虚拟电能交易驱动的光储聚合商容量优化配置_代佳琨.pdf
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1、新型电力系统DOI:10.15961/j.jsuese.202200690虚拟电能交易驱动的光储聚合商容量优化配置代佳琨1,向月1*,李然2,刘俊勇1(1.四川大学 电气工程学院,四川 成都 610065;2.上海交通大学 电气工程系,上海 200240)摘要:近年来,在“双碳”目标背景下,近乎零边际发电成本的分布式清洁能源装机得到迅速发展。然而,如何研究含分布式清洁能源“产消者”之间能源交易机制及这种交易行为对规划的影响面临重要挑战。针对含光伏和储能的光储聚合商之间交易行为影响,提出了一种基于虚拟电能交易驱动的光储容量优化配置方法。首先,以光储聚合商效益函数为基础,构建了光储聚合商之间的电力
2、交易机制,以产生电能定价并模拟一定容量配置下系统优化运行状态;其次,考虑多个聚合商分散交易行为对容量配置的影响,建立融合虚拟电能交易的光储聚合商容量优化配置模型,该模型将交易行为的影响以交易成本的形式融入系统运行层,以光储容量综合规划成本最小为目标函数,通过交易规划约束保证系统的安全性;最后,在MATLAB软件中进行了仿真验证。交易机制参数仿真、交易过程仿真和最后的光储聚合商容量配置仿真结果发现:本文提出的光储聚合商效益函数能够指导光储聚合商之间的交易定价行为,模拟分散交易,电能的价格和负荷水平受到储能与光伏容量配置的影响;并优化得到聚合商经济性最优的容量配置方案,与其他随机方案相比较既满足负
3、荷正常消耗又避免了储能规划投资上的浪费。本文为含可交易能源的光储聚合商交易层面提供了定价策略,为考虑分布式清洁能源交易影响的光储容量优化配置方法提供了有效一定参考。关键词:运行模拟;优化配置;光储聚合商;虚拟电能交易中图分类号:TM715文献标志码:A文章编号:2096-3246(2023)02-0152-08Virtual Energy Transaction Based Optimal Capacity Configuration of Photovoltaic-storageAggregated Power SystemsDAI Jiakun1,XIANG Yue1*,LI Ran2,L
4、IU Junyong1(1.College of Electrical Eng.,Sichuan Univ.,Chengdu 610065,China;2.Dept.of Electrical Eng.,Shanghai Jiaotong Univ.,Shanghai 200240,China)Abstract:In recent years,under the background of“double carbon”,the distributed new energy generation with nearly zero marginal generationcost has devel
5、oped rapidly.However,how to study the energy trading mechanism among the“prosumers”of distributed new energy generationsand its impact on the power system planning face important challenges.Focusing on the impact of such transaction behavior on the planning levelfor photovoltaic-storage aggregated e
6、nergy systems,an optimal configuration method for the capacity of photovoltaic and energy storage systemsbased on the virtual electricity transaction mechanism was proposed.Firstly,aiming to generate electrical pricing and simulate the optimal opera-tion state under a certain capacity configuration,
7、a negotiation and matching mechanism for the electricity transaction between aggregators wereestablished based on the benefit function of photovoltaic-storage aggregated energy system.Secondly,considering the impact of decentralizedtransaction behavior of aggregators on the capacity configuration,an
8、 optimal capacity configuration model of photovoltaic-storage aggregated en-ergy systems considering the virtual energy transaction was proposed.The transaction cost was added in the operation level to integrate the im-pact of transaction behavior into the model.The minimum cost of the capacity conf
9、iguration was taken as the objective function.The transactionand configuration constraints were accounted for the security of the systems.Finally,the simulation was carried out in the MATLAB.Simulation收稿日期:2022 07 06基金项目:国家自然科学基金项目(52177103)作者简介:代佳琨(1999),男,硕士生.研究方向:配电网规划与运行.E-mail:*通信作者:向月,副教授,E-ma
10、il:网络出版时间:2023 02 28 16:16:17 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023results of the transaction algorithm parameter,the transaction process and the final capacity configuration show that,the transaction and pricingbehavior betwe
11、en aggregators can be guided and the decentralized transaction of aggregators can be simulated by the benefit function proposed inthis paper.The electricity price and load level are affected by the capacity configuration of photovoltaic and energy storage systems.Comparedwith other random schemes,th
12、e optimal capacity configuration scheme proposed in this paper meets the normal consumption of load and avoidsthe waste investment of the energy storage planning.This paper also provides the electricity pricing strategies for aggregators with the tradableclean energy at the transaction level,and pro
13、vides an effective reference for the optimal capacity configuration method of the photovoltaic-stor-age aggregated energy system considering the impact of the distributed new energy transaction behavior.Key words:operation and simulation;optimal configuration;photovoltaic-storage aggregated power sy
14、stems;virtual energy transaction 推进新能源为主体的新型电力系统运行与规划成为构建现代能源体系的关键1。与传统电力系统不同,含边际成本为零的光伏发电资源和储能设施的主体(光储聚合商)以“产消者”方式参与投资运营,初始投资成本高,但燃料成本为零,运营也以区域分散为特征2。怎样合理配置内部光伏、储能容量是亟需解决的问题,而该问题的核心基础是光储聚合商内部分布式能源运行管理与外部电能交易。交易定价将会直接影响光储聚合商运行效益,如何合理地制定交易和定价机制十分重要。Prudhviraj等3提出了一种基于边际成本的电价模型,用于协调多个微电网之间的能源交易,目标是最小化
15、总成本。王文彬4和Oh5等研究了电网运营商管控下的分散能源交易框架,以协调出力不确定的可再生能源发电商和价格响应型负荷之间的交易。Tushar等6提出以发电燃料成本产生的边际成本为基础形成的市场交易机制对于零边际发电成本生产者而言是不合理的。饶萍等7基于代理交易模式,提出一种考虑分布式交易机制和储能经济性运行策略的规划运行模型,保障了系统各主体效益。赵会茹8和Chen9等提出了光储联合系统的含优化调度的交易模型,并考虑社区间的能量共享以及联合需求响应,目标是求最小化运行成本。储能可以缓解可再生能源间歇性出力引起的系统功率波动,将储能与可再生能源发电机组互补使用能减小光储聚合商的运行成本。上述文
16、献考虑了多个微电网之间的电能交易机制,但却没有深入研究储能在全清洁能源聚合商系统中的作用机理,无法揭示光储聚合商发电的实际市场价值;同时,缺少合理的交易机制产生价格激励,以促使聚合商配置光伏和储能。电能分散交易在含可再生能源主体参与电力交易方面受到越来越多的关注,可以考虑利用其形成动态电价以协商聚合商之间的交易。Zhang等10提出了一种新的分散端对端市场交易机制,产生的交易定价能够减少电网损耗和拥塞。崇志强等11提出一种两层分散能源交易模型,将交易和运行结合起来使交易产生的成本融合到运行成本。Kim等12提出一种考虑网络使用费用的分散交易体系结构用以协商多个含储能聚合商之间的交易。Cheru
17、kuri等13提出解决储能运行耦合的交易机制。李宏仲等14研究了新能源发电商与储能运营商的交易竞价策略。上述文献研究了储能配置及运行对电能分散式交易的影响,但没有考虑储能对含零边际发电成本光储系统中电能交易的影响,储能容量配置对交易过程有影响,而不同交易机制产生的交易结果也会影响聚合商容量配置的经济性。由于清洁能源发电机组的初始投资成本高,而成本回收周期长,过量或不合理的容量配置会导致聚合商经济性差15。国内外学者已有研究基于光储系统的运行调度结果进行光储容量的优化配置。金秋龙等16基于完全信息动态博弈理论,以光伏、储能和电网作为博弈参与者,分析市场环境下三方的博弈关系,建立光储网协调规划模型
18、。南斌等17针对并网型光储微电网储能系统容量配置问题,提出考虑需求响应和源荷不确定性的储能优化配置策略。Conte等18提出一种针对由光伏和储能组成的集成系统的实时运行和日前规划的解决方案,使经济收益最大化。上述文献考虑光储聚合商与电网之间的交易互动及容量配置,但没有考虑多个光储聚合商之间的交易定价及容量配置问题。现有的光储聚合商容量配置方法没有计及聚合商之间电能交易的影响,造成容量配置的不合理,使系统经济性变差。因此,本文以存在多个光储聚合商的区域电力系统为研究对象,提出了一种虚拟电能交易和定价驱动的光储聚合商系统容量优化配置方法,以模拟聚合商之间的电力交易协商过程,并且将规划的投资成本与交
19、易后的运行成本结合,更客观地描述聚合商的经济效益。对一个光储聚合商系统进行仿真与分析,验证了所提模型和方法的有效性和合理性。1 光储聚合商虚拟交易模拟光储聚合商是含光伏、储能与负荷的“产消者”,系统结构如图1所示。现有的市场机制可能无法产生合理的价格信号来补偿可再生能源发电商的投资成本19。根据经济学原理可知,生产者获得最大利益的途径是以最高第 2 期代佳琨,等:虚拟电能交易驱动的光储聚合商容量优化配置153的单价出售所有生产的电能。但这将损害消费者的利益20。消费者获得最大利益的途径是以市场最低的价格购买足够的电力。“产消者”交易协商策略是基于自身的效益函数,所以,首先,提出聚合商的效益函数
20、;然后,提出一种虚拟交易机制,用于模拟光储聚合商之间达成帕累托最优交易结果的过程,得到交易策略与交易成本。1.1 光储聚合商效益函数U(d)g(d)=U(d)/d=g(d)h()=g1()r()=dh()/h()dr()=h()=ah(0)=d0a=d00g(d)=0(d/d0)1U(d)=0d1+1/(+1)d10+cr 0r(0)=U(0)=0Ui,t聚合商之间电能交易的根本动力和目的是效益最大化21,然而,效益函数很难确定,假设价格弹性系数恒定,并且假设效益函数是严格凹函数。聚合商电能消费的边际效益表示为,均衡价格等于电能消费的边际效益,即。那么,价格的需求函数定义为。价格弹性系数用r(
21、)表示,为交易变化量百分比与价格变化百分比的比值,具体表达式为,价格弹性系数通常取决于价格。设恒定的价格弹性系数,需求函数,a为常数。设,得到,将a代入价格需求函数求解边际效益函数,得到,。然而,一般向下倾斜的需求曲线意味着价格弹性系数,并且,。这种情况下的效益函数最大化问题难以求解且在现实情况中也不会存在。因此,修改边际效益函数,使其具有“准常数”价格弹性系数,具体的方法是:将边际效益曲线向左移一个极小值(),并对价格弹性系数r进行偏移补偿,使,并且设置一个常数c使。聚合商效益函数用表示,按照上述推理过程,结合预期的光伏出力和储能决策生成效益函数,最后得到的边际效益函数和对应约束分别为:Ui
22、,t=0(di,t+)(1+1/)(1+1/)(1+)/(dpredict,i,t+)1/,i I,t T(1)s.t.|di,t:iIdi,t=iI(pES,chargei,t pES,dischargei,t)+iIpPVi,t,i I,t T;si,t:0 pPVi,t pPVmax,i,t,i I,t T;di,t 0,i I,t T(2)=0r/(r+1)/(dpredict,i,t+)(1/r)r=elasticity/(1+/dpredict,i,t)elasticity0di,tdpredict,i,tpES,chargei,tpES,dischargei,tpPVi,tpPV
23、max,i,t式(1)(2)中:边际效益曲线偏移值 ,其中,r为负荷的响应程度,即价格弹性系数,为负荷可调整参数,常数;为初始时刻的交易价格;为聚合商i在t时刻的负荷量;为交易迭代间隙;为聚合商i在t时刻的预测负荷值;和分别为聚合商i在t时刻的储能充放电功率;和分别为聚合商i在t时刻的光伏发电量和光伏最大容量;T为时间周期;I为系统中聚合商的数量。仅考虑到理想储能模型,恒定的充电和放电效率、自放电和不对称功率限制。假设储能不需要达到满容量状态,但只要满足最大容量约束即可22。储能的简化约束模型如下:|bi,t:0 pES,chargei,t pES,chargemax,i,t,i I,t T;
24、bi,t:0 pES,dischargei,t pES,dischargemax,i,t,i I,t T;pES,dischargei,t+pES,chargei,t 1,i I,t T;ci,t:0 si,t smax,i,t,i I,t T;si,t=si,t1+pES,dischargei,t pES,chargei,t,i I,t T(3)si,tsmax,i,tpES,chargemax,i,tpES,dischargemax,i,tbi,tci,t式中,为聚合商i在t时刻的储能电量,为聚合商i在t时刻的储能最大容量,和分别为聚合商i在t时刻的储能最大充电和放电功率,为储能充放电状态
25、对偶函数,为储能容量限制的影子价格。对于tT,最优价格表示为:t=Ui,t(di,t)/di,t+di,t=bi,tTtci,=si,t,i I(4)ttdi,tci,tbi,t,si,t式中:为 的对偶变量,它取决于储能容量约束的影子价格;、和分别为电量平衡、储能容量、储能充电速率和光伏发电量的对偶变量,分别由约束(2)和(3)求得。最优负荷和价格轨迹的方程分别如式(5)和(6)所示:d(t)=(t/0)dpredict,i,t(5)dpredict,i,t式中,为当迭代价格与初始价格相同时聚合商效益最优的负荷消耗量。(di,t)=0(di,t+)/(dpredic,i,t+)(1/)(6)
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