基于改进纳什议价方法的多微网能源交易机制设计方法

摘要

本发明公开一种基于改进纳什议价方法的多微网能源交易机制设计方法，包括以下步骤：步骤Ⅰ：建立多微网运行框架与多微网市场交易模型；步骤Ⅱ：根据多微网运行框架和多微网市场交易模型，建立微网数学模型；步骤Ⅲ：根据微网数学模型，通过改进纳什议价方法，对各微网的运行收益进行分配。本发明以各微网非合作博弈下的运行成本作为谈判崩裂点，建立多微网合作运行模型，利用纳什议价理论对各微网的收益进行分配，并给出模型求解流程。进行算例仿真结果表明，本发明能反映微网间交易的竞争程度，有效减少各微网的运行成本、减少对主网的影响，且相比传统纳什议价与Shapley值分配方案，本发明能够鼓励各微网参与合作。

说明书

技术领域

本发明属于电力市场交易优化技术领域，涉及一种基于改进纳什议价方法的多微网能源交易机制设计方法。

背景技术

随着化石能源日益枯竭、可再生能源大规模开发以及自然环境逐渐恶化，并网型微网系统已成为分布式能源领域的重要研究方向之一。微网技术能有效解决大规模分布式电源并网，减少对电网运行带来的冲击，逐渐成为未来能源关键技术之一。然而，传统独立式微网调节能力有限，无法对可再生能源进一步消纳。多微网技术能实现微网间的能源互补利用，在提高可再生能源消纳率、降低系统运行成本、减少对主网的功率交互、增添系统备用容量等方面均有显著优势。由于微网内光伏装置、储能设备、灵活负荷的作用，微网表现出“源荷二重性”，可参与电力市场中的能源交易。但是多个微网参与电力市场交易会面临竞争博弈、交易结算等问题，如何构建一套科学合理的多微网能源交易机制已成为多微网能源市场的热点。

在博弈论的框架下，微网间能源交易的研究方法主要可分为合作博弈与非合作博弈。其中，合作博弈中参与者通过签订强制性合约产生“合作剩余”，该方式侧重提高联盟整体的收益。具体技术为：由于每个微网内部的可再生电源(风机、光伏等)、发电机组、热泵等设备的型号、参数以及出力存在差异，相邻微网通过电力联络线互联，能够实现彼此间的功率互传，进一步消纳每个微网独立运行时未能消纳的可再生能源，有效避免大量“弃风”、“弃光”等现象。这类技术本质上属于集中式优化管理，其难点在于合作后的收益分配。收益分配机制对微网能量进行优化管理至关重要，目前大多关于多微网协同运行的技术研究利用Shapley值、纳什议价以及核仁法等对参与合作的成员进行收益分配，但是由于分配机制设计的不合理性，将导致微网参与合作的积极性不高、电力市场交易机制、可再生能源消纳率过低以及大电网峰谷差增加的稳定性差等问题。

发明内容

本发明针对微网间交易过程中的竞争现象，综合考虑储能装置、可再生能源、切负荷、内部交易等因素，目的在于提出一种基于改进纳什议价方法下的多微网能源交易机制设计方法，能够有效改善多微网参与协同运行的积极性，为多微网的能源交易问题提供有效参考方案，克服现有技术中可再生能源消纳率过低以及大电网峰谷差增加的稳定性差的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于改进纳什议价方法的多微网能源交易机制设计方法，包括以下步骤：

步骤Ⅰ：建立多微网运行框架与多微网市场交易模型；

步骤Ⅱ：根据多微网运行框架和多微网市场交易模型，建立微网数学模型；

步骤Ⅲ：根据微网数学模型，通过改进纳什议价方法，对各微网的运行收益进行分配。

本发明进一步的改进在于，多微网运行框架包括：能源交易市场，能源交易市场包括电网、微网群交易中心以及微网群；微网与主网进行功率交互，也参与微网间的能源交易。

本发明进一步的改进在于，当微网内净功率大于零时，需向主网或其余微网购电，此时的微网为购电微网；当微网内净功率小于零时，需向主网或其余微网售电，此时的微网为售电微网；当微网内净功率等于零时，微网无需参与能源交易，此时微网为平衡微网。

本发明进一步的改进在于，微网交易的二重性为：设购电微网、售电微网以及平衡微网的数量分别为n

本发明进一步的改进在于，根据微网交易的二重性，分析多微网间的交易过程，建立多微网市场交易模型：

设一天分为T个时段，假定电网采取分时电价，且电网侧的售电价高于购电价，考虑微网间电价设置的合理性，则一天中第t个时段电网侧与微网间的购、售电价满足：

式中，

设微网总数为n个，则一天中第t个时段微网间的购、售电价进一步表示为：

式中，

结合式(1)-(3)推出多微网市场交易模型：

本发明进一步的改进在于，通过以下过程建立微网数学模型：

假定微网由负荷、可再生能源、储能设备以及能源交易端组成；针对微网的负荷、风机、储能设备、切负荷、电能交易以及收益进行建模，从而建立微网数学模型；

建立风机模型：设一天中第t个时段微网i的风电补贴与弃风成本分别表示为：

式中，γ

建立储能模型：假定所有微网的储能设备均为蓄电池；设一天中第t个时段微网i的蓄电池使用成本为：

式中，

设一天中第t+1个时段微网i蓄电池的容量为：

式中，η

为了维持蓄电池的使用寿命，设置如下约束：

式中，

建立切负荷模型：假定微网具有一定切负荷的能力，设第t个时段微网i的切负荷成本与相应约束为：

式中，γ

建立与主网交互模型：设第t个时段微网与主网交互功率为

式中，

建立微网间功率交互模型：

假定各微网一天中每时段购售方式由净功率决定，当一天中某时段净功率大于/小于/等于0时，认为该时段微网为购电/售电/平衡微网；设一天中第t个时段微网i与参与市场交易的微网的交易成本与相应约束为：

式中，

本发明进一步的改进在于，步骤Ⅲ的具体过程为：

当每个微网独立参与市场竞争时，目标函数为每个微网日运行收益最大，设第i个微网的目标函数为：

第i个微网的约束条件包括各微网内功率平衡与市场交易平衡：

当所有微网参与合作时，目标函数为所有微网运行收益总和最低，具体表示为：

通过式(23)计算得到所有微网内优化后的变量，进一步对各个微网收益进行分配；

本发明进一步的改进在于，若采用Shapley值法各个微网收益进行分配，则一天内第i个微网的运行收益表示为：

式中，S

本发明进一步的改进在于，以各微网独立参与市场交易的收益作为谈判崩裂点分配方法如下：

式中，

本发明进一步的改进在于，将式(25)分解为两个凸的子问题，利用IPOPT求解器进行求解，其中，两个子问题依次为：

式中，

与现有的技术相比，本发明具有的有益效果：本发明的多微网动态电价交易机制设计方法能反映微网间交易的竞争程度，即购售电价与微网间的购售电量成正比；相比于传统每个微网独立与主网进行交互，本发明建立的多微网能源交易模型能有效减少各微网的运行成本、减少对主网的影响；相比传统纳什议价与Shapley值分配方案，本发明能够有效鼓励各微网长期参与协同运行，促进相邻微网间进行电力交易，进一步维持电力市场中各交易主体参与电力交易的稳定性。同时也能有效减少所有微网的运行成本，提高可再生能源的消纳率，降低对大电网的功率交互影响，提高大电网的运行可靠性，为多微网能源交易的技术人员提供了一套科学可行的参考方案。

进一步的，本发明为一套科学合理的多微网间的能源交易机制。通过建立多微网运行框架，基于动态电价建立了多微网市场交易模型，与传统纳什议价方法不同的是，本发明以各微网非合作博弈下的运行成本作为谈判崩裂点，建立多微网合作运行模型，利用改进纳什议价方法对各微网的收益进行分配，并给出模型求解流程，实现对各微网的收益分配。仿真结果表明：本发明能反映微网间交易的竞争程度，有效减少各微网的运行成本、减少对主网的影响。

附图说明

图1为多微网能源交易框架。

图2为微网内部能流图。

图3为一天内各微网风电与负荷预测曲线。

图4为一天内各微网净负荷曲线。

图5为本发明下一天内各微网内设备优化运行曲线。

图6为本发明下微网群内部购售电价优化结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体算例对本发明作进一步详细说明。

本发明针对微网间交易过程中的竞争现象，综合考虑储能装置、可再生能源、切负荷、内部交易等因素，提出一种科学合理的基于改进纳什议价方法下的多微网能源交易机制，建立多微网运行框架，基于动态电价建立了多微网市场交易模型，能够有效改善多微网参与协同运行的积极性，为多微网的能源交易问题提供有效参考方案。

与传统纳什议价方法不同的是，本发明以各微网非合作博弈下的运行成本作为谈判崩裂点，建立多微网合作运行模型，利用改进纳什议价方法对各微网的收益进行分配，并给出模型求解流程。

本发明主要包括以下步骤：

步骤Ⅰ：建立多微网运行框架与多微网市场交易模型；

步骤Ⅱ：根据多微网运行框架，建立市场交易机制背景下的微网数学模型；

步骤Ⅲ：针对各微网进行协同运行的收益分配问题，设计改进纳什议价方法，得到各微网的收益进行分配；

步骤Ⅳ：进行算例仿真分析；

具体地，本发明包括以下过程：

步骤Ⅰ：建立多微网运行框架与多微网市场交易模型；

(1)多微网能源交易框架组成：

参见图1，本发明提出的多微网能源交易框架包括：能源交易市场，能源交易市场由电网、微网群交易中心以及微网群。微网不仅能与主网进行功率交互，也能参与微网间的能源交易。

(2)微网交易二重性分析：

由于微网内含有可再生能源，其具有交易二重性：当微网内净功率大于零时，需向主网或其余微网购电，此时的微网为购电微网；当微网内净功率小于零时，需向主网或其余微网售电，此时的微网为售电微网；当微网内净功率等于零时，微网无需参与能源交易，此时微网为平衡微网。

(3)多微网间的交易过程设计：

由于微网间竞争博弈时存在某些微网竞争力薄弱的现象，提出微网参与交易前可与其它微网进行合作，通过签订合约确定交易策略与收益分配。当各微网确定是否与其余微网进行合作后，各微网或微网联盟将一天内的购、售电量发送至交易中心，由交易中心进行买卖匹配，匹配完成后将交易出清量进行公示。

(4)交易竞争分析：

设购电微网、售电微网以及平衡微网的数量分别为n

(5)根据微网交易的二重性分析多微网间的交易过程，建立多微网市场交易模型：

设一天可分为T个时段，假定电网采取分时电价，且电网侧的售电价高于购电价。微网群与主网进行功率交互会被“价格套利”，而微网群可通过设置微网间的购、售电价提高收益。考虑微网间电价设置的合理性，则一天中第t个时段电网侧与微网间的购、售电价应满足：

式中，

为反映微网间的博弈竞争关系，本发明规定微网间的交易电价采用动态电价机制。根据市场交易中买方与卖方的特性：当交易市场中购电总量较大时，微网间的购电价将上升；当交易市场中售电总量较大时，微网间的售电价将会下降。设微网总数为n个，则一天中第t个时段微网间的购、售电价可进一步表示为：

式中，

结合式(1)-(3)可推出多微网市场交易模型：

步骤Ⅱ：建立微网数学模型

参见图2，假定微网由负荷、可再生能源、储能设备以及能源交易端组成。针对微网的负荷、风机、储能设备、切负荷、电能交易以及收益进行建模，进一步构建多微网市场交易机制。

(1)风机模型的建立：

风机依赖自然界中的风能进行发电，但大规模弃风导致微网可再生能源利用率下降。设一天中第t个时段微网i的风电补贴与弃风成本分别表示为：

式中，γ

(2)储能模型的建立：

储能设备能实现电能的时空转移，假定所有微网的储能设备均为蓄电池。设一天中第t个时段微网i的蓄电池使用成本为：

式中，

设一天中第t+1个时段微网i蓄电池的容量为：

式中，η

为了维持蓄电池的使用寿命，设置如下约束：

式中，

(3)切负荷模型的建立：

由于各微网内部没有发电机组，为了维护微网内部功率平衡，假定微网具有一定切负荷的能力。设第t个时段微网i的切负荷成本与相应约束为：

式中，γ

(4)与主网交互模型的建立：

设第t个时段微网与主网交互功率为

式中，

(5)微网间功率交互模型的建立：

为防止微网价格套利，假定各微网一天中每时段购售方式由净功率决定。当一天中某时段净功率大于/小于/等于0时，认为该时段微网为购电/售电/平衡微网。设一天中第t个时段微网i与参与市场交易的微网的交易成本与相应约束为：

式中，

步骤Ⅲ：设计改进纳什议价方法

传统纳什议价方法以各微网独立运行下的收益作为谈判崩裂点，进一步对各微网的收益进行结算。但是，这种方法存在局限性：(1)未考虑各微网参与市场交易的情境；(2)某些微网单独参与市场竞争获得的收益可能比在传统纳什议价方法下分配得到的收益高。针对以上两个问题，本发明提出的改进纳什议价方法如下：

(1)确定谈判崩裂点：

当每个微网独立参与市场竞争时，目标函数为每个微网日运行收益最大，设第i个微网的目标函数为：

第i个微网的约束条件在式(1)-(3)、(9)-(11)、(13)、(15)以及(17)-(19)的基础上，还应考虑各微网内功率平衡与市场交易平衡：

在上述目标函数与约束条件的基础上，多个微网间的交易竞争问题属于非合作博弈范畴，该博弈问题具体描述为如下。

博弈参与者为各个参与微网交易市场的交易商，表示为N＝{1,2,…,n}。

每个参与者的策略包括与其他参与者、主网的购售电量、储能设备出力以及切负荷量，第i个参与者的策略表示为s

第i个参与者在选择策略s

该博弈问题的具体解决步骤如下：

1)输入多微网系统的数据与信息，获取微网用户负荷与可再生能源预测曲线。

2)根据各微网的净负荷确定交易模式：当某时段净负荷大于零，认为该时段交易商售电；当某时段净负荷小于零，认为该时段交易商购电。

3)设定各微网间的购售电量初始值。

4)针对微网i，利用内点法求解式(20)最大值下的策略

5)在更新交易商i策略的基础上，与步骤4)类似，依次求解所有交易商的最优策略与对应收益。若所有交易商的策略不再变化，输出所有交易商策略的Nash均衡解；否则，返回步骤4)。

(2)基于合作博弈的Shapley值法：

当所有微网参与合作时，可运用合作博弈理论分析，目标函数为所有微网运行收益总和最低，具体表示为：

式(23)可计算得到所有微网内优化后的变量，进一步需要对各个微网收益进行分配。若采用Shapley值法分配，则一天内第i个微网的运行收益可表示为：

式中，S

(3)基于合作博弈的改进纳什议价分配方法：

多个微网在优化总运行收益最大时，为实现整体目标函数最优，可能存在个别微网牺牲自身利益的现象。为此，需要进一步探讨一套科学合理的收益分配机制，维持各微网参与协同运行的积极性。本发明提出改进纳什议价方法对各微网的运行收益进行分配，该方法能同时满足对称性、帕累托最优、独立与无关选择以及线性变换不变性四个性质，以各微网独立参与市场交易的收益作为谈判崩裂点，所建立的模型具体表示为：

式中，

考虑到式(25)为非凸非线性问题，将其分解为两个凸的子问题，利用IPOPT求解器进行求解，所分解的子问题依次为：

式中，

步骤Ⅳ：进行算例仿真分析

以4个微网的场景作为算例进行仿真，每个微网配有风机与储能设备，各微网与主网相连，且每个微网间可通过联络线实现功率互传。各微网间、微网与主网间的功率交互极限分别为100kW、150kW；切负荷上限为150kW，切负荷成本为5元/kW；所有储能设备的额定容量为300kWh，初始容量为60kWh，充放电功率极限为60kW，允许容量上下限分别为270kWh与60kWh，单位充放电成本为2元/kW。将一天为24小时作为研究周期，电网一天内的电价如表1所示。每个微网一天中的风机出力、负荷预测曲线与净负荷曲线分别见图3与图4。

表1 电网分时电价

为了验证本发明模型的有效性，设定以下四种模式进行对比分析。

模式1：所有微网内部不进行电能交易；

模式2：各微网独立进行电能交易，不考虑微网间的合作现象；

模式3：所有微网进行合作博弈，采用Shapley值法进行分配；

模式4：本发明所提基于合作博弈的改进纳什议价模型。

通过在MATLAB平台上进行仿真，模式1～4下的各微网的日运行优化收益如表2所示：

表2 模式1至模式4下各微网日运行优化收益

通过表2可以发现：本发明所构建的内部交易电价模型能有效提高各微网的运行收益。这是因为相比于模式1下直接与电网进行交易，模式2下买方微网与卖方微网通过内部电价进行交易均能使彼此获利。模式3下各微网协同合作提高了所有微网的收益，但是并不一定所有微网均会参与合作，相比于独立参与市场竞争(模式2)，MG2～MG4的收益分别提高了13.7％、7.95％、12.1％，而MG1的收益减少了26.86％，从而导致MG1更倾向于独立参与市场竞争，破坏了合作的积极性。而本发明所提出的改进纳什议价分配方法(模式4)使得所有MG的收益相比各微网独立参与市场交易的情况均提高了126.69元，这与纳什议价理论的数学推导一致，进一步验证了所提方法的有效性。对于每个微网来说，MG1～MG4的收益分别提高了3.87％、2.68％、2.54％、4.27％，有利于维持微网群进行长期合作。

模式4下一天中各微网间的交互功率、与电网交互功率、储能设备出力以及切负荷优化结果参见图5，模式4下一天中内部购售电价优化结果如图6所示。

针对电力市场环境下多微网能源交易问题，提出基于改进纳什议价方法的多微网交易模型，具体以下优点：

(1)各微网通过内部电力交易能够有效提高各微网的运行收益，促进多微网系统就地消纳系统净电功率，减少与主网的功率交互。

(2)所提出的购、售动态电价模型能够反映各微网参与市场的竞争程度，更贴合实际电力市场下的场景。

(3)所提出的改进纳什议价模型通过对比非合作博弈与合作博弈两种情境下各微网的收益，能很好地权衡各个微网的收益，维持微网群长期合作的积极性。