CN113988926A - 一种计及负荷聚合商的蓄热式电采暖负荷激励方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种计及负荷聚合商的蓄热式电采暖负荷激励方法，包括一、建立计及负荷聚合商的蓄热式电采暖电力市场激励机制，包括电网对负荷聚合商参与需求响应行为的补贴以及负荷聚合商对用户参与需求响应行为的补贴，引入补贴系数；二、构建各市场主体收益模型，包括风力发电厂收益模型、负荷聚合商收益模型、蓄热式电采暖用户收益模型和电网收益模型；三、建立各市场主体的收益约束，得到多方总收益模型；根据多方总收益模型计算各方价格影响下的总收益，进而根据不同应用场景的特定需求给出使得总收益最大时各方的定价建议区间。该方法可以在保障用户取暖舒适度和各方主体收益的前提下，充分调度负荷聚合商下辖响应资源。
Description
技术领域
本发明涉及蓄热式电采暖技术领域，尤其是涉及一种计及负荷聚合商的蓄热式电采暖负荷激励方法。
背景技术
目前，为减少我国北方地区冬季供暖燃煤造成的空气污染，进一步实现碳达峰及碳中和目标，煤改电工程大规模推广。但电采暖设备的大规模并网也带来了电网峰谷差增大的问题，因此，削减电采暖设备并网所带来的尖峰负荷，并使这部分负荷平移至负荷谷时段，是解决以上问题的有效方法。
对比传统电采暖设备，蓄热式电采暖具有负荷可中断、可平移等用能特性上的优势，结合各地峰谷电价的政策，能够削减尖峰负荷的同时减少取暖用电费用。针对蓄热式电采暖负荷设计的调度方法有很多，然而现有的调度方法并没有考虑到单体蓄热式电采暖容量限制问题，蓄热式电采暖用户多为分散的中小型负荷，达不到参与电力系统调节项目的门槛。针对单体蓄热式电采暖容量限制问题，申请号为202010981321.X的专利公开了一种负荷聚合商参与蓄热式电采暖电力市场调节方法，在现有市场模式中引入负荷聚合商，实现了对所属蓄热式电采暖设备的集群管理，并构建了包括负荷聚合商在内的市场各主体收益模型，但该方法并未就引入负荷聚合商的蓄热式电采暖电力市场设计相应的激励机制，同时收益模型本身也并不具备引导用户参与电力市场调节的能力。
负荷聚合商作为市场与用户的中间方，与用户签订用电合约，依照计划向市场购买电能并为用户提供电能，同时负荷聚合商能通过技术和营销手段引导相对分散的蓄热式电采暖用户自愿参与需求响应，缓解以往对用户的强制性合约束缚，更深程度地开发和利用蓄热式电采暖用户响应资源。对于蓄热式电采暖用户方面，最大的优点是通过负荷聚合商整合了大量的中小型蓄热式电采暖用户负荷，以达到参与市场调节的容量门槛。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种计及负荷聚合商的蓄热式电采暖负荷激励方法。
本发明解决所述技术问题所采用的技术方案如下：
一种计及负荷聚合商的蓄热式电采暖负荷激励方法，其特征在于，该方法包括以下内容：
一、建立计及负荷聚合商的蓄热式电采暖电力市场激励机制，包括电网对负荷聚合商参与需求响应行为的补贴以及负荷聚合商对用户参与需求响应行为的补贴，引入补贴系数；
二、构建各市场主体收益模型，包括风力发电厂收益模型、负荷聚合商收益模型、蓄热式电采暖用户收益模型和电网收益模型；其中，负荷聚合商收益模型为：
ELA,i＝PH,iLDC,i+δLAPLA,iLX,i-PW,iLC,i-δUPU,iLX,i (5)
式(5)中，δLA、δU分别为负荷聚合商和蓄热式电采暖用户的补贴系数，PH,i为第i时刻蓄热体供暖电价；PLA,i、PU,i分别为第i时刻负荷聚合商补贴价格和蓄热式电采暖用户补贴价格；LDC,i为蓄热体供暖消耗电量；LX,i为负荷聚合商响应量；PW,i为第i时刻的风电价格；
蓄热式电采暖用户收益模型为：
EU,i＝δUPU,i·LX,i+PH,i·LXr,i (6)
式(6)中，LXr,i为第i时刻蓄热式电采暖用户参与需减需求响应中削减掉的负荷量；
三、结合供暖设备运行参数与蓄热式电采暖用户的负荷需求，建立各市场主体的收益约束，得到多方总收益模型；根据多方总收益模型计算不同风电价格、负荷聚合商补贴价格以及蓄热式电采暖用户补贴价格下的总收益，进而根据不同应用场景的特定需求给出使得总收益最大时各方的定价建议区间。
考虑约束后的风力发电厂收益模型为：
E'W,i＝PW,i·[a1 ln(PW,i)+b1] (8)
式(8)中，a1和b1为常数；
供暖设备需增响应功率HPr，increase约束：
HPr，increase＜HPmax-HPbase (13)
式(13)中，HPmax为供暖设备的额定功率，HPbase为负荷聚合商响应用电基荷时供暖设备的运行功率；
供暖设备需减响应功率HPr，reduce约束：
HPr，reduce＜HPbase-HPmin (14)
式(14)中，HPmin为保障蓄热式电采暖用户的取暖舒适度，供暖设备的最低运行功率；
负荷聚合商及蓄热式电采暖用户的响应意向约束IR,LA、IR,U分别为：
IR,LA＝a2ln(PLA,i)+b2 (15)
IR,U＝a3ln(PU,i)+b3 (16)
其中，a2、a3、b2、b3均为常数；
综上，考虑约束后的负荷聚合商响应量为：
L'X,i＝Δt·HPr·IR,LA·IR,U (17)
式中，Δt为参与需求响应的时长；HPr为考虑供暖设备约束后的负荷聚合商响应功率，当电网发出的需求响应为需增时，HPr＝HPr，increase；当电网发出的需求响应为需减时，HPr＝HPr，reduce。
根据式(1)计算负荷聚合商响应量：
LX,i＝Lreal,i-Lbase,i (1)
式(1)中，Lreal,i、Lbase,i分别为负荷聚合商参与需求响应期间第i时刻的实际负荷和用电基荷；
针对取暖负荷正常需求量的负荷聚合商，以某一需求响应期间的上一年度采暖季同时段用电量作为负荷聚合商的用电基荷，则该负荷聚合商在本年度采暖季第i时刻的用电基荷为：
Lbase,i＝Li-1 (2)
式(2)中，Li-1为负荷聚合商在上一年度采暖季第i时刻的用电量；
针对取暖负荷降低的负荷聚合商，将考虑调整系数的上一年度采暖季同时段用电量作为该负荷聚合商的用电基荷，则该负荷聚合商在本年度采暖季第i时刻的用电基荷为：
Lbase,i＝λLi-1 (3)
式(3)中，λ为调整系数。
当响应量与约定响应量的比值小于0.8，补贴系数为δ1；当响应量与约定响应量的比值大于等于0.8且小于1.2时，补贴系数为1；当响应量与约定响应量的比值大于等于1.2时，补贴系数为δ2,0＜δ2＜δ1。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：
1.本发明首先提出了计及负荷聚合商的蓄热式电采暖电力市场激励机制，基于激励机制构建了各市场主体收益模型；基于激励机制与各市场主体收益模型，充分考虑到了供暖设备运行参数与用户热负荷需求，建立了各市场主体收益的约束条件；基于各市场主体的收益模型及约束条件，计算动态价格参数下各市场主体的总收益，进而给出合理的定价建议区间。该方法可以在保障用户取暖舒适度和各方主体收益的前提下，充分调度负荷聚合商下辖响应资源。
2.为了促使负荷聚合商按照约定申报量进行较为准确的响应，以便电力调度机构制定准确的响应计划，以及调度蓄热式电采暖用户积极参与需求响应，负荷聚合商收益模型和蓄热式电采暖用户收益模型均引入了补贴系数；负荷聚合商响应量考虑了负荷聚合商及蓄热式电采暖用户的响应意向约束，使得多方总收益模型考虑的影响因素更加全面，给出的定价建议区间更加准确。
附图说明
图1是需增响应下负荷聚合商的用电基荷和实际负荷的示意图；
图2是价格因素影响下负荷聚合商响应功率的变化趋势图；
图3是价格因素影响下多方总收益的变化趋势图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详述，但并不以此限定本申请的保护范围。
本发明为一种计及负荷聚合商的蓄热式电采暖负荷激励方法(简称方法，参见图1-3)，包括以下内容：
一、建立计及负荷聚合商的蓄热式电采暖电力市场激励机制，包括电网对负荷聚合商参与需求响应行为的补贴以及负荷聚合商对用户参与需求响应行为的补贴；
通常，补贴金额等于补贴价格与响应量的乘积，但为了促使负荷聚合商按照约定申报量进行较为准确的响应，以便电力调度机构制定准确的响应计划，以及调度蓄热式电采暖用户积极参与需求响应，引入补贴系数δ，因此在本申请的激励机制中，补贴金额等于补贴系数、响应量以及补贴价格三者的乘积；补贴系数取值的规定如表1所示：
表1补贴系数表
由表1可以看出，当负荷聚合商的响应量相比约定响应量过低时会严重降低其收益，而当响应量相比约定响应量过高时则会在收益上出现递减的情况。
负荷聚合商代理蓄热式电采暖用户参与需求响应，根据式(1)计算负荷聚合商响应量LX,i；
LX,i＝Lreal,i-Lbase,i (1)
式(1)中，Lreal,i、Lbase,i分别为负荷聚合商参与需求响应期间第i时刻的实际负荷和用电基荷，单位为kWh；图1为需增响应下负荷聚合商的用电基荷和实际负荷的示意图；
对于需求响应期间负荷聚合商的用电基荷通过以下两种模式确定：
模式一：针对取暖负荷正常需求量的负荷聚合商，以某一需求响应期间的上一年度采暖季同时段用电量作为负荷聚合商的用电基荷，则该负荷聚合商在本年度采暖季第i时刻的用电基荷Lbase,i为：
Lbase,i＝Li-1 (2)
式(2)中，Li-1为负荷聚合商在上一年度采暖季第i时刻的用电量；
模式二：针对由于设备升级等原因导致取暖负荷降低的负荷聚合商，将考虑调整系数的上一年度采暖季同时段用电量作为该负荷聚合商的用电基荷，则该负荷聚合商在本年度采暖季第i时刻的用电基荷Lbase,i为：
Lbase,i＝λLi-1 (3)
式(3)中，λ为调整系数，其值根据实际情况确定；
二、构建各市场主体收益模型，包括风力发电厂收益模型、负荷聚合商收益模型、蓄热式电采暖用户收益模型和电网收益模型；
1)风力发电厂收益模型：风力发电厂的新增收益来自于蓄热式电采暖应用所带来的新增电量，即采暖季负荷聚合商与风电场的风电打捆电量，则第i时刻风力发电厂的收益EW,i为：
EW,i＝PW,i·LC,i (4)
式(4)中，PW,i为第i时刻的风电价格，元/kWh；LC,i为第i时刻负荷聚合商的风电打捆电量，kWh；
2)负荷聚合商收益模型：负荷聚合商承担着为蓄热式电采暖用户供暖和调度蓄热式电采暖用户参与需求响应的义务，其收益来自于蓄热体供暖收益和电网的激励补贴，支出部分为给予蓄热式电采暖用户的补贴和供暖用电花费，则第i时刻负荷聚合商收益ELA,i为：
ELA,i＝PH,iLDC,i+δLAPLA,iLX,i-PW,iLC,i-δUPU,iLX,i (5)
式(5)中，δLA、δU分别为负荷聚合商和蓄热式电采暖用户的补贴系数，PH,i为第i时刻蓄热体供暖电价，元/kWh；PLA,i、PU,i分别为第i时刻负荷聚合商补贴价格和蓄热式电采暖用户补贴价格，元/kWh；LDC,i为蓄热体供暖消耗电量，kWh；
3)蓄热式电采暖用户收益模型：蓄热式电采暖用户的收益来自于负荷聚合商给予的补贴以及需减需求响应中削减负荷部分节省的用热花费，则第i时刻蓄热式电采暖用户收益EU,i为：
EU,i＝δUPU,i·LX,i+PH,i·LXr,i (6)
式(6)中，LXr,i为第i时刻蓄热式电采暖用户参与需减需求响应中削减掉的负荷量，kWh；
4)电网收益模型：电网的收益与其他三方的经济收益不同，通过高峰时段的负荷响应量大小衡量电网收益；为了更直观地展示响应量，通过负荷聚合商的负荷响应比例进行衡量，则电网收益为：
式(7)中，θ为负荷聚合商的负荷响应比例，M为需求响应的次数；LA,i为第i时刻负荷聚合商的响应量，Lbase,m,i为第m次需求响应期间负荷聚合商第i时刻的用电基荷，kWh；
三、结合供暖设备运行参数与蓄热式电采暖用户的负荷需求，建立各市场主体的收益约束，得到多方总收益模型；
负荷聚合商只有在风电价格较低时才会与风力发电厂进行风电打捆交易，而风力发电厂也只有在保证自身收益的情况下才会参与交易，且负荷聚合商购买风电打捆电量用于供暖的意向符合韦伯-费希纳定律；据此，风力发电厂的收益约束在于对风电价格的定价，结合式(4)，考虑约束后的风力发电厂收益模型E'W,i为：
E'W,i＝PW,i·[a1 ln(PW,i)+b1] (8)
式(8)中，a1和b1为常数，可根据当地政策规定的风电价格区间算出；
电网支持蓄热式电采暖的主要目的是削减或平移峰值负荷，从而降低过高峰谷差可能引起的电网运行风险，则电网安全运行约束为：
θ＞ε (9)
式(9)中，ε表示保证电网安全运行的负荷响应比例；
负荷聚合商作为代理商，其履约参与电力交易与需求响应的前提是自身能够得到一定的收益，同时应满足供暖设备的参数约束，负荷聚合商履约约束为：
负荷聚合商收益约束：
ELA,i＞0 (10)
供暖设备电热转换约束：
式(11)中，Ci为第i时刻负荷聚合商的供暖或蓄热体所蓄热量，η为供暖设备的电热转换效率；
相比传统供暖方式，电采暖必须保证短期停电情况下的供暖需求，在削峰供热时不可将热量完全释放，故需保留一定的安全容量，则蓄热体供暖约束为：
LDC,i＜Lmax-Ls (12)
式(12)中，Ls和Lmax分别为蓄热体供暖安全容量和蓄热体供暖容量上限所对应的负荷；
供暖设备需增响应功率HPr，increase约束：
HPr，increase＜HPmax-HPbase (13)
式(13)中，HPmax为供暖设备的额定功率，HPbase为负荷聚合商响应用电基荷时供暖设备的运行功率；
供暖设备需减响应功率HPr，reduce约束：
HPr，reduce＜HPbase-HPmin (14)
式(14)中，HPmin为保障蓄热式电采暖用户的取暖舒适度，供暖设备的最低运行功率；
负荷聚合商代理蓄热式电采暖用户参与需求响应的响应量同时受到蓄热式电采暖用户自身响应意向与负荷聚合商约定申报量的限制，这是因为受限于补贴系数的规定，当响应量超出约定申报量后参与需求响应的收益开始递减，而负荷聚合商的响应意向则受到负荷聚合商补贴价格的影响；根据韦伯-费希纳定律，负荷聚合商及蓄热式电采暖用户的响应意向约束IR,LA、IR,U分别为：
IR,LA＝a2ln(PLA,i)+b2 (15)
IR,U＝a3ln(PU,i)+b3 (16)
其中，a2、a3、b2、b3均为常数，可由政策规定的用户补贴和负荷聚合商补贴范围算出；
综上，考虑约束后的负荷聚合商响应量为：
L'X,i＝Δt·HPr·IR,LA·IR,U (17)
式中，Δt为参与需求响应的时长；HPr为考虑供暖设备约束后的负荷聚合商响应功率，当电网发出的需求响应为需增时，HPr＝HPr，increase；当电网发出的需求响应为需减时，HPr＝HPr，reduce；
将式(17)分别代入式(5)、(6)，得到考虑约束后的负荷聚合商收益E'LA,i和蓄热式电采暖用户收益E'U,i；
根据各市场主体的收益模型及约束，可得多方总收益计算模型：
式(18)中未包含电网的削峰收益，其原因是该项收益并非经济性参数；α、β、γ分别为权重系数，代表各市场主体收益在总收益中的重要程度，其值依据不同应用场景下各市场主体对维持电力市场延续的重要程度而定；E’LA,i和E'U,i均是关于考虑约束后的负荷聚合商响应量L'X,i的函数，而L'X,i是关于负荷聚合商补贴价格PLA,i与蓄热式电采暖用户补贴价格PU,i的函数；
根据多方总收益模型计算不同风电价格、负荷聚合商补贴价格以及蓄热式电采暖用户补贴价格下的总收益，进而根据不同应用场景的特定需求给出使得总收益最大时各方的定价建议区间。
算例：
依据蓄热式电采暖项目示范地区政策文件规定，结合历史负荷数据，对动态价格参数下各市场主体在整个供暖季为期19周内的收益进行分析；依据示范区当地相关政策文件规定，风电价格为0.2～0.5元/kWh，负荷聚合商补贴价格为1.2～2.0元/kWh，考虑到负荷聚合商的收益，蓄热式电采暖用户补贴价格应低于负荷聚合商补贴价格；为方便计算，本算例中以上三种价格统一取0～2.0元/kWh范围，δ1＝0.2，δ2＝0.1。
负荷聚合商作为供热方和用户代理商，其权重最高，蓄热式电采暖用户作为用热主体权重居中，风力发电厂权重最小，因而各方在总收益中的权重分别取0.5、0.3和0.2。
根据以上数据及计算公式，计算得到动态价格参数下考虑供暖设备约束及响应意向约束后的负荷聚合商响应功率的变化趋势如图2所示。由图2可见，当满足负荷聚合商补贴价格高于其需支付给蓄热式电采暖用户补贴价格的约束条件后，响应量开始随着两种补贴价格的增大而呈现递增的趋势，直至达到供暖设备的可调节容量上限约束后不再增长。
进而根据示范区供暖季用电数据，结合价格与响应量的关系，对以上数据及价格进行归一化处理，根据各主体收益模型及约束条件，计算价格因素影响下多方总收益，结果如图3所示。由图3可知，为使各主体获得更高收益的概率更大，最优的定价建议区间如表2所示。
表2最优的定价建议区间
值得注意的是，由于本实施例中风电收益所占权重较小，因而风电价格的提高会侵占其它主体的收益从而导致总收益下降；蓄热式电采暖用户补贴价格会影响到用户的响应意愿，高补贴可激励用户参与响应，但过高会侵占权重较高的负荷聚合商的收益从而导致总收益下降；负荷聚合商补贴价格的提升会显著影响负荷聚合商的响应意愿，进而使得各主体收益显著提高，但随着响应量增长至供暖设备响应量上限约束后，回报/付出比反而会随着该补贴的提升出现递减。
本实施例分析结果表明，本发明的一种计及负荷聚合商的蓄热式电采暖负荷激励方法可以很好地应用于蓄热式电采暖市场，并为多方带来经济收益，实现蓄热式电采暖负荷的平移，进而使电网负荷实现削峰填谷，同时负荷聚合商与风电场进行的风电打捆交易，也进一步减少了取暖负荷所带来的碳排放。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (4)
1.一种计及负荷聚合商的蓄热式电采暖负荷激励方法，其特征在于，该方法包括以下内容：
一、建立计及负荷聚合商的蓄热式电采暖电力市场激励机制，包括电网对负荷聚合商参与需求响应行为的补贴以及负荷聚合商对用户参与需求响应行为的补贴，引入补贴系数；
二、构建各市场主体收益模型，包括风力发电厂收益模型、负荷聚合商收益模型、蓄热式电采暖用户收益模型和电网收益模型；其中，负荷聚合商收益模型为：
ELA,i＝PH,iLDC,i+δLAPLA,iLX,i-PW,iLC,i-δUPU,iLX,i (5)
式(5)中，δLA、δU分别为负荷聚合商和蓄热式电采暖用户的补贴系数，PH,i为第i时刻蓄热体供暖电价；PLA,i、PU,i分别为第i时刻负荷聚合商补贴价格和蓄热式电采暖用户补贴价格；LDC,i为蓄热体供暖消耗电量；LX,i为负荷聚合商响应量；PW,i为第i时刻的风电价格；
蓄热式电采暖用户收益模型为：
EU,i＝δUPU,i·LX,i+PH,i·LXr,i (6)
式(6)中，LXr,i为第i时刻蓄热式电采暖用户参与需减需求响应中削减掉的负荷量；
三、结合供暖设备运行参数与蓄热式电采暖用户的负荷需求，建立各市场主体的收益约束，得到多方总收益模型；根据多方总收益模型计算不同风电价格、负荷聚合商补贴价格以及蓄热式电采暖用户补贴价格下的总收益，进而根据不同应用场景的特定需求给出使得总收益最大时各方的定价建议区间。
2.根据权利要求1所述的计及负荷聚合商的蓄热式电采暖负荷激励方法，其特征在于，考虑约束后的风力发电厂收益模型为：
E'W,i＝PW,i·[a1ln(PW,i)+b1] (8)
式(8)中，a1和b1为常数；
供暖设备需增响应功率HPr，increase约束：
HPr，increase＜HPmax-HPbase (13)
式(13)中，HPmax为供暖设备的额定功率，HPbase为负荷聚合商响应用电基荷时供暖设备的运行功率；
供暖设备需减响应功率HPr，reduce约束：
HPr，reduce＜HPbase-HPmin (14)
式(14)中，HPmin为保障蓄热式电采暖用户的取暖舒适度，供暖设备的最低运行功率；
负荷聚合商及蓄热式电采暖用户的响应意向约束IR,LA、IR,U分别为：
IR,LA＝a2ln(PLA,i)+b2 (15)
IR,U＝a3ln(PU,i)+b3 (16)
其中，a2、a3、b2、b3均为常数；
考虑约束后的负荷聚合商响应量为：
L'X,i＝Δt·HPr·IR,LA·IR,U (17)
式中，Δt为参与需求响应的时长；HPr为考虑供暖设备约束后的负荷聚合商响应功率，当电网发出的需求响应为需增时，HPr＝HPr，increase；当电网发出的需求响应为需减时，HPr＝HPr，reduce。
3.根据权利要求1所述的计及负荷聚合商的蓄热式电采暖负荷激励方法，其特征在于，根据式(1)计算负荷聚合商响应量：
LX,i＝Lreal,i-Lbase,i (1)
式(1)中，Lreal,i、Lbase,i分别为负荷聚合商参与需求响应期间第i时刻的实际负荷和用电基荷；
针对取暖负荷正常需求量的负荷聚合商，以某一需求响应期间的上一年度采暖季同时段用电量作为负荷聚合商的用电基荷，则该负荷聚合商在本年度采暖季第i时刻的用电基荷为：
Lbase,i＝Li-1 (2)
式(2)中，Li-1为负荷聚合商在上一年度采暖季第i时刻的用电量；
针对取暖负荷降低的负荷聚合商，将考虑调整系数的上一年度采暖季同时段用电量作为该负荷聚合商的用电基荷，则该负荷聚合商在本年度采暖季第i时刻的用电基荷为：
Lbase,i＝λLi-1 (3)
式(3)中，λ为调整系数。
4.根据权利要求1所述的计及负荷聚合商的蓄热式电采暖负荷激励方法，其特征在于，当响应量与约定响应量的比值小于0.8，补贴系数为δ1；当响应量与约定响应量的比值大于等于0.8且小于1.2时，补贴系数为1；当响应量与约定响应量的比值大于等于1.2时，补贴系数为δ2,0＜δ2＜δ1。
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