含可再生能源的虚拟电厂参与碳市场交易优化模型.pdf
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1、0引言在传统电网系统中袁风电尧光伏以及其他各种形式的能源在电力市场中独立提供能源袁电网缺乏对所有运行机组实时监控的能力遥 系统未能根据分布式电源机组的运行特性尧可控负荷以及机组的碳排放水平制定统一的优化策略遥 虚拟电厂则能够实现对各类分布式电源机组的统一整合袁实现对这类灵活性资源在电网中渗透率提升的支持遥 另外袁碳交易机制与绿色证书机制在促进电力系统节能减排以及可再生能源消纳等方面具有显著作用遥 虚拟电厂可以通过绿色证书市场购买绿证实现可再生能源消纳责任袁并通过销售绿色证书实现可再生能源发电的经济效益遥 碳交易则是针对碳排放额度的交易袁根据我国目前确定的企业排放情况分配碳排放额度袁可以在碳交易
2、市场实现一定的收益遥目前袁 研究人员结合分布式电源绿证交易尧碳交易尧可再生能源消纳演变机制等13袁从交易市场功能的角度对电力交易机制进行了相关研究遥 文献4提出了考虑绿色证书的可再生能源跨区消纳竞价优化方法遥 文献5分析了新型电力系统规模化灵活资源虚拟电厂科学优化问题遥 文献6分析了电力市场环境下虚拟电厂经济效益敏感因素遥 文献7研究了计及绿色电力证书与碳交易制度的野源-荷冶协调优化调度遥 文献8研究了基于阶梯碳交易的含P2G-CCS 耦合和燃气掺氢的虚拟电厂优化调度遥上述文献仅针对虚拟电厂参与交易的主要结构进行研究袁 未针对具体的碳交易和绿证交易模型进行分析袁从而得到的量化结果不明显遥 因此
3、袁本文针对这一模型进行详细分析遥本文从虚拟电厂参与碳交易和绿证交易为主要出发点袁建立相应的交易模型袁确定虚拟电厂在交易调度之后的结果袁 并说明虚拟电厂与可再生能源在绿证交易和碳交易之中的相互作用遥 通过虚拟电厂对各类灵活性调度资源的整合袁 研究在虚拟电厂参与机制下的碳交易和绿证交易袁 有助于实现我国的野双碳冶目标遥因此袁本文对含可再生能源参与的虚拟电厂电力市场交易进行优化袁通过研究虚拟电厂在市场交易中的机制袁 提出相应的交易策略遥1虚拟电厂参与的市场交易机制1.1 虚拟电厂参与市场交易机制概述虚拟电厂渊VPP冤是建立在传统物理网架结构上的综合能源管理系统渊图1冤遥 与传统电厂不同袁虚拟电厂是汇
4、集可调度和不可调度分布式电源尧传统机组尧可控负荷形成的综合性能源管理系统袁将互联网尧现代信息技术嵌入管理系统中袁实现各类资源的有序调节和协同优化袁 尤其是实现新能源和可再生电源对于电网系统的支撑袁 包括提供调频尧调峰尧备用等形式的辅助服务以及参与新能源市场交易9遥 主要的市场参与形式包括双边合约尧日前收稿日期院 2022-12-17遥基金项目院 国家社科基金项目渊22BJY215冤遥作者简介院 詹智民渊1969-冤袁男袁硕士袁高级工程师袁主要从事电力市场尧电网规划研究遥 E-mail院含可再生能源的虚拟电厂参与碳市场交易优化模型詹智民1袁 范玉宏1袁 刘翊枫2袁 陈萌2袁 陈晶品2袁 叶泽3渊
5、1.国网湖北省电力有限公司袁 湖北武汉430000曰 2.湖北电力交易中心有限公司袁 湖北武汉430000曰3.长沙理工大学袁 湖南长沙410000冤摘要院 针对含有可再生能源的虚拟电厂参与电力市场交易的机制进行分析并建立模型遥 从现有的绿证交易尧碳市场交易模型进行分析袁说明虚拟电厂参与市场交易的主要机制和模式遥 对于虚拟电厂在节能减排方面的作用进行分析袁并针对虚拟电厂参与电力市场和碳市场的联动交易机制进行建模袁利用系统仿真对所提出的模型进行验证袁结果表明文章所提模型是合理的和有效的遥关键词院 碳交易曰 绿证交易曰 虚拟电厂曰 交易机制中图分类号院 TK51曰 TM72文献标志码院 A文章编号
6、院 1671-5292渊2023冤09-1263-07窑1263窑可再生能源Renewable Energy Resources第 41 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.41 No.9Sept.2023市场尧辅助服务市场尧备用市场尧实时市场遥淤在电力市场中袁双边合约用于购买者和销售者之间的直接交易遥 合约中通常会体现电能价格尧交易电量尧合约有效期等内容遥 可再生能源的迅速发展促进了这类合约的签订袁从而避免价格不确定性带来的中长期市场波动遥 虚拟电厂参与双边合约能够有效解决在市场价格波动和输电系统运行商输电能力有限的条件下获得收益的问题遥于日前市场是通过市场代理商提供买卖竞标确定下一日
7、每时段交易的市场行为遥 虚拟电厂允许电能生产者通过直接售卖电能参与电力市场袁并且虚拟电厂还允许用户生产电能袁并参与市场过剩电能的售卖遥 当市场定价较高时袁虚拟电厂以最大出力进行电能生产袁并将额外的电能以较高的价格向市场销售遥 基于这一特点袁虚拟电厂还可参与期货市场袁在这种情况下袁虚拟电厂通常作为电力市场的价格接受者遥 但考虑到可再生能源在虚拟电厂中的结构袁虚拟电厂仍然可以作为价格的制定者遥盂辅助服务市场用于提升电网能源的可靠性和安全性袁确保每一时刻发电和电能消耗的平衡遥 从技术角度来看袁可再生能源在电力系统中的渗透率增加袁可能会削弱系统在可靠性方面的性能袁导致系统崩溃遥 因此袁虚拟电厂可以通过
8、提供频率响应尧无功支持等辅助服务袁确保系统电能质量和安全可靠性遥榆备用市场是确保系统安全运行的另一种形式遥 通常袁备用市场投标方即电能生产商可获得相应的激励遥 电能生产商主要是通过可再生能源发电的容量参与到备用市场袁将剩余电能投向日前市场或以电池充电储能的形式参与到备用市场中遥虞实时市场以530 min 的间隔平衡市场的供需遥 虽然日内市场允许虚拟电厂在参与日前市场后调整调度出力袁 但虚拟电厂仍有可能在实时发电中无法满足用户电能的需求遥因此袁实时市场可用于电能供应缺口的补偿遥1.2 碳市场交易模型碳交易模型根据碳排放强度原则袁 将碳排放权作为商品进行交易袁 根据机组的实际排放情况与排放权数值进
9、行对比袁判断是否超过基准值袁如果超过基准值则需要额外购买碳排放权袁 若低于基准值则可以将剩余配额卖出袁获取相应收益袁具体流程见图2遥 本文参与碳交易的机组主要包括燃气机组尧热电联产机组尧电转气机组遥 所涉及到的成本除上述机组的成本外袁 还包括碳交易的成本10遥Ctc袁GT=ccNGTk=1移Pk袁tGT渊Ak-Dk冤渊1冤Ctc袁CHP=ccNCHPm=1移Pm袁tCHP渊Am-Dm冤渊2冤Ctc袁P2G=ccNP2Gn=1移Gn袁tP2G渊3冤Ctc=Ctc袁GT+Ctc袁CHP-Ctc袁P2G渊4冤式中院Ctc袁GT袁Ctc袁CHP袁Ctc袁P2G袁Ctc分别为t 时段燃气轮机尧热电联产尧
10、电转气机组尧系统碳交易成本曰cc为碳排放权交易价格曰NGT袁NCHP袁NP2G分别为燃气轮机尧热电联产尧电转气机组数量曰Pk袁tGT袁Pm袁tCHP分别为t时段第k 台燃气轮机尧 第m 台热电联产机组出图 1VPP 示意图Fig.1 Illustration of VPPVPP能量管理系统信息流电网交易调度信息流控制流通信网络能量流VPPEV负荷储能能源网络光伏电转气微燃机锅炉等图 2碳交易模型Fig.2 Trade model of carbon政府分配自行拍卖其他方式市场主体企业1企业2噎企业n每个企业碳配额跃碳排放量钥碳交易平台交易结算出售购买NY窑1264窑可再生能源2023袁41渊9
11、冤力曰Gn袁tP2G为t 时段第n 台电转气机组产气功率曰Ak袁Dk分别为第k 台燃气轮机单位碳排放强度和单位碳排放配额曰Am袁Dm分别为第m 台热电联产机组单位碳排放强度和单位碳排放配额遥1.3 绿证交易模型在仅考虑配额系统的情况下袁忽略分布式电源的地理位置分布袁会导致资源配置产生一定的局限性遥 作为可再生能源配额系统的支撑形式袁绿证通过网上平台统一销售袁避免了可再生能源消耗的地区差异和限制袁实现可再生能源跨区配置袁间接地提高市场效率遥 为满足配额系统的要求袁非可再生能源企业可以通过购买绿证避免惩罚成本遥 因此袁可再生能源的绿证交易收益包括两部分袁既包括通过交易直接获得的电能收入袁还包括从绿
12、证交易市场中获得的收入遥 具体流程见图3遥在虚拟电厂中袁光伏和风电可以通过销售绿证降低发电成本袁构建中长期市场交易的价格优势遥 因此袁当虚拟电厂参与到绿证交易市场时袁合同电价可以由绿证确定遥仔conVPP=仔GVPP+仔conTPu渊5冤仔G臆仔conavg渊6冤式中院仔conVPP为虚拟电厂的市场合约电价曰仔GVPP为虚拟电厂的可再生能源绿证电价曰仔conTPu为交易基准合约价格遥2虚拟电厂参与市场交易模型2.1 目标函数VPP 成本如下院CVPP=Tt=1移渊NGi=1移CGi袁t+NWj=1移CWj袁t+NWj=1移CcWj袁t+NPVk=1移CPVk袁t+NPVk=1移CcPVk袁t+
13、CBESSt+CGRt冤渊7冤CGi袁t=aiPGi袁t2+biPGi袁t+ci渊8冤CWj袁t=姿WPWj袁t渊9冤CPVk袁t=姿PVPPVk袁t渊10冤CcWj袁t=籽W渊PprWj袁t-PWj袁t冤渊11冤CcPVk袁t=籽PV渊PprPVk袁t-PPVk袁t冤渊12冤CBESSt=资BESS渊PchBESSt+PdchBESSt冤渊13冤CGRt=酌bPbGRt-酌sPsGRt渊14冤VPP 收益如下院RVPP=Tt=1移渊RGt+RCt+RVt冤渊15冤RGt=孜s渊NGi=1移PGi袁t+NWj=1移PWj袁t+NPVk=1移PPVk袁t+PdchBESSt-PchBESSt冤渊
14、16冤RCt=啄c渊EreCt-ECt冤渊17冤EreCt=棕re渊NGi=1移PGi袁t+NWj=1移PWj袁t+NPVk=1移PPVk袁t+PdchBESSt-PchBESSt冤渊18冤ECt=NGi=1移EGi袁t+EbGRt渊19冤RVt=啄G渊PreVt-PRt冤渊20冤式中院CVPP为VPP 总运行成本曰CGi袁t为燃气机组运行成本曰CWj袁t为风电成本曰CcWj袁t为弃风成本曰CPVk袁t为光伏成本曰CcPVk袁t为弃光成本曰CBESSt为储能电池运行成本曰CGRt为主网成本曰ai袁bi袁 ci均为燃气机组发电成本系数曰PGi袁t为燃气机组出力曰姿W为风力发电成本系数曰PWj袁t
15、为风机出力曰姿PV为光伏发电成本系数曰PPVk袁t为光伏出力曰籽W为弃风成本系数曰PprWj袁t为风电预测出力曰籽PV为弃光成本系数曰PprPVk袁t为光伏预测出力曰资BESS为储能电池发电成本系数曰PchBESSt袁PdchBESSt分别为储能电池充电和放电功率曰RGt袁RCt袁RVt分别为VPP 机组尧碳交易尧绿证交易收益曰孜s为VPP 发电收益系数曰啄c为碳交易收益系数曰EreCt为碳排放配额曰ECt为碳排放实际值曰棕re为配额系数曰EbGRt为从主网购电电能曰啄G为绿证收益系数曰PreVt袁PRt分别为可再生能源发电调度和配额值遥图 3 绿证交易模型Fig.3 Green certif
16、icate trading model传统发电商电力市场用户电能零售商绿证交易可再生能源发电绿证电能詹智民袁等含可再生能源的虚拟电厂参与碳市场交易优化模型窑1265窑2.2 约束条件供需平衡约束院NGi=1移PGi袁t+NWj=1移PWj袁t+NPVk=1移PPVk袁t+PdchBESSt-PchBESSt+PbGRt-PsGRt=PLt渊21冤机组发电约束院PGmini臆PGi袁t臆PGmaxi渊22冤机组爬坡约束院PGi袁t-PGi袁t-1袁s臆RUmaxi渊23冤PGi袁t-1-PGi袁t臆RDmaxi渊24冤储能运行约束院Pdchmini臆PdchBESSt臆Pdchmaxi渊25冤P
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