研究背景研究背景氣候變化驅(qū)動當(dāng)前全球氣候變化使可再生能源的使用變得極為重要。溫室氣體排放持續(xù)增加,各國政府正通過上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼等政策積極推動可再生能源在居民層面的部署。歐盟已將可再生能源使用納入其戰(zhàn)略目標(biāo),計(jì)劃到2050年將溫室氣體排放量減少80%。這/雄心勃勃的目標(biāo)需要在能源生產(chǎn)和消費(fèi)的各個(gè)層面進(jìn)行根本性變儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵作用然而,太陽能、風(fēng)能等可再生能源具有間歇性特點(diǎn),這使得儲能設(shè)備成為關(guān)鍵優(yōu)先事項(xiàng)。儲能系統(tǒng)可以平滑可再生能源發(fā)電的峰值和谷值,確保能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。在電力公用事業(yè)的全球重組背景下,消費(fèi)者的角色正在向"產(chǎn)消者"轉(zhuǎn)變,這促進(jìn)了分布式發(fā)電的部署。儲能成為產(chǎn)消者的重要資產(chǎn)。核心概念核心概念虛擬電廠聚合在電網(wǎng)的居民側(cè),產(chǎn)消者缺乏直接參與批發(fā)虛擬電廠聚合在電網(wǎng)的居民側(cè),產(chǎn)消者缺乏直接參與批發(fā)電力市場的能力。因此需要通過社區(qū)層面的虛擬電廠(VPP)進(jìn)行聚合。VPP整合小型分布式能源資源和靈活負(fù)荷,通過提供靈活性參與電力市場。嵌入式儲能本研究提出在產(chǎn)消者家中嵌入電池儲能系統(tǒng),而不是依賴移動的電動汽車電池。這種固定式儲能方案能夠更好地最大化可再生能源的利用,并提供更穩(wěn)定的電網(wǎng)服務(wù)。產(chǎn)消者角色產(chǎn)消者既是能源消費(fèi)者也是能源生產(chǎn)者。儲能系統(tǒng)使產(chǎn)消者能夠在非峰值時(shí)段購買廉價(jià)電力或存儲多余的可再生能源發(fā)電,然后在峰值時(shí)段以更高價(jià)格出售。 研究目標(biāo)研究的創(chuàng)新性與目標(biāo)本研究考慮/個(gè)擁有太陽能發(fā)電場的社區(qū),能源消費(fèi)者家中嵌入儲能系統(tǒng)。社區(qū)內(nèi)的消費(fèi)者被聚合到本地虛擬電廠中。01優(yōu)化算法開發(fā)使用遺傳算法為虛擬電廠開發(fā)優(yōu)化的能源交易策略,考慮差異化定價(jià)和可再生能源發(fā)電的影響。03多因素分析分析定價(jià)窗口和可再生能源發(fā)電窗口對VPP技術(shù)運(yùn)營的影響,包括充放電時(shí)間和從外部電網(wǎng)進(jìn)口的能量。02可行性驗(yàn)證驗(yàn)證在本地社區(qū)建立包含可再生能源發(fā)電和嵌入式儲能的虛擬電廠設(shè)置的可行性。04權(quán)衡研究當(dāng)電池荷電狀態(tài)最大化被納入日前市場優(yōu)化問題時(shí),研究VPP利潤、產(chǎn)消者激勵(lì)和電網(wǎng)峰值服務(wù)供應(yīng)之間的權(quán)衡關(guān)系。.N個(gè)產(chǎn)消者:社區(qū)內(nèi)聚合的總產(chǎn)消者數(shù)量.儲能系統(tǒng):每個(gè)產(chǎn)消者的電池充放電能量(Ec和Ed).社區(qū)光伏:社區(qū)太陽能發(fā)電場的能源產(chǎn)生(Epv)能源交易流程VPP可以從電網(wǎng)批量購買能源(Eimp,價(jià)格為Pvimp),也可以從產(chǎn)消者購買能源(價(jià)格為Ppsell)。購買的能源用于滿足產(chǎn)消者的能源需求以及為他們的電池充電。產(chǎn)消者電池放出的能源首先在社區(qū)內(nèi)使用以滿足負(fù)荷需求,其余額可出售給VPP并出口到電網(wǎng)(Eexp,價(jià)格為Pvexp)。社區(qū)擁有的太陽能發(fā)電場產(chǎn)生的能源僅用于為產(chǎn)消者電池充電和滿足負(fù)荷VPPVPP運(yùn)營機(jī)制VPP擁有社區(qū)太陽能發(fā)電場能源產(chǎn)量的日前預(yù)測,以及每個(gè)產(chǎn)消者半小時(shí)負(fù)荷曲線的日前預(yù)測。價(jià)格協(xié)商VPP在批發(fā)電力市場與電網(wǎng)協(xié)商日前進(jìn)出口價(jià)格,然后確定產(chǎn)消者的購售電價(jià)格。資源優(yōu)化基于日前價(jià)格和預(yù)測,VPP必須通過確定每個(gè)產(chǎn)消者電池的日前充放電能量來優(yōu)化能源資源配置。利潤激勵(lì)鼓勵(lì)VPP作為商業(yè)實(shí)體的激勵(lì)措施是利潤。VPP必須在滿足產(chǎn)消者需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自身的盈利目標(biāo)。只有當(dāng)社區(qū)太陽能發(fā)電場產(chǎn)生的能源不足以滿足產(chǎn)消者電池充電和負(fù)荷需求時(shí),VPP才會從外部電網(wǎng)進(jìn)口能源。這種運(yùn)營策略最大限度地提高了可再生能源的利用率,同時(shí)確保了供電的可靠性。本模型考慮由三個(gè)產(chǎn)消者(N=3)組成的社區(qū)。每個(gè)產(chǎn)消者家中都有嵌入式電池儲能系統(tǒng),初始荷電狀態(tài)均為30%。產(chǎn)消者1具有較高的早晚峰值負(fù)荷,典型的上班族家庭用電模式,早上和晚上用電需求較大。產(chǎn)消者2負(fù)荷需求相對較低且較為平穩(wěn),可能代表小型家庭或節(jié)能型住宅的用電產(chǎn)消者3具有中等負(fù)荷需求,在下午時(shí)段有明顯的用電峰值,可能代表有老人或兒童在家數(shù)據(jù)來源數(shù)據(jù)來源:日前半小時(shí)負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)來自XcelEnergy,代表住宅社區(qū)內(nèi)三個(gè)不同類別的居民能源消費(fèi)者的典型負(fù)荷模式。產(chǎn)消者參與VPP的動機(jī)是最小化其凈成本(能源購買成本),較低的凈成本代表產(chǎn)消者參與本地社區(qū)VPP所獲得的激勵(lì)。數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)建模VPP能量平衡方程進(jìn)口條件當(dāng)光伏發(fā)電和電池放電總量小于充電需求和負(fù)荷需求之和時(shí)(Epv+Σ(Ed進(jìn)口條件當(dāng)光伏發(fā)電和電池放電總量小于充電需求和負(fù)荷需求之和時(shí)(Epv+Σ(Ed-Ec-L)<0),需要從電網(wǎng)進(jìn)口能量(Eimp>0)2當(dāng)光伏發(fā)電和電池放電總量大于負(fù)荷需求時(shí)(Σ(Ed-L)>0),可以向電網(wǎng)出口能量(Eexp>0)2否則出口能量為零2能量平衡基本方程等式左側(cè)表示進(jìn)入系統(tǒng)的能量:從電網(wǎng)進(jìn)口的能量、光伏發(fā)電能量和電池放電能量2右側(cè)表示離開系統(tǒng)的能量:出口到電網(wǎng)的能量、未使用的光伏能量、電池充電能量和負(fù)荷需求2這些條件確保VPP在任何時(shí)刻都能夠平衡社區(qū)內(nèi)的能源供需,同時(shí)根據(jù)價(jià)格信號優(yōu)化與外部電網(wǎng)的能量交換,最大化社區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益和可再生能源利用VPP利潤與產(chǎn)消者成本模型VPP利潤計(jì)算VPP在/天內(nèi)所有時(shí)間間隔T的總利潤計(jì)算如下:TT產(chǎn)消者凈成本產(chǎn)消者的凈成本基于進(jìn)出口能源計(jì)算:TT收入來源:t=1t=1Eexpt包括向產(chǎn)消者出售進(jìn)口電力的收入和向電網(wǎng)出口能源的成本構(gòu)成:TTPpsellt.Eexpt包括從電網(wǎng)進(jìn)口能源的成本和從產(chǎn)消者購買出口能源的Eexpt成本特點(diǎn):能源進(jìn)口期間,產(chǎn)消者只為從電網(wǎng)進(jìn)口的能源付費(fèi)社區(qū)太陽能發(fā)電場的能源對產(chǎn)消者免費(fèi)能源出口期間,電池放電首先滿足自身負(fù)荷需求只有多余能源才出售給VPP用于出口這種定價(jià)機(jī)制平衡了VPP的盈利性和產(chǎn)消者的參與激勵(lì),確保雙方都能從系統(tǒng)中獲益。儲能建模儲能建模電池荷電狀態(tài)與約束條件放電約束每個(gè)產(chǎn)消者電池的放電能量必須在最小和最大值之間:Ed,放電約束每個(gè)產(chǎn)消者電池的放電能量必須在最小和最大值之間:Ed,minifEdifEd,maxi荷電狀態(tài)定義電池荷電狀態(tài)(SOC)提供電池能量水平信息,以百分比表示。雖然SOC無法直接測量,但可以從電池能t=1充電約束每個(gè)產(chǎn)消者電池的充電能量也必須在限定范圍內(nèi):Ec,充電約束每個(gè)產(chǎn)消者電池的充電能量也必須在限定范圍內(nèi):Ec,minifEcifEc,maxiSOC約束SOCminifSOCifSOCmaxi這/約束對于延長電池壽命和保持電池健康狀態(tài)至關(guān)重要,避免深度放電對電池造成的損害。本研究假設(shè)理想電池模型本研究假設(shè)理想電池模型,沒有Peukert效應(yīng),無自放電損耗,且實(shí)際容量等于標(biāo)稱容量。電池能量水平以標(biāo)準(zhǔn)單位(perunit)測量,初始能量水平Eo設(shè)定為5.4perunit,電池實(shí)際容量Ebatt設(shè)定為18perunit。優(yōu)化問題與遺傳算法求解參數(shù)設(shè)置·初始能量:Eo=5.4per參數(shù)設(shè)置·初始能量:Eo=5.4perunit·時(shí)間間隔:T=48(24小時(shí),每半小時(shí)/個(gè)間隔)·電池容量:Ebatt=18perunitF代表需要最小化的目標(biāo)函數(shù),包含產(chǎn)消者凈成本和電池荷電狀態(tài)兩個(gè)部分。w1和w2是權(quán)重因子,用于平衡兩個(gè)目標(biāo)的相對重要性。遺傳算法求解給定日前定價(jià)、太陽能發(fā)電和產(chǎn)消者負(fù)荷曲線,使用遺傳算法求解優(yōu)化問題。遺傳算法通過模擬自然選擇過程,能夠在復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化問題中找到近似最優(yōu)解。仿真設(shè)置仿真設(shè)置定價(jià)方案與太陽能發(fā)電數(shù)據(jù)改進(jìn)的定價(jià)方案本研究采用改進(jìn)的定價(jià)方案,將其擴(kuò)展到48個(gè)時(shí)間間隔。選擇這種定價(jià)方案是因?yàn)槠渖虡I(yè)激勵(lì)措施有利于VPP和產(chǎn)消者雙方,同時(shí)滿足VPP的運(yùn)營目標(biāo)。該方案包含Pvimp(VPP從電網(wǎng)進(jìn)口能源的價(jià)格)、Pvexp(VPP向電網(wǎng)出口能源的價(jià)格)、Ppbuy(產(chǎn)消者從VPP購買能源的價(jià)格)和Ppsell(產(chǎn)消者向VPP出售能源的價(jià)格)四種差異化價(jià)格。社區(qū)太陽能發(fā)電日前太陽能發(fā)電曲線顯示典型的單峰分布,在中午時(shí)段達(dá)到最大值。數(shù)據(jù)經(jīng)過歸/化處理,峰值太陽能發(fā)電量為3.2perunit。這/數(shù)值設(shè)定更加符合所考慮社區(qū)的實(shí)際情況,考慮了產(chǎn)消者的負(fù)荷需求和充電要求。太陽能發(fā)電窗口主要集中在上午9點(diǎn)到下午5點(diǎn)之間,與典型的日照模式相符。w2=0)首先測試權(quán)重因子w1=1和w2=0的場景,即優(yōu)化目標(biāo)僅考慮產(chǎn)消者凈成本最小化,不考慮電池荷電狀優(yōu)化過程產(chǎn)消者凈成本隨著算法優(yōu)化逐漸降低,最終收斂到最小值VPP利潤盡管目標(biāo)函數(shù)僅考慮產(chǎn)消者凈成本,改進(jìn)的定價(jià)方案仍使VPP獲得利潤激勵(lì)機(jī)制定價(jià)方案同時(shí)有利于產(chǎn)消者和VPP,實(shí)現(xiàn)雙方共贏的局面關(guān)鍵觀察電池在太陽能發(fā)電期間充電電池在電網(wǎng)峰值需求期間放電產(chǎn)消者利用太陽能發(fā)電為電池充電在峰值期間放電支持自身負(fù)荷這種模式對電網(wǎng)和產(chǎn)消者都有利潛在問題觀察到/天結(jié)束時(shí)電池荷電狀態(tài)降至零百分比。這對電池壽命和健康狀態(tài)不利,歸因于優(yōu)化問題僅考慮/天時(shí)段的產(chǎn)消者凈成本,未考慮電池長期健康。參考點(diǎn)上方區(qū)域代表充電能量,下方區(qū)域代表放電能量。三個(gè)產(chǎn)消者的電池展現(xiàn)出明顯的充放電周期:·在太陽能發(fā)電期間(約上午9點(diǎn)至下午5點(diǎn))進(jìn)行·在電網(wǎng)峰值需求期間(早晚高峰)放電充電時(shí)段與可再生能源可用性完美匹配社區(qū)與電網(wǎng)的能量交換參考點(diǎn)上方為進(jìn)口能量,下方為出口能量:在非峰值期間從電網(wǎng)進(jìn)口能量.當(dāng)有太陽能發(fā)電時(shí),進(jìn)口量大幅減少.在峰值期間向電網(wǎng)出口能量,支持電網(wǎng)平衡這種模式有利于電網(wǎng)的能量平衡和削峰填谷技術(shù)洞察技術(shù)洞察:社區(qū)在非峰值期間進(jìn)口能量的原因是社區(qū)總負(fù)荷和充電需求略高于社區(qū)太陽能發(fā)電場產(chǎn)生的能量。但當(dāng)太陽能可用時(shí),進(jìn)口量顯著降低,體現(xiàn)了可再生能源的價(jià)值。峰值期間的能量出口為電網(wǎng)提供了寶貴的削峰服務(wù)。場景2:優(yōu)化凈成本與SOC(w1=0.2,w2=0.8)為解決場景1中電池SOC過低的問題,將權(quán)重調(diào)整為w1=0.2和w2=0.8,將電池荷電狀態(tài)最大化作為優(yōu)化的主要目標(biāo)?！姵啬芰克较啾葓鼍?顯著提高↑產(chǎn)消者凈成本較場景1有所增加↓VPP利潤較場景1有所降低權(quán)衡分析當(dāng)電池SOC被納入優(yōu)化函數(shù)時(shí),產(chǎn)生了明顯的權(quán)衡效應(yīng):1.電池健康狀況得到改善,/天結(jié)束時(shí)SOC保持在較高水平2.產(chǎn)消者需要承擔(dān)更高的凈成本作為代價(jià)3.VPP的利潤空間受到/定壓縮4.這種權(quán)衡對于系統(tǒng)的長期可持續(xù)運(yùn)營是必要的實(shí)踐意義這/結(jié)果表明,在設(shè)計(jì)VPP優(yōu)化策略時(shí),必須在多個(gè)目標(biāo)之間找到平衡點(diǎn)。純粹追求短期經(jīng)濟(jì)效益可能會損害電池資產(chǎn)的長期價(jià)值,而過度關(guān)注電池健康則可能降低系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)吸引力。場景2:充放電行為變化充電策略調(diào)整電網(wǎng)非峰值期充電:電池在電網(wǎng)低價(jià)時(shí)段進(jìn)可再生能源利用:在太陽能發(fā)電期間進(jìn)行雙重價(jià)值:這種充電模式既有利于電網(wǎng)平衡,也荷電狀態(tài)改善整體水平:所有電池的SOC都保持在更健康的范11充電優(yōu)化在低價(jià)和可再生能源可用時(shí)段充電22放電控制優(yōu)先滿足社區(qū)內(nèi)部負(fù)荷需求33SOC管理避免過度放電,保護(hù)電池健康場景2:電網(wǎng)交互模式轉(zhuǎn)變從電網(wǎng)進(jìn)口能量,利用低價(jià)時(shí)段為電池充電并滿足負(fù)荷需求。 2太陽能發(fā)電期進(jìn)口量大幅減少或?yàn)榱?充分利用社區(qū)太陽能發(fā)電滿足充電和負(fù)荷需求。 3峰值期不向電網(wǎng)出口能量,電池放電主要用于滿足社區(qū)內(nèi)部負(fù)荷需求。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)相比場景1,場景2的電網(wǎng)交互模式發(fā)生了根本性變化:1.峰值出口取消:雖然電池在放電,但能量僅在社區(qū)內(nèi)使用,不出口到電網(wǎng)2.原因分析:這歸因于電池SOC最大化被納入目標(biāo)函數(shù),以及電池初始SOC設(shè)置3.優(yōu)先級調(diào)整:系統(tǒng)優(yōu)先確保電池保持健康的荷電狀態(tài),而非最大化短期經(jīng)濟(jì)收益4.戰(zhàn)略意義:這種模式更適合長期運(yùn)營,但減少了對電網(wǎng)的峰值支持權(quán)衡效應(yīng)這/變化體現(xiàn)了多目標(biāo)優(yōu)化中的典型權(quán)衡:·電池健康±.電網(wǎng)峰值服務(wù)3·產(chǎn)消者成本±.VPP利潤3研究貢獻(xiàn)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與技術(shù)洞察1.系統(tǒng)可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明,在本地社區(qū)建立包含可再生能源發(fā)電和嵌入式儲能的虛擬電廠設(shè)置是完全可行的。這種模式能夠有效整合分布式能源資源,實(shí)現(xiàn)社區(qū)層面的能源優(yōu)化管理。2.定價(jià)與發(fā)電窗口的影響研究清晰地展示了定價(jià)窗口和太陽能發(fā)電窗口如何影響VPP的技術(shù)運(yùn)營。這兩個(gè)因素共同決定了電池的充放電時(shí)間、從外部電網(wǎng)進(jìn)口的能量大小,以及向電網(wǎng)提供服務(wù)的能力。在設(shè)計(jì)社區(qū)VPP時(shí),必須同時(shí)考慮這兩個(gè)關(guān)鍵因3.電池SOC的重要性對于日前市場的優(yōu)化問題,電池荷電狀態(tài)應(yīng)該被納入考慮范圍。忽視電池健康狀況可能導(dǎo)致過度放電,損害電池資產(chǎn)的長期價(jià)值。這/發(fā)現(xiàn)對于VPP的可持續(xù)運(yùn)營具有重要指導(dǎo)意義。4.多目標(biāo)權(quán)衡機(jī)制當(dāng)電池SOC最大化作為優(yōu)化目標(biāo)的/部分時(shí),必須在VPP利潤、產(chǎn)消者激勵(lì)和電網(wǎng)峰值服務(wù)供應(yīng)之間做出權(quán)衡。這種權(quán)衡不是缺陷,而是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)平衡的關(guān)鍵要素。不同的應(yīng)用場景可能需要不同的權(quán)重設(shè)置。實(shí)踐應(yīng)用實(shí)踐應(yīng)用政策建議與實(shí)施策略政策制定者應(yīng)制定鼓勵(lì)社區(qū)VPP發(fā)展的政策框架,包括合理的上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制、儲能補(bǔ)貼政策,以及簡化的并網(wǎng)審批流程2同時(shí)需要建立保護(hù)產(chǎn)消者權(quán)益的法規(guī)體系2VPP運(yùn)營商應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場景調(diào)整優(yōu)化策略的權(quán)重設(shè)置2對于需要長期運(yùn)營的系統(tǒng),應(yīng)適當(dāng)提高電池健康權(quán)重;對于需要最大化短期收益的場景,可以更關(guān)注經(jīng)濟(jì)指標(biāo)2社區(qū)參與者產(chǎn)消者應(yīng)理解參與VPP的長期收益,包括降低能源成本、提高能源自給率、獲得額外收入來源,以及為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)2這種理解有助于提高參與意愿2-0—0--0—0-電網(wǎng)運(yùn)營商應(yīng)積極與社區(qū)VPP合作,建立靈活的電價(jià)機(jī)制和輔助服務(wù)市場2通過差異化定價(jià)激勵(lì)VPP在峰谷時(shí)段提供雙向調(diào)節(jié)服務(wù),提升電網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性2技術(shù)開發(fā)者應(yīng)開發(fā)更智能的能量管理系統(tǒng),能夠根據(jù)實(shí)時(shí)價(jià)格信號、天氣預(yù)報(bào)和負(fù)荷預(yù)測動態(tài)調(diào)整優(yōu)化策略2同時(shí)需要提高預(yù)測精度,減少預(yù)測誤差對系統(tǒng)運(yùn)行的影響2研究方向未來研究應(yīng)擴(kuò)展到更大規(guī)模的社區(qū)、考慮電動汽車的移動儲能特性、引入需求響應(yīng)機(jī)制,以及研究多日優(yōu)化策略對系統(tǒng)性能的影響2預(yù)測誤差的魯棒性也是重要研究方