微电网运营商提供无功辅助服务下各市场主体的利益分配

摘要：随着售电侧市场改革的不断深入,研究多个微电网运营商参与下的配电侧市场交易和竞价机制具有重要意义。针对该问题,提出了一种双层优化方法：底层优化以配电市场运营商购电成本最小为目标,考虑系统的节点电压约束和支路潮流约束等,采用跟踪中心轨迹内点法求解系统的经济调度模型,实现市场的出清;上层优化以最大化微电网运营商收益为目标,采用遗传算法确定微电网运营商在联盟和不联盟两种环境下的最优竞价策略。在双层优化方法的基础上,基于完全信息下的动态博弈方法,确定市场的纳什均衡点。最终在IEEE 33节点配电系统算例中对所提出的方法进行了仿真验证,并进一步分析了微电网运营商提供无功辅助服务下各市场主体的利益分配问题。

刘一欣, 郭力, 王成山

0 引言

微电网(microgrid,MG)因其供电可靠、运行方式灵活及对环境友好等特点,近年来得到了广泛的关注与发展[1-4]。随着主动配电网技术的日渐成熟,未来在配电系统中将有越来越多的微电网接入,给配电网的运行和控制带来显著的影响[5-7]。与此同时,中央《关于进一步深化电力体制改革的若干意见(中发[2015]9号)文》提出了“放开售电侧,多途径培养市场主体”的要求。可以预见,未来微电网将作为新兴的市场主体,参与到配电侧电力市场的竞争中。在此背景下,研究微电网参与下的配电侧电力市场交易和竞价机制显得十分必要[8]。

在竞争性电力市场中,发电商向市场运营商提交竞标时段的报价和相应的可用容量,市场运营商根据报价信息和负荷需求确定各个发电商的中标电量和市场的清算电价。其中,发电商的目标是通过报价竞争,最大化自身的收益;市场运营商的目标则是在确保系统负荷需求得到满足的前提下,最小化购电成本,实现社会效益最大化。在市场竞价和清算过程中,一方面发电商和市场运营商独立地优化各自的目标,另一方面两者之间又同时受到彼此行为的影响。因此,该模型可以描述为一个双层规划问题[9-16]。对于此类问题,常用的求解方法是将双层问题转化为单层问题,例如文献[9-11]将发电商在日前电力市场的最优竞价策略问题转化为带平衡约束的数学规划问题(mathematical program with equilibrium constraints,MPEC),随后利用二进制扩充法[9-10]或者库恩-塔克(Karush-Kuhn-Tucker,KKT)条件[11]将MPEC转化为混合整数线性规划(mixed integer linear program,MILP)问题进行求解;另一种方法采用供应函数均衡模型确定发电商的最优竞价策略[12-14]。该方法认为发电商的报价一般会高于其边际发电成本,通过改变供应函数的截距或斜率可优化自身的收益。其中,文献[14]在批发市场和配电市场中引入了负荷聚合商,分析了微电网、发电公司和负荷聚合商3者之间基于完全信息下的动态博弈行为,通过收益函数对报价策略的灵敏度矩阵更新自身的报价策略,直至市场达到均衡。除此之外,文献[15]提出了一种多领导者单追随者的非线性双层规划模型,并采用粒子群算法求解系统的广义纳什均衡点。文献[16]提出了一种非线性互补算法对此类双层规划问题进行求解。

上述文献的主要研究对象集中在输电侧,对配电侧市场,尤其是微电网参与下的配电侧市场交易和竞价机制研究较少。文献[17-19]虽然考虑了配电市场环境下微电网的博弈竞价,但未考虑配电系统的网架结构和潮流分布对市场竞价结果的影响。实际上,在配电网中,系统的节点电压和潮流分布(如网损等)将受到不同接入位置的微电网上网电量的影响,系统运营商通过对微电网出力的优化,能够有效降低系统的网损,从而节约购电成本。在这种情况下,微电网间的博弈不仅取决于报价,还与系统的网架结构、潮流分布以及自身接入位置有关。此外,随着未来零售市场的开放程度不断加深,一个零售商可能会投资多个微电网,此时多个微电网之间在博弈层面上是一种联盟的形式,追求的是整体利益的最大化。因此,有必要对这种情况下微电网的竞价策略和市场的交易进行研究和分析。

基于以上考虑,本文以多微电网参与下的配电侧电力市场为研究对象,采用双层优化方法求解微电网运营商在日前电力市场的最优竞价策略和市场运营商的最优经济调度问题。其中,底层优化考虑系统的网架结构、潮流分布及安全运行约束,采用跟踪中心轨迹内点法实现市场的出清和系统的经济调度;上层优化采用遗传算法确定微电网运营商在联盟和不联盟情况下的最优竞价策略;在此基础上,基于完全信息下的动态博弈方法,确定配电侧电力市场的纳什均衡点。最终在IEEE 33节点系统上对本文所提出的方法进行了仿真验证,并进一步探讨了微电网提供无功功率辅助服务下市场的运行机制和市场主体的效益问题。

1 配电侧电力市场

1.1 市场结构