任洪波,王楠,吳瓊,時(shí)珊珊,方陳,萬莎

(1. 上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海市 200082;2. 國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院,上海市 200437)

0 引 言

隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的快速推進(jìn),可再生能源愈發(fā)受到關(guān)注[1]。然而,可再生能源具有間歇性和波動(dòng)性等特點(diǎn),導(dǎo)致電力供給側(cè)與負(fù)荷側(cè)疊加波動(dòng),系統(tǒng)穩(wěn)定性面臨巨大挑戰(zhàn)[2]。需求響應(yīng)可充分利用負(fù)荷側(cè)靈活性資源,主動(dòng)適應(yīng)供給側(cè)出力,從而為電力系統(tǒng)的靈活調(diào)度打開新的局面[3]。然而,單個(gè)需求側(cè)資源由于體量限制,存在彈性水平較低、可調(diào)容量較小等問題,很難獨(dú)立參與需求響應(yīng)。負(fù)荷聚合商(load aggregator,LA)應(yīng)運(yùn)而生,可針對(duì)不同類型用戶,評(píng)估其可調(diào)節(jié)潛力,并整合分散響應(yīng)資源參與電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)度[4]。

目前,國內(nèi)外有關(guān)LA的研究主要集中在優(yōu)化運(yùn)營和市場競爭策略[5-6]。文獻(xiàn)[7]通過LA聚合需求側(cè)電動(dòng)汽車可調(diào)控資源與電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng),提出了考慮響應(yīng)可靠性的時(shí)空雙層調(diào)度模型,為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)。文獻(xiàn)[8]通過LA聚集用戶側(cè)空調(diào)和電動(dòng)汽車等靈活性資源,提出了考慮分布式電源運(yùn)營商在內(nèi)的多主體優(yōu)化運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[9]通過LA聚集居民用戶側(cè)柔性負(fù)荷資源,提出考慮負(fù)荷類型細(xì)分和非合作博弈的LA日前投標(biāo)模型。文獻(xiàn)[10]通過LA聚合需求響應(yīng)負(fù)荷,提出了考慮用戶偏好和LA收益的主從博弈模型。然而,上述研究只考慮了單個(gè)LA為主體參與電力市場的響應(yīng)策略和運(yùn)行調(diào)度。雖然文獻(xiàn)[11]通過LA聚合不同類型用戶的柔性負(fù)荷,提出了考慮用戶用電特性差異的合作聯(lián)盟運(yùn)營模型,但如何利用不同類型用戶的負(fù)荷特性差異深度參與需求響應(yīng)尚待研究;同時(shí),各LA之間由于合作而產(chǎn)生的成本分?jǐn)倖栴}亟待解決,聯(lián)盟穩(wěn)定性難以保證。

另一方面,文獻(xiàn)[12]針對(duì)工業(yè)用戶提出了考慮階梯型碳交易機(jī)制和不同購電來源的綜合需求響應(yīng)策略。文獻(xiàn)[13]將碳交易與綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃相結(jié)合,以碳交易和系統(tǒng)投資運(yùn)行成本最小為目標(biāo),構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)能源站規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[14]將電動(dòng)汽車作為靈活性調(diào)控資源,建立了考慮碳交易機(jī)制和電動(dòng)汽車充電負(fù)荷調(diào)節(jié)比例的綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[15]為實(shí)現(xiàn)園區(qū)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,建立了基于價(jià)格型需求響應(yīng)策略和階梯型碳交易機(jī)制的綜合能源系統(tǒng)日前低碳優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[16]探討了考慮氫能和階梯式碳交易機(jī)制的綜合能源系統(tǒng)柔性運(yùn)行機(jī)制。然而,上述研究未考慮同時(shí)賦予負(fù)荷聚合商碳交易集成商的角色,使得碳交易市場和電力市場相互決裂,無法實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)并達(dá)到兩者間協(xié)同優(yōu)化的目的。

為充分挖掘基于不同類型用戶負(fù)荷互補(bǔ)特性的需求響應(yīng)潛力,本文結(jié)合碳交易市場,提出一種考慮獎(jiǎng)懲階梯型碳交易和成本分配的多負(fù)荷聚合商優(yōu)化調(diào)度模型。首先,引入多類型負(fù)荷聚合商分別代表不同類型用戶(工業(yè)類、商業(yè)類和居民用戶類等),并根據(jù)各類用戶的柔性負(fù)荷將其細(xì)分為可削減、可轉(zhuǎn)移、可平移3種類型,構(gòu)建參與調(diào)度的需求響應(yīng)模型;然后,采用預(yù)測電負(fù)荷法為系統(tǒng)無償分配碳排放配額,并考慮熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備以及外購電力的實(shí)際碳排放量,構(gòu)建獎(jiǎng)懲階梯型碳交易模型;在此基礎(chǔ)上,引入合作博弈理論,確立多LA合作運(yùn)營架構(gòu),并以聯(lián)盟整體日運(yùn)營成本最低為目標(biāo),構(gòu)建多個(gè)LA間交互合作的日前運(yùn)行優(yōu)化模型并進(jìn)行求解。為了確保通過合作形成的整體運(yùn)營成本降低效果在所有參與者間的公平、合理共享,采用合作博弈的經(jīng)典解Shapley值法,按照每個(gè)參與者對(duì)聯(lián)盟所作貢獻(xiàn)的大小對(duì)整體運(yùn)營成本進(jìn)行分配,確定最終各LA運(yùn)營成本,實(shí)現(xiàn)整體利益與個(gè)體利益共贏。

1 負(fù)荷聚合商合作運(yùn)營架構(gòu)

LA作為需求側(cè)資源的聚合者,可通過與用戶簽訂協(xié)議來獲得其詳細(xì)用能信息的代理權(quán),并通過專業(yè)技術(shù)手段評(píng)估不同用戶的需求響應(yīng)潛力。本文著重討論LA與日前電力市場的投標(biāo)策略及其成本分配原則,建立了多個(gè)LA代理多類型用戶的日前投標(biāo)合作聯(lián)盟運(yùn)營模型。LA合作聯(lián)盟運(yùn)營架構(gòu)如圖1所示,所代理的用戶類型主要包括居民用戶、商業(yè)用戶和工業(yè)用戶等。由于各類型用戶之間存在用能特性差異,各代理商LA可基于合作聯(lián)盟,進(jìn)行相互間能源共享和交易,從而減少外購電力,降低整體用能成本,實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟體的利益最大化。

圖1 LA運(yùn)營架構(gòu)Fig.1 Operating structure of LA

具體流程如下:

1)電力調(diào)度部門根據(jù)其內(nèi)部負(fù)荷預(yù)測模型,并將次日的電價(jià)與時(shí)段信息傳遞給LA;

2)各類用戶將其柔性負(fù)荷信息上報(bào)給LA;

3)在信息透明且安全的環(huán)境下,基于合作博弈運(yùn)營模式,以整體運(yùn)營成本最低為目標(biāo),確定參與需求響應(yīng)資源的投標(biāo)量以及各LA之間的合作策略,對(duì)用戶的柔性負(fù)荷資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。

2 柔性負(fù)荷分類和建模

2.1 可調(diào)度柔性負(fù)荷分類

可調(diào)度柔性負(fù)荷用戶可以通過與LA簽訂負(fù)荷削減、轉(zhuǎn)移和平移合同來參與需求響應(yīng)。為使合同設(shè)計(jì)更加合理化、定制化,LA需要對(duì)其管理的柔性負(fù)荷用電特性和用電趨勢(shì)進(jìn)行分析和預(yù)判,以確定不同類型用戶參與響應(yīng)的積極性和互補(bǔ)特性。參與LA優(yōu)化調(diào)度的負(fù)荷主要分為高負(fù)荷率型負(fù)荷、迎峰型負(fù)荷和避峰型負(fù)荷[15]。居民用戶負(fù)荷大多屬于避峰型負(fù)荷,每小時(shí)最大可削減量約為最大負(fù)荷值的30%;商業(yè)用戶負(fù)荷大多屬于迎峰型負(fù)荷,且削減能力有限;工業(yè)用戶負(fù)荷大多屬于高負(fù)荷率型負(fù)荷,與行業(yè)特性、季節(jié)特點(diǎn)等因素聯(lián)系密切。

2.2 可調(diào)度柔性負(fù)荷建模

1)可削減負(fù)荷模型。

可削減負(fù)荷指運(yùn)行時(shí)間段不改變,運(yùn)行功率可削減的柔性負(fù)荷。該類負(fù)荷主要包括電燈、空調(diào)等工作模式不固定的電器設(shè)備,對(duì)該類負(fù)荷用式(1)和式(2)統(tǒng)一建模?？上鳒p負(fù)荷在滿足用戶基本用電需求和用電滿意度的情況下進(jìn)行部分削減,削減比例不應(yīng)超過一定的限額,可約束為:

(1)

LA對(duì)可削減負(fù)荷的控制成本[12]可表示為:

(2)

式中:Ccurt為可削減負(fù)荷補(bǔ)償成本;α1、α2分別為可削減負(fù)荷二次項(xiàng)、一次項(xiàng)常量系數(shù)。

2)可平移負(fù)荷模型。

可平移類負(fù)荷的用電特點(diǎn)是每天具有固定工作時(shí)長、固定功率及習(xí)慣使用時(shí)間,且一旦啟動(dòng)不宜中斷。該類負(fù)荷主要包括洗衣機(jī)、烘干機(jī)等有固定工作模式的電器設(shè)備,對(duì)該類負(fù)荷統(tǒng)一建模為:

(3)

負(fù)荷平移前后保持所需電能不變,可約束為:

(4)

負(fù)荷平移前后為避免用戶電費(fèi)增加,可約束為:

(5)

當(dāng)負(fù)荷平移到以τ為起始時(shí)間的區(qū)間內(nèi)時(shí),為滿足運(yùn)行時(shí)間連續(xù),可約束為:

(6)

ft=0,?t?[tsh-,tsh+]

(7)

(8)

式中:τ為可接受平移時(shí)間段內(nèi)的任意時(shí)刻;ft為t時(shí)刻可平移類負(fù)荷啟動(dòng)狀態(tài)的0-1變量,ft=1和ft=0分別表示啟動(dòng)和不啟動(dòng);ts為可平移類負(fù)荷持續(xù)時(shí)間。

式(6)表示可平移負(fù)荷的不可中斷性約束,式(8)表示可接受的時(shí)間段內(nèi)滿足可平移負(fù)荷要求約束。

LA對(duì)可平移負(fù)荷的補(bǔ)償成本,可表示為:

(9)

3)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷模型。

可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷的用電特點(diǎn)是沒有固定的工作時(shí)間和工作時(shí)段,只需在規(guī)定時(shí)間區(qū)間內(nèi)滿足負(fù)荷需求即可,沒有連續(xù)性約束。該類負(fù)荷的靈活性較高,主要包括空調(diào)、電動(dòng)汽車等設(shè)備,對(duì)該類負(fù)荷統(tǒng)一建模為:

(10)

負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后所需電能保持不變,可約束為:

(11)

負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后為避免用戶電費(fèi)增加,可約束為:

(12)

LA對(duì)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的補(bǔ)償成本,可表示為:

(13)

3 獎(jiǎng)懲階梯型碳交易模型

本文在考慮園區(qū)參與碳交易市場的前提下,引入階梯型碳交易機(jī)制。園區(qū)各設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的CO2及外購電力核算之后的CO2會(huì)在碳交易市場進(jìn)行交易。碳交易模型主要包括碳排放權(quán)配額、實(shí)際碳排放量及階梯型碳排放交易3個(gè)環(huán)節(jié),分別對(duì)這3個(gè)環(huán)節(jié)建立數(shù)學(xué)模型[19-21]。

3.1 碳排放權(quán)配額

碳排放權(quán)配額的分配方式有無償和有償2種方式,我國一般采用無償配額的方式進(jìn)行初始配額分配,然后各控排單位根據(jù)自身配額合理安排生產(chǎn)計(jì)劃。當(dāng)實(shí)際碳排放超過分配額度時(shí),需要從碳交易市場或者其他排放源購買缺少的額度,否則需繳納高額罰金;反之,當(dāng)實(shí)際碳排放小于分配額度時(shí),可將多余碳排放權(quán)配額出售。本文初始配額與預(yù)測電負(fù)荷相關(guān)聯(lián),如式(14)所示。

(14)

3.2 實(shí)際碳排放模型

1)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備CO2排放量。

熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備以天然氣為一次能源,其燃燒排放的CO2為:

(15)

(16)

式中:ECO2,g為天然氣CO2排放量;FC,g、FCO2,g分別為天然氣基于最低熱值的碳排放因子和CO2排放因子(用于量化單位污染物排放量系數(shù));Pchp,t為t時(shí)刻熱電聯(lián)產(chǎn)裝置輸出電功率[13];ηchp為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電效率,其值為發(fā)電量與燃料輸入量的比值。

2)外購電CO2排放量。

從電網(wǎng)購電時(shí),需要計(jì)算外購電力的CO2排放量ECO2,e,計(jì)算公式為:

(17)

式中:PLA,i,t為第i個(gè)LA在t時(shí)刻從電網(wǎng)購買的電力;FCO2,e為電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子[17]。

本文所提及的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的碳排放源主要有熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及上級(jí)電網(wǎng)購電,因此該能源系統(tǒng)的實(shí)際CO2排放量ECO2為:

ECO2=ECO2,g+ECO2,e

(18)

3.3 階梯型碳交易成本模型

為進(jìn)一步控制碳排放總量,激發(fā)各帶有分布式電源的LA節(jié)能減排積極性,本文提出了基于獎(jiǎng)勵(lì)系數(shù)λ的獎(jiǎng)懲階梯型碳交易成本計(jì)算模型。規(guī)定若干排放區(qū)間,當(dāng)實(shí)際碳排放量小于免費(fèi)分配的碳排放額時(shí),碳交易成本CCO2為負(fù),表示供能企業(yè)可以出售多余的碳排放配額,并基于上述模型可以獲得一定的技術(shù)補(bǔ)貼,碳排放量越小的區(qū)間對(duì)應(yīng)的碳交易價(jià)格越高;反之,當(dāng)實(shí)際碳排放量大于免費(fèi)分配的碳排放額時(shí),CCO2為正,表示企業(yè)需要購買碳排放權(quán),碳排放量越大的區(qū)間對(duì)應(yīng)的碳交易價(jià)格越高。應(yīng)用此模型時(shí),需將實(shí)際碳排放量進(jìn)行分段線性化處理,碳交易價(jià)格與碳交易量關(guān)系如圖2所示。從圖2可以直觀看出,正區(qū)間表示供能企業(yè)碳排放權(quán)不足,需要從碳交易市場購買;負(fù)區(qū)間表示供能企業(yè)有剩余碳排放權(quán),可以出售獲得收益[19]。

圖2 碳交易價(jià)格與碳交易量關(guān)系Fig.2 Relationship between carbon trading price and carbon trading volume

階梯型碳交易成本模型為:

(19)

式中:c為市場上碳交易基礎(chǔ)價(jià)格;α為每個(gè)階梯碳交易價(jià)格增長幅度;v為碳排放量區(qū)間長度。

4 考慮階梯型碳交易的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型

4.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以LA合作聯(lián)盟的日運(yùn)營成本CLA最低為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化模型,其運(yùn)營成本主要包括購售電成本、燃料成本、需求響應(yīng)(可削減、可平移、可轉(zhuǎn)移)補(bǔ)償成本、碳交易成本及機(jī)組運(yùn)維成本。

CLA=Cgrid+Ccurt+Cshift+Ctrans+
Cfuel+Com+CCO2

(20)

(21)

(22)

(23)

4.2 約束條件

1)功率平衡約束。

第i個(gè)LA在t時(shí)刻代理負(fù)荷區(qū)域內(nèi)電功率平衡約束,可表示為:

(24)

(25)

2)能源網(wǎng)絡(luò)傳輸功率約束。

考慮到能源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性,系統(tǒng)與能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸功率需要控制在安全范圍內(nèi),各能源網(wǎng)絡(luò)傳輸功率約束如式(26)-(29)所示。各LA與主電網(wǎng)交互約束,可表示為:

(26)

(27)

(28)

各LA與天然氣網(wǎng)傳輸流量約束,可表示為:

Ggas,t,min≤Ggas,t≤Ggas,t,max

(29)

式中:Ggas,t、Ggas,t,max、Ggas,t,min分別為外部天然氣網(wǎng)向園區(qū)系統(tǒng)傳輸?shù)奶烊粴饬髁考捌渖?、下限?/p>

3)機(jī)組出力約束。

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的機(jī)組包括熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、光伏機(jī)組,各機(jī)組都需滿足其出力運(yùn)行上下限約束:

(30)

(31)

其中,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組消耗天然氣量與輸出電功率之間滿足如下運(yùn)行約束:

(32)

式中:Δt為每個(gè)調(diào)度周期的采樣時(shí)間間隔;QLHV,ng為天然氣的低位熱值。

蓄電裝置約束為:

(33)

(34)

(35)

Smin≤St≤Smax

(36)

4)合作聯(lián)盟內(nèi)部約束。

多個(gè)LA合作時(shí),須保持內(nèi)部買賣總量平衡,對(duì)于某LA,買電和賣電不可同時(shí)進(jìn)行,且不能超過允許的最大值,可表示為式(37)-(39)。為防止出現(xiàn)LA從電網(wǎng)或其他LA買電再轉(zhuǎn)賣現(xiàn)象,約束如式(40)-(43)所示。

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

4.3 成本分配原則

合作博弈對(duì)于成本的分配問題,有核心、核仁、Shapley值等多種合作博弈解。分配的穩(wěn)定性和合理性對(duì)于合作博弈及其重要,其中合作博弈的核心可能為空集,當(dāng)核心不存在時(shí),核仁分?jǐn)傄矡o法應(yīng)用,而Shapley值具有對(duì)稱性、有效性、可加性、邊際性4種性質(zhì),該方法是具有可行性和唯一性的合作博弈解,可以克服上述其他方法的局限。

Shapley值法可根據(jù)參與者對(duì)于聯(lián)盟的邊際貢獻(xiàn)衡量參與者在聯(lián)盟中的地位,從而對(duì)聯(lián)盟的總成本進(jìn)行分配[11],其體現(xiàn)了參與者在隨機(jī)融入聯(lián)盟的條件下,任一參與者對(duì)其進(jìn)入聯(lián)盟所作出邊際貢獻(xiàn)的期望收益值。參與者的期望收益可通過計(jì)算其邊際貢獻(xiàn)得到,即含該參與者的聯(lián)盟特征函數(shù)減去不含該參與者的聯(lián)盟特征函數(shù)所得差額為該參與者的邊際貢獻(xiàn),如式(44)所示。結(jié)合概率理論統(tǒng)計(jì),可分別計(jì)算每個(gè)參與者在每個(gè)子聯(lián)盟中對(duì)整個(gè)聯(lián)盟運(yùn)營成本降低的邊際貢獻(xiàn),建立基于Shapley值法的具有唯一解的成本分配模型,如式(45)所示。

Mi=Call(s)-Call(si)

(44)

(45)

式中:Mi表示第i個(gè)LA對(duì)聯(lián)盟s的邊際貢獻(xiàn);Call(si)為聯(lián)盟s中除去第i個(gè)LA剩下LA形成合作聯(lián)盟的運(yùn)營成本;|s|為聯(lián)盟s中參與人的數(shù)目;n為總聯(lián)盟中參與者數(shù)目。

5 算例分析

本文以上海某業(yè)態(tài)混合型園區(qū)為研究對(duì)象進(jìn)行案例分析,園區(qū)內(nèi)包括工業(yè)用戶、商業(yè)用戶和居民用戶。假設(shè)該綜合園區(qū)內(nèi)有3個(gè)LA,分別為工業(yè)、商業(yè)和居民用戶聚合商。各LA分別備有分布式電源及儲(chǔ)能裝置,其中,工業(yè)用戶配有熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備,商業(yè)用戶配有光伏及蓄電池,居民用戶配有光伏設(shè)備。為進(jìn)行比較分析,各LA之間在合作聯(lián)盟運(yùn)營和非合作運(yùn)營2種情景下分別進(jìn)行優(yōu)化和結(jié)果對(duì)比,如圖3所示。非合作運(yùn)營模式下,各LA之間以自身運(yùn)營成本最低為目標(biāo),對(duì)其柔性資源進(jìn)行響應(yīng)優(yōu)化,相互間不存在能源共享,因此也不存在成本分配問題。合作聯(lián)盟運(yùn)營模式下,各LA之間存在能源交互,保證合作聯(lián)盟整體運(yùn)營成本最低。為使用Shapley值法進(jìn)行成本分配,考慮的潛在合作模式包括:LA1與LA2合作、LA1與LA3合作、LA2與LA3合作及LA1、LA2、LA3三者共同合作。

圖3 多個(gè)LA非合作和合作聯(lián)盟運(yùn)營示意圖Fig.3 Image of non-cooperative and cooperative operations of multiple LAs

5.1 參數(shù)設(shè)置

在本文算例中,LA與電網(wǎng)和用戶之間的購售電價(jià)及峰、平、谷時(shí)段劃分如表1所示[13, 22-25],碳交易參數(shù)設(shè)定如表2所示[19]。

表1 能源價(jià)格參數(shù)Table 1 Energy price parameters

表2 碳交易參數(shù)設(shè)定Table 2 Carbon trading parameter setting

用戶需求響應(yīng)需提前與LA簽訂合同,包括補(bǔ)償價(jià)格、響應(yīng)量和響應(yīng)時(shí)間劃分。負(fù)荷削減合同參數(shù)設(shè)置如表3所示[17],可轉(zhuǎn)移負(fù)荷合同設(shè)置如表4所示[22],可平移負(fù)荷合同設(shè)置如表5所示[26-28]。

表4 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷參數(shù)Table 4 Transferable load parameters

表5 可平移負(fù)荷參數(shù)Table 5 Shiftable load parameters

園區(qū)內(nèi)各用戶配備不同類型的分布式能源設(shè)備,在運(yùn)行過程中存在相應(yīng)約束,其功率限制、維護(hù)成本等參數(shù)設(shè)置如表6所示[29-30]。

表6 分布式發(fā)電單元運(yùn)行參數(shù)Table 6 Operating parameters of distributed generation units

5.2 運(yùn)行策略對(duì)比

2種模式下3個(gè)LA的運(yùn)行策略對(duì)比如圖4所示,可以看出,LA相互合作下,外購電量明顯降低。

圖4 2種運(yùn)營模式下的運(yùn)行策略對(duì)比Fig.4 Comparison of operation strategies under two operation modes

由圖4(a)可見,合作模式下,由于LA1、LA2、LA3所代理用戶類型不同,用電特性差異較大,存在互補(bǔ)特性,因此,不同LA之間存在電量交易。LA1主要在電價(jià)低谷時(shí)通過電網(wǎng)買電,其余時(shí)間依靠CHP設(shè)備進(jìn)行供電,并協(xié)助其他LA在電價(jià)高時(shí)減少購電量。由于LA3用電高峰時(shí)段與LA2不同,所以存在LA1錯(cuò)峰售電的情況,以保證整體利益最優(yōu)。在08:00、09:00-22:00,LA1分別向LA3和LA2售電;LA2在09:00-21:00處于用電高峰期,從LA1買電量明顯增多;LA3在用電高峰主要依靠從LA1、LA2買電及自身安裝的光伏設(shè)備進(jìn)行供電,其余時(shí)間依賴電網(wǎng)。蓄電池設(shè)備則在電價(jià)引導(dǎo)下于23:00-24:00進(jìn)行充電,在22:00以及其他用能時(shí)段放電滿足負(fù)荷需求。

由圖4(b)可以看出,由于各LA之間沒有電能交互,各用戶僅依靠自身配備的分布式電源以及外部電網(wǎng)滿足自身的負(fù)荷需求。LA1主要是在電價(jià)低谷時(shí)期從電網(wǎng)買電,其他時(shí)間均依賴CHP進(jìn)行發(fā)電;LA2、LA3主要依靠光伏出力,在其新能源出力不足時(shí)再選擇電網(wǎng)購電;LA2的儲(chǔ)能設(shè)備利用電價(jià)差異,在電價(jià)較低時(shí)進(jìn)行充電,在負(fù)荷需要較高時(shí)進(jìn)行放電。

5.3 需求響應(yīng)策略對(duì)比

2種模式下的響應(yīng)策略對(duì)比如圖5所示。在合作運(yùn)營模式下,不同類型用戶參與需求響應(yīng)前后負(fù)荷曲線對(duì)比如圖5(a)所示。從01:00-08:00時(shí)段負(fù)荷削減程度來看,LA1>LA3>LA2,這是由于此時(shí)段LA1代理用戶與LA2和LA3代理的用戶相比負(fù)荷基數(shù)較大,存在較大削減能力;在09:00-24:00時(shí)段,隨著LA2負(fù)荷水平不斷增大,聯(lián)盟內(nèi)部缺電量逐漸增多,促使各LA2開始增大削減負(fù)荷的強(qiáng)度?？傮w來說,LA1將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到23:00-05:00,LA2將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到23:00-06:00、14:00-15:00等時(shí)段,LA3則將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到23:00-07:00電價(jià)最低時(shí)段,通過削峰填谷降低用能成本。

圖5 2種運(yùn)營模式下的需求響應(yīng)策略對(duì)比Fig.5 Comparison of demand response strategies under two operation models

由圖5(b)可以看出,在非合作運(yùn)營模式下,負(fù)荷削減趨勢(shì)與合作博弈運(yùn)營方式的優(yōu)化結(jié)果并無明顯差異,這是由于削減能力主要與用戶用能特性相關(guān),各類用戶負(fù)荷削減程度與削減合同的一次項(xiàng)系數(shù)和二次項(xiàng)系數(shù)有關(guān),而系數(shù)的確定則依賴于用戶負(fù)荷曲線?？善揭曝?fù)荷在電力價(jià)格的驅(qū)動(dòng)下,由峰時(shí)段轉(zhuǎn)移到23:00-04:00期間內(nèi)的不同時(shí)段,一方面,削峰填谷,促進(jìn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行;另一方面,可以節(jié)約部分電費(fèi),降低各LA運(yùn)營成本?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷在非合作的運(yùn)營模式下與合作聯(lián)盟運(yùn)營模式略有不同,主要是降低各峰時(shí)段負(fù)荷,將其轉(zhuǎn)移到23:00-08:00、14:00-16:00低谷時(shí)期,平抑負(fù)荷波動(dòng),實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰用電。

5.4 碳交易對(duì)比分析

圖6為2種運(yùn)營模式下的碳排放及碳排放權(quán)交易情況。從圖6中可以看出,合作聯(lián)盟運(yùn)營模式下,LA1碳排放量較非合作運(yùn)營模式提高25.76%,而LA2、LA3的碳排放量小于非合作的運(yùn)營模式,分別降低了3.91倍以及2.24倍,這是由于合作聯(lián)盟運(yùn)營主旨亦在降低三者碳排放總和,從而降低碳排放成本,整體來看,系統(tǒng)總碳排放量相較于非合作運(yùn)營模式,減少40.09%;相應(yīng)地,碳排放權(quán)的購買也隨之減少17.63%?？傮w碳交易收益相較于非合作運(yùn)營模式提高1.08倍,有效地降低了整個(gè)合作聯(lián)盟及聯(lián)盟個(gè)體的運(yùn)營成本。

圖6 2種運(yùn)營模式下的碳交易策略對(duì)比Fig.6 Comparison of carbon trading strategies under two operating models

5.5 運(yùn)營成本結(jié)果對(duì)比和成本分配策略

1)運(yùn)營成本結(jié)果對(duì)比分析。

不同運(yùn)營模式下聯(lián)盟整體成本如表7所示,負(fù)值代表收益?？梢?合作博弈模式下,需求響應(yīng)成本更高,響應(yīng)資源得到深一步挖掘。其次,購能成本更低,而燃料成本更高,這是因?yàn)閮?nèi)部合作加大了本地設(shè)備出力和自平衡,降低了外部購能需求。此外,碳交易收益大幅提升,整體碳收益增加51.98%,說明聯(lián)盟合作可有效降低整體碳排放量,促進(jìn)園區(qū)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表7 不同運(yùn)營模式下聯(lián)盟整體成本對(duì)比Table 7 Comparison of overall affiliate costs under different operating models 元

2)合作博弈下的成本分配策略。

為保證合作博弈運(yùn)營模式的合理性,Shapley值法從公平性角度出發(fā),“論功行賞”將成本按照邊際貢獻(xiàn)進(jìn)行分配,也就是說,按照此分配策略,參與者i所應(yīng)分?jǐn)偟某杀镜扔谠搮⑴c者對(duì)每一個(gè)其所參與聯(lián)盟的邊際貢獻(xiàn)的平均值。通過式(44)計(jì)算可得出參與者對(duì)不同聯(lián)盟的邊際貢獻(xiàn),結(jié)果如表8所示,基于式(44)并結(jié)合式(45),計(jì)算可得出應(yīng)用Shapley值法分配后的各LA運(yùn)營成本,結(jié)果如表9所示。相較于非合作運(yùn)營,合作模式下,聯(lián)盟整體成本降低18.72%,LA1、LA2、LA3成本分別降低22.39%、14.95%以及17.61%。

表8 潛在聯(lián)盟策略邊際貢獻(xiàn)度分析Table 8 Analysis of the marginal contribution of potential alliance strategies

表9 各運(yùn)營模式成本分析Table 9 Cost analysis of each operation mode 元

6 結(jié) 論

本文提出了基于能源互濟(jì)和碳交易的多類型LA合作聯(lián)盟運(yùn)營機(jī)制,綜合考慮了不同類型用戶柔性負(fù)荷互補(bǔ)和響應(yīng)特性。以聯(lián)盟整體運(yùn)營成本最低為目標(biāo),提出聯(lián)合優(yōu)化模型,并利用合作博弈Shapley值法對(duì)成本進(jìn)行合理分配?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論:

1)利用LA聚合園區(qū)內(nèi)不同類型用戶,實(shí)現(xiàn)了柔性負(fù)荷資源參與需求響應(yīng);同時(shí)通過LA內(nèi)部聯(lián)盟的能源共享互濟(jì),有效挖掘了不同用能模式下的負(fù)荷互補(bǔ)特性。相比于各LA互相獨(dú)立運(yùn)作,整體聯(lián)盟成本降低達(dá)18.72%。

2)通過LA之間的聯(lián)盟合作,可明顯降低碳排放量,通過整合單體用戶加入碳交易市場,外界購入的碳排放權(quán)減少17.63%,可實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟整體碳收益最大化,整體碳收益增加51.98%,促進(jìn)園區(qū)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3)通過合作博弈的Shapley值法構(gòu)建成本分配模型,實(shí)現(xiàn)了合作聯(lián)盟整體成本的公平、合理分配,各LA成本分別降低22.39%、14.95%、17.61%,從而有效提升了各LA參與合作的積極性,從而促進(jìn)聯(lián)盟整體穩(wěn)定性。