电力现货市场环境下园区型综合能源系统多阶段联合优化运行

杨晓华

（云南电网有限责任公司计量中心 云南昆明 650051）

结合最新电力现货市场准则，设计园区型综合能源系统参与电力市场的系统框架和运行模式。基于多阶段、大尺度、多层次的思想，建立多阶段联合优化经济运行模型，包括日前、日内、实时3 个阶段。通过随机优化概率，约束解决光伏、负荷不稳定的问题，利用线性规划算法，求解电力现货市场最优申报用电量和日内24h 功率计划曲线。在实时阶段，使用模型预测控制算法，对功率、电价信息的滚动跟踪预测和校正反馈，实现实时市场同步滚动优化。

1 园区型综合能源系统结构分析及建模分析

1.1 园区型综合能源系统结构构成

综合能源系统可以实现电能、热能、气能等多种能源资源形式的协同优化运行，满足用户群众多元化的能源资源需求。园区型综合能源系统包括风电机组、光伏机组、燃气轮机、燃气锅炉、热泵、蓄电池及蓄热槽等能源生产、转换、存储设备，充分考虑电热符合需求，响应个电动汽车接入。

1.2 主要设备模型

1.2.1 燃气轮机

燃气轮机是园区型综合能源系统中常见的发电设备，其燃料是天然气。燃气轮机利用流通的气体促使叶轮旋转，实现做功发电。在燃烧期间，排出的高温余热烟气在经过回收后，便可以进行供热［1］。其模型可以具体描述为：

上述公式中：PGT(t)和QGT(t)是t时段燃气轮机的供电功率和供热功率；GGT(t)是t时段燃气轮机的天然气消耗量；ηGT是燃气轮机的发电效率；β是天然气低热值，取9.73kW·h/m3；α 是燃气轮机的热电比，取1.29.73kW·h/m3；PGT，max是燃气轮机的供电功率上限；ΔPGT(t)是燃气轮机的爬坡速率。

1.2.2 燃气锅炉模型

燃气锅炉是园区型综合能源系统中常用的热源设备，以天然气为基本燃料。其模型可以具体描述为：

QGB(t)=ηGBβGGB(t)

0≤QGB(t) ≤QGB，max

上述公式中：QGB(t)是t时段燃气轮机的供热功率；GGB(t)是t时段燃气轮机的天然气消耗量；ηGB是燃气轮机的供热效率；QGB，max是燃气锅炉的供热功率上限［2］。

1.2.3 热泵模型

热泵是园区型综合能源系统中的能量转换设备，通过消耗电能产热。其模型具体描述为：

QEH(t)=ηEHPEH(t)

0≤QEH(t) ≤QEH，max

上述公式中：QEH(t)是t时段热泵的供热功率；ηEH是热泵的供热效率；QEH，max是热泵的供热功率上限。

1.2.4 储能设备模型

园区型综合能源系统中的储能设备包括蓄电池、蓄热槽，因为蓄电池、蓄热槽的储能特点比较相同，以蓄电池来举例进行建模，蓄热槽模型与之比较雷同。公式如下：

0≤PES，c(t) ≤PES，c，max

0≤PES，d(t) ≤PES，d，max

PES，c(t)PES，d(t)=0

SES(t)=SES(t- 1)+[PES，c(t)ηES，cSB-PES，d(t)ηES，dSB]·Δt

SES，min≤SES(t) ≤SES，max

SES(T)=SES(0)

上述公式中：PES，c(t)、PES，d(t)是t时段蓄电池的充放电功率；PES，c，max和PES，d，max是t时段蓄电池的充放电功率的最大上限；SES(t)是t时段蓄电池的储能状态；ηES，c和ηES，d是t时段蓄电池的充放电功率；SES，min和SES，max是蓄电池储能状态的上限；T是优化运行周期的时段数，取24；Δt是时间间隔，取1h。

2 园区型综合能源系统在电力现货市场的运行模式分析

在电力市场进入到改革之前，园区内部的工作人员主要是根据工商业阶梯电价来缴纳电费的。而在电力现货市场环境下，电价要按照用户的实际用电情况及网络阻塞情况，采用灵活、多变的动态电价，促使其成为时间变量。因为差价合约、偏差考核机制，从中长期、日前、日内实时市场分析，不管哪一阶段，都会影响用电成本，在一定程度上给综合能源系统的市场经济运行带来不小的挑战。

2.1 园区型综合能源系统参与电力市场手段

工商业园区通过配电网便于为广大人民群众输送大量的电力资源，不仅如此，还能借助光伏、CHP机组、锅炉、储能等进行电力资源的供应。作为工商业园区的用户代表，主要负责内部、外部的工作。第一，对外方面。主要参与电力市场的交易，签署电力合同，用于参与电力市场的各种交易活动，足以接受电力工作人员的业务考核。第二，对内方面。为园区内部提供更多的电力资源，在满足基本供应需求的条件下，保证园区的电力资源的经济性［3］。

2.2 电力现货市场价格模型

现阶段，电力现货市场最常使用的一种手段就是差价合约机制，结合中长期电力市场所存在的偏差，将其控制在最低范围之内，并建立不同阶段的差价结算机制，按照目前电力现货市场所推行的原则，根据差价合约和偏差考核手段，为用户群体设计最佳的电价，其计算公式如下：

Cfee=∑QLntPLnt+∑(QD，t-QLnt)PD，t+∑(QR，t-QD，t)PR，t+CR，t+CLP，t

上述公式中：Cfee是用户用电成本；QLnt、PLnt是园区型综合能源系统经过中长期市场签订的合同，具体划分t时段的电量、电价；QD，t是t时段用户群体在电力现货日前市场申报用电量；PD，t是t时段现货市场日前交易出清后所建立日前出清电价；QR，t是t时段用户在电力现货实时市场中的实际用电量；PR，t是t时段现货市场实时交易期间的实时电价；CR，t是t时段电力市场的转移收益，重点体现在由于市场价格和用电计划偏差而产生的允许收益，计算方式如上述公式所表示；CLP，t是t时段偏差考核成本，重点体现在将中长期协议电量月度偏差考核折算到当日的处罚成本。其计算方式如下：

当QD，t>QR，t(1+δ)且PD，t

CR，t=∑[QD，t-QLnt(1+δ)](PR，t-PD，t)

当QD，tPR，t时，有：

CR，t=∑[QD，t(1+δ) -QLnt](PD，t-PR，t)

CLP，t=(QdLnt∑QD，t)PLdt

园区型综合能源系统对电网售电价格按照各个地区制定的分布式上网电价进行电力结算，在此过程中，相关工作人员可以忽略单个综合能源系统对电力市场的影响，将园区用户作为电力能源的供应者。

2.3 综合能源系统联合的运行模式

电力市场包括中长期市场和现货市场，其中，现货市场包括日前、日内、实时3个阶段。本文研究的运行模式是立足于时间尺度上，保证电力资源和电力现货市场同行同向，按照日前、日内、实时等阶段，采用递进式电网调度管理模式，实现电力资源的全面优化。在电力现货市场下，综合能源系统运行模式分为以下几个方面。

2.3.1 日前优化

在电力现货市场环境下，综合能源系统要每天对后一天的分时负荷曲线进行绘制，便于其主动参与到现货市场中。但是，申报方式和日前出清电价和实时电价存在巨大的差异性，很容易增加电力成本。所以，在日前申报过程中，用电负荷申报曲线直接影响现货市场的经济收益。

在电量申报过程中，对所申报的负荷曲线进行重新的规划、调整，保证后一天的电力能源成本降低至最低范围之内。通过对负荷、光伏功率的随机概率进行制约，考虑分布式电源的影响因素，具体分析其经济性成本、日前电价和中长期合同电价间存在的偏差电量。在对其进行重新整合后，计算后一天的电网购电曲线，满足日前电力市场基本需求［5-6］。

在此过程中，如果实时电价和出清电价相同，按照中长期合同电量和日前电价及申报电量形成的差价合约，通过上述Cfee公式，计算这一阶段电费Cfee-da公式为：

Cfee-da=∑QLntPLnt+∑(QD，t-QLnt)PD，t+CLP，t

2.3.2 日内优化

在日内优化阶段，具体落实出清电价。通过确定日前市场的现货价格，在具体进入到实时运行阶段之前，对正在申报电量进行重新计算，主要目的在于针对综合能源系统日内用电计划做出未雨绸缪的准备工作。另一方面，日内优化模型和日前优化模型大体相同，它们之间最大的不同就是结合出清的日前价格，实时监测电价，通过上述公式计算电网购电成本，根据CHP机组、电锅炉等设备的调节能力，减少日内总体用能成本，优化计算不同阶段的电价曲线，从而获得1d之内的电功率负荷曲线。

2.3.3 实时优化

在实时优化过程中段，为了满足人们对于电力能源的基本需求，相关工作人员使用滚动优化出清方法，在日内实时阶段同步滚动优化，以15min为时间周期，重新绘制综合能源系统用电负荷曲线，让广大人民群众在第一时间了解国家政府部门出台的电价信息。

实时优化包括以下内容。一方面，实时同步现货市场，根据时间周期，及时跟踪、预测已经出台的电价信息，在差价合约允许存在的误差范围之内，整合CHP机组、电锅炉及储能系统功率，降低成本的支出。另一方面，以日前发用电计划曲线为参照物，预测负荷曲线、分布式发电功率的用电情况，坚持低投入、高回报的原则，对日前计划存在的误差进行重新调整，保证日内全局计划和实时阶段局部优化的协调运行。

3 园区型综合能源系统在电力现货市场的多阶段优化模型分析

3.1 日前、日内优化

日前、日内优化模型基本上是一样的，但是二者也存在一定的差异，主要是日前优化是预测日前电价后进行重新计算，而日内优化主要保证最后的出清价格，从而获得日内24h 的用电功率计划曲线。目前，市场电量申报模型的目标函数以经济性为主，主要是保证总成本最小化，其计算公式为：

fope=∑[CLgrid，t+rgaspgas，t+ut(1 -ut-1)cst+rompt]

上述公式中：pgas，t是t时段天然气的能源消耗功率；rgas是天然气的单位耗量成本；pt是单位功率运行维护成本；ut是0-1变量，表示t时段CHP机组启停状态，取值是1 时表示启动，取值为0 的时候表示停机；cst表示启动成本；CLgrid，t是t时段日前电费成本。

3.2 基于MPC的实时滚动优化

在电力现货市场下，光伏发电、负荷功率、实时市场中的电价信息都不太稳定。MPC主要是缓解系统内部的控制问题，换句话说，它是一种滚动优化控制方法，对于减少外界干扰因素有一定的推动作用，有助于解决一些不太稳定的影响因素。

MPC以计划曲线为跟踪目标，结合实际情况，对2个滚动阶段进行预测。在实时运行过程中，以最新预测数据和实时运行数据进为主，对其进行重新规划。考虑到日内计划采用24h 短期预测，已有较高的预测精度，由超短期光伏、负荷功率、实时电价进行跟踪预测，重新调整实时下达的功率计划指令。

4 结语

综上所述，在电力现货市场环境下，对园区型综合能源系统多阶段联合运行模型进行规划，符合电力市场运行的基本要求。在电力现货市场阶段，相关工作人员要全面考虑中超短期光伏、负荷功率、实时电价对于电力成本的影响，便于保证目标市场电量申报的最佳性。与此同时，电力资源价格不是唯一的参考，而是以时变量形式在日前、日内和实时这3 个阶段进行逐一的判断，有效控制其中存在的差价，保证电力单位获得最佳的经济效益。