WM 的額定功率;為t時刻第iWM個WM 的工作狀態(tài),其為0~1 變量,當xiWM=1 時為洗衣機正在工作,當=0 時為洗衣機停止工作。
2.3.3 AC負荷溫度閾值度
單臺AC 最常見的物理模型為ETP 模型[21],一階ETP 模型采用一階常微分方程來描述室溫的變化,為得到第iAC個AC 的開機周期Ton,iAC和停機周期Toff,iAC,對一階常微分方程進行求解,得到結果如下:
式中:C為房間等效熱容;R為房間等效熱阻;Q為AC 的制冷/制熱功率,與AC 用電功率WAC存在關系Q=μWAC,其中μ為AC 能效比;θout為t時刻的室外溫度;θset為AC 溫度設定值;θset+δ/2,θset-δ/2 分別為AC 正常運行狀態(tài)下室內(nèi)溫度上、下界值,其中δ為AC 的溫度死區(qū)寬度。
一般情況下,單臺AC 的平均用電功率受AC使用時間和室內(nèi)外溫差的影響,反映到AC 中的具體表現(xiàn)為開機周期不同,利用占空比可知其處于開機狀態(tài)的概率MAC_on,iAC為:
由文獻[22]可知,利用近似聚合模型的聚合功率估計值與實際值相差誤差低于5%,因而可根據(jù)大數(shù)定律,獲得nAC個AC 的聚合功率WAC_sum()t為:
式中:WAC,iAC為第iAC個AC 的用電功率。
將式(11)代入式(13),并通過高等數(shù)學的不等式變化,獲得nAC個AC 聚合功率的上界和下界
由式(15)可知,集群AC 的最大降負荷能力僅由當前時刻室外溫度與空調溫度設定值決定。為評估AC 對用戶滿意度的影響,在此引入FangerPMV 熱舒適模型,由文獻[23]可知,當溫度為26 ℃時,PMV 值接近于零值,舒適度最高,而根據(jù)ISO7730 給定PMV 的取值可知,在PMV 為±0.5 時用戶處于最佳舒適度狀態(tài),此時相應室內(nèi)溫度為24.8 ℃~27.3 ℃,將其設定為初始溫度可調節(jié)裕度。
LA 基于所獲取的削峰時刻負荷預測信息以及電價信息參數(shù),制定日前投標競價策略。假設共有NT個時段需要削減負荷,有NLA個LA 進行投標競價參與DR。電力公司按照各時段t∈T(T={1,2,...,NT})的總體負荷削減量Lst和市場價格pt向LA 支付購電費用,其中,所有LA 在時段t的總體負荷削減量Lst為:
式中:Lst,nLA為第nLA個LA 在時段t的削減量,nLA∈N(N={1,2,…,NLA})。
市場價格與負荷水平呈顯著的線性關系[24]:
式中:Lt為LA 在時段t的預測負荷量;為價格負荷系數(shù);為常數(shù)項,均由電價歷史數(shù)據(jù)通過擬合而得,其中
當確定LA 削減量和市場價格后,可計算得出各個LA 在時段t內(nèi)從電網(wǎng)調節(jié)部門獲得的收益為PtLst,nLA。LA 通過與用戶簽訂合同,以補償費用換取負荷調節(jié)權,設λiLA(iLA=1,2,3)為負荷的補償費用,且滿足λ1<λ2<λ3。設第nLA個LA 的負荷削減量中3種負荷分別為,則LA 在時段t給用戶的補償費用為。LA 進行投標時,以最大化自身利潤Zpro為目標進行投標決策,即:
2.1 基本情況 發(fā)生排斥反應34例34眼,男29例,女5例,年齡14~81歲,平均(50.45±13.26)歲,出現(xiàn)排斥反應時間為術后(1.65±3.25)個月。
由式(17)可知,LA 的利潤不僅受到自身投標量Lst,nLA的影響,還與其他LA 的投標量有關,即LA 的最終決策會受其他參與者決策行為的影響,由此可知LA 的日前投標決策過程屬于非合作博弈[25]:
1)參與者:所有參與電力市場交易,進行日前投標競價的LA,nLA∈N(N={1,2,...,NLA})。
2)策略集合:參與投標競價的LA 上報至電網(wǎng)調節(jié)部門的負荷削減量Lst,nLA。
3)收益函數(shù):LA 的削峰時段總利潤Zpro,即:
式中:RnLA為第nLA個LA的策略集;為第nLA個LA 在時段NT內(nèi)的投標策略;為除nLA以外NLA-1個LA 的投標策略。
所有非合作博弈的參與者以追求自身利潤最大化為目的,在與其他參與者博弈競爭時,不斷調整自身投標策略,當任意參與者達到都不會改變投標策略的狀態(tài)時形成了納什均衡,則該決策集合為納什均衡點:
4.1.1 居民用戶及響應意愿度
假設某地區(qū)有15 000 個居民用戶,每個用戶配備1 個EV,WM 和AC,假設該地區(qū)共有3 個LA,均衡管轄該地區(qū)用戶,即每個LA 擁有5 000 個用戶。假設區(qū)域1,2,3 用戶的DR 參與率分別為0.90,0.80 和0.70。以夏季晚上18:00—次日6:00 為調控周期進行算例分析,調節(jié)顆粒度為15 min,共48個時段。
1)居民用戶分類?;凇吨袊y(tǒng)計年鑒2022》數(shù)據(jù),利用Matlab 進行數(shù)據(jù)仿真模擬,結合式(3)得出響應系數(shù),通過數(shù)據(jù)標準化處理后,對居民進行聚類分析,采用Calinski-Harabasz 指數(shù),確定最佳的分類組數(shù)為4。其中,家庭平均收入I分布呈現(xiàn)雙峰狀態(tài),適合混合高斯模型;家庭平均年齡A和家庭受教育程度E呈現(xiàn)隨機分布,最終聚類結果如圖2 所示。
圖2 居民用戶聚類分析Fig.2 Cluster analysis of resident users
2)用戶響應意愿度。基于圖2 的居民分類,以分時電價中平時段的電價作為用戶預期電價,通過式(1)可計算得出各時段用戶參與DR 的響應意愿度如圖3 所示。
圖3 居民用戶參與DR意愿度分布情況Fig.3 Distribution of willingness of resident users to participate in DR
在0:00—6:00 時段,電價低于用戶預期電價,用戶對DR 態(tài)度消極,其可調節(jié)范圍縮小,EV 充電響應潛力高,WM 可使用時段縮短,AC 溫度不愿被過多調節(jié);在6:00—10:00,15:00—18:00,22:00—24:00 時段,電價等于用戶預期電價,用戶參與DR意愿處于中立狀態(tài);在10:00—15:00,18:00—22:00時段,電價高于用戶預期電價,用戶對DR 態(tài)度積極,其可調節(jié)范圍擴大,EV 放電響應潛力高,WM 可使用時段增長,AC 溫度可適當調高。
4.1.2 LA負荷聚合商
1)考慮可調節(jié)潛力的典型用電電器響應結果。根據(jù)式(9)獲得各區(qū)域EV 負荷18:00—次日6:00時段的可調節(jié)潛力,如圖4(a)所示。其中,當可調節(jié)潛力為正值時,用戶有響應潛力,可進行負荷調節(jié);反之,需要LA 將負荷轉移到此時刻。同時,EV負荷的可調節(jié)潛力符合用戶響應意愿度,在18:00—24:00 時段,用戶參與DR 的態(tài)度積極,其放電響應潛力高,在21:00 時刻左右放電可調節(jié)潛力達到最大值,此刻區(qū)域1,2,3 的可調節(jié)潛力分別為11.782 0 MW,10.678 5 MW,9.497 0 MW;在1:00—6:00時段,用戶參與DR 的態(tài)度消極,其充電響應潛力高,在4:00 時刻左右充電可調節(jié)潛力達到最大值,此刻區(qū)域1、2、3 的可調節(jié)潛力分別為-10.043 5 MW,-8.656 5 MW,-7.310 0 MW。
圖4 各LA的EV,AC和WM負荷可調節(jié)潛力分布情況Fig.4 Adjustable potential distribution of EV,AC and WM load for each LA
根據(jù)式(15)和式(10)可獲得各區(qū)域AC 負荷18:00—次日6:00 時段的可調節(jié)潛力和WM 負荷18:00-23:00 時段的可調節(jié)潛力,分別如圖4(b)、圖4(c)所示。對于AC 負荷,當用戶響應意愿處于消極時段,溫度可調節(jié)范圍小,區(qū)域1,2,3 的可調節(jié)潛力分別為0.195 3 MW,0.160 7 MW,0.140 8 MW;當用戶參與DR 意愿處于中立時段,溫度調節(jié)需滿足用戶體感舒適需求;當用戶響應意愿處于積極時段,區(qū)域1,2,3 的可調節(jié)潛力分別為0.811 5 MW,0.726 8 MW,0.629 5 MW。對于WM 負荷,WM 的使用時間一般為17:00—22:00 時段,考慮可調節(jié)響應系數(shù),導致部分使用時間延伸至18:00—23:00 時段。
同時,對比3 種負荷的可調節(jié)潛力,明顯看出在相同條件下,EV 負荷的可調節(jié)潛力大于AC 和WM 負荷,這是因為前者對電價敏感,而后者中AC負荷直接與用戶用電舒適度有關,需長時間處于工作狀態(tài),而WM 負荷直接與用戶使用時間有關,開啟后不可暫停。
2)基于非合作博弈的日前投標決策。在求得3 個LA 的EV,AC 和WM 負荷可調節(jié)潛力后,利用非合作博弈理論求解最優(yōu)投標策略,得到各LA 在18:00—次日6:00 時段內(nèi)的計劃削減負荷量。其結果如圖5 所示。
圖5 LA各時段負荷削減量分布情況Fig.5 Distribution of load curtailment of load aggregator in each period
3 個區(qū)域內(nèi)的LA 總計劃削減量從18:00 時刻的4.192 3 MWh 下降至19:00 時刻的3.798 3 MWh,之后逐步上升至22:00 時的11.734 5 MWh,削減量與電網(wǎng)預測的峰時段負荷曲線趨勢一致,驗證了該模型的可行性。從圖5 中還可看出,LA 的負荷調節(jié)潛力和用戶DR 參與率與其投標量成正比,例如,區(qū)域1 的用戶DR 參與率最大,大部分時間段的投標量較大;而區(qū)域3 的用戶DR 參與度最小,大部分時間段內(nèi)的投標量較小。
因此,將電力交易市場中的現(xiàn)貨價格引入LA競標決策中,可以有效激勵LA 進行博弈和競爭。
3)LA 參與響應前后對比。經(jīng)過LA 的投標決策后,得到各時段的負荷削減總量,其調節(jié)后的負荷曲線如圖6 所示。結合圖5 可知,當可調節(jié)潛力為正值時,LA 具有降負荷的作用;當可調節(jié)潛力為負值,LA 具有負荷調節(jié)的作用。
圖6 優(yōu)化前后用電負荷對比Fig.6 Comparison of power load before and after optimization
為了更好地展現(xiàn)LA 參與響應后用電負荷的變化,在此引入峰谷差、峰谷差率、平均負荷、負荷率4個參數(shù)進行描述,其結果如下表1 所示。
表1 優(yōu)化前后用電負荷參數(shù)對比情況Table 1 Comparison of power load parameters before and after optimization
由表1 可知,優(yōu)化后的負荷峰谷差降低,峰谷差率減小,而平均負荷變化不大,說明LA 在電力市場中參與DR,具有較好的削峰填谷效果;同時,優(yōu)化后的負荷率增大,其設備利用程度提高,能較好地聚合零散用戶側資源。
同時,為了驗證本文提出的考慮用戶可調節(jié)潛力的LA 日前投標決策優(yōu)化模型的有效性,在此進行負荷調節(jié)潛力為額定功率10%的投標策略對比,用電滿意度通過文獻[26]的方法獲取。對比結果如表2 所示。
表2 LA利潤與用戶用電滿意度對比情況Table 2 Comparison of LA profits and users’power consumption satisfaction
從表2 可看出,未考慮用戶可調節(jié)潛力的LA總利潤會高于本文提出的考慮可調節(jié)潛力的LA 的總利潤,這是因為在未考慮用戶可調節(jié)潛力的場景下,LA 會以自身的利潤最大化為目標進行投標,因而其利潤較大,但兩者相差不大。但是,未考慮用戶可調節(jié)潛力的用電滿意度遠低于考慮用戶可調節(jié)潛力的用戶用電滿意度,這是因為在考慮用戶可調節(jié)潛力的場景下,將用戶響應意愿度和電器用能閾值度作為重要因素進行研究,可以提高其滿意度。
綜上所述,本文在兼顧LA 利潤的同時加強對用戶滿意度的考慮,其LA 日前投標決策優(yōu)化模型更加合理性和精準性,具有一定的實際參考意義。
本文建立了基于居民柔性負荷可調節(jié)潛力分析的LA 日前投標決策優(yōu)化模型,對EV,AC 和WM 負荷的可調節(jié)潛力進行了建模研究,有以下主要結論:
1)考慮用戶響應意愿度和電器用電閾值度,構建柔性負荷的可調節(jié)潛力模型,獲得各時段可調節(jié)潛力負荷量,有利于提高LA 日前投標決策模型的精準性。以本文算例為例,區(qū)域1 的EV 負荷在19:00 時刻的放電可調節(jié)潛力較小,僅為3.198 MW,因而最后的優(yōu)化負荷曲線中該時段負荷量變動較小。
2)LA 聚合居民柔性負荷的可調節(jié)潛力進行電力市場交易,提高了用戶的用電滿意度,達到了削峰填谷的作用,緩解了電力系統(tǒng)供需平衡的壓力。在本文所建立模型下,該電網(wǎng)峰谷差由30.566 8 MW降低到16.961 3 MW,用電滿意度由未考慮可調節(jié)潛力的0.84 提高到0.93。
3)電力調節(jié)部門通過引入市場電價機制來引導LA 進行日前投標博弈,有效保障了LA 和用戶的經(jīng)濟利益,激勵了柔性負荷資源積極參與電力市場調控。