供电公司与虚拟电厂的协调调度研究

国网湖北省电力公司武汉市江夏区供电公司优质服务调度指挥中心 陈 蕖

0 引言

由于分布式电源分布范围广泛，单个点的发电量小，发电时间和发电量具有不确定性等一系列特点，导致了他们在接入电网时会造成电力系统的运行成本增加，电能质量下降，运行管理困难等问题。面对这种局面，目前主要的解决方法是通过建立微电网或虚拟电厂的方法来解决，本文主要针对建立虚拟电厂的条件下来进行分析。虚拟电厂（virtual power plant，VPP）将各类分布式的电源进行集中管理和控制，从而实现将原有广泛分布的无规律电源整合成为一个有机的整体，接受统一的调度控制，形成集群效应[1-3]。

如何有效控制虚拟电厂的投入和出力，减小虚拟电厂给电网带来的冲击，实现电网与虚拟电厂的双赢，是目前需要重点考虑的一个问题。为了使得虚拟电厂在配合电网安全经济运行的同时，还能保证自身发电的经济收益，对虚拟电厂的合理调度控制显得十分重要。本文对供电公司和虚拟电厂的配合控制进行了分析，建立了虚拟电厂与供电公司联合调度控制模型，通过对数学模型的分析和求解，得出了两者之间的合作空间和利益分配方案。

1 调度模型分析

本文在建立虚拟电厂数学模型时，仅考虑风能、太阳能和水能等分布式电源在内[4-5]，并在文中的风能、太阳能和水能分对应i=1，2，3来表示。在确定单个虚拟电厂运行的目标函数时，数学模型的函数目标是净收入期望最大，需要考虑到虚拟电厂中分布式电源的实际出力收入和虚拟电厂自身所消耗的费用两个部分，因此其目标函数为：

其中，m表示电力系统中的某个虚拟电厂，表示该虚拟电厂在t时段内的预期出力值，表示该虚拟电厂中s场景下的i种电源在t时间段内的实际输出，λ表示为计划电价，λ+表示上调价格，表示下调价格。

单个虚拟电厂运行过程中所需要考虑的约束条件主要包括以下几个方面：

（1）发电能力约束

（2）弃风约束

（3）弃光约束

（4）水量平衡

（5）水电转换效率

（6）容量约束

假设在某区域电力系统中存在M′个虚拟电厂，所有的虚拟电厂形成了一个电厂联盟h，用S来表示联盟h工作场景的个数；用Im表示虚拟电厂m中的分布式电源数量，则虚拟电厂联盟h的目标函数可以表示为：

区别于单个虚拟电厂，多个虚拟电厂的联盟h的目标函数中，表示为联盟预期总出力值，Δ表示为联盟h预期总出力与实际出力的差值。

此时进一步将M′个虚拟电厂与供电公司共同组成联盟，则新联盟的目标函数应该为整个联盟向联盟外，即除去虚拟电厂以外的其他电源支付费用最小：

此时联盟中所有虚拟电厂的收益和如式(9)所示。

2 协调调度算法

虚拟电厂与供电公司协调调度的基础在于满足个体虚拟电厂和整体联盟的共同需求，假联盟中有xV1，…，xVM，xD等多个合作方案，则联盟整体理性为：

个体理性为：

其中式子(10)表示个体收益应高于单个虚拟电厂运行时的收益。运用夏普利值法对收益值进行具体分配，此时参与者m的合作收益可以用式(12)来表示：

其中|h|表示联盟h中的虚拟电厂数量，n表示为联盟中参与分配的虚拟电厂数。

3 算例分析

假设某地虚拟电厂中分布式电源概况如表1所示，地区不同季节典型日负荷需求量如图2所示，风能和太阳能的出力时间预测如图3和图4所示。

表1 分布式电源概况

图2 配电网负荷需求

图3 风能和太阳出力预测

表2所示为联盟收支表，在表中对虚拟电厂与供电公司在非合作与合作两种情况下的收支情况进行了对比，从表中可以看出，经过夏普利值法进行出力分配后的虚拟电厂总收益要大于非合作与合作两种模式下的收益。分析图4，可以看出虽然单个虚拟电厂与供电公司组成的联盟中收入变化不多，但当虚拟电厂同供电公司合作时，通过调整虚拟电厂出力，负荷曲线变得更加平缓，这对电力系统起到了削峰填谷的作用，有助于帮助电力系统的经济性运行。

表2 联盟收支表

从表3可以看出，在供电公司与两个虚拟电厂共同组成的联盟下，两个虚拟电厂的收益有所增加。其收入增加的原因在于，在夏普利值法计算出力分配的前提下，能实现在保持分布式能源发电占比不变得情况下，增加了发电机组的数目，进而减小虚拟电厂中弃风弃光量，同时也减小了系统所需的备用设备。

图4 计划出力对比表

表3 多虚拟电厂下的联盟收益表

4 总结

本文针对目前热门的可再生能源如何高效利用的问题，研究了供电公司与虚拟电厂的协调调度。建立了虚拟电厂与供电公司协同调度的数学模型，确定了目标函数和约束条件，并通过夏普利值法对数学模型进行求解。运用所建立的数学模型和模型算法对实际案例对进行分析，计算结果表明，在虚拟电厂与供电公司的协同调度模型下，对虚拟电厂进行合理调度，能够增加系统整体利润，提高系统设备利用率，优化电力系统负荷曲线等。因此，该理论分析具有实际指导意义，为现有的虚拟电厂和供电公司提供了更多的合作空间，减小分布式能源的接入给电力系统带来的冲击。后续研究中，将对虚拟电厂中分布式能源种类进行扩充，进一步完善约束条件，在现有基础上构件考虑网络约束的协调调度模型。