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摘要：針對當下能源利用效率低以及供能系統(tǒng)運行成本大的普遍現(xiàn)象，構建了包含源網荷儲多環(huán)節(jié)的虛擬電廠調度模型。虛擬電廠運行調度模型以經濟性為優(yōu)化目標，利用Logistic函數(shù)實現(xiàn)用戶側負荷的需求響應，并通過對比分析非需求響應模式、電網需求響應、電網+氣網需求響應三種情況，對我國西北某工業(yè)園區(qū)進行實例分析。結果表明，對該區(qū)域實施包括電價和氣價的需求響應策略后，均能實現(xiàn)經濟優(yōu)化和效率提升，其中該區(qū)域對電價的敏感性更高，為后續(xù)虛擬電廠運行調度研究提供了參考價值。
關鍵詞：虛擬電廠；需求響應；綜合能源；源網荷儲；清潔能源
隨著國家“雙碳"目標的推進，構建新型綠色的能源系統(tǒng)是發(fā)展點。在我國“十四五"規(guī)劃中強調在能源發(fā)展中需要考慮各種分布式能源和儲能模塊等參與進來。在該背景下，虛擬電廠的概念得以提出并迅速發(fā)展。虛擬電廠本質是一個能源調度系統(tǒng)，通過對可調節(jié)負荷、分布式電源以及儲能三類要素進行資源整合、調節(jié)以及分配，在維持系統(tǒng)內部總體平衡的情況下提高運行效率，從而加強系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力。
從用戶側儲能模式角度探究多點聚合、電池共享以及需求響應的發(fā)展方向和應用前景。利用蟻獅優(yōu)化算法對虛擬電廠調度策略改進，并從碳捕集和需求響應機制兩個角度進行輔助研究。基于日前和日內調度模型建立了多時間尺度優(yōu)化調度方法，該方法能夠實現(xiàn)預測并提高系統(tǒng)經濟性。通過優(yōu)化能源微網并探究不同能源的交換方式，建立了虛擬電廠綜合能源調度優(yōu)化方法，實現(xiàn)了對綜合能源的利用效率zui大化。
本文在考慮分布式能源、可調節(jié)用戶電負荷需求、儲能電池的基礎上建立了虛擬電廠調度模型，將該調度模型進行優(yōu)化完善，在用戶側加入了供熱、供冷業(yè)務，能源轉化側加入了冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(combined cooling heating and power,CCHP)、燃氣鍋爐和電制冷機組，并在外部供應側加入了天然氣供應商，新的調度模型具有更好的能源耦合關系，具體系統(tǒng)架構如圖1所示。
圖1中CCHP機組包括了燃氣輪機、余熱回收鍋爐和溴化鋰制冷機組三種設備，通過以天然氣為燃料供應燃氣輪機設備運行。該設備在運行過程中，一方面能夠帶動發(fā)電機產電，另一方面能夠將產生的熱量傳遞至余熱回收鍋爐。余熱回收鍋爐通過補燃天然氣燃料進行產熱，與此同時，將部分動力傳輸至溴化鋰制冷機組進行產冷，故CCHP設備通過能量耦合和梯級利用能夠同時滿足電熱冷三類負荷需求，具有較高的能效。
圖 1 虛擬電廠調度系統(tǒng)架構
需求響應是指當電價處于高峰或者電力系統(tǒng)受到威脅時，用戶側收到信號后主動調整固有的習慣用電模式，從而降低該時段的電力負荷，以此實現(xiàn)保障電網穩(wěn)定性的目的。具體可分為價格型需求響應和激勵型需求響應兩種類型。
本文所采用的基于Logistic函數(shù)的負荷轉移率模型屬于價格型需求響應模型。由價格型需求響應概念可知，當電價差發(fā)生變化時均能引起用戶側用電需求的變化，分時電價機制的設定能激勵用戶改變固有用電模式，用戶的響應行為仍具有隨機性。故考慮Logistic函數(shù)的需求響應模型將該隨機性行為轉化為數(shù)學表達，在真實需求響應曲線之間設定樂觀響應預測曲線和悲觀需求響應預測曲線，使得該模型具備模糊屬性。模型劃分為“死區(qū)"“響應區(qū)"和“飽和區(qū)"。當電價差處于“死區(qū)"時，電價差并不能引起用戶的自主用戶行為，故該區(qū)域負荷轉移率具有隨機性；當電價差處于“響應區(qū)"時，用戶會積極參與需求響應機制，且在該區(qū)域內，電價差越大，用戶側需求響應力度越大，即負荷轉移率越高；當電價差處于“飽和區(qū)"時，電價差已經超過了用戶負荷彈性潛力，故在該區(qū)域內用戶不會參與到需求響應中，此時負荷轉移率達到zui大且保持不變。
3.1 基礎數(shù)據(jù)
調度模型的運行周期是24h,當?shù)啬茉捶謺r價格包括電價和天然氣價格。據(jù)分析可知，該模型的用戶側電負荷需求響應與電價相關，其他負荷中以熱負荷供應為主，冷負荷需求量較小，熱負荷由CCHP和燃氣鍋爐共同供應，且兩種設備燃料來源均為天然氣，故可探究熱負荷需求響應與天然氣價格之間的關系，在考慮Logistic函數(shù)后的電熱負荷具體對比如圖2所示。
3.2 仿真模擬
對3.1節(jié)實施需求響應后的負荷情況進行仿真模擬研究，并對比分析非需求響應模式、電網需求響應和電網+氣網需求響應三種場景。場景一是非需求響應模式，場景二是電網需求響應模式，場景三是電網+氣網需求響應模式。探究考慮Logistic函數(shù)的需求響應模型對于虛擬電廠運行調度下的優(yōu)化目標求解影響。
時刻
電負荷
時刻
熱負荷
圖2需求響應后的電熱負荷情況
(1)非需求響應場景。在未實施用戶側需求響應時，其負荷均為原始負荷，根據(jù)模擬仿真得出其電系統(tǒng)運行情況，在該場景下調度模型的總運行成本是1156元，其中電網購電費用是432元，設備運行維護費用是724元。分析可知，該場景下新能源發(fā)電約占發(fā)電端總發(fā)電量的68.7%,且光伏與風機出力能夠實現(xiàn)耦合互補，從而在整個24h調度周期內實現(xiàn)用戶側電力供應的持續(xù)輸出。電網購電行為在13:00至16:00的電負荷需求較大且供應端發(fā)電較少時尤為突出。
(2)電網需求響應場景。在該場景下調度模型的總運行成本是977元，在場景一的基礎上其成本約降低了15.5%,其中電網購電費用是314元，設備運行維護費用是663元。分析可知，在實施用戶側電網需求響應后，其購電成本有了顯著下降，當處于電價高峰時段時的購電現(xiàn)象減少，儲能電池在電價低谷和平時充電量增加，峰時放電量增加實現(xiàn)了峰谷套利，節(jié)約了系統(tǒng)成本。
(3)電網+氣網需求響應場景。在該場景下調度模型的總運行成本是989元，在場景一的基礎上其成本約降低了14.4%,其中電網購電費用是360元，設備運行維護費用是629元，在該場景下設備運行維護費用有了明顯降低，但是調度模型經濟性不及場景二。分析可知，該虛擬電廠調度模型用戶側對于天然氣分時價格的響應行為不夠積極，因為該區(qū)域內的電負荷需求遠大于熱負荷需求，故調度模型在只考慮電網需求響應時能夠實現(xiàn)經濟性
AcrelEMS智慧能源管理平臺是針對企業(yè)微電網的能效管理平臺，對企業(yè)微電網分布式電源、市政電源、儲能系統(tǒng)、充電設施以及各類交直流負荷的運行狀態(tài)實時監(jiān)視、智能預測、動態(tài)調配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調度源荷有序互動、能源全景分析，滿足企業(yè)微電網能效管理數(shù)字化、安全分析智能化、調整控制動態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲充資源之間的靈活互動與經濟運行，為用戶降低能源成本，提高微電網運行效率。AcrelEMS智慧能源管理平臺可以接受虛擬電廠的調度指令和需求響應，是虛擬電廠平臺的企業(yè)級子系統(tǒng)。
圖1AcrelEMS智慧能源管理平臺主界面
平臺結構
系統(tǒng)覆蓋企業(yè)微電網“源-網-荷-儲-充"各環(huán)節(jié)，通過智能網關采集測控裝置、光伏、儲能、充電樁、
常規(guī)負荷數(shù)據(jù)，根據(jù)負荷變化和電網調度進行優(yōu)化控制，促進新能源消納的同時降低對電網的至大需量，使之運行安全。
圖2AcrelEMS智慧能源管理平臺結構
平臺功能
4.1 能源數(shù)字化展示
通過展示大屏實時顯示市電、光伏、風電、儲能、充電樁以及其它負荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運行情況。
4.2 優(yōu)化控制
直觀顯示能源生產及流向，包括市電、光伏、儲能充電及消耗過程，通過優(yōu)化控制儲能和可控負載提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統(tǒng)出力，并顯示優(yōu)化前和優(yōu)化后能源曲線對比等。
4.3 智能預測
結合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對光伏、風力發(fā)電功率和負荷功率進行預測，并與實際功率進行對比分析，通過儲能系統(tǒng)和負荷控制實現(xiàn)優(yōu)化調度，降低需量和用電成本。
4.4 能耗分析
采集企業(yè)電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質消耗量，進行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對標，并折算標煤或碳排放等。
4.5 有序充電
系統(tǒng)支持接入交直流充電樁，并根據(jù)企業(yè)負荷和變壓器容量，并和變壓器負荷率進行聯(lián)動控制，引導用戶有序充電，保障企業(yè)微電網運行安全。
4.6 運維巡檢
系統(tǒng)支持任務管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過北斗定位跟蹤運維人員軌跡，實現(xiàn)運維流程閉環(huán)管理。
4.7 設備選型
除了智慧能源管理平臺外，還具備現(xiàn)場傳感器、智能網關等設備，組成了完整的“云-邊-端"能源數(shù)字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護和監(jiān)測產品、電能質量在線監(jiān)測裝置、電能質量治理、照明控制、充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為虛擬電廠企業(yè)級的能源管理系統(tǒng)提供一站式服務能力。
名稱 | 圖片 | 型號 | 功能 | 應用 |
中高壓微機保護裝置 |
| AM6、AM5SE | 實現(xiàn)110kV至10kV回路的保護、測量和自動控制功能 | 110kV、10kV回路斷路器 |
電能質量在線監(jiān)測裝置 |
| APView500 | 集諧波分析/波形采樣/電壓閃變監(jiān)測/電壓不平衡度監(jiān)測等穩(wěn)態(tài)監(jiān)測、電壓暫降/暫升/短時中斷等暫態(tài)監(jiān)測、事件記錄、測量控制等功能為一體，滿足A電能質量評估標準，能夠滿足110kV及以下供電系統(tǒng)電能質量監(jiān)測的要求。 | 110kV、35kV、10kV、0.4kV |
防孤島保護裝置 |
| AM5SE-IS | 防止分布式電源并網發(fā)電系統(tǒng)非計劃持續(xù)孤島運行的繼電保護措施，防止電網出現(xiàn)孤島效應。裝置具有低電壓保護、過電壓保護、高頻保護、低頻保護、逆功率保護、檢同期、有壓合閘等保護功能。 | 110kV、35kV、10kV、0.4kV |
動態(tài)諧波無功補償系統(tǒng) |
| AnCos*/*-G Ⅰ型 | 同時具備諧波治理、無功功率線性補償與三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能,響應時間快，精度高、運行穩(wěn)定，能根據(jù)系統(tǒng)的無功特性自動調整輸出，動態(tài)補償功率因數(shù)； | 0.4kV電能質量治理 |
多功能儀表 |
| APM520 | 全電力參數(shù)測量、復費率電能計量、四象限電能計量、諧波分析以及電能監(jiān)測和考核管理。 接口功能：帶有RS485/MODBUS協(xié)議 | 并網柜、進線柜、母聯(lián)柜以及重要回路 |
多功能儀表 |
| AEM96 | 具有全電量測量，諧波畸變率、分時電能統(tǒng)計，開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出。 | 主要用于電能計量和監(jiān)測 |
電能表 |
| DTSD1352 | 具有全電量測量，電能統(tǒng)計，80A內可直接接入，導軌安裝。 | 低壓配電箱 |
物聯(lián)網儀表 |
| ADW300W | 主要用于計量中低壓配電的三相電氣參數(shù)，采集狀態(tài)量并控制斷路器，可靈活安裝于配電箱內，自帶開口式互感器，可實現(xiàn)不停電安裝，具備RS485、4G、LoRaWan無線通信功能，適用于配電系統(tǒng)數(shù)字化改造。 | 微電網數(shù)字化改造 |
物聯(lián)網儀表 |
| ARCM300 | 三相交流電能計量、漏電電流測量、諧波分析、4路溫度采集功能，通過對配電回路的剩余電流、導線溫度等火災危險參數(shù)實施監(jiān)控和管理，可采集狀態(tài)量或控制斷路器，具備RS485通訊或4G通訊功能。 | 微電網電氣消防和數(shù)字化改造 |
直流電能表 |
| DJSF1352-RN | 可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等，配套霍爾傳感器(可選)。 | 直流計量 |
馬達保護 |
| ARD3M | 電動機保護控制器，適用于額定電壓至 660V 的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，強大的邏輯可編程功能可以滿足各種控制要求，多種可選配的通訊方式適應現(xiàn)場不同的總線通訊需求。 | 電機保護控制 |
智慧斷路器 |
| ASCB1LE-63-C63-4P/Z4G | 三相智能微型斷路器，具備普通微斷保護和控制功能，同時具備電流、電壓、功率、電能測量功能，支持漏電保護和用電行為特征識別，支持遠程控制，4G通訊。 | 末端配電 |
防火限流式保護器 |
| ASCP200-63D | 可實現(xiàn)短路限流滅弧保護、過載限流保護、過/欠壓保護、漏電監(jiān)測、線纜溫度監(jiān)測、內部超溫限流保護等，電流0-63A，RS485通訊 | 末端配電保護 |
遙信遙控單元 |
| ARTU100 | 具備開關量采集和繼電器輸出控制功能，導軌式安裝，485通訊，可實現(xiàn)斷路器或接觸器的遠程控制和狀態(tài)量采集。 | 狀態(tài)量采集和控制輸出 |
電動汽車充電樁 |
| AEV200-DC60S AEV200-DC80D AEV200-DC120S AEV200-DC160S | 輸出功率160/120/80/60kW直流充電樁，滿足快速充電的需要。 | 充電樁運營和充電控制 |
智能網關 |
| ANet-2E4SM | 邊緣計算網關，嵌入式linux系統(tǒng)，網絡通訊方式具備Socket方式，支持XML格式壓縮上傳，提供AES加密及MD5身份認證等安全需求，支持斷點續(xù)傳，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協(xié)議 | 電能、環(huán)境等數(shù)據(jù)采集、轉換和邏輯判斷 |
安科瑞系統(tǒng)解決方案還包含電力運維云平臺、能源綜合計費管理平臺、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺、充電樁運營管理云平臺、智慧消防云平臺、電力監(jiān)控系統(tǒng)、微電網能量管理系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、電能質量治理系統(tǒng)、電氣消防系統(tǒng)、隔離電源絕緣監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)解決方案，覆蓋企業(yè)微電網各個環(huán)節(jié)，打造準確感知、邊緣智能、智慧運行的企業(yè)微電網智慧能源管理系統(tǒng)。
虛擬電廠在國家“雙碳"目標發(fā)展下具有較大的潛力和實用價值，能夠節(jié)約電廠和電網投資。經測算，通過建設煤電等火力發(fā)電機組來滿足運行區(qū)域約5%的峰值負荷時，其電廠及配套電網投資額較大，總成本約為建設虛擬電廠產業(yè)的10倍左右。本文通過建立基于Logistic函數(shù)的虛擬電廠運行調度模型能夠在成本上實現(xiàn)較大的優(yōu)化，對于未來虛擬電廠的建設和運行有一定的參考價值。
