一种考虑蓄热式电采暖负荷集群的电能与agc市场出清方法
阅读说明：本技术 一种考虑蓄热式电采暖负荷集群的电能与agc市场出清方法 (Electric energy and AGC market clearing method considering heat accumulating type electric heating load cluster ) 是由 时雨 张忠 李宇星 李�昊 李宇垚 姜明磊 鲁宇 张圆美 杨晶莹 刘鹏 宋磊 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种考虑蓄热式电采暖负荷集群参与的电能量与AGC联合市场出清方法,基于斯塔克伯格博弈市场机制,提出了联合市场的两层优化建模与迭代出清方法；上层优化模型为电能量与AGC市场的联合优化出清模型,获得常规机组的调度结果、电能量市场价格与AGC市场价格；下层模型为蓄热式电采暖负荷集群的优化运行模型,该模型以电能量市场价格与AGC市场价格为输入,通过优化过程获得蓄热式电采暖负荷的用电曲线与向电网提供的AGC容量。通过组织灵活负荷提供AGC辅助服务,可以降低常规机组提供AGC服务的负担和运行成本；同时,灵活负荷也能够从AGC市场中获得经济收益。(The invention discloses an electric energy and AGC (automatic gain control) combined market clearing method considering participation of a heat accumulating type electric heating load cluster, and provides a two-layer optimization modeling and iteration clearing method of a combined market based on a Starkeberg game market mechanism; the upper-layer optimization model is a combined optimization clearing model of the electric energy and AGC market, and a scheduling result, electric energy market price and AGC market price of a conventional unit are obtained; the lower model is an optimized operation model of the heat accumulating type electric heating load cluster, the model takes the market price of electric energy and the market price of AGC as input, and the electricity utilization curve of the heat accumulating type electric heating load and the AGC capacity provided for the power grid are obtained through an optimization process. The AGC auxiliary service is provided by organizing flexible loads, so that the load and the running cost of providing the AGC service by a conventional unit can be reduced; at the same time, the flexible load can also gain economic benefit from the AGC market.)
技术领域
本发明涉及电力系统运行技术领域，尤其涉及一种考虑蓄热式电采暖负荷集群的电能与AGC市场出清方法。
背景技术
能源利用的数字经济转型升级是能源互联网发展的重要前提，在电力能源互联网的发展背景下，电力系统中涌现出了以电采暖负荷、电动汽车等为代表的灵活负荷，使得负荷侧灵活资源在消纳新能源发电、提供辅助服务等方面发挥着越来越重要的作用。
随着可再生能源电源的不断增加与区域电网的互联，电网的辅助服务需要越来越大，电源侧的辅助服务资源已难以满足新形势下电网AGC调频、备用等辅助服务需求。
考虑到负荷容量一般较小，近年来，提出了负荷集群和聚合商的概念，并开展了基于灵活负荷聚合商的优化调度方法研究。随着我国电力市场改革的不断深入，灵活负荷的市场行为也受到了越来越多的关注。一方面，灵活负荷可以通过响应市场价格信号或激励机制，降低用电费用并改善电力系统整体负荷曲线；另一方面，灵活负荷可以参与辅助服务市场，获得一定的经济收益。
世界范围内对负荷侧灵活资源提供辅助服务潜力的关注越来越多。英国电网已经明确定义了负荷侧调频产品。对于灵活负荷参与AGC市场的组织方式、市场策略等问题还有待深入的研究和分析。因此，本专利提出考虑蓄热式电采暖负荷集群的电能与AGC市场出清方法，使辅助服务市场兼容源、荷两侧各类资源，以适应能源互联网的发展和建设需求。
发明内容
本发明针对以上问题提出了一种考虑蓄热式电采暖负荷集群的电能与AGC市场出清方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种考虑蓄热式电采暖负荷集群的电能量与AGC联合市场出清方法，包括以下步骤，
步骤1、电力交易中心获取电网总体AGC服务需求量数据、常规机组运行参数与报价参数、新能源发电的日前预测出力曲线、传统负荷日前预测功率曲线以及由多个蓄热式电采暖负荷组成灵活负荷集群输出的用电功率曲线与所提供的AGC服务容量；
步骤2、根据所述电网总体AGC服务需求量数据、常规机组运行参数与报价参数、新能源发电的日前预测出力曲线、传统负荷日前预测功率曲线以及由多个蓄热式电采暖负荷组成灵活负荷集群输出的用电功率曲线与所提供的AGC服务容量，建立电能量与AGC联合市场优化出清模型；
步骤3、根据所述电能量与AGC联合市场优化出清模型计算常规机组优化调度结果、电能量出清价格曲线和AGC出清价格曲线，根据所述电能量出清价格曲线和AGC出清价格曲线计算相邻两次迭代过程的价格向量偏差的模值；
步骤4、判断所述价格偏差的模值是否小于设定值，若否，执行步骤5，若是，执行步骤9；
步骤5、将所述电能量出清价格曲线与AGC出清价格曲线发送至蓄热式电采暖负荷集群代理商；
步骤6、蓄热式电采暖负荷集群代理商获取多个蓄热式电采暖负荷的运行参数，并将多个蓄热式电采暖负荷组成灵活负荷集群；同时获取所述电能量出清价格曲线与AGC出清价格曲线；
步骤7、根据所述蓄热式电采暖负荷的运行参数和所述电能量出清价格曲线与AGC出清曲线建立灵活负荷集群的优化调度模型；
步骤8、通过所述灵活负荷集群的优化调度模型计算灵活负荷的优化调度结果，所述灵活负荷的优化调度结果包括用电功率曲线与所提供的AGC服务容量，并将所述用电功率曲线与所提供的AGC服务容量发送至电力交易中心；
步骤9、获得市场出清结果，所述市场出清结果包括常规机组优化调度结果、电能量出清价格曲线和AGC出清价格曲线以及灵活负荷的优化调度结果。
进一步地，所述电能量与AGC联合市场优化出清模型的目标函数为发电成本与AGC费用之和最小，该目标函数由公式(1)和公式(2)表示：
式中，为常规机组出力，为常规机组发电成本函数，分别为常规机组向上、向下AGC调频容量；分别为常规机组的向上、向下AGC调频成本或报价；T为日前市场出清模型的总时段数，ng为系统中常规机组个数；i为常规机组编号；t为时间段编号；为常规机组发电成本的二次函数系数。
所述电能量与AGC联合市场优化出清模型的约束条件包括系统功率平衡约束、系统AGC容量需求约束、常规机组运行约束；
所述系统功率平衡约束由公式(3)表示：
所述系统AGC容量需求约束由公式(4)和公式(5)表示：
式中，为系统中的新能源发电预测功率；Lt为传统负荷功率；为负荷集群功率；为负荷集群的向上、向下AGC调频容量；为出清价格，分别为向上、向下AGC容量的出清价格；分别为系统的向上、向下AGC需求量；nA为负荷集群的个数；
所述常规机组运行约束包括常规机组提供的AGC容量约束、常规机组出力约束以及常规机组爬坡约束：
所述常规机组提供的AGC容量约束由公式(6)和公式(7)表示：
式中，分别为常规机组的最大向上、向下调频容量，为常规机组运行状态变量；
所述常规机组出力约束由公式(8)和公式(9)表示：
式中，分别为常规机组的最小、最大技术出力；
所述常规机组爬坡约束由公式(10)和公式(11)表示：
式中，为t-1时段常规机组的出力；分别为常规机组的最大向上、向下爬坡速率。
进一步地，所述灵活负荷集群的优化调度模型的目标函数为用电费用与提供AGC服务所获收益之差最小，该目标函数由公式(12)至(15)表示：
式中，k为电采暖负荷编号，K为某聚合商所管理的蓄热式电采暖负荷的个数，分别为该负荷集群的向上、向下AGC调节费用，当不考虑负荷的功率调节费用时，该参数取零即可，分别表示单个蓄热式电采暖负荷功率及其向上、向下AGC调频容量。
进一步地，蓄热式电采暖负荷集群中，单个负荷用电功率和所提供的AGC调频容量由公式(16)至(19)表示：
式中，与分别为蓄热式电采暖负荷功率上、下限；表示蓄热式电采暖负荷的运行状态；为蓄热式电采暖负荷的总用电需求。
与现有技术比较，本发明公开的考虑蓄热式电采暖负荷集群的电能与AGC市场出清方法具有以下有益效果：考虑蓄热式电采暖负荷集群的电能与AGC市场出清方法，基于斯塔克伯格博弈，提出了电能量与AGC辅助服务联合市场的两层优化建模方法与迭代出清方法，以解决大量、小规模灵活负荷参与电力市场的管理问题。电网方面，可以提供电网中的AGC资源，提高电网运行的安全性；用户方面，可以通过提供AGC服务获取一定收益，降低总电费。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的考虑蓄热式电采暖负荷集群的电能与AGC市场出清方法的流程图；
图2为电力系统6节点标准测试系统结构图；
图3为某日6节点标准测试系统的能量市场出清结果，包括各台常规机组出力结果、风电场出力结果、蓄热式电采暖负荷集群(LA)的功率、以及能量市场电价；
图4为某日6节点标准测试系统的AGC市场出清结果，包括各台常规机组和两个负荷集群(LA)提供的AGC容量。
具体实施方式
如图1所示本发明公开的考虑蓄热式电采暖负荷集群的电能与AGC市场出清方法基于斯塔克伯格博弈市场机制，建立电能量与AGC辅助服务联合市场的两层优化模型。所述电能量与AGC辅助服务联合市场的两层优化模型包括用于计算电能量与AGC出清价格的上层优化模型和用于计算电采暖负荷集群负荷曲线及其所能提供的AGC服务容量的下层优化模型。其中上层优化模型包括如下步骤，
步骤1、电力交易中心获取电网总体AGC服务需求量数据、常规机组运行参数与报价参数、新能源发电的日前预测出力曲线、传统负荷日前预测功率曲线以及由多个蓄热式电采暖负荷组成灵活负荷集群输出的用电功率曲线与所提供的AGC服务容量；
步骤2、根据所述电网总体AGC服务需求量数据、常规机组运行参数与报价参数、新能源发电的日前预测出力曲线、传统负荷日前预测功率曲线以及由多个蓄热式电采暖负荷组成灵活负荷集群输出的用电功率曲线与所提供的AGC服务容量，建立电能量与AGC联合市场优化出清模型；
在本实施例中，所述电能量与AGC联合市场优化出清模型的目标函数为发电成本与AGC费用之和最小，该目标函数由公式(1)和公式(2)表示：
式中，为常规机组出力，为常规机组发电成本函数，分别为常规机组向上、向下AGC调频容量；分别为常规机组的向上、向下AGC调频成本或报价；T为日前市场出清模型的总时段数，ng为系统中常规机组个数；i为常规机组编号；t为时间段编号；为常规机组发电成本的二次函数系数。
所述电能量与AGC联合市场优化出清模型的约束条件包括系统功率平衡约束、系统AGC容量需求约束、常规机组运行约束；
所述系统功率平衡约束由公式(3)表示：
所述系统AGC容量需求约束由公式(4)和公式(5)表示：
式中，为系统中的新能源发电预测功率；Lt为传统负荷功率；为负荷集群功率；为负荷集群的向上、向下AGC调频容量；为出清价格，分别为向上、向下AGC容量的出清价格；分别为系统的向上、向下AGC需求量；nA为负荷集群的个数；
所述常规机组运行约束包括常规机组提供的AGC容量约束、常规机组出力约束以及常规机组爬坡约束：
所述常规机组提供的AGC容量约束由公式(6)和公式(7)表示：
式中，分别为常规机组的最大向上、向下调频容量，为t-1机组运行状态变量；
所述常规机组出力约束由公式(8)和公式(9)表示：
式中，分别为常规机组的最小、最大技术出力；
所述常规机组爬坡约束由公式(10)和公式(11)表示：
式中，为t-1时段常规机组的出力；分别为常规机组的最大向上、向下爬坡速率；
步骤3、根据所述电能量与AGC联合市场优化出清模型计算常规机组优化调度结果、电能量出清价格曲线和AGC出清价格曲线，根据所述电能量出清价格曲线和AGC出清价格曲线计算相邻两次迭代过程的价格向量偏差的模值，即计算电价向量差的无穷范数|λh-λh-1|∞；其中，λh为第h次迭代后，由构成的向量。
步骤4、判断所述价格偏差的模值是否小于设定值，若否，执行步骤5，若是，执行步骤9；
步骤5、将所述电能量出清价格曲线与AGC出清价格曲线发送至蓄热式电采暖负荷集群代理商；
下层优化模型包括如下步骤，
步骤6、蓄热式电采暖负荷集群代理商获取多个蓄热式电采暖负荷的运行参数，并将多个蓄热式电采暖负荷组成灵活负荷集群；同时获取所述电能量出清价格曲线与AGC出清价格曲线；
步骤7、根据所述蓄热式电采暖负荷的运行参数和所述电能量出清价格曲线与AGC出清曲线建立灵活负荷集群的优化调度模型；
步骤8、通过所述灵活负荷集群的优化调度模型计算灵活负荷的优化调度结果，所述灵活负荷的优化调度结果包括用电功率曲线与所提供的AGC服务容量，并将所述用电功率曲线与所提供的AGC服务容量发送至电力交易中心；
在本实施例中，灵活负荷集群的优化调度模型的目标函数为用电费用与提供AGC服务所获收益之差最小，该目标函数由公式(12)至(15)表示：
式中，k为电采暖负荷编号，K为某聚合商所管理的蓄热式电采暖负荷的个数，分别为该负荷集群的向上、向下AGC调节费用，当不考虑负荷的功率调节费用时，该参数取零即可，分别表示单个蓄热式电采暖负荷功率及其向上、向下AGC调频容量；
蓄热式电采暖负荷集群中，单个负荷用电功率和所提供的AGC调频容量由公式(16)至(19)表示：
式中，与分别为蓄热式电采暖负荷功率上、下限；表示蓄热式电采暖负荷的运行状态；为蓄热式电采暖负荷的总用电需求；
步骤9、获得市场出清结果，所述市场出清结果包括常规机组优化调度结果、电能量与AGC价格曲线以及灵活负荷的优化调度结果。
本发明公开的考虑蓄热式电采暖负荷集群的电能与AGC市场出清方法由于采用了基于斯塔克伯格博弈，提出了电能量与AGC辅助服务联合市场的两层优化建模方法与迭代出清方法，以解决大量、小规模灵活负荷参与电力市场的管理问题。电网方面，可以提供电网中的AGC资源，提高电网运行的安全性；用户方面，可以通过提供AGC服务获取一定收益，降低总电费。
实施例1
算例验证与分析：
1)仿真算例设计
根据图2所示的6节点系统开展算例分析，该系统中含7条支路，即5个输电支路、两个变压器支路。该系统中包含3台常规机组：G1，G2，G3，分别接在编号为1、2、6号节点上；1个风电场(WT)接在编号为4的节点上；编号3、5节点上分别有一组灵活负荷。三台常规机组参数见表1，包括最大、最小技术出力参数、发电成本二次函数系数、燃料价格、以及各常规机组所能提供的AGC容量。两个蓄热式电采暖负荷集群：LA1，LA2，系统结构与各元件位置如图2所示。
表1常规机组参数
联合市场中的电能量市场出清结果如图3所示，市场出清电价由常规发电机组的边际发电成本决定，且常规发电机组出力越大，市场出清电价越高。蓄热式电采暖负荷，由于具有蓄热特性，用电较为灵活，因此，在凌晨电价较低时用电。两个蓄热式电采暖负荷集群(即灵活负荷集群)的总体用电曲线见图3。
联合市场中的AGC市场出清结果如图4所示，系统中的AGC服务主要有常规机组提供。由于蓄热式电采暖负荷集中在凌晨时段用电，因此，在该时段上向系统提供AGC辅助负荷，并且可以提供较多向下AGC服务。
凌晨时段负荷水平较低，使得常规机组的发电水平也较低，向下调节能力有限。考虑灵活负荷提供AGC服务的情况时，可以降低常规机组的向下AGC调频压力，并提高电力系统运行的经济性。上述结果验证了所提基于斯塔克伯格博弈的联合市场模型的合理性。
整体运行结果如表2。当考虑电采暖负荷集群参与AGC市场后，常规机组提供AGC容量降低了4.84％，从而可以降低常规机组的AGC调节费用。同时，灵活负荷可用通过提供AGC服务获得一定收益，其总账单从2613元减低为2381元，降低了8.88％。整体运行结果验证了电采暖负荷集群参与AGC市场的经济效益。
表2考虑电采暖负荷集群参与AGC市场前、后的结果对比
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