虚拟电厂运营模式下差别电价的二层优化模型

刘庆伟;雷霞;徐贵阳;戴诗容

【摘 要】为了能在节能减排的同时促进高耗能企业健康发展,探索了一种新的供电方式用以优化高耗能用电.针对能耗大、高污染的高耗能企业,在差别电价研究的基础上,引入具有节能效应又具有分布式能源发电集群体的虚拟电厂概念,建立虚拟电厂运营模式下差别电价的二层优化模型,并对优化后所取得的社会综合效益进行分析.通过算例仿真得到虚拟电厂和供电公司各自售电量以及统一的最优销售电价;对比节能设备改造前后所取得的社会综合效益,结果表明:该双层优化模型的有效性和合理性,为政府机构制定合理的电价政策提供具有实际意义的参考,更好地促进企业健康发展.

【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》 【年(卷),期】2015(027)001 【总页数】8页(P5-12)

【关键词】节能减排;高耗能企业;虚拟电厂;差别电价;二层优化模型 【作 者】刘庆伟;雷霞;徐贵阳;戴诗容

【作者单位】西华大学电气信息学院,成都610039;宁夏电力公司中卫供电公司,中卫755000;西华大学电气信息学院,成都610039;西华大学电气信息学院,成都610039;西华大学电气信息学院,成都610039 【正文语种】中 文 【中图分类】TM73

电力紧缺一直是电力供应部门一个亟待解决的问题，随着经济的快速增长，能源问题也越来越突出，节能减排［1，2］是国家制定一切方针政策的重要保证。文献［3-5］基于节能减排的各种发电机组的最优调度，分别建立以能耗最小、污染物排放量最小以及网损最小的多目标优化模型。为了节能减排目标，国家对全国高耗能企业取消高耗能优惠电价，实行差别电价政策。差别电价［6］属于电力企业针对不同用户对电能资源的不同需求而实施的电能商品市场营销行为。我国将高耗能产业的企业区分为淘汰类、限制类、允许和鼓励类，对其实行差别电价策略，将产业政策和价格杠杆有力地结合起来，使其成为政府遏制高耗能产业盲目发展和低水平重复建设，加快淘汰落后生产技能和设备，推动产业结构调整和技术升级，缓解能源供应紧张以及节能减排的政策工具。文献［7］建立了差别电价政策的系统动力学模型，对影响差别电价政策效果的因素进行了分析；文献［8］基于Agent模拟的建模方法构建了研究差别电价影响效果的多Agent模型，突破了传统数学模型考虑因素不足的缺点；文献［9］采用投入产出模型和价格影响模型研究差别电价对我国能源、环境和经济的影响，但是在差别电价的具体实施过程中，仍然存在很多的问题和困难。以上研究只局限于差别电价的具体实施，而没考虑利用不同供电策略［10］在满足高耗能企业用电的同时进行差别电价调整。

本文针对能耗大、高污染的高耗能企业，在能效电厂研究基础上，提出了一种含有虚拟电厂的供电方式用以优化高耗能用电，即在差别电价研究的基础上，引入具有节能效应［7］和分布式能源发电集群体的虚拟电厂的概念，建立供电公司与虚拟电厂决策的优化模型，并对新的供电方式下社会综合效益进行分析。 虚拟电厂VPP（virtual power plant）是一种能效电厂［11，12］EPP

（efficiency power plant），其能效性能［13］是通过实施一系列节电计划和能效项目，有效地进行需求侧管理计划。EPP为用户提供用电设备的节能改造，鼓励高耗能用户采用节能新设备和生产新技术，降低用电负荷，提高能源利用效率以

及节能减排，达到与投资新建电厂和扩建电力系统相同的效果，并使节电项目实现产业化。文献［14］将能效电厂与供应侧资源同等纳入电源规划建立混合整数规划模型，利用该模型计算出满足一系列约束条件的规划期装机顺序和各时段的机组出力以及优化方案的装机容量、固定成本、运行成本和污染物排放量等指标，能效电厂的优化方案具有更好的经济性和环境效益；文献［15］用半方差理论探讨了低碳经济下能效电厂在各种节电措施下的风险投资优化组合问题；能效电厂的规划方法［16］首先是调查设备参数得出可实现的节约电量潜力、最大节约负荷及其相应的经济效益数据，根据评估指标排序，选出节电潜力较大、社会环境效益明显的技术改造措施和行业进行能效电厂规划。

虚拟电厂为企业提供一系列节电设备，同时还具有自身分布式发电群、可控负载和存储系统。虚拟电厂的能源管理系统从各个组件上得到相关信息，并发送控制信号。文献［18］以市场为基础提出一个虚拟电厂模型，将单个的分布式能源链接为一个整体来服务当前电力市场；文献［19-20］中虚拟电厂将光伏发电、风力发电、储能电池以及燃气轮机等分布式能源作为一个集群体，并采用信息通信采集技术对各种新能源进行检测和能量管理，建立虚拟电厂的利润最大化模型，利用可控负荷和存储系统（电气和热）实现各种能源的最优调度。

本文基于分布式能源发电集群体建立一个提供一系列节能设备和技术的虚拟电厂，将其作为一个新的电能供应角色参与市场运行，提供一种全新的供电方式，有利于节能减排和企业的健康发展。虚拟电厂的运营模式流程如图1所示。

由图1可见，虚拟电厂的运营包含政府机构、电网公司、高耗能企业以及银行等信贷机构。政府机构是方针政策的制定者，通过对高耗能企业的调研制定相应的差别电价，在虚拟电厂建设初期，虚拟电厂由政府扶持；电网公司是差别电价执行者，同时将用户对差别电价的反响反馈给政府机构，同时电网企业承担VPP的投资兴建以及技术支持；高耗能企业是差别电价实行者，按照差别电价进行电费缴纳，在

友好协商的基础上，与虚拟电厂之间签订合作合同，接受节能设备的改造。虚拟电厂的投资运营初始最关键的是确定融资模式和回收模式，即通过什么形式和途径筹集建设资金和效益的回收。

本文提出一个以市场为基础的虚拟电厂模型，此模型最大的特点就是把单个的分布式能源［21］聚集为一个整体来服务于当前的高耗能市场，实现分布式能源的一体化管理模式，增强供电可靠性和稳定性，提高供电效率。虚拟电厂的分布式能源群考虑包括太阳能光伏发电PV（photovoltaic）、风力发电WT（wind power generation）、微型燃汽轮机MT（micro gas turbine）、燃料电池FC（fuel cell）和燃气轮机GT（gas turbine）的微电网系统［22］。在虚拟电厂运营模式流程中，政府制定的差别电价嵌套其中，因此在高耗能企业接受节能设备改造后，其对应的差别电价要做相应的调整，其对应差别电价运行流程如图2所示。 由图2可见，高耗能企业接受节能新设备改造之后，政府通过对高耗能企业进行调研，并通过听证对差别电价进行修正调整，在更好地促进企业健康快速发展的同时更加完善差别电价机制，达到节能减排的目的。同时虚拟电厂作为分布式能源群的聚集整体，高耗能企业接受虚拟电厂的节能新设备改造，获得从虚拟电厂的供电购买权，签订电能购买合同；通过虚拟电厂和电网公司协商，虚拟电厂给企业供电必须有最大供应量，高耗能企业可以从虚拟电厂获得最大购买量之内的电量，所需其余电量按照经过重新调整的差别电价从电网公司获得。

供电公司与虚拟电厂作为电能供应方，面临着两者之间利益重新分配问题，存在一定利益冲突同时又协作供电。 2.1 虚拟电厂（VPP）决策分析

虚拟电厂为企业提供节能设备和相应的生产新技术指导，得到节能设备费，同时按照协议为此类企业提供电能服务；虚拟电厂作为分布式发电集群体，考虑包括太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池和燃气轮机的能源系统，通过联络线与低压配电

网进行双向功率交换。VPP所具有各发电集群体各发电单元的发电成本为 式中：n为虚拟电厂中发电元件个数；ad、bd和cd为发电元件d的成本系数；adqd2+bdqd为可变成本；cd为固定成本。 分布式发电集群体每年的固定投资费用为

式中：βd为第d个分布式电源的固定投资年平均费用系数；Q′DG，d为第d个分布式电源的固定投资费用。

VPP为企业提供节能设备及其新技术，在一定的供电时间段T内所得到的能效收益为

式中：N为参与节能设备改造企业总个数；为企业所需设备的购买费用；投资成本。则VPP售给用户电量所得收入为

式中：λ′it为优化后统一销售电价；P3it为在供电时间段T内每个改造企业从VPP购买的用户负荷量。

虚拟电厂参与市场运行后，其购售电的目标是在保证稳定运行的情况下，使得自身的收益最大化。因此，目标函数可表述为 其中约束条件包括：

（1）功率平衡约束 虚拟电厂中的发电元件大多位于微电网负荷中心处，忽略网络损耗，则虚拟电厂内电量平衡约束为 （2）单元发电元件出力约束为 qd，min≤qd≤qd，max （7）

式中，qd，min与qd，max分别为微电网中发电元件d的最小出力和最大出力。 （3）购买力约束 用户根据接受节能设备装置的投资费用及自身的生产条件，从虚拟电厂获得电能购买量有所差异，且具有最大购买量，即 0＜P3i＜Pi，max （8） 2.2 供电公司决策分析

供电公司根据接受节能设备改造企业名单，对不接受节能改造企业按照原先差别电价供电和可中断补偿；对接受节能设备改造的企业通过与虚拟电厂协商并按照新的电价标准供电。针对虚拟电厂单独供电，供电公司收取一定的供电补偿费用，即 式中：M为不参与节能设备改造企业总个数；λit为对该部分企业实施的差别电价；P1it为在供电时间段T内该部分用户的负荷量；P2it为在供电时间段T内每个改造企业从供电公司购买的用户负荷量；S虚拟电厂收益；α为供电公司从虚拟电厂收取的供电补偿费用系数，0＜α＜1；L为对企业进行的可中断补偿总费用；λ0为供电公司在一定的供电时间段T内从各个市场购电的平均价格；P0为相对应的购电量。其约束条件包括：

（1）在不考虑网损情况下系统功率平衡约束为

（2）对于接受节能设备改造的用户，其优化后的统一销售电价应小于之前差别电价，即

二层规划是分层决策问题的数学建模方法，可以处理多目标决策问题。通过上述决策的分析，虚拟电厂与供电公司之间由于供电协调关系，存在一定的利益冲突，两者又同时为用户合作供电，因此虚拟电厂与供电公司之间存在博弈关系。 本文将供电公司利益作为上层决策，同时将用户节能设备改造之后的购电成本小于改造前作为上层决策的约束条件；将虚拟电厂的利益作为下层决策，在相对开放的电力市场中建立二层优化的整合模型，即

二层优化模型中，上层为供电公司收益最大，下层为VPP收益最大，此模型求解思路为先由下层得到VPP所拥有的各种分布式能源集群体的最优出力，再将其传递到供电公司，求解得到VPP统一的差别电价。本文下层采用遗传算法，其中种群规模为40，交叉概率为0.5，变异概率为0.03，迭代次数为100；上层采用遍历随机搜索的方法，遍历搜索次数为10 000。当进行购售电量优化时，下层先通过优化得到各分布式发电元件的发电量以及销售电价，将结果带入上层；上层根据

负荷量优化得到供电公司售电量以及销售电价，在销售电价满足一定范围条件下，设定两次销售电价差值范围作为收敛性的判断条件，求得最优销售电价。二层优化模型求解过程流程如图3所示。 4.1 用户效益分析

接受节能设备改造的企业其用电由供电公司和虚拟电厂共同承担，当企业利用新设备正常生产运营时，单位产品耗电量减少，排污成本减少，在购买相同电量情况下企业产品产值有所提高。设改造前后在消耗相同电量Dh情况下，购电成本为 式中：Ci0为用户节能设备改造前的购电成本；Ci1为用户节能设备改造后购电成本。假设消耗同等电量情况下，企业节能设备改造前后产品产值分别为V0、V1，产销率为100%，则改造前后所获利润分别为

式中：C0′为改造前除电费以外的其他固定成本；C1′为改造后除电费以外的污染物排放费等其他固定成本，包括节能设备购置费用为政府部门根据企业生产情况给予响应的补贴费用；R0为企业节能设备改造前所获利润；R1为企业节能设备改造后所获利润。 4.2 综合效益分析

在进行节能设备改造之前，供电公司按照制定好的差别电价对企业售电，此时供电公司所得收入为F0；节能设备改造以后按照以上二层优化模型求得所得收入为F1，除去供电补偿费用外虚拟电厂所得收入为S1，因此改造前后所取得的社会综合效益分别为

式中：H0为改造前的社会综合效益；H1为改造后的社会综合效益。根据虚拟电厂差别电价的二层优化模型，便可求得节能设备改造后的社会综合效益。 以某市10家高耗能企业为例，设有6家设备老化及污染严重企业率先接受节能设备改造，改造后其供电服务由供电公司和虚拟电厂共同承担，其余仍然按照原差别电价供电。供电公司按照峰平谷时段划分为企业供电，时段划分以及各个时段的差

别电价和所需负荷见表1，虚拟电厂发电集群体各发电元件参数见表2，改造后供电公司和虚拟电厂的统一售电电价为λ′it，供电公司从各个发电商平均的购电价格为190元/MW·h。

二层优化模型的初始化参数为：供电公司从虚拟电厂收取的供电补偿费用系数α=0.15；可中断补偿总费用为L；本算例仿真设定节能改造初期VPP拥有的节能设备按照近乎于引入价格卖给节能改造企业，即企业节能改造成本近似等于VPP的节能设备投资成本；约束条件中的节能改造企业从VPP获得的最大电能购买力按照企业从VPP购买节能设备多少的情况而定，本算例仿真的最大购买力Pi，max假定为改造企业所需所有电能的一半。按照算法流程进行二层优化模型的求解，得到改造后的满足各种约束条件的供电公司及虚拟电厂的最优销售价格，以及虚拟电厂各个分布式发电单元的最优出力，如表3所示。企业用户改造前后生产以及效益的情况如表4所示。

由表3和表4可知，企业节能改造后，通过优化VPP与供电公司售给节能改造企业峰平谷各个时段的价格均降低；购买相同电量时，峰平谷各个时段在减少了购电成本的同时企业效益均有大幅度提高，产品产值率也大大提高。由此，VPP与供电公司的收益不但取决于最终销售价格与售电量，也与两者之间协商的不同的供电补偿费用有关。更确切地说，与两者之间的供电补偿费用系数有关，不同的供电补偿费用系数会影响社会综合效益的变化。以峰时段为例说明供电补偿费用系数对社会综合效益的影响，如图3所示。

由图3可见，社会综合效益总体上是随着供电补偿费用系数的增大而减少。因此，VPP与供电公司在对供电补偿费用系数进行协调时应尽量取较小值为宜。当供电补偿费用系数为0.15时，所取得的社会综合效益最大。由此类推，在平时段和谷时段社会综合效益与供电补偿费用系数同样呈现类似的变化。当供电补偿费用系数为0.15时，VPP和供电公司的收益以及社会综合效益如表5和表6所示。

VPP和供电公司售给节能改造企业峰平谷各个时段的价格均有所减少，同时供电公司售给节能改造企业的电量相比之前也相应减少。虽然VPP对供电公司提供一定的供电补偿费用，但节能设备改造后供电公司售电总收入在峰平谷各个时段相比以前均有所减少。通过企业节能改造前后对比，在峰平谷各个时段供电公司总收益分别减少了17.8%、21.2%和19.2%；所取得的社会综合效益有明显增加，增幅分别为19.4%、22.7%和13.1%。

由上述分析可知，虚拟电厂的收益、高耗能企业的收益和社会福利相对于未引入VPP时均有所增加，供电公司虽然从表面上看收益下降，但由于本文所建立的VPP的归属权属于电网企业，因此VPP的收益也属于电网企业的整体所有，因此在电网公司统一调配下其整体收益不会减少。与此同时，在节能减排下政府机构为了能更好地进行需求侧的激励政策，会对供电公司进行一定的政策性补贴以避免供电公司由于目前收益减少而采取的抵制行为。其具体的补贴标准视情况而定。 本文针对能耗大、高污染的被限制以及勒令淘汰的高耗能企业，运用所建立的虚拟电厂来探索一种新的供电方式用以优化高耗能用电，即在差别电价研究的基础上，引入具有节能效应和分布式能源发电集群体的虚拟电厂的概念，使其与差别电价相结合，将政府制定的差别电价与虚拟电厂运营模式相结合，建立虚拟电厂运营模式下差别电价的二层优化模型，重新对差别电价进行优化调整。针对节能改造企业，通过算例分析得到虚拟电厂和供电公司各自售电量以及统一的最优销售电价，且具有耗能大、污染重等问题的企业进行节能设备改造后用电成本大幅度减少了；同时，在购买相同电量情况下，企业效益得到了显著提高，所取得的社会综合效益也大大提高，更好地促进了企业健康发展。通过对差别电价的优化调整，从而为政府机构制定合理的电价政策提供具有实际意义的参考，更好地促进社会快速发展。

刘庆伟（1985—），男，硕士，助理工程师，主要从事电力市场营销策划以及购

售一体化研究。Email：**********************

雷 霞（1973—），女，博士，教授，主要从事电力市场方面的研究。Email：********************

徐贵阳（1989—）男，硕士研究生，主要从事电力市场方面的研究。Email：**************** 【相关文献】

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