本發明屬于電力市場資源調度，具體涉及一種虛擬電廠參與電力市場的魯棒優化調度方法。

背景技術：

1、近年來，隨著可再生能源的快速發展和電動汽車普及率的提高，電力市場的靈活性需求顯著增加。為此，國內外學者廣泛開展了電動汽車聚合參與電力市場的研究，主要集中在電動汽車聚合可調容量評估、需求側響應和車-路-網交互機理等方面。然而，目前的研究和實際應用仍面臨諸多技術瓶頸。

2、在電動汽車的充電模式中，插電模式是當前最為常見的方式，但其存在以下問題：

3、插電模式通常采用直流或交流充電樁，對電網產生較大沖擊，尤其在負荷高峰時容易加劇電網的不平衡；

4、在車網互動(v2g)模式下，電動汽車的隨機性較高，加之涉及用戶隱私性和通訊延時等問題，聚合調控難度較大。

5、相比之下，換電模式作為一種新興的充電方式，通過換電站與電網完成能量交互，不僅能夠滿足用戶的充電需求，還具備以下優勢：

6、換電模式的靈活性更高，可以在更短的時間內完成充電任務；

7、換電成本較低，且電池由換電運營商集中管理和維護，能夠及時反饋電池狀態信息，從而減少車主對電池老化和安全性的顧慮。

8、已有研究針對換電模式開展了相關工作。例如：

9、提出了換電站日前優化調度模型，重點考慮電池充電需求的不確定性、分時電價及電池的恒流/恒壓充電模式；

10、在換電站參與電力市場的場景中，有研究提出了針對電能量市場和調頻輔助服務市場的競價策略；

11、針對重卡換電場景，研究提出了基于換電需求的日內調度和實時修正策略，能夠有效實現電網削峰。

12、然而，換電站獨立參與電力現貨市場和輔助服務市場的競爭力有限，主要原因在于：

13、當前換電站的規模和容量尚不足以單獨滿足市場的高效運作要求；

14、獨立運行的換電站無法充分利用多種能源資源的協同效應。

15、為此，將換電站納入虛擬電廠統一管理，并作為電力資源的一部分參與電力市場，能夠顯著增強其市場競爭力和靈活性。這種方法不僅能夠為電網提供有償服務，還能夠在虛擬電廠框架下實現多能源協同調度。

16、在電網輔助服務方面，運行備用是應對可再生能源發電間歇性與波動性的重要手段。虛擬電廠通過電力備用市場參與電網運行，需要充分考慮內部資源的不確定性(如新能源發電的不確定性和負荷的隨機性)。現有研究提出了一些解決方案，例如：

17、利用置信區間和置信界限對風電和備用調用的隨機性進行建模，并通過列和約束生成算法(column?and?constraint?generation，ccg)求解多階段魯棒優化模型；

18、在兩階段隨機優化框架下，基于信息間隙決策理論處理電價和調用的不確定性。

19、盡管上述研究取得了一定進展，但仍存在以下不足：

20、當前的研究主要集中在最小備用量或持續時間等備用服務約束上，而未能適應更復雜的備用調用模式；

21、在更為復雜的備用服務(如英國的stor(short?term?operating?reserve)服務)中，除了要求最小聚合容量和持續時間外，還需具備二次響應能力，這對虛擬電廠的優化調度提出了更高的要求；

22、針對復雜隨機調用機制的研究仍然有限，大多未能充分考慮新能源發電與備用調用之間的不確定性耦合問題。

技術實現思路

1、本發明的目的就是為了解決上述背景技術存在的不足，提供提出了一種虛擬電廠參與電力市場的魯棒優化調度方法，將換電站、儲能、柴油發電機及光伏發電納入虛擬電廠框架，構建了參與電力現貨市場和輔助服務市場的優化調度方案。該方法通過嵌套的列和約束生成算法，充分考慮了光伏發電和換電需求的不確定性，能夠在復雜隨機調用機制下實現虛擬電廠的可靠調度。相比現有技術，本發明顯著提高了虛擬電廠在復雜電力市場環境中的收益和調控能力。

2、本發明采用的技術方案是：一種虛擬電廠參與電力市場的魯棒優化調度方法，包括以下步驟：

3、在虛擬電廠框架下，構建換電站、儲能、柴油發電機、參與電力市場行為以及配電網電壓的數學模型，采用置信區間下的預測值和波動值構建表征光伏發電和換電需求的不確定集；

4、其中，虛擬電廠聚合換電站、儲能、光伏和柴油發電機作為電力資源，以電力交易主體的身份參與電力現貨和輔助服務市場；

5、基于上述數學模型，以虛擬電廠利潤最大化為目標函數，構建多重不確定性下虛擬電廠參與電力市場的兩階段魯棒優化模型；其中所述不確定集作為優化模型中的約束條件，用以表示光伏發電和換電需求的不確定性；

6、采用嵌套的列和約束生成算法將兩階段魯棒優化模型分解成主問題、子問題外層和子問題內層，采用庫恩-塔克條件將子問題內層填加到子問題外層的約束中，并通過外、內循環進行迭代求解，得到虛擬電廠的調度方案；

7、所述調度方案包括：在不同時間段內的售電量分配；在不同時間段內的備用容量分配；在不同時間段內的柴油發電機啟停狀態；儲能和換電站的最優充放電策略；備用調用、光伏發電和換電需求的最優值。

8、上述技術方案中，所述換電站的數學模型用于表征：換電站充電功率和放電功率的限制；換電站在任意時間步內只能處于充電、放電或靜止狀態；換電站儲存的總能量；換電站根據充電和放電操作在每個時間步內的能量變化，符合充放電效率；換電站在充電和放電過程中能量的增加或減少與換電站內待換電的電池數量的關系；換電站內至少保留的電池數和單個滿電電池的能量與換電站的總能量和換電站廣義儲能的最大額定能量的約束關系；優化周期內換電站的初始能量與換電站廣義儲能的最大額定能量保持一致。

9、上述技術方案中，所述儲能的數學模型用于表征：儲能系統充放電功率限制；儲能系統在任意時間步內只能處于充電、放電或靜止狀態；儲能系統的能量在每個時間步內根據充電和放電操作進行變化，符合充放電效率；儲能系統能量范圍約束；儲能系統末端時刻的能量與初始狀態一致，為儲能最大額定能量的一半。

10、上述技術方案中，所述柴油機的數學模型用于表征：柴油發電機的發電功率約束；柴油發電機的啟停狀態約束。

11、上述技術方案中，所述參與電力市場行為的數學模型用于表征：虛擬電廠的售電量、備用調用量之和與所有設備的凈注入功率相等。

12、上述技術方案中，所述配電網電壓的數學模型用于表征：每個節點的功率平衡；節點間線路的有功功率和無功功率流動；節點之間的電壓差關系；線路的電流流動與節點電壓之間的關系；約束節點電壓幅值的范圍。

13、上述技術方案中，所述優化模型的第一階段的目標為最大化虛擬電廠在現貨市場和備用市場的收益減去相關成本；

14、第二階段的目標為在不確定性條件下，最小化系統運行成本包括備用調用、柴油發電機啟動成本、儲能和換電站運行成本；

15、第一階段的決策變量包括向備用市場提交的備用容量、虛擬電廠向現貨市場出售的電量、柴油發電機的啟停狀態；

16、第二階段的不確定性決策變量包括：電網對備用的調用、光伏發電量的實際值、換電電池能量的實際值、光伏發電和待換電電池平均能量的上調、下調系數；

17、第二階段各設備的狀態決策變量包括：柴油發電機的發電功率，儲能的充、放電功率，儲能的充、放電狀態變量，儲能能量，換電站的充、放電功率，換電站的充、放電狀態變量，換電站的總能量，節點電壓。

18、上述技術方案中，主問題在第一階段決策變量的基礎上，最大化虛擬電廠的總利潤。

19、上述技術方案中，所述子問題外層依據主問題最優值和充放電二元變量場景，確定光伏、換電站和備用調用的最壞情況，最小化虛擬電廠在最壞情況下的總成本。

20、上述技術方案中，所述子問題內層依據子問題外層得到的最壞情況，確定換電站、儲能、光伏和柴油發電機的出力，換電站和儲能系統的充放電二元變量，達到收益最大化或成本最小化。

21、本發明的有益效果是：本發明通過構建虛擬電廠框架，聚合了換電站、儲能、光伏發電和柴油發電機等多種能源資源，提高了系統調度靈活性。構建光伏發電和換電需求的不確定集，以約束條件的形式嵌入優化模型，增強了虛擬電廠對新能源波動和用電需求變化的適應能力。以兩階段魯棒優化模型為核心，結合主問題和子問題的分解求解，優化了虛擬電廠在不確定性條件下的收益和成本。調度方案涵蓋了售電量分配、備用容量分配、柴油發電機啟停狀態、儲能與換電站的充放電策略，為實際運行提供了可執行的優化結果。

22、進一步地，本發明的換電站的數學模型詳細表征了換電站的充電功率限制、充放電狀態及其能量變化，確保換電站運行符合物理約束。通過引入換電電池數量和單個電池能量與總能量的約束關系，能夠動態調整換電站的充放電策略以滿足實際需求。模型考慮了充放電效率的影響，有助于提升能源利用效率。通過設置換電站初始能量與最大額定能量一致，保障優化周期內換電站運行的連續性和穩定性。

23、進一步地，本發明的儲能的數學模型通過限制儲能系統的充放電功率和狀態，確保儲能運行在安全范圍內。模型表征了儲能系統在每個時間步內的能量變化及其范圍約束，支持精準的能量動態管理。設置儲能系統末端能量與初始狀態一致，為儲能提供了長周期的平衡和可控性。考慮充放電效率對能量變化的影響，有助于提升儲能系統的經濟性。

24、進一步地，本發明的柴油發電機的數學模型通過發電功率約束，確保柴油發電機輸出功率滿足物理和經濟要求。啟停狀態約束能夠動態調整柴油發電機的運行模式，減少不必要的啟動和關閉損耗，提高運行效率。柴油發電機作為備用電源，能夠在緊急情況下提供穩定的電力輸出，提高系統的可靠性。

25、進一步地，本發明的參與電力市場行為的數學模型通過售電量和備用調用量與所有設備凈注入功率相等的約束，確保虛擬電廠整體運行功率平衡。模型能夠平衡現貨市場和備用市場的參與策略，提高虛擬電廠的收益。將所有設備的功率輸出協調在一個框架內，實現多能源的協同優化。

26、進一步地，本發明的配電網電壓的數學模型通過節點間的電壓差關系和節點電壓幅值范圍約束，保證配電網運行的電壓穩定性。描述了線路的有功和無功功率流動關系，為配電網運行提供精確的功率調度依據。電流流動與節點電壓之間的關系約束能夠防止線路過載，提高配電網運行的安全性和可靠性。

27、進一步地，本發明的兩階段魯棒優化模型第一階段以收益最大化為目標，第二階段以成本最小化為目標，明確了優化方向，提升了虛擬電廠的整體效益；涵蓋備用容量、售電量、電網調用、設備狀態等多種變量，提供了全面的調度優化方案；不確定性變量(如光伏發電量和換電需求)的優化，提高了虛擬電廠應對新能源波動和負荷不確定性的能力。

28、進一步地，本發明的主問題通過優化第一階段決策變量直接提高虛擬電廠的經濟效益。將復雜的多階段問題分解為主問題和子問題求解，降低了求解復雜性。同時考慮現貨市場收益和備用市場收益，綜合平衡兩者的經濟性。

29、進一步地，本發明的子問題外層以最壞情況下的成本最小化為目標，提升了虛擬電廠調度方案的魯棒性。通過確定光伏、換電站和備用調用的最壞情況，優化調度策略的可靠性和適用性。依據主問題的最優值進行進一步優化，保證了問題分解的協調性和求解的有效性。

30、進一步地，本發明的對子問題外層得到的最壞情況進行優化，確定換電站、儲能、光伏和柴油發電機的具體出力，提高調度的精度。優化換電站和儲能系統的充放電行為，增強了虛擬電廠對新能源波動的適應能力。通過動態優化設備運行狀態，實現收益最大化或成本最小化的目標。