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2023 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.13 第 38 卷第 13 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220568 考虑灵活性供给约束的区域综合能源系统节点边际能价分解分析 陈红坤 王雪纯 陈 磊（武汉大学电气与自动化学院 武汉 430072）摘要 高比例分布式可再生能源接入给区域综合能源系统（RIES）的灵活、经济运行带来了巨大挑战。为探究 RIES 运行灵活性与经济性间的内在机理联系，提出了一种考虑灵活性供给约束的 RIES 节点边际能价求解方法。首先，构建了市场环境下 RIES 日前调度模型，该模型重点考虑机组运行灵活性供给约束，包括多能能量供给及多能调节容量约束；然后，基于该模型求解 RIES的节点边际能价，并对其进行分解，分析了热电联产机组运行灵活性供给约束对多能能价耦合的影响机理及尖峰价格形成机理；最后，采用电热联合 RIES 仿真算例进行多场景对比分析，结果表明，所提方法量化了多能运行灵活性供给对节点边际能价的多重影响，有效确定了机组多能灵活性供给的边际成本。关键词：区域综合能源系统 运行灵活性 综合能源市场 节点边际能价 价格分解 中图分类号：TM732 0 引言 随着世界范围内社会发展逐步迈入高耗能阶段，各国都面临着化石能源逐渐枯竭、排放物污染环境等日益严峻的问题。在经济、政治等因素的驱动下，随着清洁、多元化的能源供给结构1逐渐形成，提升可再生能源在终端多能源形式中的消费占比是助推各国能源结构转型的动力之一。区域综合能源系统（Regional Integrated Energy System,RIES）通过分布式多能耦合、转换设备扩大了单一能源系统的运行边界2，对就地就近分布式可再生能源消纳具有重要意义，已成为能源互联网领域的研究重点。然而，随着多能耦合的程度逐渐加深，RIES 的运行也更加复杂，分布式可再生能源的波动性与不确定性将给 RIES 的运行灵活性带来巨大挑战3。在未来高比例分布式可再生能源接入的愿景下4，RIES 有必要通过经济调度等优化方法调配各类灵活性资源，以满足可再生能源引起的灵活性需求。目前已有研究对可再生能源接入的 RIES 运行进行优化，分析多能耦合、协同对运行经济性的影响。文献5研究了多种电转气技术对电气综合能源系统的可靠性、成本经济性的影响。在区域电热综合能源方面，文献6对多能产能以及激励型综合需求响应进行建模，引入电热综合能源系统调度模型中，证明多能协同降低了系统运行成本。在综合能源系统的运行灵活性方面，文献7证明了综合能源系统的灵活性资源规划地点及网络连接关系对系统运行成本的影响。文献8提出一种计及天然气管存的指标来评估 RIES 灵活性。文献9提出基于灵活性状态方程的综合能源系统优化运行方法，但未对多能网络的传输特性进行建模。上述研究说明 RIES通过优化调度各类灵活性资源实现可再生能源消纳，降低运行成本，但尚未从灵活性的角度分析多能网络传输互补特性，亦无法进一步剖析多能灵活性供给对 RIES 运行经济性影响的内在机理。综合能源市场则弥补了上述不足，价格作为市场的关键要素10，合理的市场定价机制将能够显性反映系统运行经济性11。在配电市场，文献12对基于最优潮流的节点边际电价进行分解分析，证明了其对实现分布式电源的有效管理的积极作用。对于综合能源市场而言，目前已有学者将竞争机制引入其他能源市场，并对电热综合能源市场运行开展研究13-14。基于节点边际电价概念15-16，文献10提出了节点边际能价的概念，并对其进行求解。在此基础上，文献17提出一种电热综合能源市场联合出 收稿日期 2022-04-14 改稿日期 2022-06-13 第 38 卷第 13 期 陈红坤等 考虑灵活性供给约束的区域综合能源系统节点边际能价分解分析 3577 清机制，证明了节点边际能价协调多能产能的有效性。但以上研究尚未涉及节点边际能价定价机制下灵活性供给约束对多能价格的影响分析。综上所述，综合能源市场的节点边际能价作为价格信号能够显性反映 RIES 运行经济性，分析灵活性供给对节点能价的影响，能够帮助区域综合能源系统运营者（Regional Integrated Energy System Operator,RIESO）寻求灵活性与经济性之间的均衡点18，实现系统高效运行。基于此，本文考虑运行灵活性供给约束，提出一种区域综合能源市场环境下 RIES 节点边际能价求解方法，以确定系统灵活性供给边际成本。首先，在市场环境下梳理 RIES 运行架构；其次，建立考虑灵活性供给约束的 RIES 调度模型；然后，依据节点边际电价理论对节点边际能价进行求解，并对其进行分解，剖析节点边际能价间的耦合机理及尖峰价格形成机理，并量化灵活性供给对系统经济性的影响；最后，采用改进的 IEEE 33节点配电系统与巴厘岛 32 节点配热系统耦合形成的RIES 进行算例分析，验证所提方法的有效性。1 市场环境下的 RIES 架构 本节将探讨区域级综合能源市场环境下考虑运行灵活性的 RIES 运行架构。首先明确市场机制，所研究市场为日前市场，由 RIESO 优化以实现系统的经济、灵活运行。在市场参与者方面，RIES 中的可控分布式发电（Distributed Generator,DG）机组、分布式可再生能源、热电联产（Combined Heat and Power,CHP）机组及燃气锅炉（Gas Boiler,GB）等多能产能者皆可准入综合能源市场参与竞价。在能价结算方面，采用统一出清的结算机制，实现参与者竞价RIESO 出清的市场运转。市场环境下的RIES 运行架构如图 1 所示。图 1 RIES 运行架构 Fig.1 Operation structure of RIES 作为市场参与者，可控 DG 机组、分布式可再生能源及 GB 机组等单一产能者向 RIESO 提交单一能量产品的报价，CHP 机组应同时提交电、热能的报价，综合能源零售商则提交其多能负荷需求，以供 RIESO 做出电能、热能的中标结果决策。RIESO 在获取主网批发市场价格、多能需求及多能报价后，以用能成本最小为目标对市场进行出清，并采用节点边际能价结算方法定价。为了集中于对 RIES 节点边际能价的分解及其分析，对市场环境做出以下假设：（1）不考虑市场参与者对节点能价的策略性行为，即假设产能者不进行策略性竞价，以机组真实边际成本报价；不考虑综合能源聚合商对能价的综合需求响应，其多能负荷需求是常数。（2）以分布式风电（Wind Turbine,WT）为可再生能源代表，考虑其波动性引起的灵活性需求。2 考虑灵活性供给的 RIES 调度模型 建立 RIES 调度模型是求解节点边际能价的基础，同时，构建市场参与者机组多状态灵活性供给约束，将其纳入模型中。决策变量包括各机组的机组组合、多能机组出力、弃风量和切负荷量。2.1 目标函数 目标函数为 RIES 的运行总成本最小，包括购买电、热能成本及惩罚成本，即()()()()tdaD,eD,estartstart1,eh,e,honbidstartstart,e,e,e,eonbidbidpen,e,h,hcurtcurtbidmin()()()(),()()()+()()()Niiti Iiiiijjj Jjjjwww Wwggg GCt PtCutu CPt PtCutu CPtCPtcPtCPtc=+penL,eshedshed()1Pt（）式中，daC为系统的日前运行总成本；,eD、,eDP分别为批发市场的电能价格以及主网传输的电能容量；I、J、W、G分别为 CHP 机组、可控 DG 机组、分布式风电以及 GB 机组集合；startiC、startjC分别为 CHP 机组、可控 DG 机组的开机成本；startiu、startju分别为 CHP 机组、可控 DG 机组开机行为的 0-1 变量；,ehbidiC、,ebidjC、,ebidwC、,hbidgC分别为 CHP 机组、可控 DG 机组、分布式风电以及 GB 机组的报价，为各机组多能出力,eiP、,hiP、,ejP、,ewP、,hgP的函数；penshedc、pencurtc分别为切负荷以及弃风的惩罚成本；L,eshedP、,ecurtwP分别为切负荷容量与弃风容量；t为时刻；tN为时刻数。3578 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 2.2 约束条件 2.2.1 RIES 配电网络约束 采用交流潮流模型对于配电网建模，式（2）和式（3）为配电网络线路潮流，式（4）为传输限制约束。()ee eeee ee ee ee eee=1()cossinjiijijijijijijjNn nnnn nn nn nn nnPtVVGB=+（2）()ee eeee ee ee ee eee=1()sincosjiijijijijijijjNn nnnn nn nn nn nnQtVVGB=（3）e ee ee eeeeijijijn nn nn nPPP（4）式中，e eeijn nP、eeeijn nQ分别为传输线的有功、无功传输功率；V为节点电压；eeijn n为节点ein与ejn间的功角差；eeijn nG、eeijn nB分别为支路导纳的实部、虚部；eeeijn nP为线路有功传输容量上限。2.2.2 RIES 配热网络约束 采用直接连接的热力网络模型对配热网络进行建模19。基于图论理论，建立配热网络上增广关联矩阵元素ija?和下增广关联矩阵元素ija?表示节点流入和流出参数的信息，并据此建立配热网络热力模型的节点热流量平衡等式为 hhhToutinaaaBranchBranchNccA G A TA G TQ?=（5）式中，aA?、aA?分别为上、下增广关联矩阵；G为管道流量对角阵；c为工质比热容常数；hinBranchT、houtBranchT分别为管道进、出口温度列向量；hNQ为节点输入、输出热流量列向量；hBranch、hN分别为配热网络的管道与节点集合。工质在管道中会与环境热量交换，产生管段温降，有 ()hinaaaBranch=T?TTE A TT（6）式中，E为管道的温度损耗系数列向量19；aT为环境温度列向量。热力模型的管道热流量以及管道温度约束为 hhhhhh,min,maxjijijin nn nn nGcGcGc（7）hhh,min,maxiiinnnTTT（8）式中，hhjin nG、hh,maxjin nG、hh,minjin nG为进口节点hjn、出口节点hin的管道工质流量及其上、下限。考虑到配热网络的时延特性，对inBranchT、outBranchT列向量改写。以进口节点为hjn、出口节点为hin的管道为例，t时刻从hin流出的工质温度out()iTt为hhjinnt时刻从hin流出的工质温度in()jjiTt，hhjinn为工质从hjn传输到hin的时间，有 hhhhhhhh=jijijijin nn nnnn nSLGt（9）式中，为工质密度；hhjin nS为管道横截面积；hhjin nL为管道长度。采用加权平均法近似求解hhhin()jijnnnTt，有 ()()()()hhhhhhhhhhhhhhhhhininin()=+11jjijijijjijijijjinnnnnnnnnnnnnnnnnTtTtTt|+|（10）式中，|为向下取整。将式（10）代入式（7）与式（8）中可获得考虑时延特性的配热网络模型。基于基尔霍夫第一定律建立水力模型，有 hhsBranchN=AGG（11）式中，sA为基本关联矩阵；hBranchG为管道流量对角阵；hNG为节点流量列向量。2.2.3 考虑灵活性供给的市场参与者约束 1）可控 DG 机组 可控 DG 机组灵活性供给模型如图 2 所示。可控 DG 机组的灵活性供给能力与其运行状态相关，对可控