基于主从博弈的园区综合能源系统双层优化控制方法

摘要

本发明公开了一种基于主从博弈的园区综合能源系统双层优化控制方法，包括：建立上层能源服务商收益模型目标函数及约束条件；建立下层能源用户收益模型目标函数及约束条件；建立以能源价格为信号的运行调控模型；上层优化问题以能源服务商年盈利最大为目标，对设备容量和运营策略进行优化，降低了能源用户峰值负荷，减少了能源服务商的配置运行成本；下层优化问题是考虑能源用户主体特征的用能策略优化问题，以能源用户年用能费用最低为目标，减少用户负荷的峰谷差，根据上层能源服务商制定的能源价格，对能源用户的用能策略进行优化。本发明对能源设备的容量及运行调度进行优化，提升园区综合能源系统优化控制的经济性，通过能源价格信息调控能源用户的用能策略，降低能源用户的用能成本。

说明书

技术领域

本发明涉及园区综合能源系统领域，尤其涉及一种基于主从博弈的园区综合能源系统双层优化控制方法。

背景技术

近年来，环境问题和能源危机日益凸显，可再生能源发电、能源梯级利用和多能互补技术得到了大力发展和推广。作为一种能够有效提升能源利用率、充分消纳可再生能源的能源承载形式，综合能源系统受到广泛关注。分布式发电和多能源设备的利用使得供能系统进一步向用户侧靠近，因而，作为综合能源系统基础和主要应用形式之一，园区综合能源系统在各地区得到了快速建设和发展。园区综合能源系统涉及电、气、热不同能源环节，多由综合能源服务商负责建设和运营。能源用户作为终端能源消费者，接受综合供能服务，同时其用能行为也反过来影响着综合能源服务商的建设和运营策略。从经济性角度来看，园区综合能源系统中园区能源服务商和能源用户的行为都倾向于使自身利益最大化，进而影响着园区综合能源系统中的能流分布特性，由此对能源设备的容量配置提出了新的要求。

因此，需要构建考虑能源服务商与能源用户的不同主体利益及博弈行为的园区综合能源系统控制方法。

发明内容

本发明提供了一种基于主从博弈的园区综合能源系统双层优化控制方法，本发明解决目前园区综合能源系统的配置和运行大多基于单一主体，没有考虑园区综合能源所涉及的不同主体利益及博弈行为对配置方案影响的问题，将园区的能源服务商和能源用户考虑为参与主体，对能源设备的容量及运行调度进行优化，以提升园区综合能源系统控制方案的经济性，同时通过能源价格信息调控能源用户的用能策略，降低能源用户的用能成本，详见下文描述：

一种基于主从博弈的园区综合能源系统双层优化控制方法，所述方法包括：

建立上层能源服务商收益模型目标函数及约束条件；

建立下层能源用户收益模型目标函数及约束条件；

建立以能源价格为信号的运行调控模型；

采用KKT条件将下层优化问题转化为上层优化问题的约束条件进行优化，采用线性规划中的强对偶条件将目标函数里的非线性项线性化，最后得到单层混合整数线性规划，对能源设备的容量及运行调度进行优化；

所述上层优化问题是考虑能源服务商主体特征的园区综合能源系统优化控制问题，以能源服务商年盈利最大为目标，对设备容量和运营策略进行优化，降低了能源用户峰值负荷；

所述下层优化问题是考虑能源用户主体特征的用能策略优化问题，以能源用户年用能费用最低为目标，减少用户负荷的峰谷差，根据上层能源服务商制定的能源价格，对能源用户的用能策略进行优化。

其中，所述上层约束条件包括：

功率平衡约束：

式中：

能源定价约束：

式中，

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、园区综合能源系统所含能源服务商与用户的博弈会显著改变双方的供用能行为，直接影响园区能源系统的运行策略，是园区综合能源系统在配置阶段需要考虑的重要影响因素之一；

2、本发明所提的方法考虑了能源服务商和能源用户的博弈行为，降低了能源用户峰值负荷，减小了园区能源服务商初始投资经济压力；

3、本发明所提的方法可以通过能源价格信息调控用户的用能行为，减少用户负荷的峰谷差，降低用户的用能成本。

附图说明

图1为园区综合能源系统的示意图；

图2为基于主从博弈的园区综合能源系统双层优化控制方法的示意图；

图3为典型日数据示意图；

图4为分时电价示意图；

图5为能源服务商经济性对比示意图；

图6为能源用户经济性对比示意图；

图7为场景一电价示意图；

图8为场景一热价示意图；

图9为场景一过渡季电能平衡图；

图10为场景一过渡季热能平衡图；

图11为场景二过渡季电能平衡图；

图12为场景二过渡季热能平衡图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

目前，影响园区综合能源系统控制方案的主要有三类因素，分别是：不确定性因素，设备运行因素和能源价格因素。不确定因素包括了风、光等间接性可再生能源出力不确定性和用户负荷不确定性；设备运行因素主要是热电联产机组、储能设备等能源设备在实际运行阶段与配置预想阶段的运行情况偏差；能源价格因素主要是电力价格和天然气价格对园区能源设备容量配置的影响。

基于上述目的，本发明实施例提供了一种基于主从博弈的园区综合能源系统双层优化控制方法。

本发明实施例所研究的园区综合能源系统示意图如图1所示。所述的基于主从博弈的园区综合能源系统双层控制方法，上层是考虑能源服务商主体特征的园区综合能源系统优化控制问题，以能源服务商年盈利最大为目标，对设备容量和运营策略进行优化；下层是考虑能源用户主体特征的用能策略优化问题，以能源用户年用能费用最低为目标，根据上层能源服务商制定的能源价格，对能源用户的用能策略进行优化。

上层将能源服务商制定的能源价格下发至下层对能源用户的负荷进行调控，能源用户根据该能源价格对自身用能策略进行优化，并将用能策略上传至上层，上层能源服务商根据能源用户用能策略对控制方案进行优化，最后得到主从博弈均衡解下的ICES(园区综合能源系统)控制方案和能源用户用能策略的调控方案。

步骤101：建立上层能源服务商收益模型目标函数及约束条件

上层能源服务商目标为年盈利最大，其中包括：售能收益、等年值配置成本和运行维护成本：

max C

式中，C

售能盈利由其向能源用户出售电、热能源所得收益构成，计算公式如下：

式中：

配置成本用于对多能设备和可再生能源设备进行容量配置，本发明实施例通过配置等年值成本对C

式中：y为系统规划周期；r为资金折现率；Cap

运行维护成本由三部分组成：配电网购电费用，配气网购气费用和设备维护费用，计算公式如下：

式中：

其中，上层能源服务商约束条件主要包含了：能源设备约束，功率平衡约束和能源定价约束。

1)热电联产机组约束

热电联产机组通过消耗天然气产生电能和热能，其约束为：

式中：

2)光伏

光伏出力主要受其安装容量和光照强度所影响，其约束为：

式中：

3)燃气锅炉约束

燃气锅炉通过消耗天然气产热，其约束为：

式中：

4)电热锅炉

电热锅炉通过消耗电能产热，其约束为：

式中：

5)储能设备约束

电储能设备和热储能设备充放能功率在一定范围内连续可调，储能量不超过储能上下限，充能和放能不能同时进行，并在一个调度周期内将存储的能量释放完，避免长期存储带来的能量损耗。给出ESS(电储能设备)约束，HSS(热储能设备)约束可类比ESS约束，在此不再赘述。

式中：

6)功率平衡约束

能源服务商向能源用户提供电、热能源，须满足以下功率平衡约束：

式中：

步骤二：建立能源用户收益模型目标函数及约束条件

能源用户根据能源服务商制定的能源价格调整自身用能策略，最小化用能成本，其年用能成本如下所示：

对于能源用户来讲，可将负荷分为刚性负荷和柔性负荷。刚性负荷不受价格影响，柔性负荷则是对能源价格敏感的可转移负荷，即可根据能源服务商制定的能源价格从价格峰值阶段转移到价格谷时阶段。

式中：

步骤三：建立能源价格调控模型

能源服务商与能源用户博弈过程中，为保证能源用户的利益，还需对能源服务商制定的能源价格进行约束，使其制定的能源平均价格不得高于能源供应商能源售价的平均价格，具体表述如下：

式(14)和式(16)分别为能源服务商售电价格和售热价格上下限约束，

步骤三：求解双层控制模型

考虑到本发明实施例构建的双层控制模型求解难度，本发明实施例首先采用KKT条件将下层优化问题转化为上层优化问题的约束条件进行优化，然后采用线性规划中的强对偶条件将目标函数里的非线性项线性化，最后得到单层混合整数线性规划问题。

1)下层优化问题KKT条件

下层优化问题的KKT条件为：

其中，表达式“a⊥b”表示a和b为互补关系，两者最多只能一个为非0变量，另一个为0。

2)互补约束线性化

互补约束(18)-(21)为非线性、非凸约束，本发明采用大M法(该方法为线性规划里的公知方法，本发明实施例对此不做赘述)对其进行线性化，得到以下约束：

其中，

3)目标函数线性化

目标函数(1)中含有非线性项，因能源用户目标函数为线性规划问题，其对偶问题最优值与原问题最优值相等，得到如(31)所示的下层能源用户目标函数的对偶问题：

将式(31)代入式(1)可得：

最后，得到约束条件为(5)和(22)-(30)，目标函数为(32)的单层混合整数线性规划问题，其最优解构成了综合能源服务商和能源用户的主从博弈下的园区综合能源系统控制方案。

对于本发明的实施例，选取中国北方某园区综合能源系统，能源用户为电热耦合用户，基于能源服务商对园区能源系统多能设备和可再生能源设备进行容量配置。其中园区的多能设备为热电联供机组，燃气锅炉，电热锅炉，电储能设备和热储能设备；考虑到可再生能源分布特点和安装便捷性，可再生能源设备的容量配置主要是对光伏进行容量配置，相关参数如参见表1。考虑到园区综合能源系统全年实际运行情况，选取过渡季、夏季和冬季典型日的光照数据和负荷数据，各典型日电/热负荷曲线及光照强度如图3所示，配电网对能源服务商采用分时电价，如图4所示。天然气价格为2.53元/m

场景1：考虑能源服务商与能源用户博弈的园区综合能源系统优化控制；

场景2：不考虑能源服务商与能源用户博弈的园区综合能源系统优化控制。

优化控制结果如表2所示，在设备容量配置方面，场景一中以天然气为原料的热电联供机组和燃气锅炉配置容量高于场景二，以电驱动的电热锅炉配置容量低于场景二，光伏容量低于场景二中的容量，电储能设备和热储能设备容量都比场景二低。下面将从经济性和运行效果的角度对规配置方案的差异性做出说明。

对于能源服务商经济性来讲，由图5可知，与场景二相比，场景一中能源服务商的等年值投资成本减少了44.16万元，降幅为19.00％；从配电网的年购电成本增加了4.92万元，增幅为1.44％；从配气网的年购气成本增加了16.21万元，增幅为4.65％；年维护成本减少了1.93万元，降幅为3.06％。

对于能源用户经济性来讲，由图6可知，与场景二相比，场景一中的能源用户年购电费用降低了28.03万元，购热费用增加2.64万元，总费用降低25.39万元。其原因是考虑能源服务商与能源用户博弈行为后，能源用户根据能源服务商制定的园区能源价格调整自身的用能策略，如图9和图10所示，能源用户在园区能源价格峰时阶段将柔性负荷转移到价格谷时阶段，以降低其用能成本。

运行效果方面，考虑能源服务商和能源用户博弈行为后，场景一中能源服务商制定如图7、图8所示的能源价格引导调控能源用户用能，对比图9和图11、图10和图12可以看出能源用户在能源服务商的价格信号的调控下，在园区能源价格峰值时刻减少电、热用能负荷。对比图9和图11可知，能源服务商将园区电价峰值时刻设定在19:00-21:00，该时段能源用户减少用电负荷，电储能设备减少出力，所需电储能设备配置容量降低，即能源服务商通过能源价格引导，将能源用户的柔性负荷作为储能资源加以利用，通过减少在负荷峰值时段的收益，降低在电储能设备和热储能设备的容量配置成本。

从图7和图8给出的能源服务商能源价格曲线可以看出，园区综合能源系统控制方案考虑能源服务商与能源用户博弈行为后，能源服务商将峰值能源价格制定在EC负荷峰时阶段，主要有两方面原因，一方面原因是在负荷峰时阶段获取更多的收益，另一方面原因是引导能源用户将峰时柔性负荷转移至能源价格谷时阶段，降低ICES设备容量配置成本。值得一提的是，在图8夏季典型日，能源服务商为了促使能源用户用热将热价制定为热价下限，而能源用户夏季典型日热负荷为0。

表1系统设备参数

表2配置结果对比

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。