多种市场下VPP电、热、气优化调度模型的建立方法技术

本发明专利技术公开了多种市场下VPP电、热、气优化调度模型的建立方法。本发明专利技术VPP更强调聚合多区域、大规模的分布式能源实现系统内部单元间协调调度对外参与市场获取收益。VPP除了直接的电能交易之外，其供热负荷之外的，热功率同样可以进行热能交易，把VPP参与直接电能与热能交易视为参与能量市场；VPP还可以为系统提供旋转备用服务，参与旋转备用市场；此外VPP对天然气的供需，可参与天然气市场。同时参与到多种市场，在提高系统调度灵活性的同时也将获取更大收益，降低系统的运行成本。

The establishment method of VPP electricity, heat and gas optimal scheduling model in various markets

【技术实现步骤摘要】
多种市场下VPP电、热、气优化调度模型的建立方法
本专利技术属于综合能源优化调度领域,设计一种考虑多种市场的虚拟电厂电-热-气协调优化调度模型,即多种市场下VPP电、热、气优化调度模型的建立方法。
技术介绍
为延缓化石能源的枯竭速度，减少对环境的污染，电、热、气联供的综合能源网络通过实现多种能源间的互补联供，可提高一次能源的利用效率，得到了蓬勃发展。微型燃气轮机(microturbine，MT)实现供电同时供热，能源利用效率可达80～90％，具有更高的能源利用效率以及更环保经济等优势，成为当前多能源联供系统中的重要单元，但其发电与供热之间的确定性关系降低了运行的灵活性，虚拟电厂(VirtualPowerPlant，VPP)技术为多能源互联的综合能源网络进行有效灵活的能源调度管理提供了新的思路。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供多种市场下VPP电、热、气优化调度模型的建立方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。VPP的内部可包括种类、容量不同的分布式能源，覆盖多种不同类型、容量或地区的分布式能源可以较好的降低VPP所面临的风险，且能够参与到多种市场获得收益。本专利技术考虑的VPP聚合单元中包括MT机组、燃气锅炉以及电转气等可控单元，风电机组与光伏机组等不可控单元，储能装置，电负荷与热负荷等。其中的可控单元和各种储能装置来平抑风电、光伏等不可控单元的随机不确定性。本专利技术所述VPP的控制方式为集中控制方式。电负荷主要由MT机组、电储能装置、风电机组、光伏机组等供给。电负荷包含有一般负荷与IL负荷，当停止给可中断负荷供电时需要向这些用户支付一定的补偿费用。其中的供电单元与电负荷单元的电功率差额可参与到电力市场。热负荷主要由MT机组、锅炉、储热装置来供给，供热单元与热负荷的差额参与到供热市场。将VPP参与主电力市场和热市场统称为参与能量市场。MT机组与可中断负荷所提供的旋转备用容量参与到旋转备用市场。电转气装置转化的天然气与MT机组和锅炉的天然气耗量的差值参与到天然气市场。本专利技术采用以下技术方案：多种市场下VPP电、热、气优化调度模型的建立方法，包括如下步骤：步骤一、建立聚合单元模型；根据所提VPP聚合方案，建立其日前优化调度模型，VPP所包含的各单元的数学模型如下：1)MT机组与燃气锅炉模型；Qgb＝Egbηgb式中：Egt,Egb分别为MT机组和燃气锅炉的天然气耗量；ηgt,ηloss,ηgb分别为MT机组发电效率、MT机组散热损耗率和燃气锅炉效率；Pgt,Qgt分别为MT机组输出的电功率和热功率，Qgb为燃气锅炉输出的热功率；2)储能装置模型式中：分别指t时段电储能装置的储电量与热储能装置储热量；σes、σts分别指电储能、热储能装置；分别指t时段电储能装置的充、放电功率，分别指t时段储热装置的储、放热功率；ηesc、ηesd、ηtsc、ηtsd分别指电储能装置充、放电效率和热储能装置储、放热效率；3)电转气装置电转气将电能转化为化学能，分为电转氢气与电转天然气两大类，其中电转氢气是通过电解水产生氢气和氧气，化学式如下：由于氢气存在储存和输送难度，通常采用电转天然气，电转天然气则是在电解氢气的基础上，通过CO2与H2在一定环境下化学反应生成甲烷，化学表达式可表示为：CO2+4H2→CH4+2H2O；电转氢气过程中的能量转化效率为75％～85％，甲烷化的过程中能量转化效率同样为75％～85％，在两阶段的化学反应之后，电转天然气的综合效率在45％～60％之间；步骤二、多市场下VPP协调优化目标在参与多种市场的情况下，以VPP在运行中获得净利润最大为目标，优化模型的目标函数如下：目标函数包含5个部分，表示VPP在能量市场、旋转备用市场及天然气市场获得的收益、表示MT机组与燃气锅炉的运行成本、表示储能装置成本、表示需求响应成本、表示电转气装置运行成本；1)参与市场收益将VPP从参与主电力市场扩展到同时参与热市场、旋转备用市场、天然气市场，所以其参与市场获得的收益表达式增加了热收益、旋转备用收益及天然气市场的收益，其表达形式如下：上式中分别表示t时段能量市场中的电价和供热价格、旋转备用市场电价及天然气市场中的气价；分别指t时段VPP在能量市场中电能和热能、旋转备用市场及天然气市场中的竞标量，为系统的决策变量；2)MT机组和锅炉运行成本MT机组和锅炉的成本包括MT机组的启停成本及环境成本和锅炉在运行过程中产生的环境成本，由于已经考虑了虚拟电厂整体需求对外参与天然气市场，所以不再考虑MT机组和燃气锅炉的燃料成本：上式中n1、n2分别表示VPP系统中MT机组、锅炉装置数目，n3为污染气体的种类(包括CO2，SO2，NOX，CO)，为t时段天然气的价格；分别表示t时段MT机组的运行状态，1表示启动或停止，0表示运行状态不变；λsu、λsd表示MT机组的启动、停止成本；分别为MT机组与燃气锅炉运行时产生的第r种污染气体的排放强度，Yr与Zr是指污染气体的环境价值与罚款数量级；3)储能装置成本储能装置成本包括电储能成本、热储能成本，与电储能装置的充放电功率和热储能装置的储放热功率近似呈线性关系：式中：n4、n5分别为电储能、热储能的单元数；分别为电储能、热储能的成本系数；4)需求响应成本需求响应成本表示VPP对需求响应形式的可中断负荷停止供电时，需要给予这些中断用户一定的补偿费用，由于负荷重要程度不同，中断后对用户的影响也不同，根据中断负荷重要程度不同设定不同的补偿价格，负荷重要程度越高，补偿价格越高：式中：n6为中断水平级数，为第g级中断水平的补偿价格，为t时段第g级中断水平中断负荷；5)电转气成本P2G装置的运行成本包括固定成本和可变成本两个部分，固定成本包括设备日常维护费、劳动力等成本；可变成本指转化天然气时所需要的成本，它对调度结果有直接影响，文中所提的P2G运行成本均指可变成本，包括用电成本和原料成本用电成本指电转气装置耗电量，原料成本为CO2成本；所以，t时段P2G装置运行成本可用下式表示：式中：α分别表示t时段电价和CO2价格以及生成单位的天然气所需的CO2系数；分别表示t时段电转气装置消耗的电功率和生成的天然气功率，两者具有一定的关系，如下式：式中：ηeg为P2G装置的效率；通过以上论述，P2G装置的运行成本与电价、CO2价格等密切相关，所以，P2G对系统调度有直接影响；步骤三、VPP运行约束；1)VPP电、热及天然气功率平衡约束；分别表示VPP在t时段风电出力、光伏出力、电负荷、参与需求响应的中断负荷，表示VPP在t时段的热负荷；2)MT机组和锅炉约束...

【技术保护点】
1.多种市场下VPP电、热、气优化调度模型的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、建立聚合单元模型；/n根据所提VPP聚合方案，建立其日前优化调度模型，VPP所包含的各单元的数学模型如下：/n1)MT机组与燃气锅炉模型；/n

【技术特征摘要】
1.多种市场下VPP电、热、气优化调度模型的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、建立聚合单元模型；
根据所提VPP聚合方案，建立其日前优化调度模型，VPP所包含的各单元的数学模型如下：
1)MT机组与燃气锅炉模型；



式中：Egt,Egb分别为MT机组和燃气锅炉的天然气耗量；ηgt,ηloss,ηgb分别为MT机组发电效率、MT机组散热损耗率和燃气锅炉效率；Pgt,Qgt分别为MT机组输出的电功率和热功率，Qgb为燃气锅炉输出的热功率；
2)储能装置模型






式中：分别指t时段电储能装置的储电量与热储能装置储热量；σes、σts分别指电储能、热储能装置；Ptesc、Ptesd分别指t时段电储能装置的充、放电功率，分别指t时段储热装置的储、放热功率；ηesc、ηesd、ηtsc、ηtsd分别指电储能装置充、放电效率和热储能装置储、放热效率；
3)电转气装置
电转气将电能转化为化学能，分为电转氢气与电转天然气两大类，其中电转氢气是通过电解水产生氢气和氧气，化学式如下：



由于氢气存在储存和输送难度，通常采用电转天然气，电转天然气则是在电解氢气的基础上，通过CO2与H2在一定环境下化学反应生成甲烷，化学表达式可表示为：
CO2+4H2→CH4+2H2O；
电转氢气过程中的能量转化效率为75％～85％，甲烷化的过程中能量转化效率同样为75％～85％，在两阶段的化学反应之后，电转天然气的综合效率在45％～60％之间；
步骤二、多市场下VPP协调优化目标
在参与多种市场的情况下，以VPP在运行中获得净利润最大为目标，优化模型的目标函数如下：



目标函数包含5个部分，表示VPP在能量市场、旋转备用市场及天然气市场获得的收益、表示MT机组与燃气锅炉的运行成本、表示储能装置成本、表示需求响应成本、表示电转气装置运行成本；
1)参与市场收益
将VPP从参与主电力市场扩展到同时参与热市场、旋转备用市场、天然气市场，所以其参与市场获得的收益表达式增加了热收益、旋转备用收益及天然气市场的收益，其表达形式如下：



上式中分别表示t时段能量市场中的电价和供热价格、旋转备用市场电价及天然气市场中的气价；Ptem、分别指t时段VPP在能量市场中电能和热能、旋转备用市场及天然气市场中的竞标量，为系统的决策变量；
2)MT机组和锅炉运行成本
MT机组和锅炉的成本包括MT机组的启停成本及环境成本和锅炉在运行过程中产生的环境成本，由于已经考虑了虚拟电厂整体需求对外参与天然气市场，所以不再考虑MT机组和燃气锅炉的燃料成本：



上式中n1、n2分别表示VPP系统中MT机组、锅炉装置数目，n3为污染气体的种类(包括CO2，SO2，NOX，CO)，为t时段天然气的价格；分别表示t时段MT机组的运行状态，1表示启动或停止，0表示运行状态不变；λsu、λsd表示MT机组的启动、停止成本；分别为MT机组与燃气锅炉运行时产生的第r种污染气体的排放强度，Yr与Zr是指污染气体的环境价值与罚款数量级；
3)储能装置成本
储能装置成本包括电储能成本、热储能成本，与电储能装置的充放电功率和热储能装置的储放热功率近似呈线性关系：



式中：n4、n5分别为电储能、热储能的单元数；分别为电储能、热储能的成本系数；
4)需求响应成本
需求响应成本表示VPP对需求响应形式的可中断负荷停止供电时，需要给予这些中断用...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹俊波，刘国建，付琳清，赵琪，李滨，戴贵英，陈庆伟，林美秀，胡孟岩，李宁，赵飞，王俊利，孙彦硕，李业行，田振峰，侯乃乾，陈洋洋，褚衍峰，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司枣庄供电公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37