基于均衡理论的虚拟电厂市场参与模式及方法探讨

湖北电力交易中心有限公司 胡红娇 胡羽川 郑潇啸 范 旻 国网湖北省电力有限公司 徐博伦

可持续发展理念在电厂发电中应用广泛，我国电力公司为贯彻落实生态发展理念，实现能源结构优化，电厂以分布式结构以及集中式混合发电为主要模式，但该结构存在成本较好、控制力薄弱等问题，虚拟电厂市场参与可有效改善此问题，提高该结构的控制力，其在运行过程中更加安全、可靠。

1 虚拟电厂概述

1.1 虚拟电厂内涵

由于虚拟电厂起步较晚，对虚拟电厂的研究尚在进行阶段，国内外尚未统一对其的定义。虽然国外有部分学者根据虚拟电厂的性质、特点对其定义进行明确，认为其是以服务为核心的聚合装置，具备资源整合功能，可试产与配电系统的交互合作；也有学者认为其是与家庭联合的装置集群，在两者相协调的基础上可实现调峰作用，具有一定的灵活属性。本文所探讨的虚拟电厂是一种基于数字技术、通信技术实现能源储存、控制的聚合装置，在电力系统运行过程中实现电源协同管理，是具有综合性能的管理系统。虚拟电厂基于控制技术、计量技术以及通信技术的应用，辅助电网管理，其核心功能在于通信、聚合[1]。

1.2 虚拟电厂组成部分及关键技术

我国于2018年开始虚拟电网的项目建设，辅助电力企业进行输电网及配电网的综合管理，其作为一种信息系统，以分布式电源的形式进行信息通信、电力控制，辅助进行电力输送，按照其功能以及结构进行分析，虚拟电厂的组成部分可分为分布式电源、能源储存系统及通信网络：分布式电源是指供给电力能源的装置，包括风电、水电站、燃气轮机等；能源储存虚拟电厂的主要功能之一，基于能源储存系统实现对电能、空气能、磁能、电容器的储能；信息通信技术是指虚拟电厂在能源管理过程中所采用的技术，基于系统的信息通信功能实现对控制数据的采集与分析，完成配电的最终目标。

虚拟电厂主要基于三种技术实现对能源的综合管理，在与主网连接的基础上辅助配电管理，应用协调控制技术；基于对数据信息的采集以及计算是使用智能计量技术；对控制目标进行信号传输以及指令传达应用信息通信技术[2]。

1.3 虚拟电厂交互模式概述

考虑到虚拟电厂的市场参与，应用均衡理论对其参与模式进行判断，基于通信技术与储能技术实现主网与虚拟电厂间的通信交互，最终实现收敛的目标。基于均衡理论对其交互模式进行分析，需保障两者间的协调性，在此需要考虑两个问题。

首先，虚拟电厂操作及管理人员需进行安全约束，实现经济调度。在此过程中需计算每个节点需耗费的电力能源及电价。设计虚拟电厂主网节点，将其作为外设条件进行电价分析，对整体内部系统进行协调优化；其次，虚拟电厂交互运行过程中将采集的节点电价信息传输至虚拟电厂系统中。若电力系统电源结构为分布式，则受其传输功率影响无法满足主网的交互需求。考虑单个分布式电源的影响效果，主网若对每个分布式电源进行信息交互，实现对其的控制优化会大大提高成本、降低运行效益。因此，利用虚拟电网对分布式电源进行优化、储能，实现对电源的综合管理[3]。

思考上述两个问题，基于市场均衡理论对虚拟电厂进行交互模式构建，虚拟电厂可与主网进行交互，实现对分布式电源的柔性管理并与主网间进行信息交互。在此过程中，虚拟电厂系统在进行信息、结果优化后，会将最终的信息传输至主网系统内，主网在收到信息后会根据优化结果进行电价控制。由于此模式中电价作为主网的外设条件，其在交互期间同时可实现虚拟电厂出力调节。因此，基于均衡理论实现主网节点电价与虚拟电厂间的交互模式构建，对其上层以及下层进行模型构建，反复进行两者间的交互，即实现主网节点电价分析及虚拟电厂出力，直至优化完成。

2 虚拟电厂模型构建

2.1 虚拟电厂模型

虚拟电厂需具备能源储存、柔性负荷等功能，实现对分布式能源的科学控制，实现运行成本最优化。由于光伏电能和负荷具有不确定性，受运行条件所影响，模型构建需考虑上述两个问题。具体模型构建目标函数需包括以下点内容：虚拟电厂运行成本最优化，其中包括系统运行成本及燃气轮机设备运行成本，计算柔性负荷指标及收益；燃气轮机的发电功率指标，并对其进行约束设计；计算虚拟电厂能源储存指标及放电功率，并对其进行约束设计；考虑到能源储存与放电功率之间的关系，对其进行约束；实现电能与能源储存之间的均衡性，对其进行计算；储存能源参数设计，并对其约束值进行计算；虚拟电厂柔性负荷指标计算，对其电量进行约束设计；计算在全天运行模式下柔性负荷用电量参数，对其下限进行明确；分布式结构下光伏装置的出力结算，并对其进行约束设计；实现虚拟电厂运行过程中的总功率平衡。

由于分布式电源结构的市场交易规模较小，系统在运行期间可很好地对其进行消纳。考虑到虚拟电厂的网络约束问题及虚拟电厂与主网间的交互问题，判断其是否可进行均衡的市场交易。本模型设计将潮流约束作为重点内容，采用线性化的结构设计，可满足大规模的虚拟电厂市场参与，将潮流约束与虚拟电厂模型有效地融合[4]。

2.2 主网模型

主网需具备发电、约束等功能，考虑到主网配电系统成本最优化，构建主网模型、实现两者间的均衡交互，设计市场交易单元。主网模型构建既要保障其发电系统的稳定性，也要满足虚拟电厂的约束目标，模型构建主要包括：实现主网运行成本最优设计，发电机的发电成本最小；对发电机的发电功率参数进行明确，对其功率指标进行约束计算；主网系统的可再生能源利用效率，计算器发电功率，并对其进行约束计算；主网交互线路的约束设计；确保主网运行过程中的功率平衡效益，实现对其功率参数的计算；主网系统搜集各个节点的数据信息，实现对电价指标计算。

2.3 优化求解

基于均衡理论实现两者间的交互，满足其市场交易功能。在满足上述条件的基础上进行模型构建，对其上层与下层间的关系进行优化求解，使其满足均衡设计的目标，如此反复求解的过程，当收敛之后停止计算，迭代求解的过程如下：将主网电价指标进行初始化设计，采集不同时间段的网点电价信息，基于通信功能的实现将其传输至虚拟电厂系统之中；虚拟电厂在对内部储能及柔性负荷优化计算的基础上进行约束设计，满足约束指标后对其出力指标进行调整，期间需确保虚拟电厂运作成本的最优化。最终结合储能指标及负荷指标进行最终出力信息的计算；主网系统和虚拟电厂优化计算完成后判断其是否满足收敛条件，若满足条件则可计算出最优解，若不满足条件则需进行调节；主网和虚拟电厂进行调节，主网在与虚拟电厂交互的情况下获取相应的出力信息，在进行潮流约束的情况下进行成本最优设计。对主网系统中的发电机及能源进行调整，通过出力指标计算对电价信息进行明确；虚拟电厂继续进行出力计算，如此反复直至收敛。

在迭代交互计算过程中，对虚拟电厂的出力信息及主网系统的电价信息进行优化，最终达到收敛的效果。此方法基于均衡理论对虚拟电厂进行设计，既满足了其可交易的市场效果，也可实现成本的最优设计。主网在运行期间不需对虚拟电厂各个节点的信息进行采集即可获取最终的节点电价信息。主网与虚拟电厂间的信息交互停留在电价信息及出力信息上，最终可实现对资源的优化整合，信息传输效率较快，控制效益较高。

2.4 收敛结果

基于上述模型内容实现主网与虚拟电厂间的交互，由于使用双层模型对其进行构建，具有非线性属性，可能会导致其存在多个解的情况，使其计算结果出现震荡。虚拟电厂在运行过程中与主网进行交互，如期间出现发电机故障、发电机停机等问题，则可能会对最终的电价结果信息准确性造成影响，电力企业在市场交易的过程中可能会减少售电量以保障自身的收益。若虚拟电厂的购电量有所降低、主网在稳定运行的基础上，可能会导致计算的电价信息有所提升，虚拟电厂会更加倾向于向主网进行购电以获取更多的收益。因此，基于均衡理论考虑两者间的市场交易，需制定相应的交易准则，在振荡的范围计算成本的最优解，实现社会服务最优化。

具体过程如下所示：记录在虚拟电厂模型迭代求解计算过程中出现振荡的情况及概率；计算主网运行与虚拟电厂运行过程中耗费的总成本参数，包括两者间的收益；在振荡范围内计算两者交互运行的成本参数，制定电价方案。基于收敛结果实现对虚拟电厂应用的最优化，减少由于振荡情况对主网方与虚拟电厂运营商交互所产生的额外成本问题。在模型构建过程中考虑上述问题，计算振荡发生过程中虚拟电厂与主网的运行成本及收益，合理的制定节点电价，保障了主网与虚拟电厂的收益，实现社会服务的最优设计。

3 虚拟电厂算例分析

3.1 算例概述

基于上述模型中的主网与虚拟电网间的信息交互，实现对主网系统及虚拟电厂系统的构建。主网参数计算以广东省夏日全天系统负荷计算为主，进行各个节点的功率计算及效率计算，对储能效率及燃气轮机的功率参数进行分析。虚拟电厂的最大放电功率为18MW，运行效率指标为95%，每小时的充电容量参数为180MW。主网燃气轮机的在两个场景中运行，场景1最大功率参数为15MW，每小时运行成本为40元；场景2最大功率参数为20MW，每小时运行成本为40元，应用市场均衡理论对两个运行场景进行算例分析。

为确保虚拟电厂与主网间的交互性，考虑到均衡理论的实践应用设计两个场景：场景1。虚拟电厂向主网系统传输出力信息参数，主网向虚拟电厂传递电价信息参数。反复进行信息交换、数据优化，最终达到收敛的效果。该场景主要基于两者之间的迭代交互进行；场景2。虚拟电厂根据运行期间峰谷电价参数进行优化调整，虚拟电厂在承担电价风相关的同时，主网进行电价信息优化。虚拟电厂根据主网传输的电价参数进行调整优化，最终输出出力信息。

3.2 算例结果

基于上述两个场景实现虚拟电厂与主网系统间的交互。对最终的结果进行分析，选择最优策略。基于模型在场景1中的使用，虚拟电厂以分布式主网系统进行设计，光伏发电最终成本计算为0，虚拟电厂在主网传输的电价信息为最低值时进行储能，在电价达到最高值时辅助放电，可实现虚拟电厂利益的最大化。

计算虚拟电厂与主网间的运行成本，主网成本价格在365214元左右，虚拟电厂的收益在125311元左右。计算虚拟电厂与主网系统运行总成本，虚拟电厂在电价最低时储能、在电价最高时放电，可有效保障自身的利益。对比两个场景成本以及效益，场景2中的主网成本在369851元左右，虚拟电厂的收益在89657元左右。对比两个场景，应用市场均衡理论对其进行分析，虚拟电厂的收益有所增加、成本有所降低。

3.3 收敛结果分析

在应用模型期间，虚拟电厂与主网间的交互可能存在振荡问题，导致虚拟电厂的参数发生改变。将虚拟电厂储能作为唯一变量，对虚拟电厂的出力参数进行分析。当出现振荡情况时，虚拟电厂在确保成本最低时，以社会服务、社会福利为原则进行应用。

综上，虚拟电厂的市场参与重点内容在于保障其与主网间的协调性。基于市场均衡理论构建虚拟电厂模型，使用迭代交互的方式对其进行优化。最终结果表明，基于上述方法可实现主网与虚拟电厂间的优化交互，主网在不获取信息的情况下实现交互，收敛速度有所提升，该模式既减少了电厂运行的成本投入，也有效提高了市场的经济效益，具有双重优势。