考虑负荷聚合商的源荷双侧合作协同运行策略

蔡浩阳，王维庆，范添圆，朱姝林

(新疆大学可再生能源发电与并网控制教育部工程研究中心，乌鲁木齐 830047)

近年来，随着可再生能源装机规模不断增加，电气负荷的种类日趋多元化，其发电间歇性与用户行为复杂性给电力系统的供需平衡能力带来了巨大的挑战[1]。传统依靠发电侧出力维持供需平衡的能力有限，且成本较高[2]。因此，如何通过需求侧与发电侧协同调度实现电力系统经济性与环保性成为现有研究的重点内容之一。

通常需求侧用户可分为商业用户、工业用户和居民用户。前两者对供电可靠性要求较高，属于不可控负荷，而后者用电量占社会总用电量的36.6%，且负荷种类多样，存在主动负荷参与调度的可行性[3]。负荷聚合商(load aggregator，LA)作为发达国家整合用户需求侧资源的专业机构，近些年在中国一些省份开始出现。目前关于LA的研究多集中在控制某类负荷的启停以达到削峰填谷或优化负荷曲线的目的。文献[4-5]为了降低电动汽车集中充电对电力平衡的冲击，通过LA与用户签订双边合约，对EV进行有序充/放电，为解决可再生能源消纳问题提供了方案。文献[6]为了解决因空调造成的负荷尖峰现象，通过LA制定激励机制来鼓励用户空调负荷参与需求响应(demand response，DR)，证明了通过LA的合理调度能够缓解负荷波动。以上文献大多是以一种负荷作为LA调控对象，然而用户需求侧存在多种类型的负荷，仅调用一种负荷会造成需求侧资源的闲置。

目前，已有学者对需求侧或发电侧的优化调度开展了相关研究。文献[7]考虑了需求侧激励型多能源响应，以系统运行成本最低为目标，建立了LA-用户的DR模型，并通过算例证明模型在降低虚拟电厂调度成本和聚合商补偿成本方面的有效性。文献[8]通过挖掘需求侧柔性负荷的可调度潜力，减少了系统运行成本，降低了负荷峰谷差。文献[9]提出了风光储结合的优化策略，引入基于电力弹簧的虚拟储能，经验证能够提高系统运行的经济性。文献[10]考虑了碳捕集电厂与风电协调配合的调度策略，构建了以DR与碳捕集电厂灵活运行方式的低碳经济调度模型，并通过仿真验证所提模型的正确性。然而，上述文献大多仅从发电侧或需求侧进行优化，对用户侧资源管理以及考虑源荷两侧的协调配合的研究较少，因此需要对源荷双侧协同优化运行做进一步的研究。

综上，针对现有研究的不足，首先建立需求侧不可控负荷、可平移负荷和可削减负荷模型。其次，在系统分时电价的作用下，用户侧可平移负荷在负荷峰谷时段根据自身用电状况将用电方式做出一定的调整。之后，LA以负荷削减合同的方式调用用户侧可削减负荷参与需求侧优化。在源荷双侧协同优化问题上，将发电调度商与LA以参与者平等地位建立合作博弈模型，以源荷合作联盟成本最低为目标优化源荷两侧的机组出力及负荷曲线，并以Shaple值分配法作为联盟成本分配策略。最后，通过算例对比LA参与源荷合作前后系统各成本的变化情况，验证所提策略在提高可再生能源消纳量以及电力系统经济运行方面的可行性。

1 源荷合作架构及负荷分类

1.1 LA参与的源荷合作运行基本框架

用户侧负荷参与DR可以分为价格型和激励型两种模式，前者通过制定最优电价间接地引导用户用电行为，其响应效果取决于用户的意愿，具有不确定性和调度潜力有限等局限；后者常用于LA或配电中心和终端用户签订用电协议，获取调度权力。源荷合作运行系统框架如图1所示，发电调度商代表源侧，源侧考虑传统的火电和风电；LA代表荷侧，其聚合的需求侧资源包括分布式光伏、电储能、电负荷。日前，发电调度商对次日负荷峰谷时段进行预测，制定分时电价，LA调用辖区内用户的可平移负荷错峰用电。日内，LA与辖区内自愿参与LA管理的用户签订负荷削减合同，合同规定LA会考虑用户用能诉求的情况下对用户可削减负荷进行调度，之后LA根据发电调度商通知的削减量，调用负荷削减合同。

图1 源荷合作运行系统框架

1.2 需求侧电负荷分类

LA结合用户的用电需求、不同电负荷的物理特性以及工作时段和时长，将用户的电负荷划分为如下三类[11]。

(1)不可控负荷。这类负荷多为一、二级负荷，对供电可靠性要求高，无法参与LA调用。

(2)可转移负荷。这类负荷工作时间固定，工作时段可调，可对电价变动做出一定的响应如错峰用电等，但响应能力较弱，这类负荷典型的有洗衣机，洗碗机等。

(3)可削减负荷。这类负荷用电灵活，在给予补偿的情况下具有较大的调峰潜力，如空调、热水器等。

2 基于合作博弈的源荷合作协同运行模型

2.1 博弈基本要素

(1)参与者。源侧与计及LA的荷侧。

(2)策略。源侧为火电机组的机组组合处理情况与风电上网情况；荷侧为LA提供的可转移负荷量、可削减负荷量和用户侧光伏的上网情况。

(3)支付。为源荷双侧合作协同运行问题，将源荷双侧的支付均定义为其运行成本。其中源侧包括火电机组燃料成本、启停成本以及弃风惩罚成本；荷侧包括LA代理用户的购电成本、弃光惩罚成本、对可平移负荷调用的补偿成本以及对可削减负荷调用的补偿成本，具体参与者的支付函数如下。

2.2 荷侧支付函数

f1=Cp+CV+Ctr+Ccu

(1)

式(1)中：f1为荷侧支付函数；Cp、CV、Ctr、Ccu分别为LA向发电调度商的购电成本、弃光惩罚成本、调用用户可平移负荷的补偿成本和调用用户可削减负荷的补偿成本。

2.2.1 LA购电成本

LA为所辖区域内用户利益代表方，根据用户实际情况，需要按照分时电价进行电费支付，购电成本可表示为

(2)

式(2)中：ω(t)为t时刻的电价；Pd(t)为原始电负荷；Pbat(t)为t时刻电储能的输出功率；Ptru(t)为t时刻可平移负荷增加的负荷量；Ptrd(t)为t时刻可平移负荷减少的负荷量；Pcu(t)为LA在t时刻被调用的负荷削减量；Pv(t)为t时刻LA所辖区域的光伏出力。

2.2.2 弃光惩罚成本

为促进节能减排及可再生能源优先上网，考虑可再生能源的弃电惩罚，其表达式为

(3)

2.2.3 可平移负荷补偿成本

参考文献[12]采用用户实际负荷偏离原始负荷的程度来衡量用户的用电满意度，得到调用可平移负荷的成本为

(4)

式(4)中：θ为电负荷偏离惩罚系数；Pd1为调用可平移负荷后的负荷。

2.2.4 可削减负荷补偿成本

可削减负荷用电时间和用电灵活性都较高，本文采用LA与用户签订负荷削减合同的方式对可削减负荷进行调用，合同内容主要涉及：对负荷的削减量、补偿价格、用户对负荷的使用需求，调用削减负荷成本为

(5)

2.3 源侧支付函数

f2=CG+CO,F+CW

(6)

式(6)中：f2为源侧支付函数；CG、CO,F、CW分别为火电机组燃料成本、火电机组启停成本、弃风惩罚成本。

(1)火电机组燃料成本。

(7)

(2)火电机组启停成本。

(8)

(3)弃风惩罚成本。

弃风惩罚成本表达式与弃光成本表达式[式(3)]类似。

2.4 系统内部约束条件

(1)功率平衡约束。

Pd(t)+Ptru(t)-Ptrd(t)+Pbat(t)

(9)

Pd1(t)=Pd(t)+Ptru(t)-Ptrd(t)

(10)

(2)可再生能源出力约束。

(11)

(3)电储能约束。

(12)

(13)

(4)可平移负荷约束。可平移负荷其周期内总用电量不变，电能使用时间可以改变。

(14)

(5)可削减负荷约束。用户与LA签订若干削减合同，单日负荷削减量不能超过合同提供的削减量，每小时削减量也不应超过一定的比例，单个合同的削减时间不能超过合同规定最大削减时间。

(15)

(6)火电机组出力约束。

(16)

(7)火电机组爬坡约束。

(17)

(8)火电机组启停时间约束。

(18)

(9)旋转备用约束。

(19)

3 合作博弈收益分配模型

合作博弈是指参与者通过强有力协议的方式形成合作联盟，在可靠协议的约束下，参与者完全有可能通过合作实现整体最优。在合作博弈模型下，参与者通过联盟获得额外收益，而且联盟的整体利益要大于每个成员单独行动时的收益之和，联盟每个成员分配的收益要大于其单独行动的收益。本文构建的考虑LA的源荷双侧合作协同运行策略，以合作联盟成本最低为目标，并以Shapley值分配法作为合作联盟的成本分配策略，通过LA调用用户侧可平移和可削减负荷参与系统运行，从而实现合作联盟的整体成本降低和源荷两侧的成本降低，达到整体理性(联盟总成本低于不合作时的成本)和个体理性(个体在联盟的成本低于不合作时的成本)。

合作联盟形成后，为保证联盟的长期稳定，公平的分配方案就显得至关重要。Shapley值分配法以各个参与者对联盟总目标做出的贡献来进行收益的分配，既杜绝了分配的过度平均化，又能根据参与者对联盟影响进行不同程度的分配，不仅体现了合理性又能满足公平分配的原则，Shapley值分配法表达式为

(20)

式(20)中：xi为联盟中第i个成员的收益；s为总联盟n在排除参与者{i}后的任意子联盟；v为合作联盟的特征函数；v(s)为联盟s中所有成员通过合作产生的收益；v(s{i})为联盟s中排除成员i后其余成员形成合作联盟的收益；|s|为联盟s所包含的成员个数；(n-|s|)!为剩余成员的排列；[v(s)-v(s{i})]为成员i参与不同联盟为自身参与联盟创造的边际贡献。

4 算例分析及对比验证

4.1 算例说明

以某区域电网作为算例验证，系统拓扑结构如图2所示，6台火电机组在节点1并网，总装机容量为500 MW的风电场在节点3并网，LA代理用户侧总容量为300 MW的分布式光伏在节点10并网。负荷预测曲线、风电和光伏预测出力如图3所示。火电机组参数如表1所示。系统各基本参数如表2所示。电价参数如表3所示。风电和光伏发电成本忽略不计，调度时间间隔1 h，调度周期T=24 h；风、光弃电惩罚成本参考文献[13]取500元/(MW·h)。本文算例调用CPLEX进行优化求解。

1～11为节点

图3 风电、光伏及负荷预测曲线

表1 火电机组参数

表2 系统基本参数

表3 电价参数

4.2 优化结果对比分析

4.2.1 源荷合作调度分析

为验证本文模型的合理性与可行性，设置以下场景进行对比仿真。

场景1不考虑LA参与的调度。此情景下LA不参与系统调度，发电测以自身发电成本最低为目标，需求侧用户以自身用电满意度最大为目标，LA对用户的可平移负荷和可削减负荷不进行调用。

场景2考虑LA参与的源荷合作协同优化调度。此情景下发电调度商与LA形成合作联盟，以联盟成本最低为目标，发电调度商根据日前的负荷预测制定分时电价，LA调用用户10%的可平移负荷进行错峰用电。在日内，LA通过与用户签订负荷削减合同的方式调用用户的可削减负荷，负荷削减合同如表4所示。

表4 负荷削减合同

由图4、图5可以看出，在场景一中，当LA不参与系统调度时，源侧为了应对负荷峰谷波动火电机组会有不同的启停，造成高额的启停费用，损失了系统的经济性；同时，因2:00—7:00这段时间负荷较低而风电出力较大使得可再生能源弃电严重。对比两个图可以看出，LA代表的荷侧与发电调度商代表的源侧形成合作联盟以后，LA通过调用用户可平移负荷和可削减负荷改善了负荷曲线，降低了火电机组的频繁启停，这部分成本的降低使得系统发电经济性提高，而且优化了负荷曲线，同时在弃风、弃光惩罚下，使得可再生能源的弃电明显降低，但由于风电存在反调峰特性，少量的弃风无法避免。

图4 场景1机组出力

图5 场景2机组出力

由表5可知，在LA参与源荷组成合作联盟的场景下，火电机组启停成本降为0，风、光弃电成本也降低为0。这是由于对于用户可平移负荷的调用，虽然总的用电量没有变，但将原来负荷峰时段转移到了谷时，改善了负荷曲线，使得负荷谷时段风电、光伏上网发电量增加，弃电成本大幅降低，提高了系统的环保性；同时对用户可削减负荷的调用使得负荷的峰值降低，火电机组的燃料成本降低了14.45 万元。虽然在源荷合作场景下，调用用户可平移和可削减负荷给与了用户10.97万元的补偿费用，但总成本减少142万元，很大程度提高了系统的经济性。

表5 不同场景下源荷成本对比

4.2.2 不同比例可平移负荷调度结果分析

考虑可平移负荷调度比例和可削减负荷对系统调度的影响，分析可转移负荷比例为5%、10%和15%的调度结果。由表6可知，随着LA对可平移负荷调用比例的升高，系统总成本将会降低，可再生能源弃电成本大幅降低，当可平移负荷调用比例超过15%，可再生能源消纳量达到最大，系统总的成本将下降缓慢。

由表7可知，当系统调用10%可平移负荷的同时调用可削减负荷，此时可再生能源消纳水平与表6中调用15%的可平移负荷水平相当，且系统总成本相对更低，由于对于负荷削减合同的调用降低了负荷的峰值使得此时的火电发电成本降低幅度更大，虽然补偿成本也增加，但总成本得到降低，而当可平移负荷比例增加到15%时，由于此时火电机组不再启停，可再生能源实现完全消纳，系统的总成本的下降并不明显。

表6 不同比例可平移负荷的影响

表7 不同比例可平移负荷和可削减负荷的影响

综上可知，当可平移负荷调用比例为10%且调用可削减负荷时，系统风、光得到完全消纳，且火电发电成本也降至最低，系统总成本也降至较低水平，倘若此时再增加可平移负荷调用比例，系统的总成本下降并不明显，且影响了用户的用电舒适度。由此证明，可平移负荷比例为10%且调用可削减负荷的源荷合作协同运行策略为系统最优，此时系统的经济性与环保性均有提升。

4.2.3 负荷削减合同调用情况分析

负荷削减合同调用与负荷曲线变化如图6所示，可以看出，合同的调用主要发生在负荷峰时段11:00—12:00、20:00—22:00，且在调用可平移负荷的基础上，通过负荷削减合同的实施，改善了负荷曲线，降低了负荷的峰值。由此证明，本文所提策略能够改善负荷曲线，降低负荷峰谷差，使负荷曲线更加平滑，减少了火电机组的发电成本。

图6 负荷削减合同调用及负荷曲线变化情况

4.3 合作联盟成本分配

场景1中，发电调度商和LA独立运行，此时发电调度商的成本为v{1}=320.13万元，LA的成本为v{2}=1 331.16 万元。场景2中，发电调度商与LA组成合作联盟的总成本v{1,2}=1 509.29万元。

通过Shapley值分配法计算源荷两侧在合作联盟中所分摊的运行成本如表8所示。由表8可知，源荷组成合作联盟的场景下，发电调度商与LA的成本对比单独运行时均有所降低，分别降低了22.18%和5.33%，总成本也降低了8.60%，由此证明了合作联盟的整体理性和个体理性，满足合作博弈存在的必要条件，证明了本文源荷合作协同运行策略的合理性。

表8 合作博弈收益分配

5 结论

提出了考虑LA的源荷双侧合作协同运行策略，构建了源荷合作运行基本框架，以源荷合作联盟运行成本最低为目标，并以Shapley值作为源荷合作联盟的成本分配策略，通过CPLEX进行求解，通过对结果进行分析，得到以下结论。

(1)所提策略使发电调度商和LA的成本均得以降低，源荷两侧成本分别降低22.18%和5.33%，提高了系统运行的经济性。以负荷削减合同的方式解决了LA对用户可削减负荷调度障碍的问题，同时LA对可削减负荷和可平移负荷的调用，使得火电发电成本降低了14.45万元，启停成本降低了24.72万元，延长了机组寿命，提高了系统运行的经济性与环保性。

(2)通过算例对比，验证当可平移负荷的比例为10%且调节可削减负荷时，能够使得可再生能源消纳量达到最大，可再生能源弃电成本降至最低，同时对参与调度的用户进行了补偿，保证了一定的用电满意度，对源荷两侧均有益处。