碳 - 绿证耦合市场下计及 V2G 的虚拟电厂协同优化研究

摘要：在双碳目标的要求下，国内新型电力系统加速建设，为促进分布式新能源高效利用，本文提出一套融合安科瑞云边协同管控设备与 AcrelEMS3.0 智慧能源平台的虚拟电厂优化调度方案，模型引入碳市场与绿证市场耦合交互机制，同时考虑电动汽车 V2G 双向充放电资源。研究依托安科瑞感知终端、ACCU 边缘协同控制器搭建源荷一体化数据采集网络，建立虚拟电厂内各类分布式资源数学模型与柔性负荷响应模型，利用蒙特卡洛方法预测电动汽车集群可调功率区间；构建阶梯碳交易与绿证联合市场模型，基于平台内置碳绿证核算单元设计跨市场量化转换机制；以虚拟电厂整体运行总成本最小作为优化目标，建立 MILP 混合整数线性规划调度模型，模型可对接安科瑞能源平台调度指令下发接口，实现算法到现场设备的闭环控制。多场景算例仿真结果表明，安科瑞整套能碳管控软硬件体系可支撑该调度策略落地，能够同时实现虚拟电厂运行经济性与低碳效益提升，量化分析了电动汽车充放电策略、渗透率、碳价与绿证价格对系统运行指标的影响规律。

关键词：绿证；碳交易；市场耦合；虚拟电厂；V2G；优化调度；AcrelEMS3.0；云边协同

0 引言

伴随着 “双碳" 战略持续推进，我国新型电力系统建设与电力市场化改革稳步落地。虚拟电厂（VPP）通过聚合光伏、风电、储能、电动汽车、柔性可控负荷等分散式能源资源，参与电网调度以及碳、绿证市场交易，是推动能源低碳转型的重要技术载体。大量分布式能源与电动汽车并网后，源端与负荷侧功率波动问题加剧，亟需数字化感知与协同调控装备实现精细化资源管控。安科瑞 AcrelEMS3.0 虚拟电厂综合管控平台采用端 - 边 - 云三层架构，覆盖数据采集、优化计算、控制指令下发全流程，为虚拟电厂参与碳与绿证双市场交易提供软硬件底层支撑。

图1 虚拟电厂结构图

近年来国内电动汽车保有量快速增长，V2G 双向充放电具备巨大调节潜力，但无序充电行为会放大电网峰谷差，推高虚拟电厂碳履约成本。现阶段多数虚拟电厂调度研究往往只侧重经济收益优化，或是简单叠加碳、绿证市场约束，存在两处明显短板：其一，缺少工程化硬件方案实现电动汽车集群、风光、储能的实时数据同步采集；其二，碳市场与绿证市场的协同减排潜力未被充分挖掘，跨市场转换量化模型缺少落地载体。安科瑞 AcrelEMS3.0 平台集成绿证统计、阶梯碳成本自动计算模块，搭配 AM5SE 系列并网保护装置、APView 电能质量监测仪表、ACCU 边缘控制器等硬件，打通两个市场的数据壁垒，实现碳配额、绿证存量实时核算与跨市场价值换算。

图2 安科瑞智慧能源管理系统

现有文献大多单独研究碳交易或者绿证交易下的虚拟电厂调度策略，缺少两类市场动态耦合的量化模型，同时缺少可落地的工程软硬件配套方案。本文创新点总结如下：

1. 将安科瑞全套源荷感知、边缘控制、云端能碳管理软硬件嵌入虚拟电厂建模全过程，形成可工程实施的调度软硬件一体化方案；

2. 根据碳、绿证实时价格定义市场转换系数，构建两类市场动态耦合量化模型；

3. 考虑电动汽车对应的碳减排、绿证双重配额，结合安科瑞有序充放电控制算法完成 V2G 资源优化调度。

1 虚拟电厂架构及安科瑞配套软硬件体系

1.1 虚拟电厂整体架构

本文研究的虚拟电厂聚合资源包含光伏、风机、微型燃气轮机、储能系统、电动汽车集群以及常规柔性负荷，依托安科瑞全链路测控硬件与 AcrelEMS3.0 云端平台搭建三层协同调控体系。

终端感知层（端）：分布式电源并网侧部署 AM5SE-IS 防孤岛、防逆流保护装置，搭配 APView500 电能质量在线监测设备；储能柜配置 ARTM 无线测温传感器与 APM520 多功能电力仪表；V2G 充电桩接入安科瑞智能充电终端，持续采集电动汽车充放电功率、SOC、出行相关数据；负荷侧依靠智能仪表采集可转移、可中断负荷实时功率。

表格

边缘控制层（边）：站点部署 ACCU-100 协调控制器、Acrel-2000MG 微网控制器。在本地完成毫秒级功率平衡控制、防逆流逻辑、电动汽车有序充放电调控，缓存风光出力、电动汽车出行原始数据，在网络中断时独立执行基础调度策略，保障现场安全稳定运行。

表格

云端平台层（云）：AcrelEMS3.0 虚拟电厂管控平台，集成风光功率预测、电动汽车集群可调潜力计算、阶梯碳成本核算、绿证收益统计、碳绿证换算、优化求解六大核心模块，对接碳交易、绿证、需求响应市场，将优化后的调度指令下发至边缘控制器执行。

1.2 分布式单元数学模型（适配安科瑞数据采集逻辑）

1.2.1 光伏发电模型

光伏输出功率受光照强度、组件倾角、装机容量共同影响。安科瑞 AGF 光伏汇流采集装置采集逆变器交直流功率，上传至边缘控制器，结合辐照、温度实时数据更新出力预测，支撑日前调度计算。

1.2.2 风力发电模型

风机出力大小由风速决定，箱变侧 AM6-PWC 测控装置采集风机有功、无功功率，同步上传风速与机组运行状态。

1.2.3 储能系统模型

模型包含储能充放电功率约束与 SOC 荷电状态约束。安科瑞 ARTM 温度传感器监测储能汇流排温度，APM520 仪表采集充放电功率；ACCU 控制器在本地限制储能充放电上下限，防止电池过充、过放；云端平台结合分时电价、碳价优化储能充放电时段，同步实现峰谷套利与减排优化。

1.2.4 电动汽车集群聚合模型

电动汽车行驶里程、入网及离网时间服从对数正态分布。

安科瑞充电桩终端采集单台电动汽车接入时间、初始 SOC、预期离网电量；AcrelEMS3.0 平台采用闵可夫斯基加法聚合算法，快速求取电动汽车集群整体可调功率上下限，替代传统离线蒙特卡洛模拟，提升计算效率，得到各时段集群调节能力模型。

1.2.5 柔性负荷响应模型

构建可转移负荷、可中断负荷约束方程。安科瑞多功能仪表采集基础负荷实时功率，AcrelEMS3.0 内置需求响应测算模块，根据电网补贴、碳履约成本，自动调整负荷转移与中断时段，在用电高峰削减高碳负荷，低谷释放柔性用电，平滑整体负荷曲线。

2 碳 - 绿证耦合交互机制（AcrelEMS3.0 内置核算模块）

2.1 阶梯碳交易模型

平台自动核算虚拟电厂各单元碳配额：AM5SE、APM 系列仪表采集光伏、燃气轮机、电动汽车实时功率，平台代入区域电网排放因子、燃油车基准碳排放，自动计算时段碳排放量；阶梯碳交易成本采用分段函数形式，嵌入目标函数，碳价可手动设置或同步市场实时报价。

2.2 绿证交易模型

根据风电、光伏发电量核算绿证配额；同时建立燃气轮机、电动汽车充电对应的绿证配额计算公式。AcrelEMS3.0 平台依据光伏、风机实时出力，按照单位发电量绿证转换系数，自动统计每日绿证持有量，自动计算买卖绿证带来的收益。

2.3 碳 - 绿证耦合交互机制（平台核心换算单元）

依托碳市场、绿证市场实时价格定义转换系数。AcrelEMS3.0 内置独立运算单元，完成绿证折算为碳减排量、跨市场存量更新。流程：

1. 现场终端采集设备采集虚拟电厂内风光、燃气机组、电动汽车功率，平台核算原始碳排放量与绿证存量；

2. 接入碳、绿证市场实时报价，自动求解市场转换系数 k；

3. 根据调度优化目标，确定绿证转化数量，更新折算后碳排放与剩余绿证数量；

4. 将耦合后的碳成本、绿证收益代入优化目标函数，生成出力方案下发 ACCU 边缘控制器执行。

3 虚拟电厂优化调度模型及软硬件协同求解流程

3.1 目标函数

以虚拟电厂综合运行成本最小为目标。各项成本均可依托安科瑞采集终端的实时数据自动计算：购电成本读取分时电价；碳交易成本由阶梯碳核算模块输出；绿证交易收益由平台绿证台账统计；电动汽车 V2G 充放电成本、碳及绿证收益由充电桩采集数据计算；需求响应费用由平台负荷调控记录统计。

3.2 约束条件

包含功率平衡约束、各设备出力上下限、储能约束、电动汽车 V2G 充放电约束、碳绿证转换约束。安科瑞硬件提供物理闭环保障：AM5SE 保护装置限制风光、燃气轮机出力上限；ACCU 控制器本地锁定储能与 V2G 充放电功率，防止下发越限指令；APView 监测并网点功率，规避反向送电，保障功率平衡。

3.3 模型软硬件协同求解流程

本文模型属于 MILP 混合整数线性规划，采用云端算法求解 + 边缘设备就地执行的架构。

1. 数据上传（端→边→云）：AM5SE、APView、V2G 充电桩、储能采集终端将风光、负荷、EV、电价、碳 / 绿证价格上传 ACCU 边缘控制器，转发至 AcrelEMS3.0 云端平台；

2. 平台建模求解：平台搭载 YALMIP+CPLEX 求解器，加载调度模型、碳绿证耦合模块，求解风光出力、储能充放电、V2G 功率、绿证转换量；

3. 指令下发（云→边→端）：云端优化结果下发至站点 ACCU 协调控制器，就地调整逆变器、储能 PCS、充电桩输出功率，AM5SE 系列保护装置兜底设备安全；

4. 数据闭环反馈：终端采集调控后的运行数据回传平台，滚动更新下一阶段预测与调度方案。

4 算例分析（基于安科瑞 AcrelEMS3.0 仿真环境）

4.1 参数设置

算例基础参数保持不变，仿真底层基于 AcrelEMS3.0 虚拟电厂仿真模块，接入 1000 台电动汽车模拟充电桩采集数据；风光、储能、燃气轮机参数匹配硬件额定限值；设定碳价 50 元 /t，绿证单价 70 元 / 本，设计 5 组对比场景。硬件按工程实际配比部署：10kV 并网点配置 AM5SE-F 线路保护、AM5SE-IS 防孤岛；0.4kV 侧配置 APView400 电能质量监测；储能配套 ARTM 测温；电动汽车全部搭载安科瑞 V2G 双向充电桩。

4.2 仿真结果分析

4.2.1 多场景指标对比

场景 5（碳绿证耦合 + 需求响应）综合成本降低，新能源消纳率达到 100%。该场景中 AcrelEMS3.0 有序充放电、需求响应模块充分发挥作用，ACCU 边缘控制器快速响应负荷转移、EV 放电指令，硬件毫秒级调控减小弃风光区间。对比无市场耦合模型场景，安科瑞碳绿证换算模块可降低碳交易成本 1024.8 元，验证市场耦合机制带来的经济效益。

4.2.2 场景 5 设备调度与负荷分析

平台输出需求响应、可中断负荷、虚拟电厂各单元出力仿真曲线。ACCU 控制器在 01:00-07:00、23:00-24:00 低谷时段下发 EV 与储能充电指令；用电高峰（08:00-11:00、18:00-22:00）控制电动汽车放电、储能释能，削减可中断负荷，实现削峰填谷，显著平滑负荷曲线。

4.2.3 电动汽车策略与渗透率影响

依托安科瑞 V2G 双向充电桩硬件实现有序充放电，相比无序充电模式，系统综合成本明显下降。电动汽车渗透率由 20% 提升至 100% 时，平台调度更多电动汽车参与放电，替代高碳燃气轮机出力，碳履约成本持续降低，绿证收益增加。平台集群数据采集能力支持上千台电动汽车协同调控，不存在数据延迟瓶颈。

5 结论

本文基于安科瑞端边云一体化能碳管控软硬件，搭建碳市场与绿证市场耦合的虚拟电厂调度模型。相比不考虑市场耦合、无数字化调控的方案，系统综合运行成本下降，绿电占比、风光消纳率得到提升，这套软硬件一体化体系可以支撑虚拟电厂低碳经济运行落地。

依托安科瑞 V2G 充电桩与边缘协调控制器，实现电动汽车集群有序双向充放电，充分挖掘电动汽车对应的碳、绿证双重减排价值，有效平抑电网峰谷差，减少燃气等高碳机组出力。

AcrelEMS3.0 平台集成碳绿证换算、阶梯碳核算、有序充电、需求响应模块，能够跟随碳价、绿证价格变化自动更新调度策略，适配多种市场价格场景。

本文仅完成仿真验证，后续可依托安科瑞园区光储充示范工程开展现场实测，进一步研究面向电动汽车用户参与调度的差异化激励策略与配套硬件控制方案。