基于博弈论的多主体综合能源系统优化方法

• 作 者: 王海洋
• 出 处: 山东大学
• 发表日期: 2020年01期
• 基金项目: 国家自然科学基金创新研究群体项目“新能源发电与高效节能系统优化控制理论、技术与应用（项目编号:61821004）”； 国家自然科学基金重点项目“多主体综合能源系统分布式优化控制理论与方法（项目编号:62133008）”； 国家自然科学基金重点项目“新能源冷热电联供系统一体化设计与优化控制（项目编号:61733010）”；

能源是人类生存和发展的重要物质基础,攸关国计民生和国家安全。现阶段能源结构极不合理,电、热、气等供能系统单独设计、单独规划、独立运行,彼此间缺乏协调,既不科学又不经济,传统能源系统亟待转型。综合能源系统能够利用先进信息与控制技术,对区域内冷、热、电、气多种能源的产生、传输、转换、存储、交易等环节进行有机协调与优化,有助于实现能源的高效综合利用和多元化供给,提高用能效率,已成为能源革命的必然选择。然而,综合能源系统本质上是一类强耦合、非线性、多维度的复杂异构系统,工况灵活多变、信息物理融合、异质多能流耦合等诸多特性使得系统的容量配置、运行调度和市场交易等优化问题都极其困难。特别是随着能源市场的改革和系统规模的扩张,综合能源系统的多主体特性尤为明显,不仅需关注整体最优性,而且需兼顾个体公平性,这无疑加剧了优化问题的复杂度。为此,本文关注综合能源系统的多主体特性,综合运用博弈论方法,围绕综合能源系统的容量配置、运行策略、交易机制等几个方面开展研究。本文开展的主要工作包括:（1）考虑综合能源系统中能源形式的时空差异和供能环节的耦合联系,按照由局部到整体的思路,从三个层面对综合能源系统的多主体关系进行研究,分别是:能源站内多能互补、能源站间协同互联、供需交易多层互动。分析各主体的利益关系和决策的先后顺序,建立不同的博弈模型来描述各个层面的优化问题。进而采用分层级的建模思想,建立能源站内设备单体模型、能源站的能源集线器分部模型和综合能源市场分层模型,为后续研究系统容量配置、运行调度以及市场交易奠定模型基础。（2）针对能源站中供能方式多样化、利益关系多元化的特征,提出了一种基于博弈论的能源站多主体容量优化方法。将新能源（源）、热电联供（供）和压缩空气储能（储）子系统的运营商作为参与者,设备容量作为优化策略,选择净现值为效用函数,建立能源站“源-供-储”多主体容量配置的博弈模型。证明了竞争关系下非合作博弈纳什均衡的存在性,采用最优响应算法求解;并探讨了联盟关系下15种合作博弈的可行性,采用Shapley值法处理合作过程中联盟的利益分配问题。算例仿真表明,所有参与者完全合作是最优的容量配置方案,不仅能够达到与集中优化一样的整体最优,还能使个体收益的分配更加公平。（3）考虑容量配置与运行策略之间的耦合作用,提出一种能源站单阶段一体化联合优化方法,与传统容量-运行两阶段优化方法相比,具有较快的计算速度和精度。进而,考虑不同位置的能源站自然禀赋和用能需求差异,将该方法推广至多能源站互联的综合能源系统,提出一种基于Nash议价博弈的多能源站容量-运行一体化优化方法。相邻的能源站通过讨价还价达成合作,优化交易剩余能,实现能量在时间和空间上的转移。最后,该博弈模型通过交替方向乘子法求解,在保证能源站效益分配公平的前提下最小化综合能源系统成本,实现多能源站联合规划和协同运行。（4）针对能源站与用户之间的分层互动结构,将综合能源销售商作为领导者,能源站运营商和用户作为跟随者,建立一主多从的综合能源系统双层交易模型。通过理论推导证明了所提博弈模型存在唯一的Stackelberg均衡,进而采用遗传算法和二次规划相结合的算法求解,实现销售商定价策略、能源站出力计划和用户需求响应的同时优化。最后,通过算例分析,所提的综合能源系统主从博弈模型有助于分析不同决策主体间的交互过程,通过价格信号引导能源站出力计划和调整用户的用能计划,让供能更经济、用能更合理。（5）在双层交易模型的基础上进一步考虑了多个能源站之间的竞价行为,建立综合能源市场三层博弈交易机制。将综合能源市场的交易划分为横纵两个维度,将能源站（站）-负荷聚合商（售）-社区用户（荷）之间的纵向交易描述为双循环主从博弈模型,多个能源站横向的竞价描述为非合作博弈模型。设计了一种分布式算法求解该复合博弈模型,通过KKT条件和凸化处理,将三层模型初步转化为双层混合整数二次规划模型,进而通过分层迭代算法求解。结果表明,该方法既能保护参与者的隐私又能提高收敛速度,最终实现综合能源系统“站-售-荷”协同共赢。综上所述,本文围绕综合能源系统多主体容量配置、运行策略和市场交易开展研究,形成了“源-供-储”多能互补、多能源站协同互联、“站-售-荷”协同共赢的博弈框架,提高系统整体经济性的同时兼顾个体的公平性,为综合能源系统的发展建设提供理论和技术支撑。