面向源网荷储的虚拟电厂分层优化控制

引言：源网荷储协调优化显著提高了供电可靠性和电网的稳定性，有效减少了停电时间并降低了电网故障风险。优化电源发电计划与负荷响应策略，可以充分满足用电需求。当电网出现故障或负荷高峰时，储能系统能快速放电，维持关键负荷稳定运行。目前，关于VPP 的模型和控制策略已有大量研究。部分学者考虑用户侧需求响应的特点，建立相关需求响应模型。建立计及激励型需求响应的VPP 优化调度模型，验证了得到价格激励的需求响应能够有效减少环境污染，最大化 VPP 利润。建立含 EV 的VPP 经济运行策略，验证了 EV 参与VPP调度能够优化负荷曲线，增加车主收益，提高系统稳定性。部分学者考虑不同VPP 的整体建模和各部分协同优化框架。

1.分析虚拟电厂与源网荷储协调优化概述

1.1 虚拟电厂概念

虚拟电厂是整合分布式能源（如太阳能、风能、生物质能发电）、储能系统（如锂电池、铅酸电池）及可控负荷（如智能家电、充电桩）的管理系统，通过信息通信与能量管理系统实现协调运行，提升电网稳定性和可靠性。

1.2 源网荷储协调优化的目标与原理

源网荷储协调优化通过控制各环节，实现电能质量提升、电网运行优化、成本降低及提高可再生能源消纳能力等目标。其原理是基于系统整体最优原则，综合各环节特点与约束，利用建模与算法确定最优运行状态与控制策略，实现需求及效益最大化。

2 源网荷储协调优化在虚拟电厂中的应用模式

2.1 负荷侧响应管理

在虚拟电厂中，需求响应机制是负荷侧响应管理的重要手段。通过激励用户调整用电行为，可以实现负荷曲线的优化，提高负荷与电源的匹配度。这不仅有助于减少电网的峰谷差，还能降低运行成本。

2.2 储能侧配置与控制

储能系统在虚拟电厂中的选址和容量配置需要依据具体的电网布局和负荷需求，以确保其能最大化发挥调峰、调频和备用等作用。储能系统的充放电控制策略是储能侧管理的关键，其目标是在满足电网需求的同时，优化储能系统的使用寿命和经济性。

3.分析面向源网荷储的虚拟电厂分层优化控制

3.1 分析双层优化模型

一是VPP 双层模型构建。将风电、光伏、广义储能、CACS、EV 和灵活性负荷聚合为 VPP，能量管理系统（energy management system,EMS）将其分为两层进行优化。在双层优化框架中，上层优先做出决策，但不介入下层的决策，只对下层起到指示的作用，且下层优化目标不能够违反上层决策。风力发电和光伏发电受自然因素影响，其出力存在不确定性和波动性。上层模型通过广义储能对风光出力偏差进行补足，以跟踪计划出力，降低不确定性；同时，负荷是VPP 的主要用电对象，保障负荷供电是电网运行的首要任务，优先满足负荷，使得负荷能够根据实际能源供应情况进行调节，可以更灵活地实现需求响应，从而更好地适应风光资源的波动性，并得到相对平滑的净负荷曲线。上层模型优化结束后，将净负荷曲线作为指示传递到下层模型。下层模型中广义储能配合对外购售电作为 VPP 的调节资源，可根据净负荷曲线调整电功率，以保证电能供需平衡。二是各部分响应策略。广义储能在上层模型中配合风光出力跟踪发电计划，在下层模型中保证日 ，同时减小成本。分时电价引导 CACS 参与需求响应，当负荷需求小于风光净出力时电价较低，CACS 在保证室内舒适度的前提下增大用电功率，反之，则减小用电功率。EV 参与需求响应时需要预先设置用车时间及里程，以保证电池电量的最低需求。其他灵活性负荷包括可平移负荷和可中断负荷，其中，可平移负荷通过电价引导，可中断负荷通过补偿激励刺激。对外电能交易作为最终保障，确保VPP 内电能供需平衡

3.2 分析上层优化模型

能源市场逐渐由垂直一体式结构向交互竞争式结构转变，故上层优化模型中引入主从博弈理论，VPP 运营商作为领导者优先确定各时段电价，用电消费者作为跟随者跟随电价决策出各时段的用电量，当用电消费者的负荷曲线不能满足VPP 运营商的需求时，VPP 运营商会重新调整各时段电价，循环迭代，直至达到Stackelberg均衡。

3.3 分析下层优化模型

上层模型通过主从博弈理论求得 VPP 运营商和用电消费者的 Stackelberg 均衡，并最终得到VPP 的净负荷曲线，下层模型中将通过广义储能和对外电交易满足净负荷需求下层模型求解采用SCHO 算法，该算法属于双曲正弦和双曲余弦特性的新型元启发式算法，求解过程主要分为探索和开发阶段。该算法将Cosh 值恒大于1 的特性用于确定探索和开发的界限；将Sinh 值分布于[−1,1]且接近于0 的特性用于提高探索和开发的能力，使算法在探索和开发之间取得良好的平衡，以摒弃局部最优并找到全局最优解。

总结：总而言之，源网荷储协调优化后，可使虚拟电厂增加电能交易量，以更优价格售电，从而提高收益，提升竞争力。同时，储能系统通过提供 务获取额外收益，促进可再生能源消纳，可以有效减少温室气体排放，推动能源绿色的转型。引入合成甲醇的 义储能替代电化学储能电站，提高了VPP 对可再生能源的消纳能力，同时广义储能需要消耗二氧化碳作为原料， 能够减少VPP 碳排放量，降低碳交易成本，实现碳排的循环利用。将用户侧资源有效整合，通过分时电价和补偿激励引导刺激用户侧参与需求响应，能够实现对净负荷的“削峰填谷”，缓解供需不匹配，提高VPP 的经济效益。

参考文献：

[1] 谢芝东, 陈璐, 汪晓彤, 等. 虚拟电厂中多元化资源电压一致性协调控制策略[J]. 自动化应用,2023,64(20):59-63.

[2]蒋博.基于 V2G 的虚拟电厂主体协作模式[J].大众用电,2020,35(12):27-28.