漆淘懿，惠红勋，叶承晋，丁一，赵宇明，宋永华/建筑虚拟电厂参与需求响应市场的报量报价机制设计/2024, 48(18):14-24.
研究背景
高负荷密度的受端城市电网正面临日益严重的调节资源匮乏问题，建筑是空调、电动汽车、储能等优质灵活资源的天然载体，能够聚合形成虚拟电厂为城市电网注入可观的调节能力。同时，建筑虚拟电厂的响应容量更为集中，能够更好地应对局部断面、重过载等问题。随着电力市场机制的不断完善，建筑负荷需要以报量报价的形式参与需求响应市场。在此背景下，如何申报合理的容量和价格以保证建筑用户的收益，是促进海量建筑积极融入市场亟待解决的核心问题。为此，本文设计了一种建筑虚拟电厂参与需求响应市场的报量报价机制。
研究内容
本文面向广东省需求响应市场中的可中断负荷交易，建立了如图1所示的建筑虚拟电厂组织架构。建筑首先向虚拟电厂申报自身的容量-价格曲线，虚拟电厂收集所有建筑的信息后在市场中报量报价。市场出清后，出清价格为调用价格，出清价格乘以备用系数（广东为0.09）为备用价格。电网调度将根据实际运行情况确定中标用户的调用情况，并分别以调用/备用价格向调用/备用的虚拟电厂结算费用。
图1 建筑虚拟电厂架构与报量报价机制
为实现需求响应市场的常态化运营，需要解决以下3个问题：1）建筑负荷提供备用是有成本的，如何报量报价以保证收益的非负性；2）建筑和虚拟电厂都需要获得可靠的收益，如何设计两者间的利益分配方法；3）市场出清结果有不确定性，虚拟电厂如何报量报价以最大化收益。
2.1 建筑量价生成
为精细化反映不同负荷的成本并申报合理的价格，将其分为以下3类：
1）无损可转移负荷：将某时段固有的负荷用能需求完整转移到其他时段，而不会导致用户用能体验的下降，如储能设备。中标后需要改变用能计划，从原来的低电价时段转移到高电价的中标时段，有额外的备用成本，需考虑中标未调用的情况。
2）有损可转移负荷：将某时段固有的负荷用能需求转移到其他时段，但是会导致用户用能体验的下降，如电动汽车。没有额外的备用成本，只有被调用时产生的调控成本。
3）有损可削减负荷：将某时段固有的负荷用能需求完全或部分削减，削减的电量在其他时段无须或不能再重新消耗，如空调负荷。没有额外的备用成本，只有被调用时产生的调控成本。
3类负荷参与需求响应的流程如图2所示，建筑会根据不同负荷的调用、备用成本向虚拟电厂申报3段容量-价格曲线以保证严格的收益非负性。
图2 建筑负荷参与可中断交易流程
2.2 收益分配
为实现可中断负荷交易对市场主体的持续激励，需要设计合理的收益分配方法，保证虚拟电厂和建筑用户都能够获得稳定的收益。考虑到市场出清的可操作性，本文要求虚拟电厂最多提交3段容量-价格曲线。虚拟电厂首先将所有建筑申报的量价组合排序，然后优化自身的报量报价。以建筑i和虚拟电厂为例，提出了如图3所示的收益分配方法。
图3 虚拟电厂需求响应收益分配情况
建筑收益包括建筑收入和建筑附加收益两部分，其中建筑收入取决于自身的报量报价，建筑附加收益由建筑报价和虚拟电厂报价之差决定，而虚拟电厂的收益来源于自身报价和出清价格之差。因此，除了决定最终出清价格的边际虚拟电厂容量-价格组合，每段中标的容量-价格组合总是能获得收益。
2.3 虚拟电厂最优报价
虚拟电厂和建筑间的收益分配方法已经保证了双方稳定的收益。在此基础上，虚拟电厂可以进一步优化决策报量报价信息，以最大化自身的收益。由于市场的出清结果都是难以确定的，虚拟电厂需要考虑不同出清价格的场景，优化3段报量报价策略以最大化不同场景下的期望收益，如下式所示：
(1)
式中：为出清价格等于
时场景ω的概率；
和
分别为场景ω下虚拟电厂第m段容量-电价组合的申报价格和中标容量。
算例分析
本文的建筑虚拟电厂包含7栋建筑，对价格区间[2,4.9]元/(kW·h)，以0.1元/(kW·h)为步长生成30种场景。对于具有不同出清价格的场景，虚拟电厂的最优报量报价结果如图4所示。
图4 不同出清价格下建筑虚拟电厂最优报量报价结果
为了让所有建筑都参与可中断负荷市场交易，虚拟电厂的报量报价策略包含了所有负荷，所以其3段申报容量之和始终等于2.49 MW。随着出清价格的升高，第1段和第2段申报的容量都不断提高，第3段申报的容量也随之减少。对于某一确定的出清价格，虚拟电厂总是让前2段容量-价格组合能够中标以获取最大的收益。
将不同场景下虚拟电厂的报价根据场景出现的概率进行加权平均，可以得到虚拟电厂的最优报量报价结果如表1所示。
表1 虚拟电厂最优报量报价结果
为说明所提方法对建筑负荷精细化分类后在报量报价方面的优势，将其与平均报价、最高报价2种方法进行了对比分析，如图5所示。平均报价采用不同负荷调控成本关于响应容量的加权平均作为申报价格，最高报价采用最高的负荷调控成本作为申报价格。
图5 不同报量报价方法的收益对比
可以看出，平均报价和最高报价由于申报价格过低或者过高，中标容量分别集中在低价区间和高价区间，而本文方法准确反映了不同负荷的调控成本，在完整的价格区间内都能提供适当的响应容量。从收益分配结果来看，建筑用户采用平均报价方法报量报价时，获取的收益较少，主要的收益分配给了虚拟电厂；建筑用户采用最高报价方法时，建筑用户获取了主要的市场收益，使得虚拟电厂的收益大幅降低；失衡的收益分配结果会挫伤其中一方参与市场的积极性，而本文方法能促使建筑用户和虚拟电厂之间的利益分配更为均衡，有利于需求响应市场的常态化运营。
结语
/ 引文信息
漆淘懿,惠红勋,叶承晋,等.建筑虚拟电厂参与需求响应市场的报量报价机制设计[J].电力系统自动化,2024,48(18):14-24.
QI Taoyi, HUI Hongxun, YE Chengjin, et al. Bidding Mechanism Design for Building Virtual Power Plant to Participate in Demand Response Markets[J]. Automation of Electric Power Systems, 2024, 48(18):14-24.
主要作者简介
Introduction to the Main Authors
漆淘懿
惠红勋
通信作者，博士，澳门大学助理教授，博士生导师，主要研究方向：灵活负荷资源的建模、控制、优化和市场策略。E-mail：hongxunhui@um.edu.m
宋永华
博士，澳门大学校长，智慧城市物联网国家重点实验室主任，英国皇家工程院院士，欧洲科学院外籍院士，IEEE会士，中国电机工程学会会士。作为第一完成人获国家科技进步二等奖、教育部自然科学一等奖、中国电力科学技术进步奖一等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖等。主要研究方向：智慧能源、需求响应与电力市场、综合能源系统。E-mail：yhsong@um.edu.mo
澳门大学智慧城市物联网国家重点实验室于2018年成立，是中国第一个智慧城市、物联网领域的国家重点实验室。实验室围绕5个方向下设子研究室，包括：智能传感器与网络通信、城市大数据与智能技术、智慧能源、智能交通、城市公共安全与灾害防治。其中智慧能源研究室由英国皇家工程院院士、欧洲科学院外籍院士、IEEE Fellow宋永华讲座教授担任学术带头人。智慧能源研究室致力于发挥学科交叉优势，开展以物联网、大数据、人工智能为基础的智慧城市综合能源系统低碳运行优化与安全防护理论与技术研究，推动“碳中和”学科理论与技术进步，促进“碳中和”产业发展，培养多层次“碳中和”专业人才。自成立以来，智慧能源研究室获得国家科技进步二等奖、广东省科技进步一等奖、澳门自然科学二等奖、澳门技术发明二等奖等多个国家或省部级科技奖励。
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