面向综合能源园区的丰枯电价定价方法
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Pricing Method for Season of Use in Integrated Energy Park
1.
2.
3.
4.
5.
6.
收稿日期: 2021-12-29
基金资助: |
|
Received: 2021-12-29
作者简介 About authors







综合能源园区是以新能源为主体的新型电力系统的基本单元,通过建设分布式电源,可以实现能源生产、消费就近完成和园区自我平衡。通过挖掘用户需求响应潜力,制定差异化丰枯电价,能够缓解分布式电源出力和用户电量的季节性不匹配矛盾,对此提出一种面向综合能源园区的丰枯电价定价方法。首先,根据用户的电量特征和需求响应特征,基于k-means聚类算法进行用户分类;然后,根据园区不平衡电量,基于k-means聚类算法划分丰枯时段;最后,构建优化模型,制定不同类别用户的丰枯电价。根据案例分析可知,基于该方法制定丰枯电价,能够有效促进分布式电源就地消纳,提高园区清洁能源消费比重和整体经济性。
关键词:
Integrated energy park is the basic unit of new electric power system dominated by renewable energy. Depending on distributed generators, the energy production and consumption nearby and self-balance of park are achieved. The contradiction of seasonal load mismatch between distributed generators and users can be released by tapping demand response potential and stipulating different season of use (SOU) price. A pricing method for SOU price in integrated energy park was put forward accordingly. First of all, considering characteristics of load and demand response, users were classified by k-means clustering algorithm. Then, according to unbalance load of park, SOU periods were determined by k-means clustering algorithm. At last, the optimization model was established to stipulate SOU price of different types of users. As the case shown, based on this method, SOU price can promote local consumption of distributed generators efficiently and raise the utilization ratio of clean energy and overall economic benefit of park.
Keywords:
本文引用格式
杜将武, 唐小强, 罗志伟, 刘敦楠, 陈积旭, 徐尔丰, 毕圣.
DU Jiangwu, TANG Xiaoqiang, LUO Zhiwei, LIU Dunnan, CHEN Jixu, XU Erfeng, BI Sheng.
0 引言
现有文献已对丰枯电价开展一定研究。文献[10]根据调查数据,建立了电量转移成本和收益函数,确定了不同行业用户达到电量转移极限的丰枯电价调整比例,结合云南电力系统进行了验证。文献[11]基于价格弹性建立了用户丰枯电价响应模型,通过仿真验证了模型的有效性。文献[12]利用丰枯电量差异率、水火互济指数、执行丰枯电价风险度和风险价值4个指标,评估了执行丰枯电价效益,建立了丰枯电价决策模型。文献[13]提出了丰枯-峰谷电价合同电量定价模型,基于条件风险价值最小化优化模型,确定了用户丰枯-峰谷电价比。总的来说,现有丰枯电价研究主要针对水电。综合能源园区包含风电、光伏和水电等分布式电源,同时涉及与外部电网电量交换,如何统筹协调分布式电源月度出力和用户电量,合理划分丰枯时段,根据用户需求响应特征优化制定丰枯电价,有待进一步深入研究。
因此,本文提出一种面向综合能源园区的丰枯电价定价方法,以促进清洁能源就地消纳和高效利用,提高园区清洁能源消费比重。
1 分布式电源季节性出力特性
分散式风电、分布式光伏、小水电等分布式电源不可控,出力呈现较强的季节性。
1)分散式风电
2)分布式光伏
3)小水电
一般情况下,受气温、节假日、生产生活周期等因素影响,用户月度电量呈现夏冬季高、春秋季低的特点。分散式风电、分布式光伏、小水电出力和用户电量在不同月度之间具有不匹配矛盾,分布式电源月度出力和用户月度电量关系如图1所示。随着分布式电源装机规模不断增加,综合能源园区电力供需季节性不匹配矛盾进一步突出,给清洁能源就地消纳和综合能源园区优化运行带来更大的困难和挑战。
图 1
2 丰枯电价
本文提出一种面向综合能源园区的丰枯电价定价方法,自主确定丰枯电价的时段和电价,实现差异化丰枯电价的制定,具体步骤如下。
1)用户特征分析和分类。根据用户特征,基于k-means聚类算法划分用户类别,确定不同类别用户的电量特征和需求响应特征,作为制定差异化丰枯电价的基础。
2)园区丰枯时段划分。根据分布式电源和用户的供需关系,以及园区不平衡电量,基于k-means聚类算法确定丰枯时段。
3)园区丰枯电价制定。根据不同用户类别的特征和划分的丰枯时段,以园区的总收益最大化为目标,构建优化模型,求解确定不同用户类别的丰枯电价。
3 用户特征分析和分类
3.1 用户特征分析
用户特征包括电量特征和需求响应特征,其中需求响应特征以价格弹性矩阵表示。价格弹性矩阵由价格弹性系数构成,对角线元素为自弹性系数,其他元素为交叉弹性系数。基于价格弹性矩阵,执行丰枯电价后用户月度电量表示如下:
式中:
式(
式中
3.2 用户分类
用户分类的原则为相同类别用户尽可能差异小,不同类别用户尽可能差异大,可基于聚类算法实现。k-means聚类算法是最经典、应用最广的聚类算法之一,基于k-means聚类算法的用户分类流程如图2所示。
图 2
图 2
基于k-means聚类算法的用户分类流程
Fig. 2
Flow of user classification based on k-means clustering algorithm
首先,设定用户分类数量,基于k-means聚类算法,根据特征向量对用户进行分类。目标函数为用户和聚类中心的欧式距离之和最小化。通过计算用户和聚类中心的欧式距离、划分用户类别、更新聚类中心的循环迭代,直至目标函数收敛,输出用户分类结果[25]。
式中:
然后,基于CH(Calinski Harabasz)指标评估用户分类结果的优劣[26]。CH指标能够反映相同类别用户的相似程度和不同类别用户的差异程度。CH指标值越大,表明用户分类结果越好。
式中:
最后,对比不同用户分类数量下用户分类结果的CH指标值,CH指标值对应的用户分类数量和用户分类结果,即为最优的用户分类数量和用户分类结果。
4 园区丰枯时段划分
园区丰枯电价定价的目的是促进清洁能源就地消纳、提升园区整体运行效率。园区不平衡电量反映分布式电源和用户的供需匹配程度,以及园区和外部电网的交换电量,是划分园区丰枯时段的依据。
式中:
设定分类数量为3,基于k-means聚类算法,根据月度园区不平衡电量对月度电量进行分类,分类结果即为园区丰枯时段划分结果。
5 园区丰枯电价制定
在用户分类和丰枯时段划分的基础上,构建优化模型,确定不同类别用户的丰枯电价。
5.1 优化变量
优化变量为不同类别用户的丰枯电价。
式中:
5.2 目标函数
目标函数为园区的总收益最大化,收入包括用户的售电收入和分布式电源的上网收入,成本包括园区外购电量的购电成本。
式中:
5.3 约束条件
约束条件包括年度电量约束、丰枯电价约束、用电单价约束等。
1)年度电量约束
为满足用户的用电需求,执行丰枯电价后用户年度电量的变化幅度不大。
式中
2)丰枯电价约束
丰枯电价在既定范围内,且逐渐递减。
式中:
3)园区综合单价约束
执行丰枯电价后,园区综合电价具有一定程度的降低。
式中
5.4 求解算法
目标函数包含欧氏距离,约束条件包含最大值、最小值等函数,因此为非线性优化模型,可基于分支定界(branch and bound,BB)法、Benders分解法、割平面法等算法进行求解[27]。
6 案例分析
6.1 基础参数
图 3
图 3
分布式电源出力、用户电量和园区不平衡电量
Fig. 3
Load of distributed generators and users, and the unbalance load of park
6.2 结果分析
基于MATLAB对用户分类和季节性丰枯时段进行划分,并构建和求解优化模型。
表 1 不同用户分类数量的CH指标值
Tab. 1
用户分类数量 | 2 | 3 | 4 | 5 |
---|---|---|---|---|
CH指标值 | 255.8 | 237 705.1 | 181 753.1 | 159 034.7 |
图 4
图 5
价格弹性矩阵的对角线元素数值越小、变化梯度越大,表示电价变化引起当月电量的相对变化程度越大。对角线分布越宽,表示当月调整电量会在更多相邻月份进行电量转移,用户的需求响应能力更强。分析可知,1类用户的价格弹性矩阵的对角线元素(自弹性系数)数值最小,且对角线变化梯度最大、分布最宽,需求响应能力最强,3类用户次之,2类用户最弱。
综上所述,3类用户及其特征如下:1类用户共6家,4—11月电量大且稳定,12月电量逐步降低,2月电量达到最低点,3月开工后电量恢复,需求响应能力强;2类用户共7家,3—12月电量大且稳定,1—2月因春节放假,电量降低,需求响应能力弱,用电需求呈现一定刚性;3类用户共12家,1月、6—8月、12月电量大,呈现夏冬双峰特征,具有一定季节性,需求响应能力适中,介于1、2类用户之间。
根据月度园区不平衡电量划分确定园区丰枯时段,基于优化模型求解得到不同类别用户的丰枯电价,如表2所示。
表 2 丰枯时段和不同类别用户的丰枯电价 (元/(kW⋅h))
Tab. 2
时段 | 月份 | 1类用户 | 2类用户 | 3类用户 |
---|---|---|---|---|
枯 | 3—5月 | 0.506 9 | 0.613 3 | 0.557 6 |
平 | 2月、6—10月 | 0.557 6 | 0.674 7 | 0.613 3 |
丰 | 1月、11—12月 | 0.613 3 | 0.742 1 | 0.674 7 |
分析可知:1类用户价格弹性大,对电价变化敏感、响应能力强,较小的电价变化即可产生可观的电量变化;2类用户价格弹性小,对电价变化不敏感、响应能力弱,更大的电价变化才能产生与1类用户相同的响应效果。
图 6
图 6
执行丰枯电价前后的园区不平衡电量
Fig. 6
Unbalance load of park before and after stipulating season of use price
表 3 执行丰枯电价前后变化
Tab. 3
指标 | 执行丰枯电价前 | 执行丰枯电价后 | 执行前后变化 |
---|---|---|---|
供需不匹配度/% | 9.6 | 5.8 | -3.8 |
园区综合电价/[元/(kW∙h)] | 0.65 | 0.61 | -0.04 |
分析可知,面向综合能源园区的丰枯电价定价本质上是根据不同类型用户的电量特征和需求响应特征,制定差异化的丰枯电价,有差别激发用户的响应潜力,改变用电行为,为综合能源园区带来以下2方面有利效果。
1)用户响应丰枯电价后,用户月度电量和分布式电源月度出力更加匹配,分布式电源上网电量减少,实现更大程度就地消纳和高效利用。用户的销售电价大于分布式电源的上网电价,因此,园区丰枯电价能够提高分布式电源的综合利用效率和经济效益。
2)分布式电源就地消纳,能源生产和消费就近完成,园区外购电量减少。园区外购电价包含输配电价,大于分布式电源的成本,因此园区丰枯电价能够降低园区供电成本和综合单价,提升园区整体经济性。
7 结论
综合能源园区是以新能源为主体的新型电力系统的基本单元。提出一种面向综合能源园区的丰枯电价定价方法,并进行了案例分析,得到了以下结论:
1)该方法以月度园区不平衡电量为依据,根据不同类别用户的电量特征和需求响应特征制定丰枯电价,能够进一步差异化挖掘和激发用户需求响应潜力,更好促进供需协调互动。
2)基于该方法制定丰枯电价,能够引导用户用电需求与分布式电源更加匹配,促进分布式电源就地消纳,降低园区供电成本,进一步提高园区清洁能源消费比重、运行效率和整体经济性。
参考文献
习近平在气候雄心峰会上的讲话(全文)
[EB/OL].(
Full text:President Xi's speech at climate ambition summit
[EB/OL].(
习近平主持召开中央财经委员会第九次会议
[EB/OL].(
A meeting of the central committee for financial and economic affairs presided over by President Xi
[EB/OL].(
能源互联网“源-网-荷-储”协调优化运营模式及关键技术
[J].
“Generation-grid-load-storage”coordinative optimal operation mode of energy internet and key technologies
[J].
计及综合需求响应的综合能源系统优化调度
[J].
Optimization of an integrated energy system considerring integrated demand response
[J].
面向能源互联网的微平衡调度交易设计
[J].
Energy internet based micro balance dispatching and trading design
[J].
面向园区微网的“源-网-荷-储”一体化运营模式
[J].
“Source-network-load-storage” integrated operation model for microgrid in park
[J].
面向园区能源互联网的综合能源服务关键问题及展望
[J].
Key issues and prospects of integrated energy service for Energy Internet in park
[J].
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].
Multi-time scale coordination optimal scheduling of multiple virtual power plants with high-penetration renewable energy integration
[J].
面向高比例可再生能源电力系统的季节性储能综述与展望
[J].
Review and prospect of seasonal energy storage for power system with high proportion of renewable energy
[J].
销售侧分行业实行丰枯峰谷分时电价初探
[J].
A preliminary discussion on implementing of peak-valley and time-of-use and season-of-use price for different industries at demand side
[J].
丰枯-峰谷电价中用户反应度模型研究
[J].
Research on customer response indicator model in abundant-dry water & peak-valley price
[J].
丰枯季节电价决策模型分析
[J].
Decision model analysis of season-of-use price
[J].
对电力大用户定价模式的研究
[J].
Research on pricing mode of large consumers in electricity supply system
[J].
风电出力时序特性及其对省级电网的影响
[J].
Analysis on the characteristics of wind power time series and its impact on provincial power grid
[J].
Variability of wind and solar power:an assessment of the current situation in the European Union based on the year 2014
[J].
多时空尺度下大型风电基地出力特性研究
[J].
Research on power output characteristics of large-scale wind power base in multiple temporal and spatial scales
[J].
大规模风电场接入对电力系统调峰的影响
[J].
Impact of large-scale wind farm connecting with power grid on peak load regulation demand
[J].
太阳能光伏发电的中长期随机特性分析
[J].
Analysis of mid/long term random characteristics of photovoltaic power generation
[J].
一种考虑季节特性的光伏电站多模型功率预测方法
[J].
A multi-model power forecasting approach of photovoltaic plant based on seasonal characteristics
[J].
基于空间相关性的分布式光伏出力预测
[J].
Research on prediction of distributed photovoltaic output considering spatial relevance
[J].
适应高水电占比的电力现货市场机制设计与实践
[J].
Design and practice of electricity spot market mechanism adapting to characteristics of high proportional hydropower
[J].
考虑水电外送及负荷中心功能属性的区域电网规划方法
[J].
Regional power grid planning method considering hydropower transmission and load center function properties
[J].
面向分布式电源就地消纳的园区分时电价定价方法
[J].
TOU pricing method for park considering local consumption of distributed generator
[J].
电力零售核心业务架构与购售电决策
[J].
Key business framework and purchase/sale decision-making for electricity retailers
[J].
基于改进k-means聚类的风光发电场景划分
[J].
Wind and photovoltaic generation scene division based on improved k-means clustering
[J].
奇异值分解方法在日负荷曲线降维聚类分析中的应用
[J].
Application of singular value decomposition algorithm to dimension-reduced clustering analysis of daily load profiles
[J].
混合整数非线性规划的算法软件及最新进展
[J].
Algorithms,softwares and recent developments of mixed integer nonlinear programming
[J].
零售端电力市场中的电量电价弹性矩阵
[J].
Price elasticity matrix of demand in current retail power market
[J].
/
〈 |
|
〉 |
