蘭 威 陳飛雄

計(jì)及阻塞管理的虛擬電廠與配電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行策略

蘭 威 陳飛雄

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

新型配電網(wǎng)系統(tǒng)中，作為管理分布式資源的一種有效手段，虛擬電廠示范點(diǎn)開始集中涌現(xiàn)。多個(gè)虛擬電廠接入配電網(wǎng)后，若缺乏對(duì)內(nèi)部資源協(xié)調(diào)及配電網(wǎng)的引導(dǎo)機(jī)制，將導(dǎo)致虛擬電廠收益低下與配電網(wǎng)潮流越限的問題。對(duì)此，本文構(gòu)建虛擬電廠內(nèi)產(chǎn)消者互助的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享機(jī)制，并以電價(jià)引導(dǎo)方式建立虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行模型。首先，虛擬電廠內(nèi)采用分布式方法協(xié)調(diào)各類型產(chǎn)消者的電能管理，并求得對(duì)外與配電網(wǎng)的交互策略；同時(shí)，配電網(wǎng)基于拉格朗日乘子得到阻塞價(jià)格引導(dǎo)各虛擬電廠調(diào)整交互策略，實(shí)現(xiàn)在多虛擬電廠接入場(chǎng)景下的安全運(yùn)行。最后，經(jīng)算例驗(yàn)證表明，本文方法能兼顧配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)性。

配電網(wǎng)；分布式資源；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享；虛擬電廠；阻塞管理

0 引言

在“碳中和”的愿景下，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)型，分布式資源（distributed energy resources, DERs）在配用電側(cè)大規(guī)模部署，致力于構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1]。小規(guī)模DERs的高滲透率及其多元化特征增加了用戶的靈活性[2]，有助于減少以煤炭燃料為主的傳統(tǒng)發(fā)電量，進(jìn)而有效抑制溫室氣體的排放，但也引發(fā)了可控性降低、不確定性增大等問題。對(duì)此，為解決配電網(wǎng)難以調(diào)度小規(guī)模DERs的難題[3]，虛擬電廠（virtual power plant, VPP）的概念被提出，其基于不同分布式資源的時(shí)空互補(bǔ)特性，整合源荷儲(chǔ)資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度[4-5]。

目前，針對(duì)虛擬電廠的研究主要圍繞虛擬電廠內(nèi)優(yōu)化管理及虛擬電廠參與電網(wǎng)的市場(chǎng)與調(diào)控展開。虛擬電廠優(yōu)化管理方面，主要以高效聚合DERs為目標(biāo)設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)管理機(jī)制[6]。不少學(xué)者基于虛擬電廠管控的資源特征，將虛擬電廠分為電源型和需求響應(yīng)型[7-8]。然而，管控資源類型單一化存在調(diào)度局限性問題，使區(qū)域內(nèi)可再生能源（renewable energy sources, RES）缺乏多樣化消納途徑，且無法以源荷雙重身份協(xié)同配電網(wǎng)運(yùn)行。隨著分布式資源類型的增多，應(yīng)積極提高虛擬電廠聚合資源的多樣性，以此促進(jìn)區(qū)域內(nèi)電能的自給自足。

此外，在協(xié)調(diào)分布式資源的運(yùn)行方式中，得益于共享經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源共享與交易模式在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度領(lǐng)域開始逐步應(yīng)用[9]。有學(xué)者將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)共享方式用于挖掘蓄電池在能源社區(qū)中的靈活性[10]。文獻(xiàn)[11]以隨機(jī)博弈成本最小化為目標(biāo)，提出一種基于電能共享的微電網(wǎng)模型。此外，在智能樓宇的電能優(yōu)化管理中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享方式有助于提升樓宇群的集體收益[12]。但是文獻(xiàn)[10-11]采用集中管理策略，未充分考慮產(chǎn)消者對(duì)隱私安全的擔(dān)憂?；谏鲜霰尘埃疚难芯康奶摂M電廠包含多數(shù)量、多類型的DERs，對(duì)外能呈現(xiàn)較大范圍的出力特性，同時(shí)通過內(nèi)部各類產(chǎn)消者的互通互濟(jì)，提升區(qū)域內(nèi)可再生能源的消納能力，因而將其定義為綜合型虛擬電廠。

針對(duì)虛擬電廠參與電網(wǎng)市場(chǎng)與調(diào)控方面，許多學(xué)者將管理VPP運(yùn)行的代理商與電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商視為兩類主體。VPP與配電網(wǎng)系統(tǒng)交互時(shí)，不但要對(duì)自身管理的DERs進(jìn)行優(yōu)化，還需要兼顧配電網(wǎng)安全運(yùn)行約束，從而實(shí)現(xiàn)雙方相輔相成的協(xié)同優(yōu)化[13-14]。文獻(xiàn)[15]在多時(shí)間尺度層面研究主動(dòng)配電網(wǎng)對(duì)多個(gè)用戶的協(xié)調(diào)調(diào)度方式。但是上述文獻(xiàn)更多考慮配電網(wǎng)的直接控制方式，即配電網(wǎng)下發(fā)調(diào)度指令，用戶作為接收方被動(dòng)執(zhí)行，這種控制交互方式通常是單向的，不利于用戶響應(yīng)的積極性。隨著購(gòu)售電側(cè)市場(chǎng)的改革，配電網(wǎng)逐步轉(zhuǎn)向多資源主體并存的運(yùn)行方式，因此能源交互機(jī)制被提出，核心方法是以價(jià)值為導(dǎo)向[16]，通過經(jīng)濟(jì)手段引導(dǎo)并調(diào)整配電網(wǎng)中各主體的運(yùn)營(yíng)策略。文獻(xiàn)[17]表明在時(shí)域?qū)用?，通過電價(jià)能反映不同時(shí)刻系統(tǒng)供需情況；文獻(xiàn)[18]考慮電能交互成本、損耗成本及阻塞成本，從空間層面出發(fā)，得到電網(wǎng)中不同區(qū)域的電價(jià)，反映各區(qū)域?qū)ο到y(tǒng)資源的利用情況；文獻(xiàn)[19]指出采用直流潮流研究節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)具有足夠的精度。但是上述文獻(xiàn)大多針對(duì)配電網(wǎng)中的小型主體，對(duì)具有更大調(diào)控性能的多個(gè)虛擬電廠接入的場(chǎng)景研究較少。為此，在不同調(diào)度時(shí)段內(nèi)，本文基于直流潮流計(jì)算各時(shí)刻的阻塞價(jià)格，引導(dǎo)各虛擬電廠自主調(diào)整與配電網(wǎng)的交互計(jì)劃，從而緩解載荷過重線路的壓力。

綜上所述，研究新型配電系統(tǒng)中VPP的能量管理方案與多VPP參與配電網(wǎng)的運(yùn)行策略尤顯迫切[20]。對(duì)此，本文面向含有大規(guī)模DERs的綜合型虛擬電廠，研究?jī)?nèi)部DERs的電能管理方式及與配電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行策略。首先，考慮綜合型虛擬電廠中產(chǎn)消者的差異化特征，建立三類典型產(chǎn)消者資源模型，基于一致性交替方向乘子法（consensus alternating direction method of multipliers, C-ADMM）在產(chǎn)消者間實(shí)行分布式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享模式，以盈缺電能互助促進(jìn)虛擬電廠內(nèi)電能的自給自足；同時(shí)，考慮多虛擬電廠接入配電網(wǎng)可能引發(fā)的潮流越限問題，基于阻塞價(jià)格更新分時(shí)電價(jià)，進(jìn)而引導(dǎo)虛擬電廠調(diào)整最優(yōu)出力策略，協(xié)助配電網(wǎng)安全運(yùn)行，為當(dāng)前多虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度提供解決方案。

1 綜合型VPP分布式管理模型

虛擬電廠的管理以與電網(wǎng)系統(tǒng)的友好互動(dòng)為前提。對(duì)于單個(gè)綜合型VPP，基于電力網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)的相互連接，其管轄了多種類型的產(chǎn)消者，通過積極協(xié)調(diào)分布式資源不僅能滿足內(nèi)部電能平衡，還能對(duì)外參與和電網(wǎng)的功率交互。綜合型VPP可以視為各類型產(chǎn)消者結(jié)盟所形成的組織，為進(jìn)一步促進(jìn)聯(lián)盟內(nèi)部成員的互惠互利，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享的運(yùn)營(yíng)模式。基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享方式，具有電能盈虧的產(chǎn)消者間可以率先以電能無償共享進(jìn)行互助，減少向聯(lián)盟外部的電網(wǎng)購(gòu)買電能，從而實(shí)現(xiàn)綜合型VPP全聯(lián)盟的福利最大化。綜合型VPP內(nèi)的能量管理系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖1所示。

在分布式電能優(yōu)化過程中，綜合型VPP代理商是產(chǎn)消者間，以及產(chǎn)消者和外部配電網(wǎng)交互信息的中介平臺(tái)，結(jié)合配電網(wǎng)價(jià)格信息及各產(chǎn)消者提交的期望對(duì)外共享電能信息，協(xié)調(diào)優(yōu)化產(chǎn)消者間的共享電能及和配電網(wǎng)的購(gòu)售電能，接著將協(xié)調(diào)結(jié)果發(fā)布給各產(chǎn)消者進(jìn)行下一輪的優(yōu)化，通過產(chǎn)消者期望電能和代理商協(xié)調(diào)電能的迭代更新，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)消者間電能管理的平衡。

圖1 綜合型虛擬電廠內(nèi)能量管理系統(tǒng)

本節(jié)首先對(duì)產(chǎn)消者資源建模，進(jìn)而研究綜合型VPP在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享模式下的分布式管理模型。

1.1 產(chǎn)消者資源建模

本文提出的綜合型VPP管理模型主要圍繞住宅園區(qū)、辦公園區(qū)及商業(yè)園區(qū)三種類型產(chǎn)消者展開研究。各園區(qū)產(chǎn)消者所管理的分布式資源可歸納為：住宅園區(qū)產(chǎn)消者主要包括光伏（photovoltaic, PV）、風(fēng)電（wind power, WP）、電動(dòng)汽車（electric vehicle, EV）及小型家用儲(chǔ)能；辦公園區(qū)產(chǎn)消者配置高比例光-儲(chǔ)系統(tǒng)、EV及部分工業(yè)發(fā)用電設(shè)備；商業(yè)園區(qū)產(chǎn)消者包含儲(chǔ)能系統(tǒng)（engery storage system, ESS）、EV、大量PV、WP及商業(yè)用電負(fù)荷。由于能量調(diào)度管理是根據(jù)內(nèi)部不可控資源的預(yù)測(cè)信息，制定可控資源的調(diào)度計(jì)劃，此處將分布式資源模型按照可控制性進(jìn)行分類。

1）可控分布式資源

（1）燃?xì)鈾C(jī)組

燃?xì)鈾C(jī)組的成本函數(shù)通常表示為二次函數(shù)，即

式中：分別為成本函數(shù)的二次與一次項(xiàng)系

率不能跳變，則有

（2）儲(chǔ)能系統(tǒng)

（3）電動(dòng)汽車集群

電動(dòng)汽車并網(wǎng)進(jìn)行充放電時(shí)需要考慮其蓄電池的充放電功率約束、容量約束及結(jié)束充電周期后需要滿足EV的電量需求，即

2）不可控分布式資源

因此，時(shí)刻，風(fēng)電和光伏發(fā)電的棄風(fēng)棄光成本為

1.2 綜合型VPP管理模型

綜合型VPP以總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享的運(yùn)行模式。

1）目標(biāo)函數(shù)

2）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享模式的能量平衡約束

綜合型VPP中，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)共享模式下產(chǎn)消者需要滿足電能平衡約束，即

對(duì)于綜合型VPP代理商，其內(nèi)部采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享運(yùn)行模式，所有產(chǎn)消者間流入與送出的共享電能之和應(yīng)相等，即

此外，式（12）表示時(shí)段綜合型VPP中所有產(chǎn)消者完成內(nèi)部?jī)?yōu)化管理后，通過VPP代理商和電網(wǎng)購(gòu)售盈缺電量。

3）VPP內(nèi)電能傳輸容量約束

考慮到線路容量的限制，VPP內(nèi)產(chǎn)消者所傳輸?shù)墓β时仨毿∮诰€路允許的最大功率，即

當(dāng)VPP內(nèi)進(jìn)行電能優(yōu)化調(diào)度后，根據(jù)整體電能盈虧情況，需要進(jìn)一步通過并網(wǎng)線路和配電網(wǎng)進(jìn)行電能交互。因此，VPP和配電網(wǎng)傳輸功率大小必須低于并網(wǎng)點(diǎn)所允許的最大功率，即

綜上所述，綜合型VPP中，待優(yōu)化的決策變量為燃?xì)鈾C(jī)組出力、電動(dòng)汽車集群充放電量、儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電量、風(fēng)光發(fā)電消納量、產(chǎn)消者間共享電能出力，以及和配電網(wǎng)購(gòu)售的功率。

1.3 基于C-ADMM的綜合型VPP管理方法

上述的綜合型VPP管理模型可采用集中式求解得到最優(yōu)策略，但要求所有產(chǎn)消者將各自管轄的設(shè)備參數(shù)上報(bào)給VPP代理商。對(duì)VPP代理商而言，其整合的分布式資源種類多且數(shù)量大，采用集中式管理增加計(jì)算負(fù)擔(dān)，影響決策效率；另一方面，對(duì)于產(chǎn)消者用戶，提交設(shè)備信息將引發(fā)隱私安全的擔(dān)憂。對(duì)此，基于交替方向乘子法（alternating direction method of multipliers, ADMM）的分布式求解方法已有廣泛應(yīng)用。考慮到標(biāo)準(zhǔn)型ADMM采用的是異步更新，不利于在多個(gè)主體間進(jìn)行協(xié)同控制，本文在綜合型VPP中采用一種C-ADMM方法[21]。

對(duì)于優(yōu)化問題式（15），引入二次懲罰項(xiàng)構(gòu)造增廣拉格朗日函數(shù)，即

2 虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度模型

在虛擬電廠接入的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，存在著虛擬電廠代理商與配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商多個(gè)主體，其調(diào)度對(duì)象互不相同。對(duì)此，本文提出一種多虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行策略。綜合型虛擬電廠與配電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行架構(gòu)如圖2所示，綜合型虛擬電廠基于配電網(wǎng)歷史價(jià)格信息預(yù)測(cè)得到初始分時(shí)電價(jià)，通過電能共享方式協(xié)調(diào)內(nèi)部產(chǎn)消者資源得到和配電網(wǎng)最優(yōu)的購(gòu)售交互功率計(jì)劃；接著，根據(jù)各虛擬電廠代理商上報(bào)的交互功率，配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商考慮系統(tǒng)的功率平衡及線路容量約束計(jì)算供需平衡價(jià)格和阻塞價(jià)格，并將兩者之和作為更新的分時(shí)電價(jià)下發(fā)給各虛擬電廠代理商，各虛擬電廠繼而響應(yīng)電價(jià)并積極調(diào)整相應(yīng)的交互功率計(jì)劃。

圖2 綜合型虛擬電廠與配電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行架構(gòu)

2.1 配電網(wǎng)的調(diào)度模型

配電網(wǎng)的調(diào)度目標(biāo)是在滿足運(yùn)行約束的前提下，基于各綜合型VPP的最優(yōu)出力策略，使配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度成本最小化。由于各綜合型VPP通過不同節(jié)點(diǎn)接入配電網(wǎng)系統(tǒng)，為便于分析虛擬電廠交互計(jì)劃對(duì)配電網(wǎng)潮流分布的影響，引入功率傳輸分布因子，通過式（21）映射電網(wǎng)中支路的直流潮流與各節(jié)點(diǎn)注入功率的關(guān)系。

為保證配電網(wǎng)的安全運(yùn)行，各支路潮流應(yīng)不超過線路容量限制；對(duì)此，基于直流潮流構(gòu)建含多個(gè)VPP接入的配電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化模型，即

2.2 綜合型虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化模型

接著，根據(jù)接收的分時(shí)購(gòu)售電價(jià)，各綜合型VPP基于目標(biāo)函數(shù)式（28），采用式（18）～式（19）的方法協(xié)調(diào)內(nèi)部產(chǎn)消者進(jìn)行分布式優(yōu)化，求得與配電網(wǎng)的最新交互功率。

2.3 基于阻塞管理的協(xié)同優(yōu)化模型求解

配電網(wǎng)的阻塞管理，可以通過更新含有阻塞價(jià)格的分時(shí)電價(jià)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而引導(dǎo)多個(gè)綜合型VPP和配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商間的友好互動(dòng)。為兼顧虛擬電廠主體的經(jīng)濟(jì)性和配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，將協(xié)同優(yōu)化模型分解為兩類主體的優(yōu)化問題。

基于上述的協(xié)同優(yōu)化策略，配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商與綜合型VPP兩主體通過“交互功率-分時(shí)電價(jià)”的信息進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，直到配電網(wǎng)的潮流運(yùn)行在線路允許范圍內(nèi)，此時(shí)即得到綜合型VPP與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果?；谧枞芾淼木C合型VPP與配電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化求解流程如圖3所示。

圖3 基于阻塞管理的綜合型VPP與配電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化流程

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置及策略設(shè)置

為了驗(yàn)證本文調(diào)度方法效果，在Matlab 2018b平臺(tái)用YALMIP工具箱建模，調(diào)用GUROBI9.2求解器求解。模型及參數(shù)設(shè)置如下。

為了更明顯地觀察點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享運(yùn)行模式下，綜合型VPP內(nèi)不同產(chǎn)消者的優(yōu)化策略，VPP內(nèi)配置了住宅園區(qū)型、辦公園區(qū)型和商業(yè)園區(qū)型三類典型產(chǎn)消者。圖4為三類產(chǎn)消者的日常固定負(fù)荷分布，負(fù)荷特性差異明顯。產(chǎn)消者1和2在白天到晚上23:00前均呈現(xiàn)較高的用電需求；產(chǎn)消者3由于存在工業(yè)負(fù)荷，夜間負(fù)荷水平始終較高。圖5為每個(gè)產(chǎn)消者都具有以風(fēng)光發(fā)電為代表的RES單元，RES的種類和出力大小具有互補(bǔ)特性。

在可控分布式資源配置方面，每個(gè)產(chǎn)消者均包含了以燃?xì)鈾C(jī)組為代表的分布式電源、EV停車場(chǎng)和小型家用及工業(yè)儲(chǔ)能。其中燃?xì)廨啓C(jī)的最大出力為400kW，爬坡功率為100kW；EV集群和儲(chǔ)能系統(tǒng)配置參考文獻(xiàn)[8, 22]。

圖4 VPP內(nèi)產(chǎn)消者負(fù)荷預(yù)測(cè)值

圖5 VPP內(nèi)產(chǎn)消者風(fēng)光出力預(yù)測(cè)值

3.2 基于電能共享的綜合型VPP調(diào)度情況

為研究綜合型VPP在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享模式下的經(jīng)濟(jì)性，首先分析內(nèi)部三類產(chǎn)消者的電能平衡策略。在電能共享運(yùn)行模式下，圖6～圖8分別展示了綜合型VPP中三類產(chǎn)消者的分布式資源出力、產(chǎn)消者之間及產(chǎn)消者和電網(wǎng)的共享與購(gòu)售功率情況。上下對(duì)稱的出力圖表征每個(gè)產(chǎn)消者均可滿足電能供需平衡。首先分析點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下產(chǎn)消者的電能管理方式。在凌晨時(shí)段負(fù)荷水平較低，電價(jià)水平低，風(fēng)光發(fā)電成本可忽略不計(jì)，因此產(chǎn)消者主要調(diào)用風(fēng)電和部分燃?xì)鈾C(jī)組出力即可實(shí)現(xiàn)電能平衡，同時(shí)產(chǎn)消者1和3之間通過共享電能，進(jìn)一步減少了燃?xì)鈾C(jī)組的出力，使發(fā)電成本降低，ESS和EV選擇在此時(shí)段充電；在上午9～10時(shí)段及晚間19～22時(shí)段，商業(yè)負(fù)荷逐步增加，產(chǎn)消者2的可再生能源出力無法滿足用電需求，此時(shí)產(chǎn)消者3風(fēng)光資源較為充足，在滿足自身平衡基礎(chǔ)上將多余電能送給產(chǎn)消者2，減少了產(chǎn)消者2的發(fā)用電成本。

圖6 產(chǎn)消者1功率平衡情況

圖7 產(chǎn)消者2功率平衡情況

圖8 產(chǎn)消者3功率平衡情況

在午間時(shí)段購(gòu)售電價(jià)最高，因此各產(chǎn)消者選擇多售電并盡可能減少購(gòu)電，因此燃?xì)鈾C(jī)組處于最大出力狀態(tài)，風(fēng)光發(fā)電通過自消納和共享平衡后，其余均出售給電網(wǎng)；18～22時(shí)段為晚間用電高峰時(shí)期，光伏發(fā)電量為0，由于向電網(wǎng)的購(gòu)電價(jià)格較高，主要優(yōu)先依靠燃?xì)廨啓C(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)供電。

為分析綜合型VPP采用電能共享運(yùn)行模式的優(yōu)勢(shì)，與獨(dú)立運(yùn)行模式（產(chǎn)消者間不進(jìn)行電能共享）的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。圖9對(duì)兩種運(yùn)行模式下產(chǎn)消者2的儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)情況進(jìn)行分析，通過觀察發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的差別主要出現(xiàn)在上午的9～10時(shí)段及晚間18～22時(shí)段。

圖9 不同運(yùn)行模式下產(chǎn)消者2的儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)

在上午9～10時(shí)段，產(chǎn)消者2在獨(dú)立運(yùn)行模式下光伏出力有限因此需要儲(chǔ)能放電以滿足平衡，而在電能共享模式下，風(fēng)光資源豐富的產(chǎn)消者3將盈余的電能補(bǔ)給于產(chǎn)消者2，因此無需儲(chǔ)能出力，能在一定程度上減少儲(chǔ)能頻繁充放帶來的壽命損耗；在晚間18～22時(shí)段是用電高峰期，并且產(chǎn)消者2未配置風(fēng)機(jī)，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)在獨(dú)立運(yùn)行模式下持續(xù)呈現(xiàn)最大放電狀態(tài)，并且還需以峰值價(jià)格向配電網(wǎng)購(gòu)電，相比之下，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享模式，產(chǎn)消者2能夠和風(fēng)電充足的產(chǎn)消者1與3進(jìn)行電能互濟(jì)，避免了高價(jià)購(gòu)電的成本。

接著，為驗(yàn)證分布式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享模式下VPP的經(jīng)濟(jì)效益，首先對(duì)VPP運(yùn)行的迭代情況進(jìn)行分析?；贑-ADMM的綜合型VPP運(yùn)行成本迭代過程如圖10所示，C-ADMM迭代過程的原始與對(duì)偶?xì)埐钭兓闆r如圖11所示。從圖10和圖11可得，基于C-ADMM方法，當(dāng)?shù)M(jìn)行82輪后可滿足式（20）的收斂判據(jù)，即得到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享模式的最優(yōu)運(yùn)行成本。上述過程僅需通過互相傳遞共享電能及與配電網(wǎng)購(gòu)售電能的信息來完成，減輕了集中式調(diào)度下VPP代理商的運(yùn)算壓力。

圖10 基于C-ADMM的綜合型VPP運(yùn)行成本迭代過程

圖11 C-ADMM迭代過程的原始與對(duì)偶?xì)埐钭兓闆r

表1為綜合型VPP采用分布式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享模式的運(yùn)行成本，并和集中式電能共享及產(chǎn)消者獨(dú)立運(yùn)行模式的成本進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)在調(diào)度周期內(nèi)，電能共享模式的VPP總運(yùn)行成本更具經(jīng)濟(jì)性。這是由于在獨(dú)立運(yùn)行模式下，產(chǎn)消者間無法進(jìn)行電能互助，只能各自通過VPP代理商和電網(wǎng)交互，使全體產(chǎn)消者從電網(wǎng)購(gòu)入的電能增多，故VPP總運(yùn)行成本升高。此外，在同樣采用電能共享模式下，分布式和集中式優(yōu)化調(diào)度成本基本相同，偏差僅為0.04%。故在滿足最優(yōu)成本的前提下，采用分布式優(yōu)化調(diào)度可以有效保護(hù)產(chǎn)消者隱私。

表1 綜合型VPP不同運(yùn)行模式下優(yōu)化成本對(duì)比

3.3 多虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化結(jié)果分析

1）場(chǎng)景設(shè)置

考慮到VPP接入配電網(wǎng)所帶來的潮流越限問題，需進(jìn)一步研究VPP對(duì)外與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化策略，算例采用含3個(gè)綜合型VPP的IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，如圖12所示。

圖12 含3個(gè)綜合型VPP的IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

為便于分析不同區(qū)域VPP對(duì)系統(tǒng)的影響，3個(gè)綜合型VPP采用相同配置，分別接在11、24、31節(jié)點(diǎn)，配電網(wǎng)的線路容量為1 500kW[23]。系統(tǒng)中各時(shí)段的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷分布參考文獻(xiàn)[24]，可調(diào)度機(jī)組分布于18、22、25、33節(jié)點(diǎn)，機(jī)組參數(shù)見表2。

表2 配電網(wǎng)可調(diào)度機(jī)組參數(shù)

此外，當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組和虛擬電廠出力無法滿足供需平衡時(shí)，配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商（DSO）可以向根節(jié)點(diǎn)1所連的上級(jí)大電網(wǎng)購(gòu)買缺額電量。協(xié)同優(yōu)化的調(diào)度周期為24h，由于研究重點(diǎn)為虛擬電廠與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化方法，故不考慮風(fēng)光預(yù)測(cè)的不確定性。

2）協(xié)同優(yōu)化結(jié)果分析

對(duì)于含有3個(gè)VPP的配電網(wǎng)系統(tǒng)，通過配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度分析得到如圖13所示的各時(shí)段下32條支路的潮流分布情況。圖13中點(diǎn)劃線框處表示發(fā)生了潮流越限，可以發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化的阻塞管理時(shí)，位于11節(jié)點(diǎn)的綜合型VPP1和配電網(wǎng)交互會(huì)引發(fā)支路10的潮流越限問題。對(duì)此，以綜合型VPP1為重點(diǎn)研究對(duì)象，分析在含阻塞費(fèi)用分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)下，VPP與配電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化結(jié)果。

圖13 阻塞管理前含多VPP的配電網(wǎng)潮流分布

圖14為施加了阻塞費(fèi)用前后的電價(jià)變化情況，通過觀察可知在午間11～12時(shí)段、晚間18時(shí)段與23～24時(shí)段，VPP1與配電網(wǎng)的購(gòu)售分時(shí)電價(jià)均受到阻塞價(jià)格的影響，即此時(shí)VPP1的購(gòu)售功率引發(fā)了系統(tǒng)中線路潮流越限。對(duì)此，配電網(wǎng)施加阻塞價(jià)格使VPP1分時(shí)售電價(jià)格降低，以此引導(dǎo)VPP1減少售電功率；根據(jù)更新的電價(jià)，VPP1重新調(diào)整內(nèi)部產(chǎn)消者資源的出力，以配合配電網(wǎng)安全運(yùn)行。

圖14 VPP1與配電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)變化

為進(jìn)一步分析VPP1與配電網(wǎng)的協(xié)同方式，圖15為配電網(wǎng)阻塞管理前后VPP1產(chǎn)消者資源相應(yīng)的協(xié)同優(yōu)化結(jié)果。在VPP1與配電網(wǎng)的購(gòu)售交互功率中，產(chǎn)消者3所占比例最大，故選取產(chǎn)消者3分析VPP與配電網(wǎng)協(xié)同的資源優(yōu)化調(diào)度策略。對(duì)比圖15（a）與圖15（b）可知，阻塞管理前在午間11～12時(shí)段、晚間18時(shí)段與23～24時(shí)段，由于風(fēng)光發(fā)電充足且分時(shí)電價(jià)處于峰值，產(chǎn)消者3為獲利積極向配電網(wǎng)出售電能；同時(shí)配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)10負(fù)荷較大，VPP1通過支路10傳送的潮流超過了線路容量，影響了配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。對(duì)此，配電網(wǎng)施加阻塞費(fèi)用使VPP1的售電價(jià)格有所降低，觀察圖15（b）阻塞管理后產(chǎn)消者3的資源優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，發(fā)現(xiàn)VPP1中產(chǎn)消者3基于最新售電價(jià)格相應(yīng)地削減了對(duì)外出售功率，主要通過減少相應(yīng)時(shí)段燃?xì)鈾C(jī)組和儲(chǔ)能的出力完成；同時(shí)，產(chǎn)消者3選擇在其他時(shí)段如上午9時(shí)段、下午19～20時(shí)段及22時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)能放電，減少燃?xì)鈾C(jī)組出力的同時(shí)還能售出部分電能獲利。綜上，通過含阻塞費(fèi)用分時(shí)電價(jià)的引導(dǎo)，VPP1能夠積極協(xié)同配合，調(diào)整內(nèi)部產(chǎn)消者資源的最優(yōu)出力，以緩解配電網(wǎng)的線路阻塞情況。

圖15 配電網(wǎng)阻塞管理前后產(chǎn)消者3的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

通過VPP與配電網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行，圖16為支路10在調(diào)度周期各時(shí)段內(nèi)進(jìn)行阻塞管理前后的潮流變化情況，可以看見未進(jìn)行阻塞管理時(shí)支路10在午間11～12時(shí)段、晚間18時(shí)段與23～24時(shí)段均會(huì)由于VPP1大量售電而引發(fā)線路阻塞；通過虛擬電廠與配電網(wǎng)兩主體間進(jìn)行“購(gòu)售功率-分時(shí)電價(jià)”的信息交互，配電網(wǎng)基于阻塞費(fèi)用更新分時(shí)電價(jià)，虛擬電廠配合電價(jià)進(jìn)行購(gòu)售功率調(diào)整，如圖16（b）所示，支路10的潮流越限問題得到了有效緩解，反映了虛擬電廠與配電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化方式的重要性。從經(jīng)濟(jì)效益方面，表3對(duì)比了綜合型VPP1在兩種運(yùn)行模式下與配電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)成本，從表3可知，在本文采用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)共享模式下，虛擬電廠的運(yùn)行成本比獨(dú)立運(yùn)行方式更低，有利于虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

圖16 支路10阻塞管理前后各時(shí)段潮流變化

表3 協(xié)同優(yōu)化后綜合型VPP1不同運(yùn)行模式成本對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出了一種考慮阻塞管理的虛擬電廠與配電網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化方法。面向聚合了多類型產(chǎn)消者的綜合型虛擬電廠，內(nèi)部采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享機(jī)制進(jìn)行分布式管理；對(duì)外與配電網(wǎng)基于購(gòu)售交互功率和分時(shí)電價(jià)信息進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，通過算例分析，得到以下結(jié)論：

1）通過綜合型虛擬電廠整合具有互補(bǔ)特性的多類型產(chǎn)消者，有利于降低單一小規(guī)模產(chǎn)消者的調(diào)度局限性；在產(chǎn)消者間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電能共享運(yùn)行模式，通過虛擬電廠內(nèi)電能的互惠互助，有利于可再生能源消納，并能提升虛擬電廠全聯(lián)盟經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，利用分布式控制方法，可在不影響經(jīng)濟(jì)性的前提下保護(hù)產(chǎn)消者隱私安全。

2）基于含阻塞費(fèi)用分時(shí)電價(jià)及購(gòu)售功率的信息交互，在多時(shí)段下以電價(jià)引導(dǎo)各虛擬電廠調(diào)整出力，有效緩解了配電網(wǎng)中潮流越限的問題，從而實(shí)現(xiàn)多虛擬電廠與配電網(wǎng)的友好協(xié)同互動(dòng)。

下一步工作將圍繞計(jì)及配電網(wǎng)安全運(yùn)行的多虛擬電廠點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易機(jī)制展開研究。

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Cooperative operation strategy of distribution network and virtual power plants considering congestion management

LAN Wei CHEN Feixiong

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

In the modern distribution system, as an effective method to manage distributed resources, the pilot projects of virtual power plant (VPP) are springing up. Multiple VPPs have accessed to the distribution network. Lacking of effective method to coordinate internal resources and guidance of distribution network may bring problems of low income and power flow off-limit. Therefore, a peer-to-peer electricity sharing mechanism is applied in VPP, and a cooperative operation model between VPP and distribution network is established. Firstly, based on the complementary characteristics of multiple prosumers integrated in VPP, a distributed optimization is adopted to manage the interaction strategy with the distribution network. In the distribution network, to ensure the safety operation with multiple VPPs, the congestion management price is obtained based on the Lagrange multiplier to guide the VPPs to adjust their scheduling strategy. The simulation results show that the proposed method can ensure the safety of distribution network operation and the economy of VPPs operation.

distribution network; distributed energy resources; peer-to-peer electricity sharing; virtual power plant; congestion management

2022-02-16

2022-03-15

蘭 威（1997—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樘摂M電廠的分布式控制。

福州大學(xué)科研啟動(dòng)基金（510773）

福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（JAT190039）