迈向可持续且可靠的配电网：一种统一的技术与商业虚拟电厂方案

《Renewable Energy Focus》：Towards sustainable and reliable distribution networks: a unified techno-commercial virtual power plant approach

　　阿里雷扎·扎雷|米亚德雷扎·沙菲-卡赫|穆罕默德·阿加·沙菲伊|雷扎·基亚
伊朗德黑兰，沙希德贝赫什蒂大学电气工程系

摘要
配电网络向智能化、低碳化方向的快速转型，从根本上改变了配电层级上的聚合与控制功能。随着分布式能源资源的大量涌现，传统为市场参与而设计的虚拟电厂架构，越来越难以满足现代配电系统的技术限制与环境目标。本文提出了一种受监管的技术商业型虚拟电厂运营商模型，该模型将虚拟电厂运营商与配电系统运营商的职能整合在统一的受监管决策框架之下。通过设计，该模型能够同时协调市场交易、执行配电网络的运行约束，并通过聚合灵活负载来管理需求响应计划。所提出的模型明确考虑了可控分布式发电产生的碳排放、储能系统老化成本以及过剩可再生能源的消纳问题。这些相互作用通过随机混合整数线性规划框架进行建模，该框架利用多边形近似方法严格考虑了配电网络中的电压限制和线路流量约束，而这在现有的基于虚拟电厂的研究中往往被忽视。数值模拟表明，所提出的TC-VPPO架构可使与可控分布式发电相关的排放量减少76%，降低可再生能源的限电比例29.3%，并且确保完全符合所有网络技术约束。研究结果证实，将技术商业协调与注重网络的监管相结合，为未来分散式配电系统的可持续可靠运行提供了强大且可扩展的路径。

引言
分散式可再生能源发电——尤其是风力涡轮机和光伏发电装置——的快速发展，深刻地改变了当代电力配电网络的规划与运营方式[1][2][3]。在环境担忧、政策目标和技术进步的推动下，这些能源在向更清洁、更可持续的电力系统过渡中发挥着核心作用[1][4]。与此同时，可控分布式发电机、储能系统、灵活需求以及电动车的日益普及，不仅提升了运营的可控性，也增加了配电层级的复杂性[1]。

为管理日益多样化的分布式能源资源，虚拟电厂作为一种有效的聚合框架应运而生，它使得小型能源资源能够协同参与电力市场及辅助服务[1]。通过整合不同类型的分布式能源资源，虚拟电厂提升了系统的灵活性，提高了经济效率，还有助于实现减排目标[5]。然而，可再生能源发电的随机性带来了巨大的运营不确定性，这使得调度和市场参与变得更加复杂[6]。因此，具备足够的向上和向下灵活性已成为虚拟电厂可靠运行的核心要求，这样才能让聚合后的资源在补偿可再生能源波动的同时保障电网稳定。在此背景下，虚拟电厂还通过消费者和产消者的积极参与，为面向用户的灵活性提升和污染减排提供了可行途径[7]。本研究提出了一种双层随机优化框架，其中虚拟电厂负责优化资源调度、需求响应参与及灵活性提供，而配电系统运营商则负责保障网络安全并最小化成本。该框架通过在实际且受运营约束的配电网络中整合分布式能源资源的灵活性评估、环境成本、储能系统老化、可再生能源限电惩罚以及多虚拟电厂协调等问题，弥补了现有研究中的关键空白[7]。

大量研究聚焦于不同市场结构下虚拟电厂的优化与调度问题。早期的研究主要致力于通过整合可控分布式发电、储能系统、电动汽车以及可再生能源发电资产，在日前市场和备用市场中实现经济收益的最大化[8]。后续研究则进一步纳入了环境目标，例如在考虑储能系统老化和热电联产系统的影响的同时，尽量减少化石燃料发电装置的排放[9][10]。最近的进展则提出了更为先进的虚拟电厂架构，这些架构整合了多种能源系统，包括制氢技术以及灵活的碳排放机制，相比传统方法，它们在接纳可再生能源和减少排放方面表现更好[11]。

除了发电端的整合之外，还有一些研究探讨了虚拟电厂在协调需求端灵活性方面的作用[12]。在这些研究中，需求响应资源通过虚拟电厂运营商与配电系统运营商之间的协作在配电网络内得到整合，不过虚拟电厂主要被视为面向市场的需求响应聚合器。为应对可再生能源的不确定性并兼顾功率流动和安全约束，人们引入了随机和分布式优化框架来开展日前调度[13]。此外，还提出了针对在日前市场和实时市场中运行的虚拟电厂的风险意识型能源管理和储备分配模型[14]，以及整合微电网和多种分布式能源技术的多阶段随机优化框架[15]。虚拟电厂在减少可再生能源限电和控制排放方面的有效性已在IEEE 33节点网络等基准配电系统中得到验证[16]，同时也有研究探讨了在不确定性条件下用于峰值管理的稳健自调度策略[17]。

从市场和社会福利的角度来看，一些研究分析了虚拟电厂参与电力市场以最大化社会福利的问题[18]。研究表明，可再生能源、储能系统以及负荷的协同运行能够提升整个系统的效率。另有研究探讨了虚拟电厂在配电网络中提供灵活性支持服务的作用[19]，不过并未明确考虑与可再生能源相关的不确定性问题。有些研究则提出了以客户福利和分布式资源利用为重点的面向零售市场的虚拟电厂模型[20]，还有研究分析了需求侧管理方案和储能资源对国内电力市场以及地点边际定价的共同影响[21]。尽管这些研究也考虑了可再生能源因素，但[22]中的不确定性处理仅限于点状价格场景，而[23]则采用了概率方法来模拟能源价格和消费者需求的不确定性。

因此，不确定性建模已成为近期虚拟电厂研究的核心主题。有研究提出了基于概率和情景的分析框架，用于处理价格、负荷、风速和太阳辐射等方面的不确定性[24][25]。还有研究使用聚类和概率技术进一步研究了电动汽车、光伏发电以及市场价格的随机行为[26]。另有研究探索了基于历史数据的可再生能源和电力价格情景生成方法[27]，同时还比较了基于机器学习的各种先进预测方法，包括决策树、支持向量机以及双向长短期记忆网络[28]。在[29]中，应用了基于蒙特卡洛的情景生成和简化技术，以捕捉风力发电、负荷需求以及市场价格方面的不确定性。最后，[30]通过区域虚拟电厂的两阶段斯塔克伯格博弈模型，明确了电力市场与碳市场之间的相互作用。

尽管已有诸多研究成果，但现有文献仍存在一个关键缺陷：配电网络的运行约束往往被忽视，或与面向市场的虚拟电厂优化分开处理。电压限制、线路流量约束、可再生能源限电、减排任务以及储能系统老化等问题，很少在统一的受监管决策框架内得到考虑。针对这一不足，本文提出了一种受监管的TC-VPPO模型，该模型整合了虚拟电厂运营商和配电系统运营商的职能，能够在确保严格遵守配电网络技术约束的同时，实现协调的市场参与。表1对比总结了已有的关于虚拟电厂资源规划、污染减排、技术约束、储能系统老化以及不确定性建模的相关研究，以及本文的研究内容。

尽管关于虚拟电厂的研究日益增多，但在将配电网络约束纳入虚拟电厂规划方面仍存在重大缺口。正如多篇综合性综述所指出的[1][3][31][32]，现有研究大多侧重于市场参与和经济优化，往往忽视了配电网络的技术限制，如电压范围、线路容量以及整体网络安全性。表1还揭示了其他一些不足，尤其是在应对环境影响方面，例如减少可控分布式发电产生的污染物，以及在实际运营条件下缓解储能系统老化问题。此外，虽然能源资源优化已被广泛研究，但虚拟电厂的运营与配电系统管理之间缺乏充分整合，这导致了资源利用效率低下、潜在的网络可靠性风险，以及错失实现电网灵活协调的机会。

为解决这些问题，本研究提出了一系列创新成果：

技术商业型虚拟电厂运营商模型：所提出的TC-VPPO模型将虚拟电厂的运营灵活性与配电系统运营商的关键技术职责相结合，后者负责电压调控和线路流量管理。在该模型所处的受监管框架下，商业行为受到限制，同时网络中立性得以保持，从而实现了分布式能源资源的最优调度，既保证了经济效率，又提升了电网可靠性。

全面的环境与老化建模：该模型对二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物的排放设置了经济惩罚机制，将环境因素直接纳入调度决策之中。此外，还基于充放电循环详细建模了储能系统的老化过程，使运营商能够做出可持续、务实且具有成本意识的决策，而这在传统模型中往往被忽略。

用于网络约束的多边形近似方法：为应对功率流动和系统安全约束中的非线性问题，TC-VPPO模型采用了多边形近似技术（详见附录）。该方法在保证优化问题可解的同时，能够准确描述有功和无功功率的流动，从而在混合整数线性规划框架内维持运营的可行性，为实际应用提供了可靠的基础。

通过这些创新成果，所提出的TC-VPPO模型能够同时应对技术和环境方面的挑战，为配电网络管理提供了一种统一、实用且具有创新性的方法。该框架架起了面向市场的虚拟电厂运营与网络可靠性要求之间的桥梁，为构建更可持续、更灵活、更具韧性的电力系统奠定了基础。

本文的其余结构如下：第2节阐述数学建模和求解方法，第3节介绍案例研究及验证结果，第4节总结主要发现及其意义。