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发布：2026-06-11 · 事件：2026-06-11 07:17:37

来源： 《中国电力》2026年第5期 引用本文： 李娜, 张强, 郝艺, 等. 电碳耦合市场下虚拟电厂与配电网协同优化运行模型[J]. 中国电力, 2026, 59(5): 86-96. LI Na, ZHANG Qiang, HAO Yi, et al. Coordinated optimization operation model of virtual power plant and dis...

电力系统双碳贸易环保

来源： 《中国电力》2026年第5期 引用本文： 李娜, 张强, 郝艺, 等. 电碳耦合市场下虚拟电厂与配电网协同优化运行模型[J]. 中国电力, 2026, 59(5): 86-96. LI Na, ZHANG Qiang, HAO Yi, et al. Coordinated optimization operation model of virtual power plant and distribution network in the electricity-carbon coupled market[J]. Electric Power, 2026, 59(5): 86-96. DOI:  1 0.11930/j.issn.1004-9649. 202512012 摘要 针对电碳耦合环境下虚拟电厂（virtual power plant，VPP）与配电网协同优化面临的高维非线性、隐私保护及计算效率难题，提出一种基于上镜图理论的分布式协同运行模型。首先，构建涵盖新能源机组与碳捕集系统的电碳耦合市场框架及多元分布式能源模型；其次，建立双层数学模型，上层旨在实现虚拟电厂电碳市场综合效益最大化，下层通过优化购电与碳配额成本实现系统成本最小化；最后，利用上镜图理论通过函数转化与等效投影建模，将原问题转化为高效的分布式求解形式，在保障各主体隐私的同时突破非线性约束瓶颈。仿真结果表明，在IEEE 33节点系统中，相较于传统的双层模型求解，总运行收益提升3.04%，与此同时，所提方法不仅提高了计算效率，还有效保护了各主体的隐私。 研究背景 随着“双碳”目标不断推进以及可再生能源渗透率提升，电力系统正面临深度低碳化与高比例清洁能源接入的双重挑战。在这一背景下，虚拟电厂作为整合分布式能源、储能和灵活负荷的重要平台，能够在电力市场与碳交易市场中扮演积极角色，配电网运营商（distribution system operator，DSO）作为系统运行的关键主体，要统筹协调分布式资源与电网安全约束，保障电能与碳交易在配电层面的有序开展。因此，VPP与DSO的协同优化运行，对于提升系统经济性与低碳性、推动电碳市场高效运作具有重要意义。 随着低碳转换设备与多市场机制的深度集成，系统建模趋于高维化与复杂化，如何在保障求解效率的同时兼顾多主体的隐私安全，成了当前亟待突破的瓶颈。具体而言，在电碳耦合市场环境下，VPP与DSO协同优化运行仍面临诸多挑战：1）系统模型具有高维度、强非线性及多主体约束特征，导致优化问题复杂度显著增加；2）涉及VPP与DSO等多方数据交互，存在隐私保护与计算效率的矛盾。目前，传统的双层优化与迭代求解方法往往收敛速度慢、运算压力大，且要求参与主体上报详尽的内部物理模型与成本参数，难以满足大规模配电网的实时应用需求，并存在严重的隐私泄漏风险。 针对上述问题，提出虚拟电厂与配电网协同运行模型。首先，先构建电碳耦合市场运行框架，整合新能源机组、碳捕集系统等多元分布式能源并建模；然后，将VPP电碳市场运营策略转化为量化双层数学模型，上层以VPP电-碳市场综合效益最大化为目标，下层以系统总运营成本最小化为目标，同时明确各层约束条件；最后，引入上镜图理论对双层目标函数进行函数转化与等效投影建模，实现对本文双层模型的求解。 电碳耦合市场下多VPP协同运行框架与建模 本文VPP运行框架整合多元能源资源与转换设备，构建多能流协同的能源供给体系，以实现电-热负荷的高效匹配及低碳化运行，如图1所示。其从能源输入、转换、存储与负荷分配维度运行，接入电网作为基础电能补充与交互主体，协同光电、风电注入清洁电能，纳入燃煤机组保障稳定基荷输出，形成“清洁-传统”能源互补输入格局。燃煤机组配套碳捕集系统捕集 CO 2 ，一方面降碳，另一方面 CO 2 输入电转气（power to gas，P2G）设备，与过剩电能耦合转化为天然气，构建“电-气”能源转换链路，同时燃气机组消纳天然气，经热电联产或纯发电模式输出电、热能，燃气锅炉专注热能生产，强化热能供给灵活性与可靠性。 图1   VPP运行框架 Fig.1   VPP operation framework 为实现VPP在电碳市场环境下的高效运营，构建双层协同优化的电碳市场运营策略框架，如图2所示。上层作为VPP协同决策层，以电力市场与碳交易市场的总体收益最大化为目标，统筹调度VPP内分布式能源、储能等资源，合理参与电力现货交易、辅助服务市场及碳配额与碳减排量交易，协同考量电-碳多能流交互与收益耦合关系；下层为市场出清层，聚焦系统购电与碳配额成本最小化目标，基于上层决策输出的资源调度需求与市场价格信号，在满足配电网潮流约束、碳交易履约规则等条件下，通过优化电能量采购渠道与碳配额获取方式，形成上下层闭环反馈的协同机制，在保障VPP参与电碳市场收益最优的同时，实现系统运营成本精细化控制，助力电碳市场协同下的能源-环境-经济多目标平衡。 图2   VPP参与电碳市场运营策略 Fig.2   Operation strategy of VPP in the electricity-carbon market 算例分析 算例与参数设置 本文基于IEEE 33节点配电网开展仿真研究，网络拓扑结构如图3所示，在18号节点集中部署一个参与电碳市场耦合的VPP，该VPP包含4 MW风电和3 MW光电新能源机组、2 MW燃煤机组、1.2 MW碳捕集系统（捕集效率85%）、1 MW燃气机组，同时配置0.8 MW电转气设备（转化效率65%）、1 MW储能装置（充放电效率92%）以及1.2 MW燃气锅炉，系统设计峰值电负荷9.5 MW、热负荷3.5 MW，电力现货价格波动区间0.3~0.8元/(kW·h)，碳配额价格范围200~450元/t；碳核算因子如表1所示。 图3   IEEE 33节点网络拓扑 Fig.3   Network topology of the IEEE 33 bus system 表1   碳核算因子参数 Table 1  Carbon accounting factor parameters 为对比分析不同市场参与模式与求解方法的性能差异，设置3类仿真场景。 场景1：为基准场景，VPP仅参与电量市场，不考虑碳交易约束，通过优化电力市场效益最大化，来用于验证碳市场参与对VPP运行策略与经济性的影响。 场景2：为对照场景，VPP同时参与电量市场与碳交易市场，需在满足碳配额约束的前提下优化电-碳协同运行策略，方法采用KKT条件转化求解。 场景3：为所提方法验证场景，VPP同样参与电量市场与碳交易市场，求解采用基于上镜图理论的优化方法。 结果分析 VPP优化调度的基础参数预测结果分析 为支撑VPP多场景下的协同优化决策，首先基于历史运行数据与数值天气预报信息，完成新能源机组出力及电、热负荷的日调度预测，预测时间尺度为24 h，时间间隔1 h，如图4所示。 图4   VPP负荷以及风光出力日前预测 Fig.4   Day-ahead forecasts of VPP load, wind power and PV power outputs 电力现货价格与碳配额价格的日时段预测结果如图5所示，电价高峰时段与低谷时段价差显著，最大价差达0.5元/(kW·h)，这一波动特征符合电力市场“以需定价”的基本规律，也为VPP制定峰谷套利策略提供了价格激励；热负荷高峰时段价格较凌晨低谷时段高250元/t，反映出碳市场对高排放行为的成本约束作用，同时也为VPP优化碳捕集系统运行创造了空间。 图5   电价和碳配额价格预测结果 Fig.5   Forecast results of electricity price and carbon allowance price 结论 本文针对电碳耦合市场环境下VPP与配电网协同优化面临的挑战，提出了一种基于上镜图理论的VPP与配电网协同优化模型。通过算例仿真，得到以下结论。 1）构建了电碳市场运行框架和双层优化模型，上层以虚拟电厂的综合效益最大化为目标，下层以配电网总运营成本最小化为目标，形成了电力市场与碳市场耦合下的协同运行机制。 2）通过引入上镜图理论，将复杂的高维非线性问题转化为等效低维投影模型，实现了在一次交互中完成分布式协同优化，不仅提高了计算效率，还有效保护了各主体的隐私。 3）相较于传统方法，所提模型在运行成本降低、运行收益提升及碳减排效果方面均展现出更优表现，总运行收益提升约3.04%，碳排放亦得到一定改善。 本研究未纳入碳税、新能源消纳考核等多元因素，模型对复杂实际场景的适配性仍应深入研究。 作者简介 李娜 李娜（1991），女，硕士，工程师，从事电力系统调度自动化研究，E-mail：camera_23@sina.com； 张强（1980），男，博士，高级工程师，从事电力系统调度自动化研究，E-mail：zq8027@163.com； 吴冠男（1986），男，助理研究员，从事新能源并网技术与新型电力系统宽频动态研究，E-mail：wuguannan722@163.com。 注：本文内容呈现略有调整，如需要请查看原文。 往期回顾 ◀  《中国电力》2026年第5期抢先看 ◀  广东电网有限责任公司 曾瑞江 等｜数据稀缺场景下的配电网异常数据检测方法 ◀  国网冀北电力有限公司 王泽森 等｜虚拟电厂协同的自适应二次调频策略 ◀  西华大学 随泽远 等｜基于门控脉冲神经P系统模型的概率负荷预测 ◀  国网江苏省电力有限公司 唐佳杰 等｜考虑无人机恢复临时通信的有源配电网故障恢复策略 ◀  “面向新型电力系统安全稳定运行的多元负荷可调能力与互动关键技术”专题征稿启事 ◀  “超高比例新能源系统电力电量置信平衡机制及多类型电源概率化规划技术”专题征稿启事 ◀  “‘双碳’目标下支撑能源转型的电价市场化改革与价格监管”专题征稿启事 ◀  “电力电子化电力系统故障控制与保护关键技术”专题征稿启事 编辑： 许新雨 校对： 于静茹 审核：张红宪 声明 根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编《中国电力》编辑部的作品，转载时要包含本微信号名称、二维码等关键信息，在文首注明《中国电力》原创。个人请按本微信原文转发、分享。欢迎大家转载分享。