基于双向主从博弈的储能电站与综合能源系统经济运行策略_王灿.pdf

2023 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.13 第 38 卷第 13 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.221164 基于双向主从博弈的储能电站与综合能源系统经济运行策略 王 灿1,2 张 羽1 田福银1 席 磊1 凌 凯1（1.三峡大学电气与新能源学院 宜昌 443002 2.梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室（三峡大学）宜昌 443002）摘要 综合能源系统与储能电站在提高能源利用率方面具有显著优势，但如何建立综合能源系统与储能电站的协调优化策略是一个亟须解决的问题。为此，该文提出一种基于双向主从博弈的储能电站与综合能源系统经济运行策略。首先，在考虑储能电站作为用能主体和供能主体两重性的基础上分析了各主体间的博弈关系；其次，分别对综合能源系统、储能电站和主动配电网建立优化模型；然后，以主动配电网为领导者，储能电站为二级领导者，综合能源系统为跟随者，构建双向主从博弈模型，并从理论上证明该博弈存在唯一的均衡解；最后，通过算例仿真验证了所提策略能够有效地权衡综合能源系统、储能电站和主动配电网三者之间的利益关系，实现各主体间的利益均衡，提升系统整体的经济效益。关键词：综合能源系统 储能电站 双向主从博弈 经济运行 中图分类号：TM732 0 引言 随着“双碳”目标的提出，我国对能源利用率的要求在不断提高1。在这一背景下，综合能源系统（Integrated Energy System,IES）因其能实现多能互补，提高能源利用率而得到迅速发展2-3。IES 在充分调用内部资源之外，还通过与主动配电网（Active Distribution Network,ADN）、储 能 电 站（Energy Storage Power Station,ESPS）和天然气网等外部供能主体相连，有效地提高了 IES 供能可靠性4。然而，随着 ESPS 参与市场交易，如何实现 IES 与ESPS 间的经济运行是一个亟须解决的问题。而充分利用各主体间的利益关系进行博弈是实现 IES 与ESPS 经济运行的一条重要途径。IES 通常配置分布式储能，利用峰谷电价差来降低系统运行成本，同时储存新能源的余电5。但是，当前储能投资成本高，且 IES 规模不一使得储能的应用与发展受到严重限制，而将 ESPS 应用于IES 是解决这一问题的有效方法。文献6将 ESPS应用于 IES，构建了考虑不同时间尺度的双层优化模型。该模型在显著降低用户成本的同时节约了储能资源。文献7建立了一种含 ESPS 的综合能源系统调峰调蓄协调运行模型，该模型能够促进新能源消纳，最大程度地实现系统的削峰填谷。但是，上述成果仅将 ESPS 作为 IES 的辅助供能设施，未能发挥 ESPS 在参与 IES 优化过程中作为独立主体的趋利性。为解决这一问题，文献8建立了一种 ESPS参与调度决策的 IES 优化模型，该模型在实现 IES经济最优的同时兼顾了 ESPS 的利益。文献9提出一种基于组合双向拍卖的 ESPS 服务机制，该机制解决了能量交易过程中单向拍卖存在的垄断竞争问题。然而，上述研究未考虑 ESPS 作为用能主体和供能主体的两重性，无法充分发挥 ESPS 作为独立主体参与经济运行的主动性，直接影响了系统中各主体的经济效益。鉴于此问题，文献10提出了一种考虑 ESPS 和 IES 的“源-储-荷”多时间尺度协调运行策略，该策略能够更好地利用 ESPS 和 IES的快速调节能力，使系统运行成本达到最优。文献11提出了面向多类型储能系统、电转气设备和冷热电联产机组的多时间尺度协调运行模型，该模型能够提高系统用能效率，同时兼顾了系统的经济性。然而，上述研究未能利用 ESPS 与其他参 国家自然科学基金资助项目（52107108）。收稿日期 2022-06-20 改稿日期 2022-11-01 第 38 卷第 13 期 王 灿等 基于双向主从博弈的储能电站与综合能源系统经济运行策略 3437 与主体之间的博弈关系，未能充分发挥 ESPS 的参与潜能。针对多主体参与 IES 经济运行的研究，采用博弈理论能够有效地发挥各主体参与市场竞价的主动性，兼顾各主体的经济效益12。文献13提出一种基于主从博弈的 IES 分布式协同优化策略，该策略兼顾了用户用能成本和满意度。文献14-15针对运营商定价策略与产消者能量需求间的博弈关系，提出一种基于主从博弈的分布式能量管理方法。该方法有利于参与主体收益提升、系统负荷特性改善。然而实际的 IES 在运行中通常涉及多个利益主体，上述模型并没有充分考虑各个利益主体之间的差异性。针对上述问题，文献16提出一种考虑阶梯型碳交易的 IES 多主体博弈协同优化方法，该方法有效地兼顾了系统的经济性和环保性。文献17以分布式能源站为领导者，用户为跟随者，构建基于多主多从博弈的能源交易模型，该模型实现了 IES 中各主体利益均衡。然而，以上研究均是以传统的主从博弈结构对参与主体进行博弈分析，未考虑参与主体既作为跟随者又作为领导者的双重性，以及该情况下两个主体间同时存在的主从关系与竞争关系，缺乏调动各主体参与优化的积极性。针对上述问题，本文提出了一种基于双向主从博弈的ESPS与IES经济运行策略。该策略考虑ADN与 ESPS 之间存在的主从关系及竞争关系，构建了双向主从博弈经济运行模型，并从理论上证明了该博弈模型存在唯一的均衡解。该模型能够激发各主体参与协调运行的积极性，从而提升系统的整体经济效益。为求解上述模型，本文采用双层粒子群算法和 CPLEX 求解器求解。算例分析结果验证了本文所提经济运行策略的有效性和优越性。1 含 ESPS 和 IES 的系统结构及经济运行模型 1.1 含 ESPS 和 IES 的系统结构 含 ESPS 和 IES 的系统结构如图 1 所示，该系统内主要包含 IES、ESPS 和 ADN 等主体。各主体间相互连接，可进行能量交互，构成了一个可充分协调运行的多主体能源系统。各主体通过选择合理的竞价及能量交互策略，可有效提升系统的整体经济效益。图 1 中，IES 除自有机组供能外，还与 ESPS、ADN 相连，从而弥补功率缺额。其中，IES 包含电能和热能，其内部优先消纳新能源来满足负荷需求。图 1 含 ESPS 和 IES 的系统结构 Fig.1 Structure diagram of system with ESPS and IES 在 IES 出现功率余缺时，通过调节内部可控机组、调整负荷需求响应以及与外部供能主体进行能量交互来实现功率平衡。ADN 是 IES 的主要供能主体，拥有对下级用能主体的自主定价权，以此实现自身效益的最大化。ESPS 是 IES 的另一供能主体，同时也是 ADN 的用能主体，拥有向 IES 售电的自主定价权。ESPS 通过协调控制充电功率及电价参与到供能主体的竞争中，从而实现自身盈利。1.2 含 ESPS 和 IES 的系统经济运行模型 1.2.1 ADN 经济运行模型 ADN 是系统能量的主要来源，也是系统的领导者。ADN 以动态售电价格为决策变量，以最大运行效益为优化目标，其目标函数为 ADNIESESPS,cgridfCCC=+（1）式中，IESC为 ADN 与 IES 的功率交互收益；ESPS,cC为 ADN 与 ESPS 的功率交互收益；gridC为 ADN 与外部电网的功率交互成本。IESADNIES,ADN,b1TtttCP=（2）ESPS,cADNESPS,c1TtttCP=（3）gridgridADN1TtttCP=（4）式中，T为调度周期时段数；ADNt为 ADN 售电价格；IES,ADN,btP为 IES 与 ADN 间的交互功率；ESPS,ctP为ESPS 的充电功率；gridt为外部电网的售电电价；ADNtP为 ADN 从外部电网的购电功率。3438 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 为避免 ADN 与 ESPS 间在电价过低时产生恶意竞争，两者间的功率交互满足如下保护机制。()()ESPS,cESPS,cADNgridmax 0,signttttPP=（5）当ADNgrid0tt 时，ADN 的售电电价高于外部电网的售电电价，ADN 从外部电网买电再向 ESPS和 IES 售电存在利润空间，此时 ESPS 可以正常从ADN 买电；当ADNgrid0tt 时，ADN 的售电电价低于外部电网的售电电价时，ADN 从外部电网买电再向 ESPS 和 IES 售电将处于亏损状态，为避免 ESPS以低价从 ADN 购电后充电再以高价卖出，以恶意竞争的形式增加 ADN 的亏损，此时ESPS,c0tP=，ESPS不能从外部电网买电。ADN 在制定动态电价和进行能量交互时需满足 minADNmaxttt（6）IES,ADNIES,ADN,max0tPP（7）ESPS,maxESPS,cESPS,maxtPPP（8）ADNADN,max0tPP（9）式中，mint、maxt分别为最低、最高电价；IES,ADN,maxP为 ADN 与 IES 间的最大传输功率；ESPS,maxP为 ESPS的最大充、放电功率；ADN,maxP为 ADN 与外部电网间的最大传输功率。1.2.2 ESPS 经济运行模型 ESPS 根据 ADN 的动态电价，合理制定充电计划和电价策略，引导 IES 调整用能需求，实现电力系统的削峰填谷。ESPS 以最大运行效益为目标，其目标函数为 ESPSESPS,dESPS,cESPS,omfCCC=（10）式中，ESPS,dC为 ESPS 与 IES 的功率交互收益；ESPS,omC为 ESPS 的运行维护成本。ESPS,dESPSESPS,d1=TtttCP=（11）ESO,omESPSESPS,cCkC=（12）式中，ESPSt为 ESPS 的售电价格；ESPS,dtP为 ESPS 向IES 的放电功率；ESPSk为 ESPS 运行维护成本系数。ESPS 的自主定价及功率交互满足 minESPSmaxttt（13）ESPS,maxESPS,dESPS,maxtPPP（14）ESPS 的储能状态满足 ESPS,minESPSESPS,maxtEEE（15）ESPS,d1ESPSESPSESPS,cESPS,cESPS,dttttPEEPt=+（16）0ESPSESPSTEE=（17）ESPS,cESPS,cESPS,max0ttPP（18）ESPS,dESPS,dESPS,max0ttPP（19）ESPS,cESPS,d1tt+（20）ESPS,cESPS,d,0,1tt（21）式中，ESPStE为 ESPS 的电量；ESPS,minE、ESPS,maxE分别为 ESPS 容量的最小值、最大值；ESPS,c、ESPS,d分别为 ESPS 的充、放电效率；ESPS,ct和ESPS,dt分别为ESPS 的充、放电状态量。1.2.3 IES 经济运行模型 具有良好的经济效益是推广 IES 广泛应用的前提。因此，本文以 IES 最大运行效益为目标，其目标函数为 IESxefuelomq=fCCCCC+（22）式中，xC为用电效用函数；eC为 IES 的购售电成本；fuelC为 IES 的燃料成本；omC为 IES 的运行维护成本17；qC为削减热负荷和热能损耗造成舒适度下降的惩罚费用。()2xee1TtttCaPbP=+（23）2eminIES,ADN,sloss11=()TtttttiitiCPPP=+（24）gCHPfuelgloss1gCHPtTttPCWH=+（25）2qqloss1()TtttCQQ=+（26）式中，etP为调整后的电负荷功率；a、b为用电效用函数的参数，其中a=0.05，b=418；1t、2t分别为 ESPS、ADN 的电价；IES,ADN,stP为 IES 向外部电网售电功率；1tP、2tP