CN108520437A - 基于用户负荷曲线提高风电消纳的vpp市场机制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制：在日前市场开市前，VPP发布合同电价和日前市场预测电价；电力用户根据合同电价和日前市场预测电价对次日生产进行优化，向VPP提交负荷曲线；风电厂将预测的次日风电出力信息上报给VPP；VPP综合负荷曲线和风电出力信息以确定各时段的竞标出力/竞标需求，向日前市场提出竞标；VPP以合同电价向各电力用户收取售电费、向风电厂支付购电费；VPP计算竞标收益/竞标花费，依据每个电力用户提交的负荷曲线计算其对应的DR贡献量并据此分配竞标收益/竞标花费；计算日前市场结算后的不平衡罚金，根据实际电量与提交电量的差值，在各个风电厂和电力用户间分配不平衡罚金。

Description

基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制

技术领域

本发明涉及电力系统及电力市场领域，更具体的说，是涉及一种基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制。

背景技术

美国能源部将需求响应定义为：终端用户改变其正常的消费模式，以响应电价的实时变化，或用户为响应高电价或系统可靠性受到威胁时的经济激励而做出的电力消费形式的变化。从广义上讲，需求响应可以理解为：电力用户根据市场的价格信号或激励机制做出响应，改变原有电力消费模式的市场参与行为，以促进电力资源优化配置，降低市场运行的风险，提高电力系统和电力市场的稳定性。需求侧响应通常被建模为基于电价的需求响应和基于激励的需求响应。

1)基于价格的需求响应(PDR)。终端消费者直接面对多种价格信号并自主做出用电量、用电时间和用电方式的安排和调整。电价包括分时电价、尖峰电价、实时电价等。电力市场的电价波动与电力生产的成本变化相一致，是一种时变的费率。PDR侧重于用户的主动参与，其响应行为来自于用户内部的经济决策过程和负荷的调整。

2)基于激励的需求响应(IDR)。直接采用赔偿或折扣方式来激励和引导用户参与系统所需要的各种负荷削减项目，通过直接负荷控制、可中断负荷控制和容量/辅助服务计划等措施，转移用电时间和用电负荷满足系统需要。现有的IDR包括基于计划的和基于市场的激励型需求响应项目。

需求响应借助于市场模式、价格机制和补偿机制等手段，促使终端用户主动参与市场运行和价格决策。对电力用户而言，通过调节具有储能的温控负荷的设定温度、循环切换中央空调压缩机、改变可控的电动汽车的充电时段和调整设备检修时间等用电方式，积极参与系统所需的负荷削减项目，获得相应的补贴或折扣；对供电公司、负荷供应商和系统运营机构而言，通过将电力批发市场和零售市场联系起来，制定需求响应项目，将反映潜在生产成本的批发市场价格信号传递给电力用户，通过让一部分用户承载这种价格信号和合同机制，使资源配置更为有效。

虚拟电厂是为了整合各种分布式能源，包括分布式电源、可控负荷和储能装置等等提出。其基本概念是通过分布式电力管理系统将电网中分布式电源、可控负荷和储能装置聚合成一个虚拟的可控集合体，参与电网的运行和调度，协调智能电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益。其参与电力市场和辅助服务市场运营，实现实时电能交易，同时优化资源利用，提高供电可靠性。主要由发电系统、储能设备、通信系统构成。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制，建立由风电发电厂和提供需求侧响应服务的中小型工业用户的VPP，其相当于总的代理参与电力市场的竞标和结算。VPP控制中心以固定的合同电价从风电厂购电以及向电力用户卖电，多余或不足的电能由VPP从电力市场以日前市场电价卖出或买入。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制，包括以下步骤：

步骤一，在日前市场开市前，VPP发布合同电价和日前市场预测电价；

步骤二，电力用户根据步骤一中发布的合同电价和日前市场预测电价对次日生产进行优化，向VPP提交次日24个时段的负荷量，即负荷曲线；

步骤三，风电厂将预测的次日风电出力信息上报给VPP；

步骤四，VPP综合步骤二提交的负荷曲线和步骤三上报的风电出力信息以确定各时段的竞标出力/竞标需求，向日前市场提出竞标；

步骤五，VPP以合同电价向各电力用户收取售电费、向风电厂支付购电费；

步骤六，VPP计算竞标收益/竞标花费，依据每个电力用户提交的负荷曲线计算其对应的DR贡献量并据此分配竞标收益/竞标花费；

步骤七，计算日前市场结算后的不平衡罚金，根据实际电量与提交电量的差值，在各个风电厂和电力用户间分配不平衡罚金。

步骤一中所述合同电价的确定过程：

VPP启动之初，首先计算上一个自然月时间内风电厂参与电力市场的平均价格如下：

式中，为第d天t时段的日前市场电价，P_g,d,t为风电厂第d天t时段的风电出力；

合同电价λ^B在此基础上形成，即：

式中，k为修正系数，由风电厂代表、电力用户代表、VPP代表和专家代表之间谈判产生。

步骤四中各时段的竞标出力/竞标需求的确定过程为：

假设VPP内共包含N个电力用户，则t时段提交的总负荷L_total,t为：

VPP在时段t向日前市场提交的竞标发电量P_bid,t为：

式中，L_i,t为电力用户i优化生产计划后向VPP提交的负荷曲线，为风电厂向VPP上报的预测的次日出力；P_bid,t＞0时，表示竞标出力，VPP向电力市场卖电，P_bid,t≤0时，表示竞标需求，VPP向电力市场买电。

步骤五中向各电力用户收取售电费、向风电厂支付购电费的确定过程：

式中，λ^B为合同电价，B_i为向各电力用户收取的售电费，R_w为向风电厂支付的购电费。

步骤六中所述的竞标收益/竞标花费按以下公式计算：

式中，P^VPP为竞标收益/竞标花费，P^VPP＜0时代表的是竞标花费，P^VPP≥0时代表的是竞标收益；为每个时段t对应的日前市场电价。

依据每个电力用户提交的负荷曲线计算其对应的DR贡献量，并据此分配竞标收益/竞标花费：

定义电力用户i间接参与日前电力市场购电的平均电价如下：

则电力用户i的DR贡献量定义如下：

根据DR贡献量的大小为每个电力用户i确定各自的账单附加值

式中，为全体电力用户的最大DR贡献量；

当P^VPP＜0时，表明由于电力用户提供的负荷曲线不合理导致VPP的总收益为负，按照上式进行分摊的结果是DR贡献量最大的电力用户不用分摊费用，其它电力用户按DR贡献量进行分配，DR贡献量越大的电力用户分到的竞标花费越小；当P^VPP≥0时，表明VPP的总收益为正，DR贡献量越大的电力用户分得的竞标收益越大。

步骤七中所述的日前市场结算后的不平衡罚金按以下公式计算：

假设风电厂的实际出力为电力用户i在时段t的实际负荷为VPP实际出力大于竞标出力的偏差为P_mo，VPP实际出力小于竞标出力的偏差为P_le，P_mo和P_le对应的惩罚系数分别为ω_mo和ω_le，则时段t由于实际出力和负荷使用的偏差导致的经济惩罚，即日前市场结算后的不平衡罚金，由下式计算：

式中：为实时市场电价；u_mo和u_le均为0～1变量，当P_mo＞0时，u_mo为1，当P_le＞0时，u_le为1；ω_mo和ω_le的取值均大于0，ω_mo小于1表示VPP实际出力大于竞标出力，VPP需要以一个低于实时市场价格的系数为超额出力交罚金，ω_le大于1表示VPP实际出力小于竞标出力，VPP需要以一个高于实时市场的价格系数为不足出力交罚金。

步骤七中根据实际电量与提交电量的差值，在各个风电厂和电力用户间分配不平衡罚金的过程为：

引入电力用户实时市场表现因子定义如下：

式中，ΔL_i,t和ΔP_g,t分别为电力用户i在t时段的用电偏离量和风电出力的偏差量，具体表达如下：

风电厂在实时市场的偏离指标定义如下：

据此确定电力用户i分配到的不平衡罚金以及风电厂分配到的不平衡罚金

式中，为t时段时和中的最大值。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)采用此VPP及内部实行的市场机制，激励电力用户根据电价调整用电习惯，能够显著降低参与VPP的电力用户的电费支出和提高整个VPP参与者的效益；

(2)附加不平衡结算机制能够实现“按劳分配”，根据每个电力用户和发电厂偏离提交的负荷曲线程度，为每个电力用户形成公平的账单；

(3)根据风电的反调峰特性实行不同的实时电价，在风电出力峰时降低电价，谷时提高电价，激励电力用户在出力峰时多用电，出力谷时少用电。能够显著提高风电的消纳能力，降低弃风的风险。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的描述。

本发明的基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制，建立VPP参与日前市场的交易机制，VPP以合同电价向电力用户收取售电费用、向发电厂支付购电费，提出基于实时市场和谈判机制的合同电价。提出以电力用户对消纳风电能的贡献值来分摊附加费用。针对竞标出力与实际出力有一定的偏差而产生罚金，建立惩罚制度，依据实际电量和提交电量在电力用户和风电厂之间分配不平衡罚金。

本发明的基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制，具体步骤如下：

步骤一：在日前市场开市前，VPP发布合同电价和日前市场预测电价。

关于合同电价λ^B的制定机制。电力市场中，大部分的电量通过中长期合同交易完成，只有少数电量通过实时市场交易，但恰恰是这个交易量很小的实时市场交易价格，为合同交易提供了价格谈判基础。一般来说，中长期合同交易价格比实时市场交易价格略低。基于此，本发明设计了基于实时市场交易价格和谈判机制的VPP内部合同电价λ^B，向风电厂买电和向电力用户卖电均采用此电价。

VPP启动之初，首先计算上一个自然月时间内风电厂参与电力市场的平均价格如下：

式中，为第d天t时段的日前市场电价，P_g,d,t为风电厂第d天t时段的风电出力。

合同电价λ^B在此基础上形成，即：

式中，k为修正系数，由风电厂代表、电力用户代表、VPP代表和专家代表之间谈判产生。

此合同电价λ^B为长期电价，根据上一个自然月时间内风电厂参与电力市场的平均价格和修正系数k每月计算一次λ^B。修正系数k通过定期谈判更新，如每年重新谈判一次。

步骤二：电力用户根据步骤一中发布的合同电价和日前市场预测电价对次日生产进行优化，向VPP提交次日24个时段的负荷量，即负荷曲线。

步骤三：风电厂将预测的次日风电出力信息上报给VPP。

步骤四：VPP综合步骤二提交的负荷曲线和步骤三上报的风电出力信息以确定各时段的竞标出力/竞标需求，向日前市场提出竞标。

假设VPP内共包含N个电力用户，则t时段提交的总负荷L_total,t为：

VPP在时段t向日前市场提交的竞标发电量P_bid,t为：

式中，L_i,t为电力用户i优化生产计划后向VPP提交的负荷曲线，为风电厂向VPP上报的预测的次日出力；P_bid,t＞0时，表示竞标出力，VPP向电力市场卖电，P_bid,t≤0时，表示竞标需求，VPP向电力市场买电。

步骤五：VPP以合同电价向各电力用户收取售电费、向风电厂支付购电费。

式中，λ^B为合同电价，B_i为向各电力用户收取的售电费，R_w为向风电厂支付的购电费。

步骤六：VPP计算竞标收益/竞标花费，依据每个电力用户提交的负荷曲线计算其对应的DR贡献量并据此分配竞标收益/竞标花费。

VPP参与日前市场获得的竞标收益/竞标花费按以下公式计算：

式中，P^VPP为竞标收益/竞标花费，P^VPP＜0时代表的是竞标花费，P^VPP≥0时代表的是竞标收益；为每个时段t对应的日前市场电价。

从式(7)可以看到P^VPP的大小取决于总负荷L_total,t，因此在本发明提出的VPP内部市场机制中，无论是收益还是花费都要根据每个电力用户的DR贡献量分配并附加到电力用户的个人账单中，以此激励每个电力用户提供有利于风电消纳的负荷曲线。

首先定义电力用户i间接参与日前电力市场购电的平均电价如下：

则电力用户i的DR贡献量定义如下：

考虑到部分电力用户的调节能力可能比较弱，当为负值时取为零。

根据DR贡献量的大小为每个电力用户i确定各自的账单附加值

式中，为全体电力用户的最大DR贡献量。

当P^VPP＜0时，表明由于电力用户提供的负荷曲线不合理导致VPP的总收益为负，按照上式进行分摊的结果是DR贡献量最大的电力用户不用分摊费用，其它电力用户按DR贡献量进行分配，DR贡献量越大的电力用户分到的竞标花费越小；当P^VPP≥0时，表明VPP的总收益为正，式(10)的结果是DR贡献量越大的电力用户分得的竞标收益越大。

步骤七：计算日前市场结算后的不平衡罚金，根据实际电量与提交电量的差值，在各个风电厂和电力用户间分配不平衡罚金。

当VPP的竞标出力与实际出力之间存在偏差时，会受到经济惩罚。假设风电厂的实际出力为电力用户i在时段t的实际负荷为VPP实际出力大于竞标出力的偏差为P_mo，VPP实际出力小于竞标出力的偏差为P_le，P_mo和P_le对应的惩罚系数分别为ω_mo和ω_le，则时段t由于实际出力和负荷使用的偏差导致的经济惩罚，即日前市场结算后的不平衡罚金，由下式计算：

式中：为实时市场电价；u_mo和u_le均为0～1变量，当P_mo＞0时，u_mo为1，当P_le＞0时，u_le为1；ω_mo和ω_le的取值均大于0，ω_mo小于1表示VPP实际出力大于竞标出力，VPP需要以一个低于实时市场价格的系数为超额出力交罚金，ω_le大于1表示VPP实际出力小于竞标出力，VPP需要以一个高于实时市场的价格系数为不足出力交罚金。

在建立的VPP内部市场机制中，竞标偏差导致的经济惩罚将根据实际电量与提交电量的差值，在风电厂和各电力用户间分配。

在此引入电力用户实时市场表现因子用来定量表征电力用户i在实时市场的偏离情况，定义如下：

式中，ΔL_i,t和ΔP_g,t分别为电力用户i在t时段的用电偏离量和风电出力的偏差量，具体表达如下：

电力用户实时市场表现因子越大说明电力用户i在t时刻相比于其它电力用户和风电出力预测而言，偏离量越小，即表现越好。

类似的，对于风电厂在实时市场的偏离指标定义如下：

据此，可以确定电力用户i分配到的不平衡罚金以及风电厂分配到的不平衡罚金

式中，为t时段时和中的最大值。

依据式(18)和(19)进行经济惩罚的分摊时，t时段实时表现最好的市场参与者(各电力用户和风电厂)不用分摊，其它参与者按照实时市场表现因子的大小进行分配。

尽管上面对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在日前市场开市前，VPP发布合同电价和日前市场预测电价；

步骤二，电力用户根据步骤一中发布的合同电价和日前市场预测电价对次日生产进行优化，向VPP提交次日24个时段的负荷量，即负荷曲线；

步骤三，风电厂将预测的次日风电出力信息上报给VPP；

步骤四，VPP综合步骤二提交的负荷曲线和步骤三上报的风电出力信息以确定各时段的竞标出力/竞标需求，向日前市场提出竞标；

步骤五，VPP以合同电价向各电力用户收取售电费、向风电厂支付购电费；

步骤六，VPP计算竞标收益/竞标花费，依据每个电力用户提交的负荷曲线计算其对应的DR贡献量并据此分配竞标收益/竞标花费；

步骤七，计算日前市场结算后的不平衡罚金，根据实际电量与提交电量的差值，在各个风电厂和电力用户间分配不平衡罚金。

2.根据权利要求1所述的基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制，其特征在于，步骤一中所述合同电价的确定过程：

VPP启动之初，首先计算上一个自然月时间内风电厂参与电力市场的平均价格如下：

式中，为第d天t时段的日前市场电价，P_g,d,t为风电厂第d天t时段的风电出力；

合同电价λ^B在此基础上形成，即：

式中，k为修正系数，由风电厂代表、电力用户代表、VPP代表和专家代表之间谈判产生。

3.根据权利要求1所述的基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制，其特征在于，步骤四中各时段的竞标出力/竞标需求的确定过程为：

假设VPP内共包含N个电力用户，则t时段提交的总负荷L_total,t为：

VPP在时段t向日前市场提交的竞标发电量P_bid,t为：

式中，L_i,t为电力用户i优化生产计划后向VPP提交的负荷曲线，为风电厂向VPP上报的预测的次日出力；P_bid,t＞0时，表示竞标出力，VPP向电力市场卖电，P_bid,t≤0时，表示竞标需求，VPP向电力市场买电。

4.根据权利要求1所述的基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制，其特征在于，步骤五中向各电力用户收取售电费、向风电厂支付购电费的确定过程：

式中，λ^B为合同电价，B_i为向各电力用户收取的售电费，R_w为向风电厂支付的购电费。

5.根据权利要求1所述的基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制，其特征在于，步骤六中所述的竞标收益/竞标花费按以下公式计算：

式中，P^VPP为竞标收益/竞标花费，P^VPP＜0时代表的是竞标花费，P^VPP≥0时代表的是竞标收益；为每个时段t对应的日前市场电价。

依据每个电力用户提交的负荷曲线计算其对应的DR贡献量，并据此分配竞标收益/竞标花费：

定义电力用户i间接参与日前电力市场购电的平均电价如下：

则电力用户i的DR贡献量定义如下：

根据DR贡献量的大小为每个电力用户i确定各自的账单附加值

式中，为全体电力用户的最大DR贡献量；

当P^VPP＜0时，表明由于电力用户提供的负荷曲线不合理导致VPP的总收益为负，按照上式进行分摊的结果是DR贡献量最大的电力用户不用分摊费用，其它电力用户按DR贡献量进行分配，DR贡献量越大的电力用户分到的竞标花费越小；当P^VPP≥0时，表明VPP的总收益为正，DR贡献量越大的电力用户分得的竞标收益越大。

6.根据权利要求1所述的基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制，其特征在于，步骤七中所述的日前市场结算后的不平衡罚金按以下公式计算：

假设风电厂的实际出力为电力用户i在时段t的实际负荷为VPP实际出力大于竞标出力的偏差为P_mo，VPP实际出力小于竞标出力的偏差为P_le，P_mo和P_le对应的惩罚系数分别为ω_mo和ω_le，则时段t由于实际出力和负荷使用的偏差导致的经济惩罚，即日前市场结算后的不平衡罚金，由下式计算：

式中：为实时市场电价；u_mo和u_le均为0～1变量，当P_mo＞0时，u_mo为1，当P_le＞0时，u_le为1；ω_mo和ω_le的取值均大于0，ω_mo小于1表示VPP实际出力大于竞标出力，VPP需要以一个低于实时市场价格的系数为超额出力交罚金，ω_le大于1表示VPP实际出力小于竞标出力，VPP需要以一个高于实时市场的价格系数为不足出力交罚金。

7.根据权利要求1所述的基于用户负荷曲线提高风电消纳的VPP市场机制，其特征在于，步骤七中根据实际电量与提交电量的差值，在各个风电厂和电力用户间分配不平衡罚金的过程为：

引入电力用户实时市场表现因子定义如下：

式中，ΔL_i,t和ΔP_g,t分别为电力用户i在t时段的用电偏离量和风电出力的偏差量，具体表达如下：

风电厂在实时市场的偏离指标定义如下：

据此确定电力用户i分配到的不平衡罚金以及风电厂分配到的不平衡罚金

式中，为t时段时和中的最大值。