祁 兵，趙燕玲，杜亞彬，李 彬

（華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206）

0 引言

電力能源戰(zhàn)略轉型是我國電力市場改革的重要策略[1]。為了促進能源供給清潔化，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了“碳達峰、碳中和”行動方案，推動構建新型電力系統(tǒng)，助力實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”。以風能和太陽能為主的清潔可再生能源具有隨機性、間歇性和波動性[2-3]，新能源的快速發(fā)展對電網(wǎng)產(chǎn)生了巨大影響。虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）集成了分布式風電和屋頂光伏、燃料發(fā)電、儲能以及可調節(jié)負荷，可解決清潔能源消納和綠色能源轉型問題[4]，有利于我國電力市場的發(fā)展。而需求響應可以充分挖、掘合理配置負荷側資源，緩解電網(wǎng)的供需矛盾[5]。在虛擬電廠優(yōu)化調度研究中考慮需求響應能夠進一步降低運行成本。

目前針對虛擬電廠不同場景的電力調度、不同條件的電能交易等研究有了一定的進展。文獻[6]從零售市場出發(fā)，提出了一種虛擬電廠參與現(xiàn)貨聯(lián)合市場的兩階段雙層隨機競價策略模型。文獻[7]利用魯棒隨機優(yōu)化理論解決了調度不確定性問題，建立了計及風光不確定性和需求響應的VPP隨機調度優(yōu)化模型。文獻[8]分析了虛擬電廠參與日前、日中、實時三相調度優(yōu)化過程，并對廣義儲能各部分的響應速度和時間進行建模，建立具有廣義儲能三級調度模型的虛擬電廠，提高虛擬電廠的能源供應穩(wěn)定性。文獻[9]建立了三種不同場景下的多虛擬電廠博弈模型，證明考慮需求響應及博弈的多虛擬電廠模型能夠有效提升虛擬電廠在電力現(xiàn)貨市場中的收益。文獻[10]為提高電力零售商參與電力市場的靈活性和經(jīng)濟性，提高分散資源的利用效率，提出了一種多時間尺度的電力零售商滾動優(yōu)化模型。文獻[11]綜合考慮多種形式的電源與需求側的雙側消納配合，建立VPP源目標協(xié)調多目標優(yōu)化調度模型。文獻[12]以VPP控制穩(wěn)定性為目標，同時兼顧有效消減納，考慮可控負荷參與的VPP協(xié)調優(yōu)化調度模型。

關于需求響應與虛擬電廠相結合的研究，文獻[13]以多能源虛擬電廠聚合商參與需求響應為背景，建立兩階段優(yōu)化運行模型，降低了虛擬電廠調度成本。文獻[14]提出一種考慮用戶舒適度的虛擬電廠電/熱綜合需求響應建模方法，驗證了電、熱負荷綜合需求響應有助于緩解負荷對運行穩(wěn)定性的沖擊，并有效優(yōu)化了虛擬電廠的運行成本。文獻[15]針對虛擬電廠技術在能源市場交易策略方面的問題，綜合考慮需求響應與虛擬電廠，提出一種基于上下層雙階段的電-熱能源市場交易策略。

以上研究考慮了虛擬電廠的電力調度交易以及需求響應，但未涉及到以碳成本為目標的相關研究。文獻[16]構建了具有風能、小型燃氣輪機、光能、電動汽車以及電池系統(tǒng)的虛擬電力運行模型，并通過對碳-電一體化市場特征的進一步分析，構建虛擬電廠一體化交易策略模型，提出了影響虛擬電廠能源的出力結構以及競價策略。文獻[17]引入最大碳排放限額作為邊際條件，建立多種能源互補的虛擬電廠日前調度模型，使調度結果兼顧環(huán)境效益和經(jīng)濟性。文獻[18]建立了一種碳交易機制下計及用電行為的虛擬電廠經(jīng)濟調度模型，使可再生能源能夠參與到碳交易中，并促進用戶側與發(fā)電側的協(xié)同。文獻[19]以虛擬電廠收益最大化為目標，以CO2捕集率、熱電比、熱電廠電出力以及電轉氣功率為決策變量，建立虛擬電廠優(yōu)化運行模型，獲得更高的經(jīng)濟效益、更好的風電消納效果、更低的碳排放。本文將綜合考慮虛擬電廠的碳成本與用戶側需求響應，構建含虛擬電廠之間功率交互的經(jīng)濟調度策略。

1 考慮碳排放的虛擬電廠架構

虛擬電廠通過整合清潔能源、儲能裝置、柔性負荷等，充分挖掘用戶側互動能力，有效提升了電網(wǎng)的靈活性?？紤]碳排放的虛擬電廠（主要包括4類資源）控制架構如圖1所示。

圖1 考慮碳排放的虛擬電廠控制架構Fig.1 Control architecture of virtual power plant considering carbon emissions

（1）低碳能源，主要包括分布式風電和光伏，作用是在滿足基本負荷調控下用清潔能源代替高碳能源發(fā)電，減少碳排放。

（2）高碳能源，主要有燃氣和燃煤發(fā)電設備，因燃煤和燃氣發(fā)電比風能和光能等清潔能源發(fā)電更穩(wěn)定且發(fā)電量大，所以是虛擬電廠中的主要排碳設備。

（3）儲能裝置，包括儲電和儲氣裝置，其作用是將能源利用的時段進行轉化，滿足用戶的基本負荷供給。

（4）用戶負荷，包括電動汽車、充電樁、居民負荷、商業(yè)負荷以及工業(yè)負荷等，可以利用虛擬電廠合理調控負荷，實現(xiàn)資源的合理分配供給。

虛擬電廠的功率交互模式如圖2所示。每個虛擬電廠都由發(fā)電設備、儲能和負載組成。虛擬電廠既可以通過能源樞紐與電網(wǎng)相連進行功率交互，也可以在滿足自身負荷需求的條件下與其他虛擬電廠進行功率交互，獲得相應收益。每個虛擬電廠之間都由虛擬電廠內部的信息處理中心計算其功率數(shù)據(jù)，判別是售出還是購入功率，最后進行交易。同時，由于不同虛擬電廠的負荷和清潔能源輸出不同，每個虛擬電廠的凈負荷也不同。在某個時段，發(fā)電量大的虛擬電廠可以將多余的電力出售給電網(wǎng)；相反對于耗電大的虛擬電廠，可以從電網(wǎng)以及其他虛擬電廠中購買電力來滿足本虛擬電廠的功率平衡。

圖2 虛擬電廠的功率交互模式Fig.2 Power interaction of virtual power plant

2 多級聚合商下的虛擬電廠調度策略

需求響應可以通過改變不同時段的電價以及施加激勵引導負荷側調節(jié)，實現(xiàn)降低虛擬電廠的運行成本以及滿足負荷調控的目的，促進風光等清潔能源發(fā)電就地消納。

為改變用戶的負荷量，需要對負荷用戶進行需求響應調控，同時增加負荷調控力度，保持虛擬電廠功率平衡。在需求響應中，用戶根據(jù)他們在需求響應事件期間相對于“基線”減少的電力消耗量獲得補貼，其中該基線由非激勵日的消耗量決定。為了更好地降低用戶負荷，需要對用戶進行分類聚合調控，以滿足能源供需平衡。

為了接入更多的互動資源，通常采用多級聚合的方式。圖3為具有三級聚合的調控示意圖。其中，一級聚合商用來直接響應虛擬電廠的需求響應信息，其通過對二級聚合商釋放激勵信號，最終完成虛擬電廠下發(fā)的需求響應信息任務量；多個二級聚合商用來聚合不同的負荷用戶，例如：工業(yè)園區(qū)電力負荷二級聚合商、商業(yè)電力負荷二級聚合商、居民電力負荷二級聚合商，以及其他電力負荷二級聚合商等。多個二級聚合商用來響應一級聚合商下發(fā)的需求響應任務量，使得一級聚合商完成虛擬電廠下發(fā)的需求響應信息；多個三級聚合商用來協(xié)助二級聚合商完成其下發(fā)的任務量，使用戶在接收到二級聚合商的激勵價格后，在滿足自身的用能條件下對負荷量作出改變，最終完成三級聚合商下發(fā)的響應任務。多級聚合商之間必須嚴格完成上級下發(fā)的任務響應量，若是下級聚合商沒有完成能源的供給平衡將會受到上級聚合商的較大經(jīng)濟處罰，并且信譽值也會降低。利用多級聚合商可以更好地對用戶進行精準調控，實現(xiàn)從上到下的負荷控制管理，最終達到需求響應調控目的。

圖3 三級聚合商負荷調控示意圖Fig.3 Diagram of three?level aggregator load control

3 虛擬電廠調度策略

虛擬電廠考慮碳排放與不考慮碳排放時，機組的出力會采取不同調控方式。當虛擬電廠內部的功率高于或低于負荷時，可以通過與公共電網(wǎng)購售電、VPP間的功率交互保證功率平衡，并且在考慮VPP間的功率交互與需求響應時，能夠減少與公共電網(wǎng)的功率交換，進而降低VPP的綜合運行成本。清潔能源分布式風電和光伏功率出力可以有效降低碳排放。同時，由于火電機組的燃煤發(fā)電成本比燃氣機組的成本低，所以在不考慮碳排放成本時，火電機組會優(yōu)先發(fā)電，反之燃氣會優(yōu)先發(fā)電。

當考慮了需求響應時，基線負荷會在用電高峰時期有所下降，相比于沒有考慮需求響應場景發(fā)電機組的壓力有所減輕，有效緩解了虛擬電廠的內部負荷，使運行更加平穩(wěn)。在一天中VPP會從電網(wǎng)購電、售電以降低內部功率，當各機組發(fā)電功率未能滿足用戶負荷，就需要從公共電網(wǎng)購電以滿足虛擬電廠內部功率平衡；相反，在其余時段，在虛擬電廠內部功率平衡作用下，可以將多余的電出售給電網(wǎng)或者其他VPP，來減少虛擬電廠內部的總成本。

在碳排放的約束條件下，虛擬電廠內部會通過調節(jié)各個機組的出力變化來減少碳排放量，具有一定的自由碳排放約束空間，當碳排放量達到一定限度后，虛擬電廠內部無法調控時，根據(jù)最大碳排放限額，得到相應的排碳懲罰。故在虛擬電廠運行調控時優(yōu)先使用清潔能源作為發(fā)電源，同時利用多級聚合商的需求響應作用降低用戶負荷，使用燃氣設備的頻率要高于燃煤設備才是大幅度降低總體碳排放量的關鍵，最后利用功率交換的作用補充剩余功率空缺，實現(xiàn)低碳調控的目的。

4 結束語

本文以虛擬電廠運行成本最低為目標，考慮了高碳能源和低碳能源對虛擬電廠碳排放的影響，分析了火電機組、燃氣機組、清潔能源機組、多級需求響應、虛擬電廠與電網(wǎng)以及其他虛擬電廠功率交換時的碳排放情況，得出了系統(tǒng)最低碳排放情形，助力我國早日實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”。