艾欣，徐立敏

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

隨著包含屋頂光伏發(fā)電(photovoltaic, PV)等分布式能源 (distributed energy resources, DERs)裝機(jī)的增加，在一天中某些時(shí)段，分布式電源提供的功率高于當(dāng)?shù)仡A(yù)期能消耗的功率，由此引起功率輸向電網(wǎng)的反向輸送，可能會(huì)給系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)影響。近期的文獻(xiàn)集中于研究交互能源(transactive energy, TE)[1]，TE運(yùn)用各種需求側(cè)電源或負(fù)荷的靈活性維持功率動(dòng)態(tài)平衡，具有實(shí)時(shí)、自動(dòng)、分布式?jīng)Q策的特點(diǎn)。然而，多變性和不確定性是分布式可再生能源的重要特點(diǎn)，隨著分布式PV的增加，充分利用其容量且實(shí)時(shí)能平衡電能供消難以兼得。

目前解決該問(wèn)題的方法之一是讓電能過(guò)剩的產(chǎn)消者參與區(qū)域電能市場(chǎng)并分享多余電能[2]。相較于賣(mài)方固定的傳統(tǒng)電力市場(chǎng)，區(qū)域共享市場(chǎng)中賣(mài)方和買(mǎi)方在一天中會(huì)有變化，這取決于代理商的凈負(fù)荷和共享價(jià)格，從而使市場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程更加動(dòng)態(tài)和多變。當(dāng)具備不確定性的DERs給電能共享帶來(lái)挑戰(zhàn)時(shí)，合理設(shè)置儲(chǔ)能設(shè)備(energy storage,ES)可發(fā)揮其在電能規(guī)劃和負(fù)荷管理方面作為DERs支持輔助資源的作用，降低不確定性，提高能量共享效率[3]。ES已經(jīng)廣泛應(yīng)用于區(qū)域系統(tǒng)，普遍的形式是家用電池或集中儲(chǔ)能，用來(lái)配合其他DERs，例如PV、風(fēng)電機(jī)組、熱電耦合系統(tǒng)等。靈活性負(fù)荷和ES的增加使產(chǎn)消者和消費(fèi)者能夠主動(dòng)參與區(qū)域電能共享市場(chǎng)[4]。

近年來(lái)大量文獻(xiàn)設(shè)計(jì)并評(píng)估能量共享市場(chǎng)，也探索使用博弈論方法。例如，作為最廣泛應(yīng)用的博弈論方法，納什均衡應(yīng)用于多種產(chǎn)消者參與的電能交易[5]。文獻(xiàn)[6]提出通過(guò)博弈論方法優(yōu)化市場(chǎng)均衡，增加社會(huì)福利。為盡可能減小DERs間歇性的影響，文獻(xiàn)[7-8]提出基于太陽(yáng)能共享市場(chǎng)的合作博弈理論。進(jìn)一步，主從Stackelberg博弈應(yīng)用于研究熱電聯(lián)產(chǎn)區(qū)域[9]、樓宇間PV和ES電能共享[10]、用戶(hù)和共用園區(qū)運(yùn)營(yíng)商[11]之間存在競(jìng)爭(zhēng)的情況。并且，文獻(xiàn)[11]提出了產(chǎn)消者和消費(fèi)者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(peer-to-peer, P2P)交易中不同的博弈理論模型，例如賣(mài)方之間的非合作博弈、買(mǎi)方之間的進(jìn)化博弈和買(mǎi)賣(mài)雙方的Stackelberg博弈。

當(dāng)能量市場(chǎng)中包含多個(gè)賣(mài)方和買(mǎi)方時(shí)，雙邊拍賣(mài)機(jī)制廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)出清階段[12-13]。例如，文獻(xiàn)[14]提出了改進(jìn)的基于拍賣(mài)的共享設(shè)備控制器與住宅單元的ES共享框架，買(mǎi)家可以通過(guò)需求響應(yīng) (demand response, DR)調(diào)整自己的用電量以適應(yīng)不同的價(jià)格。文獻(xiàn)[15]在區(qū)域微網(wǎng)中提出兩階段ES控制策略，并從區(qū)域能源和個(gè)體參與者的角度評(píng)估P2P交易的優(yōu)勢(shì)。盡管很多文獻(xiàn)研究基于P2P能量交易的拍賣(mài)機(jī)制，但是對(duì)不同市場(chǎng)條件對(duì)代理商競(jìng)拍策略影響的認(rèn)識(shí)不足。

同時(shí)由于ES造價(jià)昂貴、容量有限，ES規(guī)模限制區(qū)域間共享電能量。近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車(chē)(electric vehicles, EVs)數(shù)量增加和需求側(cè)管理(demand side management, DSM)技術(shù)發(fā)展，合理描述并規(guī)劃以EVs為代表的需求側(cè)靈活性資源，管理充放電行為，使其能夠較經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)充ES容量成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[16]提出迭代的基于代理商的EVs控制策略，所有EVs自主決定其用電行為，并將個(gè)體行為進(jìn)行聚合，基于聚合EVs充放電計(jì)劃，整體的控制單元迭代發(fā)布能達(dá)到整體目標(biāo)的激勵(lì)信號(hào)，結(jié)果表明該方法能夠很好地預(yù)測(cè)EVs行為、平衡供需，激勵(lì)信號(hào)恰當(dāng)時(shí)可將聚合EVs視為移動(dòng)ES。為防止用戶(hù)投機(jī)行為，文獻(xiàn)[17]提出EVs用電規(guī)劃策略，證明該策略能使能量管理方法收斂，并按照不同用戶(hù)目標(biāo)找到最優(yōu)解，用恰當(dāng)參數(shù)描述電網(wǎng)中聚合EVs。

綜上，目前關(guān)于區(qū)域電能雙側(cè)競(jìng)拍共享機(jī)制在以下3個(gè)方面研究不足。

（1）由于造價(jià)昂貴ES容量較小，使充放電不確定性增強(qiáng)，限制區(qū)域間能量交換。需要整合利用以EVs為代表的需求側(cè)靈活性資源，較為經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)充ES容量。

（2）僅從協(xié)作的角度[7-8,11]或者從賣(mài)方(即可向電網(wǎng)輸電，電能過(guò)剩的一方)角度[9-11]評(píng)價(jià)其有效性，但有必要考慮配網(wǎng)中所有靈活性資源擁有者(即賣(mài)方和買(mǎi)方)各自的優(yōu)化目標(biāo)及其交互性、沖突性、隱私性。因此區(qū)域電能共享市場(chǎng)需要一種有效保護(hù)用戶(hù)隱私、實(shí)現(xiàn)策略防范的雙側(cè)競(jìng)拍市場(chǎng)機(jī)制。

（3）評(píng)估了P2P電能共享的優(yōu)點(diǎn)，但是沒(méi)有考慮到供給雙方的不確定性和代理商的決策行為[5-6,10]。因此需要一個(gè)完整的考慮過(guò)去市場(chǎng)行為和將來(lái)不確定性的決策制定過(guò)程，用其分析區(qū)域電能共享對(duì)每個(gè)代理商的好處。

因此，本文提出通過(guò)經(jīng)濟(jì)效益促進(jìn)多余太陽(yáng)能和需求側(cè)ES及EVs虛擬儲(chǔ)能共享的區(qū)域電能市場(chǎng)模型。提出基于區(qū)域電能市場(chǎng)的雙側(cè)競(jìng)拍機(jī)制，該機(jī)制能夠給有需求側(cè)靈活性資源的產(chǎn)消者和消費(fèi)者經(jīng)濟(jì)激勵(lì)。為擴(kuò)大區(qū)域經(jīng)濟(jì)收益，用魯棒的虛擬電池 (virtual battery, VB)模型描述聚合EVs充放電行為，將其視作補(bǔ)充ES的虛擬儲(chǔ)能。提出兩階段制定決策模型。第一階段通過(guò)分析供給關(guān)系、估計(jì)前瞻性決策的價(jià)格降低總體電能支出。第二階段在實(shí)時(shí)市場(chǎng)出清過(guò)程中應(yīng)用懲罰策略解決供需不確定性。最后通過(guò)迭代算法求解非合作的博弈問(wèn)題得到公平的現(xiàn)貨價(jià)格。

1 需求側(cè)靈活性資源描述

本文考慮的需求側(cè)靈活性資源包含PV、ES、聚合EVs，為更好量化聚合EVs，方便后文計(jì)算建模，用等效VB模型描述其靈活性。

1.1 單個(gè) EV 靈活性描述

基于EV的電池余量和由價(jià)格激勵(lì)的充電和出行信息，可用極端情況分析法計(jì)算電池能量上、下限，即

1.2 聚合 EVs 靈活性描述

根據(jù)單個(gè)EV的能量可行域可得到用VB描述的聚合EVs靈活性，單個(gè)EV的能量和功率上、下限求和可得VB的能量和功率邊界，即

1.3 VB 模型魯棒邊界

由于聚合EVs行為不確定性，基于確定模型的最優(yōu)調(diào)度計(jì)劃與實(shí)際運(yùn)行情況不符，實(shí)際操作中會(huì)導(dǎo)致失敗，為解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出魯棒邊界的VB模型?；跉v史運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用蒙特卡洛模擬生成場(chǎng)景并建立基于概率的VB模型，之后提出考慮魯棒優(yōu)化和場(chǎng)景生成的機(jī)會(huì)約束優(yōu)化問(wèn)題解決方法。受論文篇幅限制，具體數(shù)學(xué)方面推導(dǎo)計(jì)算本文不詳細(xì)展開(kāi)，參考文獻(xiàn)[18]，最終VB模型魯棒邊界為

2 區(qū)域電能共享市場(chǎng)框架

2.1 區(qū)域共享市場(chǎng)

圖1為典型的區(qū)域共享市場(chǎng)體系結(jié)構(gòu)。包括產(chǎn)消者和消費(fèi)者在內(nèi)的各個(gè)代理商可以在由非營(yíng)利市場(chǎng)操作員操控運(yùn)行的集中共享平臺(tái)上自由平等地交易電能。本文中，代理商是產(chǎn)消者和消費(fèi)者、賣(mài)方和買(mǎi)方的統(tǒng)稱(chēng)，根據(jù)有/無(wú)PV將代理商劃分產(chǎn)消者和消費(fèi)者，根據(jù)某一時(shí)段中電能不足或盈余將代理商劃分為買(mǎi)方和賣(mài)方。本文假設(shè)該區(qū)域與電網(wǎng)相連，電網(wǎng)可以持續(xù)供給電能并能接受該區(qū)域用戶(hù)過(guò)多的可再生能源。在每一輪的競(jìng)拍中，競(jìng)拍價(jià)格下限和上限由電網(wǎng)決定，例如價(jià)格上限為電網(wǎng)電價(jià)，價(jià)格下限為電網(wǎng)回購(gòu)區(qū)域電能電價(jià)。市場(chǎng)操作員負(fù)責(zé)收集買(mǎi)方和賣(mài)方報(bào)價(jià)，推進(jìn)市場(chǎng)進(jìn)程，平衡區(qū)域電網(wǎng)和大電網(wǎng)的能量供需[4]。每一個(gè)產(chǎn)消者和消費(fèi)者假設(shè)都有能量管理系統(tǒng) (energy management system, EMS)，并配備 ES和VB系統(tǒng)優(yōu)化電能消耗。實(shí)際運(yùn)行中，ES和VB可以配合PV提高能量利用率[3]。假設(shè)產(chǎn)消者首先消耗自己的PV產(chǎn)能，如果凈負(fù)荷(本文中指負(fù)荷減PV產(chǎn)能)為負(fù)，則有多余的電能可以共享。

圖1 區(qū)域電能共享市場(chǎng)框架Fig. 1 Framework of community energy sharing market

在開(kāi)放的競(jìng)拍市場(chǎng)中，所有報(bào)價(jià)對(duì)代理商透明，價(jià)格透明的大規(guī)模應(yīng)用可能危害用戶(hù)隱私，因此相比于開(kāi)放市場(chǎng)，封閉市場(chǎng)因?yàn)檩^少涉及用戶(hù)隱私問(wèn)題更適用于區(qū)域電能共享。封閉市場(chǎng)中，現(xiàn)貨價(jià)格由當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)處理中心計(jì)算，能夠平衡供需，代理商將報(bào)價(jià)和交易電能數(shù)量上報(bào)給市場(chǎng)操作員，數(shù)據(jù)處理中心僅需要代理商不足/盈余的電能量和報(bào)價(jià)信息。因此，上述方法可減輕運(yùn)算編程壓力，適用于參與者較多的情況[11]。

在封閉市場(chǎng)中，競(jìng)爭(zhēng)者不能獲取對(duì)方過(guò)去的報(bào)價(jià)，每輪交易結(jié)束時(shí)，市場(chǎng)操作員僅公布現(xiàn)貨價(jià)格、總供給和總需求。封閉市場(chǎng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)是本文提出的競(jìng)拍機(jī)制依賴(lài)于公平的中心決策體系，例如所有的賣(mài)方買(mǎi)方報(bào)價(jià)都由可靠的市場(chǎng)操作員運(yùn)算處理，市場(chǎng)操作員可能以不符合監(jiān)管的方式影響競(jìng)拍進(jìn)程會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，例如，操作員可能會(huì)阻止競(jìng)拍、設(shè)置虛假競(jìng)拍、竊取款項(xiàng)、過(guò)早公布本應(yīng)封閉的競(jìng)拍過(guò)程、任意修改價(jià)格等。如果缺乏可信賴(lài)的市場(chǎng)中心操作員，之前的研究中有2種方法可實(shí)現(xiàn)公平競(jìng)拍：（1）設(shè)置分散的競(jìng)拍平臺(tái)，參與者遵循互斥協(xié)議，市場(chǎng)操作員輪流處理[20]；（2）使用區(qū)塊鏈技術(shù)確保在缺乏第三方監(jiān)管的情況下能量共享的安全性和隱私性[21]。

2.2 基于共享的雙側(cè)競(jìng)拍

雙側(cè)競(jìng)拍允許多個(gè)產(chǎn)消者和消費(fèi)者在不知道彼此競(jìng)拍策略的情況下同時(shí)并獨(dú)立決定自己的競(jìng)拍電能量及價(jià)格。本文用bid-i、ask-i表示第 i個(gè)代理商買(mǎi)入和售出電價(jià)；用pi表示成交價(jià)格；用、表示第i個(gè)代理商購(gòu)買(mǎi)和售出的電能數(shù)量。

在每個(gè)交易周期(例如1 h)內(nèi)，買(mǎi)方公布買(mǎi)入數(shù)量和買(mǎi)入價(jià)格，賣(mài)方公布售出數(shù)量和售價(jià)，市場(chǎng)操作員通過(guò)以下步驟判定能否成交。

（3）共享市場(chǎng)操作員收到所有產(chǎn)消者和消費(fèi)者上報(bào)信息后，繪制總供給和需求曲線如圖2所示。（4）基于供給需求曲線，操作員進(jìn)行市場(chǎng)出清。假定兩條曲線相交于和，的買(mǎi)方和的賣(mài)方贏得競(jìng)拍(例如圖2中買(mǎi)家3和賣(mài)家3)，市場(chǎng)出清價(jià)格可以落在的任意位置然而，一個(gè)由操作員決定的固定出清價(jià)格可能會(huì)對(duì)一些產(chǎn)消者和消費(fèi)者有害。因此為了讓競(jìng)拍機(jī)制合理、讓所有參與者獲利并愿意合理規(guī)劃ES和聚合EVs參與競(jìng)拍、讓區(qū)域能量實(shí)現(xiàn)低成本高效益，本文基于供需在區(qū)間尋找恰當(dāng)?shù)某銮鍍r(jià)格，即

圖2 電能供給曲線集合Fig. 2 Collection of bid and ask prices

2.3 市場(chǎng)出清規(guī)則

本文假設(shè)產(chǎn)消者和消費(fèi)者提前1h (1-hourahead, 1 HA)知道發(fā)電和用電需求情況[3]。在每個(gè)交易周期結(jié)束時(shí)，產(chǎn)消者和消費(fèi)者上報(bào)下一階段 t的預(yù)計(jì)售出/買(mǎi)入電能量和價(jià)格，市場(chǎng)操作員執(zhí)行1 HA競(jìng)拍流程，公布 t 時(shí)段現(xiàn)貨價(jià)格，并通知所有中標(biāo)者按他們的出價(jià)能夠交易的電能量。然而，即使采用最先進(jìn)的預(yù)測(cè)技術(shù)，由于代理商可借助ES和聚合EVs靈活性增加盈利，預(yù)測(cè)值(1 HA)和實(shí)際值之間的差別仍然存在，所以實(shí)際應(yīng)用中，由于無(wú)策略防護(hù)封閉競(jìng)拍通常較為不可靠[13]。

為了防止上述情況發(fā)生，共享市場(chǎng)采用2條出清規(guī)則：（1）市場(chǎng)采用非迭代投標(biāo)，即每一輪競(jìng)拍中市場(chǎng)操作員只收集一次出價(jià)信息，這條規(guī)則防止代理商多次出價(jià)和隨意撤銷(xiāo)出價(jià)。（2）為鼓勵(lì)區(qū)域電能共享并維持公平有序市場(chǎng)，提出基于貢獻(xiàn)的懲罰制度阻止代理商上報(bào)誤導(dǎo)的出價(jià)信息，詳細(xì)懲罰規(guī)則在3.4介紹。

3 市場(chǎng)流程

產(chǎn)消者和消費(fèi)者的目標(biāo)是找到最優(yōu)ES和聚合EVs計(jì)劃，最大化節(jié)約用電成本?？紤]到ES和聚合EVs能夠調(diào)整消費(fèi)者或產(chǎn)消者內(nèi)部供給不平衡并從電網(wǎng)套利，本文提出代理商兩階段決策制定過(guò)程，如圖3所示。不失一般性，下文流程以代理商i的角度介紹。

圖3 區(qū)域電能共享市場(chǎng)流程Fig. 3 Flow chart of community energy sharing market

3.1 階段一：小時(shí)前市場(chǎng)

小時(shí)前套利在實(shí)時(shí)市場(chǎng)出清前進(jìn)行，決定代理商ES和聚合EVs計(jì)劃。由于ES荷電狀態(tài)(state of charge, SoC)和聚合 EVs 形成的 VB電能狀態(tài)是時(shí)變的，因此通過(guò)前瞻性?xún)?yōu)化來(lái)確定其儲(chǔ)能計(jì)劃。階段一主要目標(biāo)是制定最優(yōu)套利計(jì)劃，減小用戶(hù)當(dāng)下和未來(lái)用電費(fèi)用，例如，在低電價(jià)對(duì)ES和聚合EVs充電，在高電價(jià)讓其放電。則第i個(gè)代理商的目標(biāo)函數(shù)為

3.2 階段二：實(shí)時(shí)市場(chǎng)

本文定義階段二為實(shí)時(shí)市場(chǎng)出清過(guò)程，中標(biāo)者需要執(zhí)行市場(chǎng)出清。在實(shí)時(shí)市場(chǎng)出清中，現(xiàn)貨價(jià)格和電能量是決策變量。在得知能參與實(shí)時(shí)出清市場(chǎng)后，產(chǎn)消者和消費(fèi)者會(huì)彼此間商議，實(shí)現(xiàn)最大化自身利潤(rùn)[14]。為定義代理商因調(diào)整ES和聚合EVs儲(chǔ)能在實(shí)時(shí)共享市場(chǎng)上能獲取的利潤(rùn)，定義函數(shù)為

式中：Ui為收益函數(shù)；為ES充電或放電的電能量；為VB充電或放電的電能量；為懲罰系數(shù)。

式（24）提出的收益函數(shù)特征有：（1）若現(xiàn)貨價(jià)格和代理商出價(jià)的價(jià)差增加，任何代理商收益增加。（2）隨著增加，代理商更不愿意共享能量，獲得收益減小。（3）對(duì)一個(gè)特定價(jià)格，若一個(gè)代理商已經(jīng)共享過(guò)多能量，則利潤(rùn)降低。最終，通過(guò)式（19）決定的出清價(jià)格和式（24）決定的收益函數(shù)，出于經(jīng)濟(jì)激勵(lì)競(jìng)拍參與者更愿意主動(dòng)平衡供需。

然而，實(shí)時(shí)市場(chǎng)上一個(gè)代理商的投機(jī)行為會(huì)損害其他代理商的利益，其他代理商相應(yīng)調(diào)整策略，使市場(chǎng)更加復(fù)雜和不穩(wěn)定，針對(duì)這種多個(gè)代理商利益互斥問(wèn)題的解決方法是非合作博弈理論。

3.3 博弈公式和均衡分析

基于實(shí)時(shí)市場(chǎng)模型，在博弈理論中有3個(gè)主體：（1）參與者，即所有中標(biāo)者可視作實(shí)時(shí)市場(chǎng)出清博弈的參與者。（2）策略，即參與者決定最終投入實(shí)時(shí)市場(chǎng)的交易量。（3）收益，即基于自身策略和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手策略，參與者目的是最大化自身收益。

新的價(jià)格反過(guò)來(lái)傳遞給其他代理商，迭代直至收斂。

如2.1提到的，在市場(chǎng)出清過(guò)程中，代理商唯一能獲得的信息是現(xiàn)貨價(jià)格，不能獲取任何競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的信息。在這樣的共享環(huán)境中，本文設(shè)計(jì)允許買(mǎi)賣(mài)雙方調(diào)整競(jìng)拍量至市場(chǎng)穩(wěn)定的迭代競(jìng)拍方法。穩(wěn)定的市場(chǎng)，也叫作納什均衡，是參與者沒(méi)有單方面偏離原始策略的意愿的狀態(tài)。完整的兩階段市場(chǎng)進(jìn)程算法如下。

（1）fort=h:H do

（2）第一階段：所有代理商根據(jù)式（20）初始化電能量，將價(jià)格和電能量上報(bào)給市場(chǎng)操作員

（3）市場(chǎng)操作員收集所有上報(bào)的賣(mài)價(jià)、買(mǎi)價(jià)、電能量

（4）while第二階段開(kāi)始do

（5）市場(chǎng)操作員通過(guò)雙側(cè)競(jìng)拍出清市場(chǎng)，發(fā)布出清價(jià)格p

（6）for每一個(gè)中標(biāo)的代理商ido

（8）endfor

（9）市場(chǎng)操作員根據(jù)式（28）更新出清價(jià)格p′?

（12）else

（13）p=p′，重回步驟（6）

（14）endif

（15）endwhile

（16）endfor

3.4 交易量公平性機(jī)制

在每個(gè)時(shí)段的競(jìng)拍結(jié)束時(shí)，因?yàn)榻灰仔袨榇嬖谄畲砩虒?shí)際交易電量可能與預(yù)期不符，所以本文提出交易量公平性機(jī)制管理交易偏差。偏差包括2個(gè)部分：實(shí)際偏移量和每個(gè)成員對(duì)偏移的貢獻(xiàn)量。為方便敘述，本節(jié)認(rèn)為電能量都為正值，中標(biāo)的買(mǎi)方總偏移量和賣(mài)方總偏移量可分別用計(jì)算。

因此在供不應(yīng)求的市場(chǎng)上，賣(mài)方出售電能有更多利潤(rùn)。同理可證明其他場(chǎng)景下，即使存在交易量公平性機(jī)制，代理商參與區(qū)域能量共享模型總比與電網(wǎng)交易獲得更多利潤(rùn)。

4 算例分析

本文針對(duì)2016年5月30日—7月11日在得克薩斯州奧斯汀某社區(qū)內(nèi)的10個(gè)代理商進(jìn)行研究[22]，評(píng)估上文提出的考慮需求側(cè)靈活性資源的共享市場(chǎng)模型。代理商1 ～7是PV產(chǎn)消者，8 ～10是消費(fèi)者，假設(shè)每個(gè)產(chǎn)消者和消費(fèi)者都有3 kW·h的ES，有10個(gè)EVs，每個(gè)EV電能容量3.5 kW·h，通常在總?cè)萘康?0% ～95%內(nèi)運(yùn)行，EV最大充放電功率為 4 kW[23]。本文電網(wǎng)電價(jià) 9歐分/(kW·h)，電網(wǎng)回購(gòu)電價(jià)6歐分(/kW·h)[24]。第1周中10個(gè)代理商的PV、負(fù)荷、凈負(fù)荷曲線如圖4所示，注意到由于位置接近，PV曲線形狀較為相似只在強(qiáng)度上不同。對(duì)于每一個(gè)代理商，由于用戶(hù)不同的用電習(xí)慣，每個(gè)用戶(hù)每天的負(fù)荷和凈負(fù)荷曲線都很不同[25-26]，但區(qū)域聚合的凈負(fù)荷曲線每天較為相似。

圖4 第1周內(nèi)代理商的PV、負(fù)荷、凈負(fù)荷曲線Fig. 4 PV, load, and net load curves of agents in the first week

4.1 聚合EVs魯棒結(jié)果分析

本文優(yōu)化時(shí)間為00:00—24:00，以每20 min為一個(gè)時(shí)間段進(jìn)行研究。

圖5為經(jīng)過(guò)魯棒后用于描述聚合EVs靈活性的VB模型可行解，可以看出，在提取的樣本中考慮預(yù)測(cè)誤差的能量最高值、最低值和魯棒值邊界。由于聚合EVs數(shù)量有限，在極限邊界和魯棒后的邊界中間有一個(gè)明顯誤差，但這種可預(yù)測(cè)的誤差可通過(guò)增加EVs數(shù)量而減小，類(lèi)似這樣的不確定性在描述與母線相接的產(chǎn)消者靈活性時(shí)必須考慮。并且從圖5中實(shí)際VB模型曲線可以看出，受交易價(jià)格引導(dǎo)，聚合EVs在00:00—01:00期間開(kāi)始為儲(chǔ)備能量購(gòu)買(mǎi)多余電能，在09:00—10:00期間增加電能購(gòu)買(mǎi)。

圖5 描述聚合EVs靈活性的VB模型可行解Fig. 5 Feasible solutions to VB model for describing the flexibility of aggregated EVs

4.2 市場(chǎng)演變

圖6為第1周內(nèi)在有/無(wú)VB時(shí)市場(chǎng)出清價(jià)格演變過(guò)程以及能量共享前后聚合凈負(fù)荷變化。可以看出，能量共享主要發(fā)生在晴天的10:00—16:00，其余時(shí)間，幾乎所有產(chǎn)消者和消費(fèi)者需要依靠電網(wǎng)滿(mǎn)足電能需求。市場(chǎng)出清價(jià)格始終在電網(wǎng)電價(jià)和電網(wǎng)回購(gòu)價(jià)格之間，意味著所有代理商愿意參與區(qū)域電能共享，且VB參與后市場(chǎng)出清價(jià)格更低，代理商參與意愿增強(qiáng)。同樣觀察到市場(chǎng)出清價(jià)格曲線和圖4中PV發(fā)電曲線類(lèi)似，第1天沒(méi)有足夠的PV發(fā)電，出清價(jià)格幾乎等于電網(wǎng)電價(jià)。在電能共享框架下，晴天PV發(fā)電峰值時(shí)間段聚合凈負(fù)荷減少，意味著多余的PV出力在區(qū)域間共享、較少電能需返回電網(wǎng)。由于ES和VB容量有限，區(qū)域無(wú)法消耗過(guò)多的PV產(chǎn)能，凈負(fù)荷仍然有負(fù)值，但具備VB相當(dāng)于擴(kuò)大ES容量，凈負(fù)荷負(fù)值明顯減少。并且，隨著ES和VB放電，夜晚負(fù)荷峰值降低，可看作代理商基于DR的套利行為。

圖6 第1周內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)貨價(jià)格和凈負(fù)荷的演變Fig. 6 Evolution of market spot price and aggregated net load within the first week

圖7為一天中在有VB和無(wú)VB、有交易量公平性機(jī)制和無(wú)交易量公平性機(jī)制下區(qū)域與電網(wǎng)電能交易量，正值代表區(qū)域從外部購(gòu)買(mǎi)電能，負(fù)值代表區(qū)域向外部出售電能，這些多余的不平衡的能量通過(guò)賣(mài)家或買(mǎi)價(jià)交易?？梢钥闯?，相同時(shí)刻，有VB擴(kuò)大儲(chǔ)能容量，可使區(qū)域與電網(wǎng)交換能量少，更能平衡區(qū)域內(nèi)供給需求；在電能過(guò)剩時(shí)(10:00—13:00)，有交易量公平性機(jī)制使區(qū)域更有意愿向電網(wǎng)出售電能，在電能不足時(shí)，有交易量公平性機(jī)制同樣可使區(qū)域向電網(wǎng)買(mǎi)電量減少。

圖7 有無(wú)VB、有無(wú)交易量公平性機(jī)制下區(qū)域與電網(wǎng)交換電能Fig. 7 Energy trading with the utility grid with or without VB and penalty mechanisms

4.3 區(qū)域共享電能市場(chǎng)整體運(yùn)行

4.3.1 一天中市場(chǎng)運(yùn)行

圖8為所有代理商在第37天的競(jìng)拍方案，10個(gè)代理商分成3組，紅色虛線代表市場(chǎng)出清價(jià)格。買(mǎi)方報(bào)價(jià)高于出清價(jià)格則該代理商成為買(mǎi)家，賣(mài)方報(bào)價(jià)低于出清價(jià)格則該代理商成為賣(mài)家。“角色”代表代理商角色變化，從買(mǎi)方變成賣(mài)方或從賣(mài)方變成買(mǎi)方；“失敗”代表代理商在本輪競(jìng)拍中未中標(biāo)。第1組包括產(chǎn)消者1、3、6，上午買(mǎi)方下午成為賣(mài)方，可以看出12:00之前基本報(bào)價(jià)高于市場(chǎng)出清價(jià)格成為買(mǎi)方，但在10:00競(jìng)價(jià)失敗；12:00之后報(bào)價(jià)低于市場(chǎng)出清價(jià)格成為賣(mài)方，但14:00時(shí)產(chǎn)消者6角色轉(zhuǎn)變。第2組包括產(chǎn)消者4、5、7，由于白天基本報(bào)價(jià)都低于市場(chǎng)出清價(jià)格，因此白天大部分時(shí)刻都是賣(mài)方，在14:00時(shí)角色由賣(mài)方轉(zhuǎn)變?yōu)橘I(mǎi)方，但由于報(bào)價(jià)過(guò)低競(jìng)價(jià)失敗。第3組包括產(chǎn)消者2和消費(fèi)者8、9、10，由于無(wú)PV或PV產(chǎn)能不足一天中都為買(mǎi)方，在報(bào)價(jià)過(guò)低時(shí)競(jìng)價(jià)失敗。

圖8 第37天中所有產(chǎn)消者和消費(fèi)者競(jìng)拍過(guò)程Fig. 8 Bidding process of all prosumers and consumers on day 37

4.3.2 一天中 ES和 VB 運(yùn)行曲線

為驗(yàn)證提出的區(qū)域電能共享市場(chǎng)模型有效性，評(píng)估ES和VB充放電狀態(tài)，本文分別在3組產(chǎn)消者和消費(fèi)者中選取1、5、10，繪制第37天有/無(wú)VB情況下ES和VB充放電能曲線，如圖9所示?？梢钥闯?，ES、VB運(yùn)行可大致分為3個(gè)階段：（1）在00:00—08:00，由于區(qū)域內(nèi)缺少電能共享，ES和VB沒(méi)有明顯充放電行為。（2）在08:00—16:00，3個(gè)代理商的ES和VB以不同模式工作，產(chǎn)消者5作為賣(mài)方，消費(fèi)者10作為買(mǎi)方，它們的ES和VB工作于緩沖模式，即在預(yù)期低價(jià)時(shí)間段緩存能量，可以看出由于聚合EVs靈活性形成VB擴(kuò)大ES儲(chǔ)能容量，有VB時(shí)可以低價(jià)緩存更多能量；產(chǎn)消者1的ES和VB工作模式更加靈活，即基于市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)，充放電變化更頻繁。（3）16:00—24:00，所有產(chǎn)消者和消費(fèi)者在夜間消耗緩存的能量。

圖9 第37天產(chǎn)消者1、5和10的儲(chǔ)能曲線Fig. 9 Energy storage curves of prosumers 1, 5, 10 on day 37

4.3.3 一周市場(chǎng)運(yùn)行

為驗(yàn)證雙側(cè)競(jìng)拍策略有效性，本文引入評(píng)價(jià)指標(biāo)競(jìng)拍成功率，計(jì)算方法是累計(jì)中標(biāo)次數(shù)除以總投標(biāo)次數(shù)。圖10為有/無(wú)VB情況下代理商節(jié)省的成本和競(jìng)拍成功率。沒(méi)有區(qū)域能源共享時(shí)節(jié)省成本為基準(zhǔn)線0。注意到有VB擴(kuò)大儲(chǔ)能容量，整周內(nèi)能節(jié)省更多成本且不會(huì)降低競(jìng)拍成功率。

圖10 最后一周區(qū)域內(nèi)節(jié)省成本及競(jìng)拍成功率Fig. 10 Cost savings and bidding success rate of the community for the last week

圖11為周日有VB時(shí)各個(gè)代理商對(duì)成本下降的貢獻(xiàn)量。相比于無(wú)VB，有VB在區(qū)域電能共享中節(jié)省成本量增加27.8%(從180增至230)，且所有產(chǎn)消者和消費(fèi)者都能從中盈利，盈利占比從1%至25%不等。周六由于下雨P(guān)V產(chǎn)能不足，ES儲(chǔ)能不飽和，有無(wú)VB在成本節(jié)省上沒(méi)有區(qū)別。

圖11 周日有VB時(shí)各個(gè)代理商對(duì)成本下降的貢獻(xiàn)量Fig. 11 Contribution of each agent to cost reduction with VB on Sunday

5 結(jié)論

本文研究考慮需求側(cè)靈活性資源的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)消者和產(chǎn)消者、產(chǎn)消者和消費(fèi)者、消費(fèi)稅和消費(fèi)者之間的電能共享。在產(chǎn)消者和消費(fèi)者層面，提出魯棒VB模型描述以聚合EVs為代表的需求側(cè)靈活性資源調(diào)度潛能，將該模型用于經(jīng)濟(jì)合理地?cái)U(kuò)大分布式ES容量。在市場(chǎng)機(jī)制層面，提出的基于共享市場(chǎng)的雙側(cè)競(jìng)拍模型包含多個(gè)動(dòng)態(tài)的賣(mài)方和買(mǎi)方，兩階段決策過(guò)程通過(guò)第一階段從電網(wǎng)套利，第二階段實(shí)時(shí)市場(chǎng)出清最小化電能成本。算例驗(yàn)證了區(qū)域電能共享在節(jié)省成本方面的有效性，并指出利用聚合EVs形成魯棒VB模型能增加每個(gè)參與的產(chǎn)消者和消費(fèi)者利益且不降低競(jìng)拍成功率。未來(lái)的研究應(yīng)提出更合理的考慮需求側(cè)靈活性資源的DR算法，節(jié)省區(qū)域電能成本。

由于本文負(fù)荷、光伏發(fā)電及儲(chǔ)能容量均較小，不考慮阻塞問(wèn)題，認(rèn)為區(qū)域內(nèi)電能交易可以順利進(jìn)行，后續(xù)研究將在配電網(wǎng)電能傳送限制及阻塞方面深入開(kāi)展。