一种基于区域互联的能源市场双边竞价出清方法与流程

1.本发明涉及综合能源系统能源市场领域，尤其涉及一种基于区域互联的能源市场双边竞价出清方法。


背景技术：

2.随着国民经济的迅速发展，以化石能源为主的能源消费体系使得我国的能源短缺和环境问题日益凸显。因此，综合能源系统(integrated energy system,ies)的概念得以提出和推广，特指在规划、建设和运行等过程中，通过对能源的产生/传输/分配(能源供应网络)、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后形成的能源产供销一体化系统，被认为是未来人类社会能源的主要承载形式。ies中丰富的可调度资源可满足用户多种能源梯级利用，提升社会供能的安全可靠性。同时，随着电力体制改革的推进和相关支撑技术的发展，能源市场对于资源的优化调节作用日益凸显，以电能为主的综合能源交易迅速发展。目前对于能源市场的研究大多局限于电力市场，随着ies的普及与应用，单一能源服务方式已无法满足用户的多能源需求。同时，随着能源耦合更加紧密，区域间的能源互联成为趋势，研究互联区域的能源市场出清策略对于资源优化分配，提升系统运行可靠性与经济性，促进供需双方利益提升具有重要意义。
3.互联区域能源市场出清策略研究的目标是使不同区域的供需双方参与统一的能源市场，通过能源市场中的竞价与分析，得到使所有参与主体共同利益提升的出清结果，确定此时的出清价格与能源数量，并根据此结果调节分布式能源站与用户的供用能行为。基于双边竞价的出清策略是能源市场顺利交易的基础，是各利益主体持续参与市场并保持积极性的关键。
4.因此，有必要基于零售侧能源市场，研究互联区域的能源市场双边竞价出清策略。如何对互联分布式能源站运行机理进行建模，如何在更高的层面上实现跨区域的资源优化及各区域市场主体共同利益的最大化，是亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于区域互联的能源市场双边竞价出清方法，该方法可以有效的解决综合能源系统中跨区域的资源优化分配问题，实现能源市场交易后各区域总社会剩余的最大化。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于区域互联的能源市场双边竞价出清方法，包括以下步骤：
8.基于零售侧能源市场，构建互联区域电热联合市场框架；
9.以市场交易后各区域的总社会剩余最大化为目标，建立互联区域能源市场双边竞价出清模型；
10.采用内点法对互联区域能源市场双边竞价出清模型进行求解得到市场出清结果，根据所得到市场出清结果对分布式能源站供能、用户用能行为及区域间传输能量进行调
节；
11.对于分布式能源站，调节站内各种能源耦合设备的出力以响应市场出清结果，同时通过控制管道阀门与各控制装置调节区域间所传输的热能与电能；对于多能用户，根据市场出清结果与自身需求调节负荷情况。
12.进一步的，所述互联区域电热联合市场框架具体为：
13.分布式能源站与用户分别为能源的生产者与消费者，通过市场交易实现资源的优化分配；在需求侧，引入负荷多代理系统，即通过电、热负荷代理帮助用户进行竞价，负责收集相应区域内的市场与用户信息计算竞价价格，并聚合形成各自的需求曲线，提交至电热联合能源市场进行竞价；而供给侧则由综合能源服务商负责接收上级能源网络的能源价格信息及分布式能源站的设备信息，对设备供能边际成本进行排序并提交至市场竞价；各区域能源市场根据供需竞价信息，以各区域总社会剩余最大为目标进行出清，决定此时的能源出清数量与价格以及区域间传输的能源数量；在市场出清后，由综合能源服务商根据出清结果发出控制信号，调节分布式能源站供能与用户用能行为。
14.进一步的，建立互联区域能源市场双边竞价出清模型的具体步骤如下：
15.(1)分段讨论市场出清情况；
16.(2)设定市场出清模型的目标函数为最大化社会剩余；
17.(3)设定分布式能源站中各设备的市场出清的约束条件。
18.进一步的，具体的：
19.市场出清模型的目标函数如下
[0020][0021]
其中，i表示第i个互联区域，n为互联区域数量，和分别为电力和热力社会剩余，和分别为第i个分布式能源站中供应电能、热能功率，和分别为市场出清电、热负荷需求，和分别为市场出清电、热能源价格，和分别为第i个des中第k种和第l种设备产能的边际成本；和为第i个des中第k种和第l种设备出力；和为描述第i个des中第k种和第l种设备选取情况的二元变量，数值为1表示选择该设备产能，数值为0则表示不使用该设备；和分别为电、热负荷功率下限，和分别为电力；wt表示风机、hp表示热泵、chp表示热电联产、gf表示燃气锅炉、he表示热交换器；
[0022]
市场出清模型的约束条件为互联区域分布式能源站的能量平衡约束和网络潮流及设备出力的不等式约束；互联区域分布式能源站能量平衡约束为：
[0023][0024][0025]
其中，l
e
和l
h
分别为电力和热力负荷功率；和分别为热电联产利用天然气生产电能和热能的效率；η
gf
为燃气锅炉利用天然气生产热能的效率；η
pec
和η
he
分别为电力电子转换器和热交换器的能量转换效率；η
hp
为热泵利用电能生产热能的效率；p
e
、p
g
、p
h
和p
wt
分别为上级电力、天然气、热力网络及风机的功率；λ1为分配系数，表示流经热电联产天然气占输入总量的比例；λ2为分配系数，表示流经电力电子转换器电能占输入总量的比例；
[0026]
不等式约束为：
[0027][0028][0029]
p
g_min
≤p
g
≤p
g_max
[0030]
p
hp_min
≤p
hp
≤p
hp_max
[0031]
l
e_min
≤l
e
≤l
e_max
[0032]
l
h_min
≤l
h
≤l
h_max
[0033]
其中，v
ip
为节点i的p相电压，v
ip_max
和v
ip_min
代表其上、下限；s
ij
为线路ij上所传输的视在功率，代表其上限；为管道中的水流量，和代表其上、下限；p
g_min
和p
g_max
分别为天然气输入功率p
g
的下限及上限；p
hp
为热泵设备输出功率，p
hp_min
和p
hp_max
分别为其下限及上限；l
e_max
和l
e_min
分别为电负荷功率l
e
的上、下限，l
h_max
和l
h_min
分别为热负荷功率l
h
的上、下限。
[0034]
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0035]
1、本发明构建了有助于提升互联区域能源供需双方利益的能源市场出清策略，可提升市场主体参与积极性，充分发挥市场自发调节作用；
[0036]
2、通过互联区域能源市场出清，可确定每个时刻的能源价格与供需数量，从而实现跨区域的资源优化分配，有助于提升系统的经济性。
[0037]
3、基于能源市场交易所实现的资源优化分配，可有效地实现综合需求响应，进而促进可再生能源消纳率，有助于能源的清洁化使用。
附图说明
[0038]
图1为互联分布式能源站运行示意图；
[0039]
图2为电热水器电热耦合示意图；
[0040]
图3a和图3b为电热用户竞价曲线；
[0041]
图4为电热联合市场框架图；
[0042]
图5为能源市场社会剩余示意图；
[0043]
图6a和图6b为独立区域能源市场出清过程示意图；
[0044]
图7a和图7b为互联区域能源市场出清过程示意图；
[0045]
图8为能源市场出清算法流程图。
具体实施方式
[0046]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0047]
为了实现各区域资源优化分配、提升市场参与主体利益，本发明实施例提供了一种基于区域互联的能源市场双边竞价出清方法，详见下文描述：
[0048]
综上所述，本发明实施例有助于提升市场参与主体利益，可以指导能源市场制定最有利于资源优化分配的出清策略。
[0049]
1.基于零售侧能源市场，构建互联区域电热联合市场框架；
[0050]
首先简要介绍能源供应者分布式能源站。综合能源系统中，分布式能源站(des)是一种分布在用户侧，将用户与各能源网络紧密相连的能源耦合形式，是满足用户多样化用能需求并构成区域多能互补能源系统的重要载体。本发明以a型与b型两种典型des为例进行分析，其主要设备包括：风机(wind turbine,wt)、电力电子转换器(power electronic converter,pec)、热泵(heat pump,hp)、热电联产(combined heat and power，chp)、燃气锅炉(gas furnace，gf)、热交换器(heat exchanger,he)。
[0051]
在互联des的运行过程中，通过在每个des的输出端设置控制装置和阀门来控制能源的传输，根据能否满足该区域用户的能源需求及实现各区域利益提升来决定各区域能源的优化分配，其运行示意图如图1所示。互联a型与b型des的能量平衡方程分别为：
[0052][0053][0054]
其中，l
e
和l
h
分别为电力和热力负荷功率；和分别为chp利用天然气生产电能和热能的效率；η
gf
为gf利用天然气生产热能的效率；η
pec
和η
he
分别为pec和he的能量转换效率；η
hp
为hp利用电能生产热能的效率；p
e
、p
g
、p
h
和p
wt
分别为上级电力、天然气、热力网络及风机的功率；λ1为分配系数，表示流经chp天然气占输入总量的比例；λ2为分配系数，表示流经pec电能占输入总量的比例。
[0055]
接着介绍能源消费者用户负荷模型。本实施例所研究用户能源需求主要包括电能与热能，所研究负荷分别为电热水器与空间供暖负荷。对于电热水器，采用等值热力学参数法建立电热水器设备数学模型，模拟其运行过程。其电热耦合关系如图2所示，其水温的动
态变化可用下式表示：
[0056]
1)当电热水器工作δt时间后，水箱中的水温可通过下式计算：
[0057][0058]
2)当电热水器关闭δt时间后，水箱中的水温可通过下式计算：
[0059][0060]
3)当电热水器处于关闭状态且用户使用热水时，水箱中水温计算如下：
[0061][0062]
式中：t0表示当前时间；t
tank
为水箱内实际水温；t
am
为外界环境温度；r为电热水器等值热阻；c为热容；q
ewh
为电热水器操作热功率；m为水箱中的水量；m
u
为使用的水量。
[0063]
对于空间供暖负荷，其运行状态受室外温度，建筑材料，太阳辐射和电气设备加热等方面的影响。假设单栋楼宇中所有用户具有相同的室内供热温度和温度设定值，居民楼宇的热平衡方程可表示如下式：
[0064][0065]
式中：ρ为空气密度；c
a
为空气的比热容；v为居民楼宇有效供热体积；为第i栋楼宇的室内供热温度；δq
i
为楼宇i的热增益，若其值为正，表示楼宇获得热量，温度上升；若为负，表示楼宇损失热量，温度降低。
[0066]
考虑到维护结构的热量损耗以及太阳辐射带来的热增益，居民楼宇热平衡方程也可用下式表示：
[0067][0068]
式中：和为第i栋楼宇围护结构(墙体、窗户和地板)的热量消耗；为太阳辐射得热量；q
des
为分布式能源站输入热量。
[0069]
围护结构(墙体、窗户、地板)的耗热量可以通过下式获得：
[0070][0071][0072][0073]
式中：β为热传输系数；s为维护结构面积；下标walls、win、floor分别表示墙体、窗户及地板；为第i栋楼宇的室内温度设定值；为第i栋楼宇的室内温度设计值；γ和δ为建筑物的温差修正系数和方向修正系数，用于表示居民楼宇方位对热量损失的影响。
[0074]
太阳辐射得热量可由下式计算：
[0075][0076]
式中：α
win
为玻璃透射系数，sa为窗户遮阳系数；s
win
为楼宇每个墙面窗户总面积；sq为总太阳辐射量。
[0077]
接着介绍用户在双边竞价市场中的竞价策略，其示意图如图3a和图3b所示。在市场中引入负荷多代理系统，由电、热负荷代理收集相应区域内的市场与用户信息计算竞价价格，并聚合形成各自的需求曲线，提交至电热联合能源市场。对于电力用户，通过市场预测电能价格的平均值和标准差及收集区域内负荷状态(由当前水温和所需水温之间的差值定义)，计算电力用户竞价价格，其与实际水温t
tank
呈线性负相关关系，具体如下所示：
[0078][0079]
其中，p
bid
为电力用户竞价价格，p
a
和p
sd
为未来两小时预测电价平均值与标准差，c为用户预定义舒适度，t
set
为温度设定值；t
max
为最高水温。
[0080]
对于热力用户，与电力用户竞价价格类似，热力用户竞价价格也与市场预测热价等因素有关，并且与热功率输入q
des
呈线性负相关关系，具体可表示为：
[0081][0082][0083]
其中，p
h_high
和p
h_low
分别为热力竞价价格的上下限，p
h_a
和p
h_sd
分别为未来两小时预测热价的平均值与标准差，c
h
为用户预定义热舒适度，为第i栋楼宇用户期望热量输入，和分别为各建筑物最大和最小的热输入功率，可利用下式计算：
[0084][0085][0086]
以所建立用户电热负荷模型(即公式(3)
‑
(11))与竞价模型(即公式(12)
‑
(16))为基础，构建综合能源系统中互联区域的电热联合零售能源市场框架，其示意图如图4所示，具体为：des与用户分别为能源的生产者与消费者，通过市场交易实现资源的优化分配。在需求侧，引入负荷多代理系统，由电、热负荷代理收集相应区域内的市场与用户信息计算竞价价格，并聚合形成各自的需求曲线，提交至电热联合能源市场进行竞价；而供给侧则由综合能源服务商负责接收上级能源网络的能源价格信息及des的设备信息，对设备供能边际成本进行排序并提交至市场竞价。各区域能源市场根据供需竞价信息，以各区域总社会剩余最大为目标进行出清，决定此时的能源出清数量与价格以及区域间传输的能源数量。在市场出清后，由综合能源服务商根据出清结果发出控制信号，调节des供能与用户用能行为。
[0087]
2.提出互联区域能源市场双边竞价出清模型，指导能源市场以各区域总社会剩余
最大为目标进行出清：
[0088]
双边竞价市场的出清结果通常由供需曲线决定。对于需求曲线，认为其由一段代表不可控负荷的水平线段与代表可控负荷的递减曲线组成；而供应曲线，则认为其是由des内各设备的供能边际成本所决定的阶梯型线段。供需曲线中价格与功率的关系可由下式表示：
[0089][0090][0091]
其中，p
s
为供应价格，p
max
和p
min
分别为供应价格的上下限，q
s
为供应能源数量，q
w
为最低供能成本设备供应能源数量，q
g
为次低供能成本设备供应能源数量，p
d
为需求侧竞价价格，d为需求曲线斜率，q
d
为需求负荷量，q
un
为不可控负荷需求量，q
r
为可调节负荷量，p
ms
为需求侧最高竞价价格。
[0092]
上式可进一步整理为：
[0093]
ax＝b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0094]
其中，a为供需矩阵，向量x为供需能源价格及数量，b为能源价格与数量的解向量，具体如下：
[0095][0096]
其中，δq为传输能源，当δq>0时，代表向其他区域传输能源，反之为接受能源；而当δp>0时，其代表价格补贴，反之则代表能源税。
[0097]
本发明通过社会剩余来表示市场参与者在交易过程中获得的收益，在几何上表示为供需曲线所围部分了，其示意图如图5所示。
[0098]
图6a至土7b中展示了两区域在两种不同情况下双边竞价能源市场的出清过程。图6a和图6b中，des仅为独立区域供能，市场在供需曲线的交点处出清，此时供应能源与价格都与需求侧相等，区域1的出清价格比区域2的低。出清结果可表示为：
[0099]
x1＝a
‑1b0＝[q
c1 p
c1 q
c1 p
c1
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0100]
x2＝a
‑1b0＝[q
c2 p
c2 q
c2 p
c2
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0101]
其中，x1和x2分别表示区域1和区域2的供需能源价格及数量，q
c1
表示区域1的能源供应量，此时与负荷需求量相等；q
c2
表示区域2的负荷需求量与能源需求量，此时与负荷需求量相等；p
c1
表示区域1的竞价价格，此时与供应价格相等；p
c2
表示区域2的竞价价格，此时与供应价格相等。并且此时的解向量为
[0102][0103]
图7a和图7b中，des为互联区域供能，若不考虑传输线约束，区域1des多余的能源通过传输线路及管道供应区域2中额外负荷，此时两区域能源市场出清点均沿需求曲线发生移动，直到两个区域的出清价格相等。此时，区域1的出清价格升高，用户能源需求降低，而区域2的出清价格降低，用户能源需求升高。由于出清点的移动，图形中出现供需曲线间的三角形部分，其表示互联所增加的社会剩余。对于区域1，des向其他区域传输能量，市场出清点上升，这意味着该des可以更高的价格出售能源，此时，增加的社会剩余为生产者剩余；对于区域2，des接受从其他区域传输来的能源，市场出清点下降，这意味着该区域的用户可以较低的价格购买能源，此时，社会剩余的增加为消费者剩余。市场出清结果可表示为：
[0104]
x1＝a
‑1b1＝[q
c3 p
ct q
c1 p
ct
]
t
ꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0105]
x2＝a
‑1b2＝[q
c4 p
ct q
c2 p
ct
]
t
ꢀꢀꢀꢀ
(25)
[0106]
其中，p
ct
为区域统一出清价格，q
c3
、q
c3
分别代表区域1与区域2的负荷需求量，且此时区域1与区域2的解向量分别为：
[0107][0108]
基于以上分析，本发明以各区域总社会剩余最大化为目标，对互联区域内的供需资源进行优化分配。具体目标函数如下式所示：
[0109][0110]
其中，上标i表示第i个互联区域，n为互联区域数量，和分别为电力和热力社会剩余，和分别为第i个des中供应电能、热能功率，和分别为市场出清电、热负荷需求，和分别为市场出清电、热能源价格，和为第i个des中第k种和第l种设备产能的边际成本；和为第i个des中第k种和第l种设备出力；和为描述第i个des中第k种和第l种设备选取情况的二元变量，数值为1表示选择该设备产能，数值为0则表示不使用该设备；和分别为电、热负荷功率下限，和分别为电力、热力竞价价格上限。
[0111]
市场出清模型的约束条件为互联区域分布式能源站的能量平衡约束和网络潮流及设备出力等不等式约束；
[0112]
互联区域分布式能源站能量平衡约束为：
[0113][0114][0115]
不等式约束为：
[0116]
p
e_min
≤p
e
≤p
e_max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)
[0117]
p
h_min
≤p
h
≤p
h_max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0118]
p
g_min
≤p
g
≤p
g_max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)
[0119]
p
hp_min
≤p
hp
≤p
hp_max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)
[0120]
l
e_min
≤l
e
≤l
e_max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(34)
[0121]
l
h_min
≤l
h
≤l
h_max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(35)
[0122]
其中，p
e_min
、p
h_min
和p
g_min
分别为上级网络电能、热能和天然气的输入功率下限；p
e_max
、p
h_max
和p
g_max
分别为上级网络电能、热能和天然气的输入功率上限；p
hp
为热泵设备输出功率，p
hp_min
和p
hp_max
分别为其下限及上限；l
e_max
和l
e_min
分别为电负荷功率上、下限，l
h_max
和l
h_min
分别为热负荷功率上、下限。
[0123]
3.根据以上能源市场架构与双边竞价市场出清模型，可利用内点法求得市场出清结果，算法流程如图8所示。对出清结果的调节过程具体为：根据所得到市场出清结果，决定此时能源价格与供需能源数量，由综合能源服务商向分布式能源站与用户传递控制信号，调整能源站内各设备出力，调节能源站输出端控制装置及阀门以控制区域间传输能量，并通过对负荷的直接控制调节用户能源需求。
[0124]
综上所述，本发明实施例提供了一种基于区域互联的能源市场双边竞价出清方法，有助于提升互联区域能源供需双方利益的能源市场出清策略，可提升市场主体参与积极性，充分发挥市场自发调节作用，实现跨区域的资源优化分配，可直接应用于互联区域的多能源市场中，辅助能源市场顺利交易。
[0125]
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0126]
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0127]
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。