考虑可再生能源消纳的多能互补虚拟电厂优化调度策略

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23037

摘要/Abstract

摘要：

围绕“碳达峰、碳中和”目标，能源电力系统“源-网-荷-储”全环节低碳化面临新的要求和挑战，高比例可再生能源发电已成为必然趋势。考虑可再生能源发电的不确定性对电力系统安全稳定运行的影响，利用具备多能互补特性的虚拟电厂(virtual power plant，VPP)是改善该问题的有效途径。为此，提出一种多能互补虚拟电厂优化调度策略。首先，充分考虑多种能源之间的耦合关系，构建计及“源-网-荷-储”全环节的虚拟电厂运行机制；其次，根据所提运行机制，提出以低碳经济为目标的多能互补优化调度模型，通过对各类型装置进行协调调度，促进可再生能源的消纳；最后，以某地区含可再生能源发电在内的多能互补虚拟电厂为参考案例进行仿真分析，验证所提策略的有效性。

关键词: 虚拟电厂(VPP), 可再生能源, 碳达峰, 碳中和, 源-网-荷-储一体化, 优化调度策略

Abstract:

Focusing on the goal of carbon peak and carbon neutrality, the low-carbonization of the whole link of energy power system (i.e., source-network-load-storage) faces new requirements and challenges. The high proportion of renewable energy generation has become an inevitable trend. Considering the impact of the uncertainty of renewable energy generation on the safe and stable operation of the power system, the use of virtual power plant (VPP) with multi-energy complementary characteristics is a favourable way to solve this problem. Therefore, an optimal scheduling strategy of multi-energy complementary VPP was proposed. Firstly, taking into account the coupling relationship between multiple energy sources, a VPP operation mechanism that takes into account the entire source-grid-load-storage chain was constructed. Secondly, according to the proposed operation mechanism, a multi-energy complementary optimal dispatching model with low carbon economy as the goal was proposed to promote the consumption of renewable energy by coordinating the dispatching of various types of devices. Finally, the effectiveness of the proposed strategy was verified by simulating and analyzing a reference case of a multi-energy complementary VPP including renewable energy generation in a region.

Key words: virtual power plant (VPP), renewable energy, carbon peak, carbon neutrality, source-grid-load-storage integration, optimal scheduling strategy

中图分类号:

TK 01

张宁, 朱昊, 杨凌霄, 胡存刚. 考虑可再生能源消纳的多能互补虚拟电厂优化调度策略[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 625-633.

Ning ZHANG, Hao ZHU, Lingxiao YANG, Cungang HU. Optimal Scheduling Strategy of Multi-Energy Complementary Virtual Power Plant Considering Renewable Energy Consumption[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(5): 625-633.

图/表 10

图1 虚拟电厂结构图

Fig. 1 Structure diagram of VPP

图2 改进粒子群算法流程图

Fig. 2 Flow chart of improved PSO algorithm

图3 光伏、风电出力曲线

Fig. 3 Output curves of photovoltaic and wind powers

表1 分时电价和气价

Tab. 1 Time share electricity price and gas price

机制	时段	价格/[元/(kW⋅h)]
配电网分时价格机制	00：00—08：00	0.428
	08：00—13：00	0.953
	13：00—18：00	0.687
	18：00—21：00	1.168
	21：00—24：00	0.572
天然气分时价格机制	00：00—06：00	0.227
	06：00—09：00	0.465
	09：00—12：00	0.584
	12：00—15：00	0.734
	15：00—19：00	0.465
	19：00—21：00	0.702
	21：00—24：00	0.227

表2 能量耦合装置转化效率

Tab. 2 Conversion efficiency of energy coupling device

参数	η_eg	η_eh	η_gh
数值	0.75	0.90	0.90

表3 储能装置相关参数

Tab. 3 Related parameters of energy storage devices

类型	参数	数值
储电设备	能量损耗率δ_e	0.03
	充电效率η_ec	0.97
	放电效率η_ed	0.97
储气设备	能量损耗率δ_g	0.04
	充能效率η_gc	0.95
	放能效率η_gd	0.95
储热设备	能量损耗率δ_h	0.05
	充能效率η_hc	0.93
	放能效率η_hd	0.93

图4 电力网络优化调度结果

Fig. 4 Power network optimization scheduling results

图5 天然气网络优化调度结果

Fig. 5 Natural gas network optimization scheduling results

图6 热网优化调度结果

Fig. 6 Heat network optimization scheduling results

表4 日内最小运行成本 (元)

Tab. 4 Intraday minimum running cost

费用类型	电费	天然气费	弃电惩罚	碳排放费	总费用
成本	120.370	376.820	157.437	37.796	692.423

参考文献 32

1	张涛，李逸鸿，郭玥彤，等．考虑虚拟电厂调度方式的售电公司多时间尺度滚动优化[J]．电力系统保护与控制，2021，49(11)：79-87．
	ZHANG T， LI Y H， GUO Y T，et al ．Multi-time scale rolling optimization of electricity retailers considering virtual power plant scheduling[J]．Power System Protection and Control，2021，49(11)：79-87．
2	杨秀，杜楠楠，孙改平，等．考虑需求响应的虚拟电厂双层优化调度[J]．电力科学与技术学报，2022，37(2)：137-146．
	YANG X， DU N N， SUN G P，et al ．Bi-level optimization dispatch of virtual power plants considering the demand response[J]．Journal of Electric Power Science and Technology，2022，37(2)：137-146．
3	赵春生，杨君君，王婧，等．燃煤发电行业低碳发展路径研究[J]．发电技术，2021，42(5)：547-553． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21054
	ZHAO C S， YANG J J， WANG J，et al ．Research on low-carbon development path of coal-fired power industry[J]．Power Generation Technology，2021，42(5)：547-553． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21054
4	姜红丽，刘羽茜，冯一铭，等．碳达峰、碳中和背景下“十四五”时期发电技术趋势分析[J]．发电技术，2022，43(1)：54-64． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21030
	JIANG H L， LIU Y X， FENG Y M，et al ．Analysis of power generation technology trend in 14th five-year plan under the background of carbon peak and carbon neutrality[J]．Power Generation Technology，2022，43(1)：54-64． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21030
5	杨冬梅，王俊，杜炜．考虑源网荷储聚合交易的区域电热综合能源系统优化调度[J]．电力建设，2021，42(10)：28-39． doi:10.12204/j.issn.1000-7229.2021.10.004
	YANG D M， WANG J， DU W ．Optimal dispatching for regional integrated electric and heating systems considering aggregation and transaction of generation-grid-load-storage[J]．Electric Power Construction，2021，42(10)：28-39． doi:10.12204/j.issn.1000-7229.2021.10.004
6	蒋正威，张锋明，胡凤桐，等．虚拟电厂分布式资源的聚合响应能力评估方法[J]．电力工程技术，2022，41(6)：39-49． doi:10.12158/j.2096-3203.2022.06.005
	JIANG Z W， ZHANG F M， HU F T，et al ．Evaluation method of aggregated responsiveness of distributed resources in virtual power plant[J]．Electric Power Engineering Technology，2022，41(6)：39-49． doi:10.12158/j.2096-3203.2022.06.005
7	郑浩伟，闫庆友，尹哲，等．计及日前-实时交易和共享储能的VPP运行优化及双层效益分配[J]．电力建设，2022，43(9)：34-46．
	ZHENG H W， YAN Q Y， YIN Z，et al ．VPP operation optimization and bilayer ｒevenue distribution model considering the two-level market and shared energy storage[J]．Electric Power Construction，2022，43(9)：34-46．
8	祖文静，杜易达，李鹏，等．计及不确定性与相关性的虚拟电厂参与主辅市场联合交易优化研究[J]．智慧电力，2022，50(10)：70-77． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2022.10.011
	ZU W J， DU Y D， LI P，et al ．Optimization of virtual power plant participating in joint trading in main and auxiliary markets considering uncertainty and correlation[J]．Smart Power，2022，50(10)：70-77． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2022.10.011
9	李英量，周丽雯，王德明，等．计及用户分级的虚拟电厂经济调度[J]．电力系统保护与控制，2022，50(16)：121-130．
	LI Y L， ZHOU L W， WANG D M，et al ．Virtual power plant economic dispatching considering user classification[J]．Power System Protection and Control，2022，50(16)：121-130．
10	贾德香，柳占杰，高骞，等．计及碳-电一体化交易的虚拟电厂竞价策略[J]．电力科学与技术学报，2021，36(2)：89-97．
	JIA D X， LIU Z J， GAO Q，et al ．Bidding strategy of the virtual power plant based on the consideration of carbon-electricity integration trading in auxiliary service market[J]．Journal of Electric Power Science and Technology，2021，36(2)：89-97．
11	刘方，徐耀杰，杨秀，等．考虑电能交互共享的虚拟电厂集群多时间尺度协调运行策略[J]．电网技术，2022，46(2)：642-656．
	LIU F， XU Y J， YANG X，et al ．Multi-time scale coordinated operation strategy of virtual power plant clusters considering power interactive sharing[J]．Power System Technology，2022，46(2)：642-656．
12	窦迅，王俊，叶飞，等．考虑虚拟电厂组合策略的售电公司优化调度及购售电决策[J]．电网技术，2020，44(6)：2078-2086．
	DOU X， WANG J， YE F，et al ．Optimal dispatching and purchase-sale decision making of electricity retailers considering virtual power plant combination strategies[J]．Power System Technology，2020，44(6)：2078-2086．
13	王晛，张华君，张少华．风电和电动汽车组成虚拟电厂参与电力市场的博弈模型[J]．电力系统自动化，2019，43(3)：155-162． doi:10.7500/AEPS20180211004
	WANG X， ZHANG H J， ZHANG S H ．Game model of electricity market involving virtual power plant composed of wind power and electric vehicles[J]．Automation of Electric Power Systems，2019，43(3)：155-162． doi:10.7500/AEPS20180211004
14	CHEN W， QIU J， ZHAO J，et al ．Bargaining game-based profit allocation of virtual power plant in frequency regulation market considering battery cycle life[J]．IEEE Transactions on Smart Grid，2021，12(4)：2913-2928． doi:10.1109/tsg.2021.3053000
15	LÖSCHENBRAND M ．Modeling competition of virtual power plants via deep learning[J]．Energy，2021，214：118870． doi:10.1016/j.energy.2020.118870
16	TAN C， WANG J， GENG S，et al ．Three-level market optimization model of virtual power plant with carbon capture equipment considering copula-CVaR theory[J]．Energy，2021，237：121620． doi:10.1016/j.energy.2021.121620
17	李强，朱丹丹，黄地，等．虚拟电厂运营商与电动汽车用户的主从博弈定价策略[J]．电力工程技术，2022，41(4)：183-191． doi:10.12158/j.2096-3203.2022.04.024
	LI Q， ZHU D D， HUANG D，et al ．Stackelberg game pricing strategy between virtual power plant operators and electric vehicle users[J]．Electric Power Engineering Technology，2022，41(4)：183-191． doi:10.12158/j.2096-3203.2022.04.024
18	周步祥，张越，臧天磊，等．基于区块链的多虚拟电厂主从博弈优化运行[J]．电力系统自动化，2022，46(1)：155-163．
	ZHOU B X， ZHANG Y， ZANG T L，et al ．Blockchain-based stackelberg game optimal operation of multiple virtual power plants[J]．Automation of Electric Power Systems，2022，46(1)：155-163．
19	张高，王旭，蒋传文．基于主从博弈的含电动汽车虚拟电厂协调调度[J]．电力系统自动化，2018，42(11)：48-55． doi:10.7500/AEPS20170607005
	ZHANG G， WANG X， JIANG C W ．Stackelberg game based coordinated dispatch of virtual power plant considering electric vehicle management[J]．Automation of Electric Power Systems，2018，42(11)：48-55． doi:10.7500/AEPS20170607005
20	SHAFIEKHANI M， AHMADI A， HOMAEE O，et al ．Optimal bidding strategy of a renewable-based virtual power plant including wind and solar units and dispatchable loads[J]．Energy，2022，239：122379． doi:10.1016/j.energy.2021.122379
21	陈厚合，王子璇，张儒峰，等．含虚拟电厂的风电并网系统分布式优化调度建模[J]．中国电机工程学报，2019，39(9)：2615-2625．
	CHEN H H， WANG Z X， ZHANG R F，et al ．Decentralized optimal dispatching modeling for wind power integrated power system with virtual power plant[J]．Proceedings of the CSEE，2019，39(9)：2615-2625．
22	杨洪朝，杨迪，孟科．高比例可再生能源渗透下多虚拟电厂多时间尺度协调优化调度[J]．智慧电力，2021，49(2)：60-68． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2021.02.011
	YANG H Z， YANG D， MENG K ．Multi-time scale coordination optimal scheduling of multiple virtual power plants with high-penetration renewable energy integration[J]．Smart Power，2021，49(2)：60-68． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2021.02.011
23	KONG X， XIAO J， LIU D，et al ．Robust stochastic optimal dispatching method of multi-energy virtual power plant considering multiple uncertainties[J]．Applied Energy，2020，279：115707． doi:10.1016/j.apenergy.2020.115707
24	孙惠娟，刘昀，彭春华，等．计及电转气协同的含碳捕集与垃圾焚烧虚拟电厂优化调度[J]．电网技术，2021，45(9)：3534-3545．
	SUN H J， LIU Y， PENG C H，et al ．Optimization scheduling of virtual power plant with carbon capture and waste incineration considering power-to-gas coordination[J]．Power System Technology，2021，45(9)：3534-3545．
25	周任军，孙洪，唐夏菲，等．双碳量约束下风电-碳捕集虚拟电厂低碳经济调度[J]．中国电机工程学报，2018，38(6)：1675-1683．
	ZHOU R J， SUN H， TANG X F，et al ．Low-carbon economic dispatch based on virtual power plant made up of carbon capture unit and wind power under double carbon constraint[J]．Proceedings of the CSEE，2018，38(6)：1675-1683．
26	张涛，黄明娟，刘伉，等．计及源荷不确定性和变工况特性的区域综合能源系统优化调度[J]．智慧电力，2022，50(8)：109-117． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2022.08.018
	ZHANG T， HUANG M J， LIU K，et al ．Optimal scheduling of regional integrated energy system considering source-load uncertainty and variable condition characteristic[J]．Smart Power，2022，50(8)：109-117． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2022.08.018
27	周亦洲，孙国强，黄文进，等．多区域虚拟电厂综合能源协调调度优化模型[J]．中国电机工程学报，2017，37(23)：6780-6790．
	ZHOU Y Z， SUN G Q， HUANG W J，et al ．Optimized multi-regional integrated energy coordinated scheduling of a virtual power plant[J]．Proceedings of the CSEE，2017，37(23)：6780-6790．
28	JU L， YIN Z， LU X，et al ．A Tri-dimensional equilibrium-based stochastic optimal dispatching model for a novel virtual power plant incorporating carbon capture，power-to-gas and electric vehicle aggregator[J]．Applied Energy，2022，324：119776． doi:10.1016/j.apenergy.2022.119776
29	白雪岩，樊艳芳，刘雨佳，等．考虑可靠性及灵活性的风光储虚拟电厂分层容量配置[J]．电力系统保护与控制，2022，50(8)：11-24．
	BAI X Y， FAN Y F， LIU Y J，et al ．Wind power storage virtual power plant considering reliability and flexibility tiered capacity configuration[J]．Power System Protection and Control，2022，50(8)：11-24．
30	马晓燕，穆云飞，李树荣，等．数据中心综合能源系统优化运行研究综述[J]．电力建设，2022，43(11)：1-13． doi:10.12204/j.issn.1000-7229.2022.11.001
	MA X Y， MU Y F， LI S R，et al ．Review on the optimal operation of integrated energy system in data center[J]．Electric Power Construction，2022，43(11)：1-13． doi:10.12204/j.issn.1000-7229.2022.11.001
31	王颖杰，詹红霞，杨孝华，等．考虑综合需求响应的电热系统调度[J]．电力工程技术，2021，40(1)：17-24．
	WANG Y J， ZHAN H X， YANG X H，et al ．Optimal dispatching strategy of combined heat and power system considering integrated demand response[J]．Electric Power Engineering Technology，2021，40(1)：17-24．
32	钟建伟，朱涧枫，黄秀超，等．基于双态二进制粒子群优化算法的配电网故障定位[J]．电力系统及其自动化学报，2019，31(3)：29-34． doi:10.3969/j.issn.1003-8930.2019.03.005
	ZHONG J W， ZHU J F， HUANG X C，et al ．Fault location in distribution network based on BBPSO algorithm[J]．Proceedings of the CSU-EPSA，2019，31(3)：29-34． doi:10.3969/j.issn.1003-8930.2019.03.005

[1]	张叶青, 陈文彬, 徐律军, 江兴稳. 面向多虚拟电厂的分层分区多层互补动态聚合调控策略[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 162-169.
[2]	王若为, 李音璇, 葛维春, 张诗钽, 刘闯, 楚帅. 沙漠光伏电能外送技术综述[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 32-41.
[3]	许星原, 陈皓勇, 黄宇翔, 吴晓彬, 王宇绅, 廉俊豪, 张健彬. 虚拟电厂市场化交易中的挑战、策略与关键技术[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 745-757.
[4]	赵振宇, 李炘薪. 基于阶梯碳交易的碳捕集电厂-电转气虚拟电厂低碳经济调度[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 769-780.
[5]	贾晓强, 杨永标, 杜姣, 甘海庆, 杨楠. 气候变化条件下基于智能预测模型的虚拟电厂不确定性运行优化研究[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 790-799.
[6]	黄河, 王燕, 姜念, 吴强, 张雅静, 杨秀媛. 考虑用户诉求差异的居民可控负荷资源优化控制[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 896-908.
[7]	彭道刚, 税纪钧, 王丹豪, 赵慧荣. “双碳”背景下虚拟电厂研究综述[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 602-615.
[8]	陈皓勇, 黄宇翔, 张扬, 王斐, 周亮, 汤君博, 吴晓彬. 基于“三流分离-汇聚”的虚拟电厂架构设计[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 616-624.
[9]	郁海彬, 张煜晨, 刘扬洋, 陆增洁, 翁锦德. 碳交易机制下多主体虚拟电厂参与电力市场的优化调度竞标策略[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 634-644.
[10]	石梦舒, 许小峰, 张继广, 李忆, 周保中, 乐鹰, 毕圣. 考虑电-氢市场的虚拟电厂两阶段优化策略研究[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 645-655.
[11]	刘含笑. 双碳背景下电除尘器的节能减碳分析[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 738-744.
[12]	曹冬惠, 杜冬梅, 何青. 氢储能安全及其检测技术综述[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 431-442.
[13]	兰宇, 龙妍, 张哲豪, 阮金港. 可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性研究[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 473-483.
[14]	许洪华, 邵桂萍, 鄂春良, 郭金东. 我国未来能源系统及能源转型现实路径研究[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 484-491.
[15]	张全斌, 周琼芳. 基于“双碳”目标的中国火力发电技术发展路径研究[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 143-154.