Modeling and Solving Method of Electricity-Carbon Joint Optimization for Virtual Power Plant Clusters

WANG Lei; XU Zhilong; YANG Chenyu; YUAN Guilin; TANG Liang; WANG Xuli

doi:10.7500/AEPS20230725005

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Modeling and Solving Method of Electricity-Carbon Joint Optimization for Virtual Power Plant Clusters

Power Energy Transition for Carbon Emission Peak and Carbon Neutrality | 更新时间：2025-06-16

- Modeling and Solving Method of Electricity-Carbon Joint Optimization for Virtual Power Plant Clusters
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 23, Pages: 29-40(2024)
- 作者机构：
  
  1.新能源利用与节能安徽省重点实验室（合肥工业大学），安徽省合肥市 230009
  2.国网安徽省电力公司芜湖供电公司，安徽省芜湖市 241000
  3.国网安徽省电力公司经济技术研究院，安徽省合肥市 230022
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Fundamental Research Funds for Central Universities of China(PA2023GDSK0084)
- DOI：10.7500/AEPS20230725005
  CLC：
- Received：25 July 2023，
  
  Revised：2023-12-19，
  
  Published Online：10 April 2024，
  
  Published：10 December 2024
- 稿件说明：
移动端阅览
王磊,徐志龙,杨晨宇等.虚拟电厂集群电⁃碳联合优化建模及求解方法[J].电力系统自动化,2024,48(23):29-40.

WANG Lei,XU Zhilong,YANG Chenyu,et al.Modeling and Solving Method of Electricity-Carbon Joint Optimization for Virtual Power Plant Clusters[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(23):29-40.
王磊,徐志龙,杨晨宇等.虚拟电厂集群电⁃碳联合优化建模及求解方法[J].电力系统自动化,2024,48(23):29-40. DOI： 10.7500/AEPS20230725005.

WANG Lei,XU Zhilong,YANG Chenyu,et al.Modeling and Solving Method of Electricity-Carbon Joint Optimization for Virtual Power Plant Clusters[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(23):29-40. DOI： 10.7500/AEPS20230725005.

摘要

随着“碳达峰·碳中和”目标的提出，能源低碳转型成为未来的发展趋势。基于碳排放流理论提出一种计及动态碳排放因子的多虚拟电厂（VPP）电-碳联合优化运行方法，建立多VPP双层优化模型。首先，根据碳排放流理论，建立计及效益最优的上级电网经济调度上层模型，计算各VPP的电价和动态碳排放因子并进行下发；其次，考虑电-碳交易的耦合性，建立基于Nash谈判理论的多VPP低碳联合优化下层模型；然后，采用加速-自适应交替方向乘子法进行求解，得到各VPP的电能需求并反馈至上层，该方法在保护成员隐私的基础上能够有效提升求解速度；最后，基于非对称议价方法，提出一种基于交互产品贡献度的电-碳收益分配方法，实现各VPP收益的合理分配。算例分析表明，所提方法能有效降低VPP的运行成本和碳排放，在兼顾VPP的经济效益与环境效益的同时实现VPP收益的公平合理分配。

Abstract

With the proposal of the goal of “carbon emission peak and carbon neutrality”

the low-carbon transformation of energy has become a future development trend. Based on the carbon emission flow theory

a joint electricity-carbon optimization operation method is proposed for multiple virtual power plants (VPPs) with dynamic carbon emission factors

and multiple VPPs bi-layer optimization model is established. Firstly

based on the carbon emission flow theory

an upper-level model for economic dispatch of the upper power grid with the objective of optimal efficiency is established

and the electricity price and dynamic carbon emission factor of each VPP is calculated and sent down to the lower level. Secondly

considering the coupling of electricity-carbon trading

a lower-level joint low-carbon optimization model with multiple VPPs based on the Nash negotiation theory is established. Then

the accelerated-adaptive alternating direction method of multipliers is used to solve the problem

and the power demand of each VPP is obtained and fed back to the upper-layer model. This method can effectively improve the solving speed on the basis of protecting the privacy of members. Finally

based on the asymmetric bargaining method

a electricity-carbon benefit distribution method based on the contribution degree of interactive products is proposed to achieve a reasonable benefit distribution of each VPP. The case analysis shows that the proposed method can effectively reduce the operating cost and carbon emission of the VPP

and realize the fair and reasonable distribution of VPP benefit while taking into account the economic and environmental benefits of VPPs.

关键词

Keywords

references

张云飞，周强，丁戈，等 . 考虑多源相关不确定性的乡村虚拟电厂自治优化运行［J］. 广东电力， 2023 ， 36 （ 10 ）： 47 - 56 .

ZHANG Yunfei ， ZHOU Qiang ， DING Ge ， et al . Autonomous optimal operation of rural virtual power plants considering multisource correlation uncertainties ［J］. Guangdong Electric Power ， 2023 ， 36 （ 10 ）： 47 - 56 .

康重庆，陈启鑫，苏剑，等 . 新型电力系统规模化灵活资源虚拟电厂科学问题与研究框架［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 18 ）： 3 - 14 .

KANG Chongqing ， CHEN Qixin ， SU Jian ， et al . Scientific problems and research framework of virtual power plant with enormous flexible distributed energy resources in new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 18 ）： 3 - 14 .

程松，周鑫，任景，等 . 面向新型能源体系的电力市场机制发展趋势研究［J］. 广东电力， 2023 ， 36 （ 11 ）： 29 - 40 .

CHENG Song ， ZHOU Xin ， REN Jing ， et al . Research on the trend of electricity market mechanism for new energy system ［J］. Guangdong Electric Power ， 2023 ， 36 （ 11 ）： 29 - 40 .

KARDAKOS E G ， SIMOGLOU C K ， BAKIRTZIS A G . Optimal offering strategy of a virtual power plant： a stochastic bi-level approach ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2016 ， 7 （ 2 ）： 794 - 806 .

周博，吕林，高红均，等 . 多虚拟电厂日前鲁棒交易策略研究［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 8 ）： 2694 - 2703 .

ZHOU Bo ， LÜ Lin ， GAO Hongjun ， et al . Robust day-ahead trading strategy for multiple virtual power plants ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 8 ）： 2694 - 2703 .

XU Z ， GUO Y ， SUN H B . Competitive pricing game of virtual power plants： models， strategies， and equilibria ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 6 ）： 4583 - 4595 .

周步祥，张越，臧天磊，等 . 基于区块链的多虚拟电厂主从博弈优化运行［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 1 ）： 155 - 163 .

ZHOU Buxiang ， ZHANG Yue ， ZANG Tianlei ， et al . Blockchain-based stackelberg game optimal operation of multiple virtual power plants ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 1 ）： 155 - 163 .

董雷，涂淑琴，李烨，等 . 基于元模型优化算法的主从博弈多虚拟电厂动态定价和能量管理［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 3 ）： 973 - 983 .

DONG Lei ， TU Shuqin ， LI Ye ， et al . A Stackelberg game model for dynamic pricing and energy management of multiple virtual power plants using metamodel-based optimization method ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 3 ）： 973 - 983 .

陈妤，卫志农，胥峥，等 . 电力体制改革下的多虚拟电厂联合优化调度策略［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 7 ）： 42 - 49 .

CHEN Yu ， WEI Zhinong ， XU Zheng ， et al . Optimal scheduling strategy of multiple virtual power plants under electricity market reform ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 7 ）： 42 - 49 .

侯昊宇，葛晓琳，曹旭丹 . 考虑碳交易的多虚拟电厂联盟博弈优化方法［J］. 电力系统及其自动化学报， 2023 ， 35 （ 3 ）： 77 - 85 .

HOU Haoyu ， GE Xiaolin ， CAO Xudan . Coalition game optimization method for multiple virtual power plants considering carbon trading ［J］. Proceedings of the CSU-EPSA ， 2023 ， 35 （ 3 ）： 77 - 85 .

沈思辰，韩海腾，周亦洲，等 . 基于条件风险价值的多虚拟电厂电-碳-备用P2P交易模型［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 18 ）： 147 - 157 .

SHEN Sichen ， HAN Haiteng ， ZHOU Yizhou ， et al . Electricity-carbon-reserve peer-to-peer trading model for multiple virtual power plants based on conditional value-at-risk ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 18 ）： 147 - 157 .

葛晓琳，曹旭丹，李佾玲，等 . 考虑风险与碳流动的多虚拟电厂优化运行方法［J］. 电力系统及其自动化学报， 2023 ， 35 （ 8 ）： 126 - 135 .

GE Xiaolin ， CAO Xudan ， LI Yiling ， et al . Optimal operation method for multiple virtual power plants considering risk and carbon flow ［J］. Proceedings of the CSU-EPSA ， 2023 ， 35 （ 8 ）： 126 - 135 .

KANG C Q ， ZHOU T R ， CHEN Q X ， et al . Carbon emission flow from generation to demand： a network-based model ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2015 ， 6 （ 5 ）： 2386 - 2394 .

张笑演，王橹裕，黄蕾，等 . 考虑扩展碳排放流和碳交易议价模型的园区综合能源优化调度［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 9 ）： 34 - 46 .

ZHANG Xiaoyan ， WANG Luyu ， HUANG Lei ， et al . Optimal dispatching of park-level integrated energy system considering augmented carbon emission flow and carbon trading bargain model ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 9 ）： 34 - 46 .

YAN X Y ， GAO C W ， MING H ， et al . Optimal scheduling strategy and benefit allocation of multiple virtual power plants based on general Nash bargaining theory ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2023 ， 152 ： 109218 .

PAN J ， LIU X O ， HUANG J J . Multi-level games optimal scheduling strategy of multiple virtual power plants considering carbon emission flow and carbon trade ［J］. Electric Power Systems Research ， 2023 ， 223 ： 109669 .

李翔宇，赵冬梅 . 分散架构下多虚拟电厂分布式协同优化调度［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 7 ）： 1852 - 1863 .

LI Xiangyu ， ZHAO Dongmei . Distributed coordinated optimal scheduling of multiple virtual power plants based on decentralized control structure ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 7 ）： 1852 - 1863 .

冯昌森，谢方锐，文福拴，等 . 基于智能合约的绿证和碳联合交易市场的设计与实现［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 23 ）： 1 - 11 .

FENG Changsen ， XIE Fangrui ， WEN Fushuan ， et al . Design and implementation of joint trading market for green power certificate and carbon based on smart contract ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 23 ）： 1 - 11 .

CUI S C ， WANG Y W ， XIAO J W . Peer-to-peer energy sharing among smart energy buildings by distributed transaction ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 6 ）： 6491 - 6501 .

YAN M Y ， SHAHIDEHPOUR M ， ALABDULWAHAB A ， et al . Blockchain for transacting energy and carbon allowance in networked microgrids ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2021 ， 12 （ 6 ）： 4702 - 4714 .

CHENG Y H ， ZHANG N ， ZHANG B S ， et al . Low-carbon operation of multiple energy systems based on energy-carbon integrated prices ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2020 ， 11 （ 2 ）： 1307 - 1318 .

袁桂丽，刘骅骐，禹建芳，等 . 含碳捕集热电机组的虚拟电厂热电联合优化调度［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 12 ）： 4440 - 4449 .

YUAN Guili ， LIU Huaqi ， YU Jianfang ， et al . Combined heat and power optimal dispatching in virtual power plant with carbon capture cogeneration unit ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 12 ）： 4440 - 4449 .

吴锦领，楼平，管敏渊，等 . 基于非对称纳什谈判的多微网电能共享运行优化策略［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 7 ）： 2711 - 2723 .

WU Jinling ， LOU Ping ， GUAN Minyuan ， et al . Operation optimization strategy of multi-microgrids energy sharing based on asymmetric Nash bargaining ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 7 ）： 2711 - 2723 .

仪忠凯，许银亮，吴文传 . 考虑虚拟电厂多类电力产品的配电侧市场出清策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 22 ）： 143 - 151 .

YI Zhongkai ， XU Yinliang ， WU Wenchuan . Market clearing strategy for distribution system considering multiple power commodities offered by virtual power plant ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 22 ）： 143 - 151 .

李畸勇，赵新哲，郑一飞，等 . 基于纳什谈判考虑能源共享的区域综合能源系统优化配置［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 5 ）： 22 - 32 .

LI Jiyong ， ZHAO Xinzhe ， ZHENG Yifei ， et al . Optimal configuration of a regional integrated energy system considering energy sharing based on Nash negotiation ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 5 ）： 22 - 32 .

WANG Q ， WU W C ， WANG B ， et al . Asynchronous decomposition method for the coordinated operation of virtual power plants ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2023 ， 38 （ 1 ）： 767 - 782 .

罗平，周濠炳，徐林，等 . 基于区间优化的冷热电联供型多微网日前优化调度［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 9 ）： 137 - 146 .

LUO Ping ， ZHOU Haobing ， XU Lin ， et al . Day-ahead optimal scheduling of multi-microgrids with combined cooling， heating and power based on interval optimization ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 9 ）： 137 - 146 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Current Status and Architecture Design of Standardization for Virtual Power Plants

Multi-time-scale Collaborative Optimization Strategy for Shared Storage Capacity Considering Coupling of Hydro-Electric Risk

Related Author

WANG Lei

XU Zhilong

YANG Chenyu

WANG Xuli

WANG Di

AI Qian

YU Tao

ZUO Juan

Related Institution

Anhui Province Key Laboratory of Renewable Energy Utilization and Energy Saving (Hefei University of Technology)

Grid Anhui Power Company Economic and Technical Research Institute

Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education (Shanghai Jiao Tong University)

State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company

State Grid Shanghai Energy Interconnection Research Institute Co., Ltd.

⁰