基于负荷聚合商的需求侧响应优化模型研究

杨澄宇,赵 毅,刘慕骐,于惠博,雷蔚充

(沈阳工程学院电力学院,辽宁 沈阳 110136)

0 引言

随着电力市场发展,以长时交易为主的电量市场逐渐向现货市场发展[1-3]。在现有的电力现货市场中,小型用户由电网公司统一调度,其固有用电模式导致现货市场中频繁出现极端价格,降低了现货市场运行效率[3-4]。需求响应是指电力市场中的用户根据市场价格或激励调节消费模式的市场互动行为,包括激励型和电价型2种需求响应形式[5]。

国内外针对电价型需求响应研究较为深入[6-8]。发达国家发展电力市场时间较长,激励型需求响应已被应用于电力市场体系中,国内针对激励型需求响应的研究相对滞后,相关研究仍处于试运行阶段[8-10]。文献[11]在考虑可转移负荷或紧急参与需求响应的资源后求解日前市场的节点电价;文献[12]研究了日前市场的调度优化问题,通过需求响应资源的合理购入降低系统成本;文献[13]结合用户报量不报价的行为模式,修正了用户的申报负荷。目前,有关激励型需求响应的研究有2种,一种是以投标为目标进行决策优化;另一种是通过对用户用电行为的控制策略进行优化[14-16]。文献[17]基于电价型需求响应展开相关研究,阐述了电力市场中需求响应会对配电网产生间接影响;文献[18]提出一种考虑价格型需求响应与风电出力不确定性的电热联合调度方法,引入价格型需求响应机制实现发用电侧资源与需求响应资源相互协调;文献[19]研究了直接负荷控制项目的实施过程,分析了导致用户退出直接负荷控制的因素,提出了基于需求侧长控方案的供需双侧协同优化调度模型;文献[20]研究了用户典型用能模式的特点及其行为原因,为需求响应策略的制订提供理论支持;文献[21]针对激励型需求响应,研究了配电网运行的变化趋势,并对其在特定条件下的可靠程度进行分析,但并未给出具体的需求响应调度策略。通过对以上文献分析,现有相关研究忽略了用户参与市场的方式及响应行为的差异性和需求响应对配电网可靠性的影响。

本文考虑不同的用户市场参与方式及响应行为的差异性,设计适用于聚合商聚合场景的需求响应机制,并给出相应的结算方法以提升优化机制的可持续运行能力;提出负荷聚合商基于负荷削减与负荷转移2种需求响应合同的投标决策优化模型,实现了需求响应环境下配电网可靠性评估。

1 考虑用户类型的需求响应模型

1.1 需求响应模型的框架设计

在电力市场中,直接参与的用户称为一类用户,间接参与的用户称为二类用户。二类用户采用固定电价结算,具有基数大、分散性强、不具备需求侧弹性的特点。本文以二类用户需求响应为研究对象,设计基于负荷聚合商的需求响应机制架构,通过需求响应负荷聚合商聚合二类用户,使其作为提供需求响应的实体。需求响应机制框架见图1。

图1 需求响应机制框架

1.2 用户侧间接参与需求响应的机制

从电力系统整体运行方面的角度考虑,负荷聚合商的聚合管理能够更好的应对负荷增长为电力系统及电力市场运营带来的诸多问题,节约源侧发电成本和配电侧投资,提高电力市场运行效率。从荷侧考虑,作为基于源测和荷侧的需求响应机制中间商,聚合商为广大二类用户和诸多中小负荷提供了降低用电成本、参与市场调节的机会,能够通过专业技术手段全面开发各类负荷的响应潜力,充分调动荷侧各类潜在的灵活资源响应到市场价格波动中,实现终端负荷用电效率整体提高。

电力市场初期实行全电量竞价上网和边际电价出清,聚合商相应的可以针对市场的直接和间接参与者签订双边合同形成代理投标决策模式。聚合商可根据合同双方要求及实时市场信号刺激,基于用户分类将主要针对代理二类用户提出在日前市场的需求响应策略,如图2所示。

图2 聚合商代理二类用户需求响应策略

当二类用户需求预测值较小时,市场出清电价较低,一类用户成交电量较高。随着二类用户需求预测值逐渐增大,市场出清电价随之升高,一类用户成交电量逐渐降低,在极端情况下,一类用户成交电量甚至降到极低水平,二类用户用电需求会抬高市场的出清价格,影响市场高效运行。

本文提出一种考虑需求响应负荷聚合商的需求响应机制,通过某一电价阈值触发需求响应,使二类用户积极参与需求响应,调节日前用电模式,保证参与需求响应各方稳定收益。

1.3 基于负荷聚合商的需求响应出清模型

为建立本文提出的负荷聚合商聚合场景下的需求响应机制,建立计及二类用户的市场出清模型,电价达到设定的阈值时,使用所提出的出清模型优化出清,引导二类用户实施需求响应。为充分调动用户响应潜力,优化目标设定为聚合商的总收益最大。模型如式(1)、式(2)所示。

maxFL=BⅠ+BⅡ-CG

(1)

maxFⅡ=BⅠ+BⅡ-CG-CⅡ

(2)

式中:FL为聚合商的总收益;FⅡ为二类用户需求响应的所有市场参与者的总效益;BⅠ和BⅡ分别为一类用户和二类用户的用电效益;CG为电力生产企业的发电成本,包括发电机组的启停和运维成本;CⅡ为二类用户参与需求响应时消耗的成本。上述模型与聚合商场景下的情况相比,需求响应市场的总成本增加了二类用户的需求响应成本。

(3)

(4)

(5)

式中:T为时段数;NⅠd为一类用户个数;dⅠj,t为一类用户j在t时段的负荷功率;BⅠj,t(dⅠj,t)为一类用户j在t时间内的负荷功率dⅠj,t的价格;NG为发电企业中的机组数量;PGi,t为常规响应周期内发电设备的有功功率;ai、bi、ci分别为常规机组的发电成本的二次、一次、常数项系数;NⅡd为代理二类用户的负荷聚合商总数;ΔdⅡj,t为负荷聚合商j在t时段的负荷功率变化量;CⅡj,t(ΔdⅡj,t)为负荷聚合商j在t时段对应负荷功率变化量ΔdⅡj,t的报价。

1.4 需求响应效益分配方法

在本文所提出的需求响应策略中,需求响应成本以需求响应投标量的形式体现,将需求响应带来的部分收益按照投标报价分配给参与响应行为的用户。当需求响应由市场极端高电价或系统调峰需求触发时,聚合商获得的总收益等于其成交电量与需求响应市场出清前后市场价格差的乘积,即:

BDR,t=dDR,t(ρm-ρt)

(6)

式中:BDR,t为聚合商t时段获得的总收益;dDR,t为t时段参与响应各类用户的响应电量成交值;ρm为市场价格上限,需求响应市场出清前一类用户在t时段使用的电价即为ρm;ρt为响应后用户实际的用电电价。一类用户拟获得的总收益将划分给一类用户和代理二类用户的负荷聚合商,即:

BDR,t=BⅠ,t+BⅡ,t

(7)

式中:BⅡ,t为二类用户在t时段分得的收益;BⅠ,t为一类用户在t时段分得的收益。负荷聚合商分得的收益BⅡ,t用于弥补其执行需求响应的成本,可根据负荷聚合商的需求调整量和边际需求响应报价进行计算。

负荷聚合商申报的期望价格一般等于或者高于其引导二类用户实施需求响应的成本。同时,为了避免负荷聚合商的需求响应收益过高导致一类用户无法获得正常水平收益,需求响应市场出清后需要对结果进行校验,即一类用户分得的收益须为非负数,这是保证需求响应机制在t时段真正有效的必要条件,否则仍需保留原电力市场在t时段的最初出清结果。

2 电力市场中的激励型需求响应

2.1 电力市场运行模式

负荷聚合商可以将居民及商业等中小型负荷聚合,作为这些负荷场景参与市场投标的代表实体,这类用户可以在合同规定的时段内调节用电行为,并得到相应的利润补偿。在日前市场中,聚合商通过手段短期预测负荷,以提前得到下一时段的市场情况,并制定投标策略实现自身的最大收益。在实时市场中,聚合商基于合同规定的时间和容量弹性调节用户负荷。

2.2 激励型需求响应投标决策

投标容量以用户自身利润最大化为目标,即:

(8)

负荷削减和负荷转移的初始成本约束如式(9)—式(12)所示。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

负荷削减和负荷转移的时间约束如式(15)、式(16)所示。

(15)

(16)

负荷削减和负荷转移的次数约束如式(17)—式(20)所示。

(17)

(18)

(19)

(20)

3 配电网运行可靠性评估

常用的配电网可靠性评价指标包括年平均负荷和峰值负荷。但是,随着电力市场环境更迭,原有指标在新的市场环境下,无法满足其实时性。选择一个灵敏稳定的评价指标,在激励型需求响应环境下的电力市场中十分必要,系统缺供电量指标(energy not supplied,ENS)作为需求响应条件下的配电网可靠性评价指标可以满足负荷变化的需求。

(21)

式中:ENS为系统缺供电量指标,即本文再次选定的可靠性评价指标;Pi为第i个节点的负荷情况;Ui为第i个节点年平均缺电时间;n为所评价系统中的节点数。配电网可靠性评估流程如图3所示。

图3 配电网可靠性评估流程

4 算例分析

4.1 需求响应机制验算

本文基于IEEE 33节点系统进行算例分析,其中,包括6个一类用户、14个代理二类用户、10个可参与需求响应市的负荷聚合,日前市场的出清价格上限为350元/MW,需求响应的触发条件为出清价格超出阈值。考虑二类用户需求响应市场出清价格曲线见图4,通过负荷聚合商竞价并调控二类用户实施需求响应,市场出清电价和一类用户电价均得到了有效控制,其价格均回落阈值以内。

图4 二类用户需求响应市场出清价格曲线

为验证灵活负荷对需求响应的影响,设置4%～14%的灵活负荷占比,不同比例下收益结果如表1所示。

由表1可知,灵活负荷的比例超过10%时,出清电价相较于原始电价有明显下降,其中,一类用户的用电价格低于上限4%,有效降低了其在高峰需求时段的电价,证明了本文所提机制有效性。

表1 不同用户需求响应收益结果

4.2 需求响应投标决策验算

负荷削减合同参数如表2所示,负荷转移合同参数表3所示。需求响应前后负荷曲线如图5所示,需求响应前负荷峰谷差为218.5 MW,响应后的负荷峰谷差为167.3 MW。证明本文所提投标策略可以实现抑峰填谷。

表2 负荷削减合同参数

表3 负荷转移合同参数

图5 需求响应前后负荷曲线

采用ENS指标对激励型需求下配电网的可靠性进行评估,评估结果如图6所示。由图6可知,在需求响应后指标显著降低,年平均降低7.4MWh,明显改善了配电网可靠性。

图6 配电网可靠性指标变化

5 结语

本文根据中国电力现货市场建设中的需求响应机制进行优化,针对需求响应的投标决策问题,计及不同形式用户的响应,制定相应聚合商聚合场景下的需求响应机制架构,通过决策策略降低系统在负荷高峰时段过高的电价,提出融合负荷削减与负荷转移的聚合商投标决策机制,并基于该机制构建市场出清模型,以自身利润为目标函数,改变聚合商用电行为,实现抑峰填谷,提升了配电网运行的可靠性。