考慮過網(wǎng)費(fèi)及可再生能源不確定性的最優(yōu)局域電力交易策略
張雅君，顧承紅，李芙蓉
（英國(guó)巴斯大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院）
本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2020年第5期“電力市場(chǎng)促進(jìn)可再生能源發(fā)展”專題上，歡迎點(diǎn)擊品讀。本文受英國(guó)文化教育協(xié)會(huì)項(xiàng)目（515761951）資助。
文章導(dǎo)讀
近年來隨著電力低碳化的發(fā)展，配電網(wǎng)側(cè)的大量分布式發(fā)電使得很多電力供應(yīng)可以在配網(wǎng)層面完成。因電力傳輸距離短，可簡(jiǎn)化電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少輸電損耗、提高電力供給效率、優(yōu)化供應(yīng)可靠性。局域電力交易在電能供應(yīng)和電力市場(chǎng)中逐步推廣應(yīng)用。本文通過霍特林模型合理規(guī)劃了大用戶購(gòu)電方案，為其參與局域電力市場(chǎng)的交易提供指導(dǎo)。
文章亮點(diǎn)
1）基于英國(guó)電力市場(chǎng)框架，在分布式發(fā)電高滲透率的背景下提出了終端大用戶在局域電力市場(chǎng)的最優(yōu)購(gòu)電方案，幫助其最大限度降低電費(fèi)。
2）結(jié)合英國(guó)配電網(wǎng)的實(shí)例，對(duì)可再生能源出力不確定性提出了相應(yīng)解決方案，將其量化為風(fēng)險(xiǎn)成本。
3）通過霍特林模型構(gòu)建局域電力交易的數(shù)學(xué)模型，并在電力交易中考慮了輸電成本和風(fēng)險(xiǎn)量化成本，有效、準(zhǔn)確地模擬區(qū)域交易。
摘要
隨著分布式發(fā)電滲透率不斷增加，大量本地生產(chǎn)的電能通過配電網(wǎng)供應(yīng)本地負(fù)荷，促成了配電網(wǎng)層面的局域電力交易。在英國(guó)局域電力市場(chǎng)框架下，提出了一種基于博弈論霍特林模型的用戶交易策略優(yōu)化方法，幫助大用戶降低購(gòu)電成本。該方法用風(fēng)險(xiǎn)成本量化可再生能源出力的不確定性，用MW-Mile輸電定價(jià)法計(jì)算的輸電成本反映電力交易使用電網(wǎng)的情況，求解用戶支出最小的交易策略。驗(yàn)證算例結(jié)果表明，提出的數(shù)學(xué)模型可有效模擬包含多個(gè)發(fā)電商的交易競(jìng)爭(zhēng)，輸電成本可能會(huì)影響交易策略的優(yōu)化結(jié)果。
主要內(nèi)容
不同于傳統(tǒng)的批發(fā)市場(chǎng)模式，在比較完備的電力市場(chǎng)架構(gòu)和智能電網(wǎng)技術(shù)的支持下，局域電力交易主要集中于配電網(wǎng)側(cè)，交易量相對(duì)較小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。發(fā)電商也不再局限于傳統(tǒng)的集中式發(fā)電廠。許多小型新能源發(fā)電商，例如屋頂太陽能光伏板、微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和各式儲(chǔ)能裝置等，也參與到局域電力市場(chǎng)中來，實(shí)現(xiàn)了分布式能源的有效利用。
? 圖1 局域電力市場(chǎng)示意圖
在分析局域電力市場(chǎng)中的交易策略時(shí)，為了綜合考慮電能購(gòu)買價(jià)格、出力不確定性的風(fēng)險(xiǎn)和交易帶來的輸電成本，本文引入了霍特林模型作為局域電力交易模型的基礎(chǔ)?？紤]到實(shí)際電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，從購(gòu)電成本的角度分步建模，采用綜合計(jì)算優(yōu)化的方法將輸電成本、量化發(fā)電成本和量化可再生能源出力不確定性三者統(tǒng)一到價(jià)格層面上進(jìn)行衡量。
? 圖2 交易策略優(yōu)化流程圖
在交易開始前，先確定用戶的負(fù)荷需求及其在電網(wǎng)中的具體位置，根據(jù)位置確定潛在可選擇的發(fā)電商，推導(dǎo)出可能的交易策略。為了篩選出經(jīng)濟(jì)最佳方案，需要分別模擬每種策略的發(fā)電成本、風(fēng)險(xiǎn)成本和輸電成本。發(fā)電成本通過綜合所選發(fā)電商的發(fā)電成本和相應(yīng)采購(gòu)量計(jì)算。風(fēng)險(xiǎn)成本需要確定所選發(fā)電商是否存在可再生能源，并根據(jù)其相應(yīng)的采購(gòu)量計(jì)算。輸電成本需先仿真電路潮流，在相應(yīng)線路潮流的基礎(chǔ)上綜合整合而得。
? 圖3 11節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)
本文采用1個(gè)英國(guó)典型的11 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)來分析交易策略優(yōu)化的有效性。該電網(wǎng)包含11個(gè)節(jié)點(diǎn)，3個(gè)電壓等級(jí)（11 kV、22 kV、66 kV），15條線路，覆蓋面積約24 km2、人口約10萬，擁有2個(gè)新能源發(fā)電廠（G1光伏，位于節(jié)點(diǎn)11；G2風(fēng)電，位于節(jié)點(diǎn)10）。大用戶設(shè)于節(jié)點(diǎn)3處，電能的采購(gòu)量為500 kWh。
? 圖4 實(shí)際電費(fèi)變化趨勢(shì)
在霍特林模型下綜合考慮發(fā)電成本、風(fēng)險(xiǎn)成本和輸電成本，交易方案產(chǎn)生的實(shí)際電費(fèi)如圖4所示。隨著用戶在G1處所購(gòu)電量增加，風(fēng)險(xiǎn)成本逐步降低，總電費(fèi)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。相較于發(fā)電成本，輸電成本占比小，且不僅取決于交易雙方，也受實(shí)際電網(wǎng)線路的制約，仿真難度相對(duì)較大，所以在電力交易中經(jīng)常被簡(jiǎn)化忽略。但若只考慮發(fā)電成本，會(huì)從G2購(gòu)買全部電力，雖然發(fā)電成本最低僅271元，但電能傳輸引起的輸電成本較高，增加了總費(fèi)用。相比之下，雖然方案b的發(fā)電成本略高為305元，但其極大節(jié)約了輸電成本，最終降低了總費(fèi)用至347元。因此，電力交易中對(duì)輸電成本的考量很有必要。
本文引文信息
張雅君，顧承紅，李芙蓉. 考慮過網(wǎng)費(fèi)及可再生能源不確定性的最優(yōu)局域電力交易策略[J]. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2020，3(5)：461-468.
ZHANG Yajun, GU Chenghong, LI Furong. Optimal strategy for local energy trading considering network charges and renewable uncertainties[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(5): 461-468 (in Chinese).
作者簡(jiǎn)介
張雅君 博士生，工程師
博士研究生，研究方向?yàn)榫钟蚰茉词袌?chǎng)和電力交易
E-mail：y.zhang4@bath.ac.uk
顧承紅 研究員
博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫C合能源系統(tǒng)及電力市場(chǎng)。通信作者
E-mail：c.gu@bath.ac.uk
李芙蓉 博士，研究員
教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃分析及電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)
E-mail：f.li@bath.ac.uk
