CN114912943A - 一种考虑碳排放交易的虚拟电厂中长期联合调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑碳排放交易的虚拟电厂中长期联合调度方法，属于电力系统电源优化调度领域，包括：提出虚拟电厂参与碳排放市场的交易机制与方法，建立虚拟电厂的电‑碳市场数学模型；提出虚拟电厂电‑碳市场联合交易流程，构建考虑碳排放市场的虚拟电厂中长期调度模型。本发明能够在虚拟电厂参与中长期电力市场的基础上，充分考虑到虚拟电厂在碳排放市场下的竞争优势，实现虚拟电厂电能与碳排放权的联合交易与低碳经济调度，显著提高虚拟电厂的市场竞争力，提高各虚拟电厂的经济效益与环保效益，促进虚拟电厂的蓬勃稳定发展。

Description

一种考虑碳排放交易的虚拟电厂中长期联合调度方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及电力系统电源调度方面，为一种考虑碳排放交易的虚拟电厂中长期联合调度方法。

背景技术

随着能源短缺和环境污染等问题的日益严峻，大力开发以风电和光伏为主的可再生能源，实现能源的绿色、低碳和循环发展已成为全球能源行业的重要战略。与传统能源相比，分布式能源具有可靠、经济、灵活、环保等优势，但由于其容量小、地理位置分散、出力随机性等问题，导致电网很难对其进行有效管控。虚拟电厂技术为解决上述问题提供了有效途径，其通过先进的通信、计量、控制等手段实现不同类型分布式能源的协调优化控制，已逐渐成为一种灵活性强、适应度高、经济性好的新兴运营模式。另外，随着我国“碳达峰”以及“碳中和”目标的提出，可通过碳排放交易机制作为促进节能减排的市场化途径，提高排放单位节能减排的积极性。虚拟电厂间作为一种新兴电力市场参与主体，其自身亦具有一定规模的碳排放程度，虚拟电厂与其他市场主体开展碳排放权交易能够引导虚拟电厂更加积极主动的削减自身碳排放量，不仅能够提高自身的运行收益，也能够一定程度上提高清洁能源的消纳比例，充分响应节能减排的号召，增加电、碳两市场活力。

目前，针对电力行业中各种类型的发电企业同时参与电力市场与碳排放权市场的交易机制与调度运行，国内外学者已经开展了较多的研究，并取得了一定的成果，其中，大多数研究是将碳排放市场作为一种成本数学模型引入，进行考虑碳排放成本发电企业的低碳经济调度，并未根据两个市场的不同特性对电-碳市场的联合交易机制进行创新性的设计。同时也鲜有人提出虚拟电厂参与碳排放权市场的交易方法与形式。基于此，本发明充分考虑碳排放市场的特性，提出一种基于中长期电力市场的虚拟电厂电-碳联合交易机制，建立起虚拟电厂参与碳排放市场的交易机制与交易方法，将碳排放成本问题转化为碳市场收益模型，并进行虚拟电厂内部各聚合单元的低碳经济调度，实现两个市场下的联合收益最大化。

发明内容

本发明要解决的问题是：在电力市场与碳排放市场中，如何使虚拟电厂进行两市场的联合交易并进行低碳经济调度的问题，以实现虚拟电厂电-碳市场联合收益最大化。

本发明的技术方案为：一种考虑碳排放市场的虚拟电厂联合调度方法，包括以下步骤：

步骤1，结合国内外碳排放市场的交易规则与交易机制，构建虚拟电厂参与碳排放市场的交易模式与交易方法。

步骤2，结合碳排放市场和中长期电力市场各自的交易特征，构建虚拟电厂电-碳市场联合交易机制与交易流程，同时给出虚拟电厂在碳排放市场的收益模型。

步骤3，结合虚拟电厂中各聚合单元运行原理，建立考虑碳排放市场的虚拟电厂中长期联合调度模型。并采用GAMS软件调用CPLEX求解器实现模型的求解。计算虚拟电厂在两市场的收益情况和各聚合单元的出力计划。

进一步的，构建虚拟电厂参与碳排放市场的交易模式与交易方法，是同时参与两种品种的碳市场交易——碳排放权交易CEA与项目核证自愿减排量交易CCER：

虚拟电厂的聚合单元包括燃气机组、风电机组、光伏电站、电池储能系统和可中断负荷；采用基准线法对虚拟电厂中的燃气机组进行碳排放权配额分配：

式中，B^MT为燃气机组的碳排放基准值；P_t ^MT为t时段燃气机组的电能总出力；

碳抵消机制允许减排主体在履行年度碳排放控制责任时，能够采用经过认证的其他减排量来抵消一定比例的碳排放额度，即虚拟电厂中的清洁的能源发电出力可申请并折算为项目核证自愿减排量CCER参与到碳市场交易当中；VPP清洁能源项目核证自愿减排量CCER为：

式中，η是清洁能源项目减排量换算系数，代表单位清洁能源发电量产生的项目核证自愿减排量；P_t ^W、P_t ^PV分别是t时段风电机组与光伏电站的电能出力。

进一步的，构建虚拟电厂电-碳市场联合交易机制与交易流程，建立虚拟电厂碳排放市场收益模型，具体为：

以一个星期为周期的的电-碳市场联合交易机制与流程，分为以下几个过程：

(1)VPP参加电力中长期市场，签订为期一周的双边合同，初始化天数D＝1；

(2)输入第D天的光伏、风电出力预测数据，VPP据此调整电池储能充放电计划和制定次日出力方案；

(3)第D天，VPP根据风电光伏实际出力，参加电力现货市场交易，同时调整可中断负荷响应量和燃气机组出力；

(4)判断是否D>7，若是，VPP根据本周实际碳排放量和清洁能源机组出力，参加碳交易市场；若否，则D＝D+1，转入过程(2)；

虚拟电厂碳排放市场收益模型：

虚拟电厂同时参与碳排放市场下两个品种的产品交易，既向CEA市场出售多余碳配额的同时，又通过申请清洁能源项目核证自愿减排量在CCER市场销售获利，其碳排放市场收益模型：

式中，λ^C、λ^CCER分别是碳排放市场中碳排放配额和项目核证减排量的价格；α是碳抵消额总量所占碳分配额总量的比例；

其中，虚拟电厂的实际碳排放量E主要与其内部燃气机组单元的出力有关：

式中，e_MT为燃气机组的碳排放强度系数，单位t/MW；

将电力中长期合同市场与碳排放市场进行交互联合，交易周期T取一周的时间，即168h。

进一步的，构建虚拟电厂中长期电-碳联合优化调度模型，具体为：

虚拟电厂的聚合单元包括燃气机组、风电机组、光伏电站、电池储能系统和可中断负荷；

燃气机组模型：

将燃气机组的运行成本表示为如下分段线性模式：

式中，a、λ^su、λ^sd分别为固定生产成本、启动成本以及关机成本；

分别为整数变量，表示燃气机组是否工作、启动或关机；K_l为燃气机组生产成本曲线的第l段；

为燃气机组第l段出力；P_t ^MT为燃气机组的总出力；

燃气机组运行约束：

式中，P^MT,max、P^MT,min分别为燃气机组的最大/最小功率输出；r^U、r^D分别为燃气机组的向上/下爬坡率；P_l ^max为燃气机组第l段输出功率上限；t^su、t^sd分别为燃气机组开关机时间的最小值；t^su，0、t^sd，0分别为燃气机组开关机时间的初始值；

电池储能系统运行约束：

式中，

为ESS中存储的电能；η_c、η^d分别为ESS的充放电效率；P_t ^ES,C、P_t ^ES,D分别为ESS的充放电功率；S^ES,max、S^ES,min分别为ESS存储电能的上下限；P^ES,Cmax、P^ES,Dmax分别为ESS充放电功率最大值；

分别是整数变量，表示电池储能的充放电状态；

可中断负荷运行模型：

可中断负荷成本

可以表示为如下形式：

式中，n_m为中断等级数；β_m为第m级负荷中断补贴系数；

为t时段电力现货市场的电能价格；

为第m级负荷中断量；

式中，

为第m级的负荷中断系数；P_t ^BC代表t时段电力双边合同规定的电能供应量；P_t ^IL为t时段的负荷中断量；P_t ^IL为t时段实际响应的可中断负荷总量；P^IL,max为连续时间内负荷中断量的最大值；

中长期电能双边合同约束：

(1-h)P_t ^BC≤P_t ^VPP≤(1+h)P_t ^BC (25)

式中，P_t ^VPP代表t时段VPP的实际电能交付量；h为单位时段内双边合同规定供电量和实际交付电量之间允许的偏差系数；

现货市场购售电量约束：

式中，

代表t时段VPP在现货市场的售电量/购电量，其中负数代表购买电量，正数代表出售电量；S^S,Smax和S^S,Bmax分别为t时段VPP在现货市场的售电量/购电量上限；

功率平衡约束：

式中，P_t ^RES为虚拟电厂旋转备用容量；

因此考虑碳排放市场的虚拟电厂中长期联合调度的目标函数为：

式中，λ^BC为电力中长期双边合同约定的电能价格。

有益效果：本发明提出两种虚拟电厂参与碳排放市场的交易形式，使虚拟电厂得以成为碳排放市场的又一新兴市场主体，进一步增加虚拟电厂的经济收益。为了实现电力市场与碳排放市场良好衔接的目的，本发明提出了一种碳排放市场与中长期电力市场的联合交易机制，将两个独立运行市场的交易问题转换为一个联合最优问题。在此基础上，可依次设定联合交易过程中的各种不确定性因素，从而可以考虑诸多方面的影响因素，实现虚拟电厂的电-碳市场联合交易与低碳经济调度。

附图说明

图1为本发明方法的基本流程图。

图2为本发明电-碳市场联合交易机制与流程图。

图3为实施例中电力现货市场价格曲线。

图4为实施例中虚拟电厂签订的双边合同负荷需求曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明涉及一种考虑碳排放交易的虚拟电厂中长期联合调度方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：结合国内外碳排放市场的交易规则与交易机制，构建虚拟电厂参与碳排放市场的交易模式与交易方法，具体如下：

本发明中虚拟电厂的聚合单元包括燃气机组、风电机组、光伏电站、电池储能系统和可中断负荷组成。

虚拟电厂由于燃气机组单元的存在，将产生一定量的碳排放水平，致使虚拟电厂亦将成为碳排放市场下的参与主体之一。根据《2019-2020年全国碳排放权交易配额总量设定与分配实施方案(发电行业)》即基准线法对虚拟电厂中的燃气机组进行碳排放权配额分配：

式中，B^MT为燃气机组的碳排放基准值；P_t ^MT为t时段燃气机组的电能总出力。

另外，碳抵消机制允许减排主体在履行年度碳排放控制责任时，可以采用经过认证的其他减排量来抵消一定比例的碳排放额度，即虚拟电厂中的清洁的能源发电出力可申请并折算为项目核证自愿减排量(CCER)亦可参与到碳市场交易当中，并可从中获利。VPP清洁能源项目核证自愿减排量(CCER)：

式中，其中，η是清洁能源项目减排量换算系数，代表单位清洁能源发电量产生的项目核证自愿减排量(t)；P_t ^W、P_t ^PV分别是t时段风电机组与光伏电站的电能出力。

步骤2：构建虚拟电厂电-碳市场联合交易机制与交易流程，同时给出虚拟电厂在碳排放市场的收益模型，具体如下：

碳排放市场与电力中长期市场有着共同的特点——交易周期长、产品价格被提前确定或随时间波动幅度小的特点。因此本发明提出一种以一个星期为周期的的电-碳市场联合交易机制与流程，如说明书附图2所示，分为以下几个过程：

(1)VPP参加电力中长期市场，签订为期一周(168h)的双边合同，初始化天数D＝1；

(2)输入第D天的光伏、风电出力预测数据，VPP据此调整电池储能充放电计划和制定次日出力方案；

(3)第D天，VPP根据风电光伏实际出力，参加电力现货市场交易，同时调整可中断负荷响应量和燃气机组出力；

(4)判断D>7？若是，VPP根据本周实际碳排放量和清洁能源机组出力，参加碳交易市场；若否，则D＝D+1，转入过程(2)；

(5)结束本周考虑碳排放的虚拟电厂的联合调度，获得最大总收益；

虚拟电厂碳排放市场收益模型：

虚拟电厂将同时参与碳排放市场下两个品种的产品交易，既向CEA市场出售多余碳配额的同时，又通过申请清洁能源项目核证自愿减排量在CCER市场销售获利，其碳排放市场收益模型：

式中，λ^C、λ^CCER分别是碳排放市场中碳排放配额和项目核证减排量的价格；α是碳抵消额总量所占碳分配额总量的比例。

其中，虚拟电厂的实际碳排放量E主要与其内部燃气机组单元的出力有关：

式中，e_MT为燃气机组的碳排放强度系数(t/MW)。此外，相比于电力现货市场，碳排放市场交易周期长、出清流程复杂，本发明将电力中长期合同市场与碳排放市场进行交互联合，交易周期T取一周的时间，即168h。

步骤3：构建考虑碳排放市场的虚拟电厂中长期联合调度模型：

本发明中虚拟电厂的聚合单元包括燃气机组、风电机组、光伏电站、电池储能系统和可中断负荷组成。

各部分的具体模型如下：

燃气机组模型：

将燃气机组的运行成本表示为如下分段线性模式：

式中，a、λ^su、λ^sd分别为固定生产成本、启动成本以及关机成本；

分别为整数变量，表示燃气机组是否工作、启动或关机；K_l为燃气机组生产成本曲线的第l段；

为燃气机组第l段出力；P_t ^MT为燃气机组的总出力。

燃气机组运行约束：

式中，P^MT,max、P^MT,min分别为燃气机组的最大/最小功率输出；r^U、r^D分别为燃气机组的向上/下爬坡率；P_l ^max为燃气机组第l段输出功率上限；t^su、t^sd分别为燃气机组开关机时间的最小值；t^su，0、t^sd，0分别为燃气机组开关机时间的初始值。

电池储能系统运行约束：

式中，

为ESS中存储的电能；η_c、η_d分别为ESS的充放电效率；P_t ^ES,C、P_t ^ES,D分别为ESS的充放电功率；S^ES,max、S^ES,min分别为ESS存储电能的上下限；P^ES,Cmax、P^ES,Dmax分别为ESS充放电功率最大值；

分别是整数变量，表示电池储能的充放电状态。

可中断负荷运行模型：

可中断负荷成本

可以表示为如下形式：

式中，n_m为中断等级数；β_m为第m级负荷中断补贴系数；

为t时段电力现货市场的电能价格；

为第m级负荷中断量。

式中，

为第m级的负荷中断系数；P_t ^BC代表t时段电力双边合同规定的电能供应量；P_t ^IL为t时段的负荷中断量；P_t ^IL为t时段实际响应的可中断负荷总量；P^IL,max为连续时间内负荷中断量的最大值。式(24)避免了连续时间内负荷中断量过大导致的用户满意度下降。

中长期电能双边合同约束：

(1-h)P_t ^BC≤P_t ^VPP≤(1+h)P_t ^BC (25)

式中，P_t ^VPP代表t时段VPP的实际电能交付量；h为单位时段内双边合同规定供电量和实际交付电量之间允许的偏差系数；

现货市场购售电量约束：

式中，

代表t时段VPP在现货市场的售电量/购电量，其中负数代表购买电量，正数代表出售电量；S^S,Smax和S^S,Bmax分别为t时段VPP在现货市场的售电量/购电量上限。

功率平衡约束：

式中，P_t ^RES为虚拟电厂旋转备用容量。

至此，可以确定考虑碳排放市场的虚拟电厂中长期联合调度的目标函数为：

式中，λ^BC为电力中长期双边合同约定的电能价格。

为了验证本发明方法能够显著提高虚拟电厂的经济收益，调整虚拟电厂电能出力结构，促进风光清洁能源及时消纳。下面基于历史数据对某虚拟电厂一周的调度运行进行算例分析，说明本发明的有效性。

虚拟电厂相关参数如下表所示，电力现货市场价格曲线如图3所示：

表1 虚拟电厂仿真参数设置

算例分为以下两个场景进行对比分析，采用GAMS软件建模并调用CPLEX求解器求解，得到的虚拟电厂的各项收益情况和出力情况如表2所示：

1)VPP只参加电力市场交易；

2)VPP参加电力市场交易，又参加碳排放市场交易；

表2 不同场景下VPP的收益结果

从表2中可以看出，虚拟电厂在参与电力市场交易的同时，参加碳排放市场的与否将产生不同的收益结果。虚拟电厂签订的双边合同负荷需求曲线如图4所示。另外，虚拟电厂内部聚合单元的出力比例亦有明显的区别。首先，算例结果表明，虚拟电厂同时参加两个市场的交易得到的周总收益为33235.30€，这一结果比传统的虚拟电厂只参加电力市场交易的周总收益要高出3049.98€，这主要是因为虚拟电厂通过积极参加碳市场下CEA与CCER的产品交易，大大提高了自身的经济收益。另外，在考虑碳排放市场的虚拟电厂中长期联合调度中，燃气机组的总出力较传统情况下减少了28.35MW，这是因为考虑到现阶段国家为了促进传统燃料机组的节能减排和转型升级，会逐年降低燃料机组的碳排放基准值，这导致燃气机组的运行成本增加，故在联合调度的过程中将尽量减少燃气机组的出力，同时尽可能及时消纳风电光伏等清洁能源机组的出力，响应国家政策，促进节能减排。

综上，本发明设计了两种虚拟电厂参与全国碳排放市场的交易方法与模式，同时给出了碳排放市场与电力中长期市场的联合交易机制和流程图，实现了电-碳市场的良好交互和联合优化调度。在此基础上，可依次设定联合交易过程中的各种不确定性因素，从而可以考虑诸多方面的影响因素，实现虚拟电厂的电-碳市场联合交易与低碳经济调度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种考虑碳排放交易的虚拟电厂中长期联合调度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，结合国内外碳排放市场的交易规则与交易机制，构建虚拟电厂参与碳排放市场的交易模式与交易方法；

步骤2，结合碳排放市场和中长期电力市场各自的交易特征，构建虚拟电厂电-碳市场联合交易机制与交易流程，同时给出虚拟电厂在碳排放市场的收益模型；

步骤3，结合虚拟电厂中各聚合单元运行原理，建立考虑碳排放市场的虚拟电厂中长期联合调度模型，并采用GAMS软件调用CPLEX求解器实现模型的求解，计算虚拟电厂在两市场的收益情况和各聚合单元的出力计划。

2.根据权利要求1所述的一种考虑碳排放交易的虚拟电厂中长期联合调度方法，其特征在于，构建虚拟电厂参与碳排放市场的交易模式与交易方法，是同时参与两种品种的碳市场交易——碳排放权交易CEA与项目核证自愿减排量交易CCER：

虚拟电厂的聚合单元包括燃气机组、风电机组、光伏电站、电池储能系统和可中断负荷；

采用基准线法对虚拟电厂中的燃气机组进行碳排放权配额分配：

式中，B^MT为燃气机组的碳排放基准值；P_t ^MT为t时段燃气机组的电能总出力；

碳抵消机制允许减排主体在履行年度碳排放控制责任时，能够采用经过认证的其他减排量来抵消一定比例的碳排放额度，即虚拟电厂中的清洁的能源发电出力可申请并折算为项目核证自愿减排量CCER参与到碳市场交易当中；VPP清洁能源项目核证自愿减排量CCER为：

式中，η是清洁能源项目减排量换算系数，代表单位清洁能源发电量产生的项目核证自愿减排量；P_t ^W、P_t ^PV分别是t时段风电机组与光伏电站的电能出力。

3.根据权利要求1所述的一种考虑碳排放交易的虚拟电厂中长期联合调度方法，其特征在于，构建虚拟电厂电-碳市场联合交易机制与交易流程，建立虚拟电厂碳排放市场收益模型，具体为：

以一个星期为周期的的电-碳市场联合交易机制与流程，分为以下几个过程：

(1)VPP参加电力中长期市场，签订为期一周的双边合同，初始化天数D＝1；

(2)输入第D天的光伏、风电出力预测数据，VPP据此调整电池储能充放电计划和制定次日出力方案；

(3)第D天，VPP根据风电光伏实际出力，参加电力现货市场交易，同时调整可中断负荷响应量和燃气机组出力；

(4)判断是否D>7，若是，VPP根据本周实际碳排放量和清洁能源机组出力，参加碳交易市场；若否，则D＝D+1，转入过程(2)；

虚拟电厂碳排放市场收益模型：

虚拟电厂同时参与碳排放市场下两个品种的产品交易，既向CEA市场出售多余碳配额的同时，又通过申请清洁能源项目核证自愿减排量在CCER市场销售获利，其碳排放市场收益模型：

式中，λ^C、λ^CCER分别是碳排放市场中碳排放配额和项目核证减排量的价格；α是碳抵消额总量所占碳分配额总量的比例；

其中，虚拟电厂的实际碳排放量E主要与其内部燃气机组单元的出力有关：

式中，e_MT为燃气机组的碳排放强度系数，单位t/MW；

将电力中长期合同市场与碳排放市场进行交互联合，交易周期T取一周的时间，即168h。

4.根据权利要求1所述的一种考虑碳排放交易的虚拟电厂中长期联合调度方法，其特征在于，构建虚拟电厂中长期电-碳联合优化调度模型，具体为：

虚拟电厂的聚合单元包括燃气机组、风电机组、光伏电站、电池储能系统和可中断负荷；

燃气机组模型：

将燃气机组的运行成本表示为如下分段线性模式：

式中，a、λ^su、λ^sd分别为固定生产成本、启动成本以及关机成本；

分别为整数变量，表示燃气机组是否工作、启动或关机；K_l为燃气机组生产成本曲线的第l段；

为燃气机组第l段出力；P_t ^MT为燃气机组的总出力；

燃气机组运行约束：

式中，P^MT,max、P^MT,min分别为燃气机组的最大/最小功率输出；r^U、r^D分别为燃气机组的向上/下爬坡率；P_l ^max为燃气机组第l段输出功率上限；t^su、t^sd分别为燃气机组开关机时间的最小值；t^su，0、t^sd，0分别为燃气机组开关机时间的初始值；

电池储能系统运行约束：

式中，

为ESS中存储的电能；η_c、η^d分别为ESS的充放电效率；P_t ^ES,C、P_t ^ES,D分别为ESS的充放电功率；S^ES,max、S^ES,min分别为ESS存储电能的上下限；P^ES,Cmax、P^ES,Dmax分别为ESS充放电功率最大值；

分别是整数变量，表示电池储能的充放电状态；

可中断负荷运行模型：

可中断负荷成本

可以表示为如下形式：

式中，n_m为中断等级数；β_m为第m级负荷中断补贴系数；

为t时段电力现货市场的电能价格；

为第m级负荷中断量；

式中，

为第m级的负荷中断系数；P_t ^BC代表t时段电力双边合同规定的电能供应量；P_t ^IL为t时段的负荷中断量；P_t ^IL为t时段实际响应的可中断负荷总量；P^IL,max为连续时间内负荷中断量的最大值；

中长期电能双边合同约束：

(1-h)P_t ^BC≤P_t ^VPP≤(1+h)P_t ^BC (25)

式中，P_t ^VPP代表t时段VPP的实际电能交付量；h为单位时段内双边合同规定供电量和实际交付电量之间允许的偏差系数；

现货市场购售电量约束：

式中，

代表t时段VPP在现货市场的售电量/购电量，其中负数代表购买电量，正数代表出售电量；S^S,Smax和S^S,Bmax分别为t时段VPP在现货市场的售电量/购电量上限；

功率平衡约束：

式中，P_t ^RES为虚拟电厂旋转备用容量；

因此考虑碳排放市场的虚拟电厂中长期联合调度的目标函数为：

式中，λ^BC为电力中长期双边合同约定的电能价格。

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