一种计及源-网-荷-储多方主从博弈的综合能源系统优化运行方法

摘要

本发明公开了一种计及源‑网‑荷‑储多方主从博弈的综合能源系统优化运行方法，包括以下步骤：建立了考虑源‑网‑荷‑储多方主从博弈的综合能源系统模型，引入光热电站联合风电、光伏等新型能源设备为主要出力对象，利用主从博弈方法处理多个决策商的收益问题，并且采用NSGA‑Ⅱ结合智能求解器对该模型进行求解。本发明通过博弈论的方法将模型中的综合能源系统划分为能源运营商、能源供应商、负荷聚合商、储能商，通过四方博弈优化其运行并且提高系统的经济性，具有实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种计及源-网-荷-储多方主从博弈的综合能源系统优化运行方法，考虑了用户侧电、热、冷、气多种能源负荷及用能满意度情况，同时对于系统中源侧新能源设备的出力不确定性进行模糊处理，属于综合能源系统经济运行技术领域。

背景技术

随着双碳目标的实施，以风、光等为代表的新能源发电将迎来爆发式增长和高比例接入，为适应新能源发电的随机性、波动性、间歇性等特征，储能也会大规模接入。以绿色发展为目标，实现对环境的减排减碳的综合能源系统(Integrated Energy Systems，IES)成为社会能源领域进步的重要一环。在源侧接入光伏、风电协同光热电站(ConcentratingSolar Power,CSP)等新型能源生产设备，打破了“以热定电”的刚性约束，实现了光-热-电的能量转化，同时有效的解决了弃风弃光现象。IES有效减少化石能源的生产设备使用，增大集中式，分布式新能源接入比例，形成电、气、冷、热多能源互联互动，源-网-荷-储多主体协同互动，同时加强大电网和气网的有效联合，实现清洁能源的产供销一体化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计及源-网-荷-储多方主从博弈的综合能源系统优化运行方法，将综合能源系统分为能源运营商、能源供应商、负荷聚合商、储能商四个主体，并且以各自的收益最大化为优化目标，利用主从博弈的方法将能源运营商作为领导者，其他三个为跟随者，构建一主三从的主从博弈关系。针对原始方法处理综合能源系统的过程中，双层优化方法较为普遍且在系统出现多个利益主体的情况时很难实现利益共赢，而主从博弈补缺了双层优化的弊端，针对多个主体的利益进行实时互动直至达到均衡解。在模型的求解过程中使用利用NSGA-Ⅱ联合CPLEX求解器，在提高系统稳定性的同时，很好的提高了经济性。

本发明目的采用以下技术方案实现：

一种计及源-网-荷-储多方主从博弈的综合能源系统优化运行方法，包括以下步骤:

步骤1：分析综合能源系统中光热电站及多种新能源设备的出力特点；

步骤2：建立关于“源-网-荷-储”四方主从博弈模型，根据约束条件，构建出综合能源系统优化运行数学模型，给出综合能源系统中四方博弈主体运行收益相对最大的目标函数；

步骤3：采用NSGA-Ⅱ结合CPLEX智能求解器，对步骤2的综合能源系统模型中的最优成本问题进行求解，得出优化运行各新能源设备的出力最优解和目标函数值。

进一步地，步骤1具体为：在源侧接入光伏、风电协同光热电站(ConcentratingSolar Power,CSP)等新型能源生产设备，打破了“以热定电”的刚性约束，实现了光-热-电的能量转化，同时有效的解决了弃风弃光现象。CSP通过光场吸收光能，并在储热系统(Thermal Energy Storage,TES)将光能转化为热能存储备用。TES中的热能一部分传递至发电系统进行热-电转化，一部分用于热负荷的需求响应。为保证储热系统稳定安全运行，通常将电加热器(Electric Heater,EH)配合TES协同运行。此外，电转气设备(power togas,P2G)通过将二氧化碳作为原料，消纳富裕的风电、光伏等新能源，是减碳系统中必不可少的装置。在负荷侧，充分考虑电、气、冷、热4种负荷及其综合需求响应。源侧，将能源运营商(Energy Operator,EO)作为领导者，能源供应商(Energy Supplier,ES)作为跟随者；在荷侧，将多能运营商作为领导者，负荷聚合商(Load aggregator,LA)作为跟随者,储能商(Energy Storage Supplier,ESS)同时考虑负荷侧的可转移、可削减、可替换负荷需求响应的影响。

进一步地，步骤2中综合能源系统联合CSP及CCHP等能源转换设备对系统内电、气、冷、热能进行高效供应，同时储能系统对实现区域能源生产与消费平衡、能源备用以及提高系统灵活性起着重要作用。此外，为促进能源消纳，提高综合能源系统的经济性，建立关于“源-网-荷-储”四方主从博弈模型。涉及的目标函数有：

“网侧”能源运营商：

“源侧”能源供应商：

“荷侧”负荷聚合商：

“储侧”储能商：

式中：C

于此建立了一种涉及综合能源系统“源-网-荷-储”主从博弈模型。以网侧能源运营商为领导者制定实时能源价格信息策略，作为跟随者能源供应商根据价格信息调整自身机组出力情况，负荷聚合商响应价格策略调整自身用能，储能商则精准实时调整能源投切量。四方博弈参与者在追求各自利益最大化的过程中无法单独改变自身策略集来谋取更大的利益，有利于提升系统的供需平衡。

进一步地，采用NSGA-Ⅱ结合CPLEX智能求解器，对步骤2的综合能源系统模型中的最优成本问题进行求解，得出优化运行各新能源设备的出力最优解和目标函数值。相关内容如下：利用NSGA-Ⅱ联合CPLEX智能求解器对该主从博弈模型进行求解，可以有效降低复杂度和提高求解速度及精度。在进行博弈的过程中，NSGA-Ⅱ只需制定、传递和调整价格信息，用户侧更新并传递用能需求信息。不同的主体只需更换价格和能源需求信息，并且各自的决策目标严格保密。于此，该方法有效的将决策变量和策略集进行一定程度的分离，有利于分别优化，具体求解方法步骤如下：

1)首先初始化参数信息，领导者在能源价格的区间内随机生成第一代购入和售出的电、热、冷、气价格种群；

2)荷侧跟随者根据能源价格种群信息，调整决策目标进行寻优，将寻优后的策略集即参与综合需求响应的负荷信息反馈给领导者；

3)源侧跟随者根据领导者所颁发的能源需求信息和购入能源价格，综合设备运行状态衡量出力情况，并对决策目标进行寻优；

4)领导者将“源荷储”各主体反馈回来的设备出力情况和多能负荷信息结合第一代的电、热、冷、气价格信息作为下一代种群；

结合三个主体的决策目标，对种群不断进行选择、交叉、变异，更新迭代直至达到最终的博弈均衡后停止。

主从博弈包含三个基本要素：参与者N、策略集L和效用F。

参与者：本发明建立的博弈模型包含能源运营商(EO)、能源供应商(ES)、负荷聚合商(LA)、储能商(ESS)四个参与者。

策略集：EO策略集为L

其中，P

效用：四个主体的目标决策分别为式(1)、(2)、(3)、(4)的目标函数，即收益达到均衡状态。

在本发明建立的源荷双侧主从博弈中达到纳什均衡，需具备以下约束条件：

即

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明方法通过利用主从博弈方法处理多个决策商的收益问题，将综合能源系统划分为能源运营商、能源供应商、负荷聚合商、储能商四个决策商并且采用NSGA-Ⅱ结合智能求解器对该模型进行求解，在保证系统安全运行的同时，降低了其运行成本，提高了系统的整体收益。

附图说明

图1为本发明模型图；

图2为源-网-荷-储多方博弈流程图；

图3为用户侧四种负荷数据；

图4为风电、光伏和CSP电站光场收集热量的预测值；

图5为四个决策商收益曲线；(a)为能源运营商收益曲线；(b)为储能商收益曲线；(c)为能源供应商收益曲线；(d)为负荷聚合商收益曲线；

图6为电、热、冷、气能供应设备出力情况；(a)为系统中电能供应设备出力情况；(b)为系统中热能供应设备出力情况；(c)为系统中冷能供应设备出力情况；(d)为系统中气能供应设备出力情况；

图7为电、热、冷、气负荷综合需求响应总量；

图8为电、热、冷、气负荷实时价格信息。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

为实现综合能源系统“源-网-荷-储”多方主从博弈的经济优化运行。其中电、热、冷、气四种负荷需求量由CSP机组、CCHP机组、P2G设备EH、ER以及储能系统提供。将综合能源系统收益主体进行划分，在保证系统整体收益的情况下提高各侧收益。利用主从博弈的方法处理利益冲突问题，并采用NSGA-Ⅱ结合智能求解器对各侧模型进行求解。包括以下步骤：

步骤1：分析综合能源系统中光热电站及多种新能源设备的出力特点；

在源侧接入光伏、风电协同光热电站等新型能源生产设备，打破了“以热定电”的刚性约束，实现了光-热-电的能量转化，同时有效的解决了弃风弃光现象。CSP通过光场吸收光能，并在储热系统将光能转化为热能存储备用。TES中的热能一部分传递至发电系统进行热-电转化，一部分用于热负荷的需求响应。为保证储热系统稳定安全运行，通常将电加热器配合TES协同运行。此外，电转气设备通过将二氧化碳作为原料，消纳富裕的风电、光伏等新能源。

步骤2：建立关于“源-网-荷-储”四方主从博弈模型，如图1所示。根据约束条件，构建出综合能源系统优化运行数学模型，给出综合能源系统中四方博弈主体运行收益相对最大的目标函数；

建立的综合能源系统优化运行数学模型为：

“网侧”能源运营商：

“源侧”能源供应商：

“荷侧”负荷聚合商：

“储侧”储能商：

式中：C

其中：a

同时满足约束条件：(a)功率平衡约束(b)光热电站及其它设备运行约束(c)爬坡约束(d)储能及需求响应负荷约束(e)能源均价约束(f)模糊机会约束处理；

步骤3：采用NSGA-Ⅱ结合CPLEX智能求解器，对步骤2的综合能源系统模型中的最优成本问题进行求解，得出优化运行各新能源设备的出力最优解和目标函数值。

采用NSGA-Ⅱ结合CPLEX智能求解器对综合能源系统模型中的最优成本问题进行求解，得出优化运行各新能源设备的出力最优解和目标函数值。相关内容如下：利用NSGA-Ⅱ联合CPLEX智能求解器对该主从博弈模型进行求解，可以有效降低复杂度和提高求解速度及精度。在进行博弈的过程中，NSGA-Ⅱ只需制定、传递和调整价格信息，用户侧更新并传递用能需求信息。不同的主体只需更换价格和能源需求信息，并且各自的决策目标严格保密。于此，该方法有效的将决策变量和策略集进行一定程度的分离，有利于分别优化，具体求解方法步骤如下：

1)首先初始化参数信息，领导者在能源价格的区间内随机生成第一代购入和售出的电、热、冷、气价格种群；

2)荷侧跟随者根据能源价格种群信息，调整决策目标进行寻优，将寻优后的策略集即参与综合需求响应的负荷信息反馈给领导者；

3)源侧跟随者根据领导者所颁发的能源需求信息和购入能源价格，综合设备运行状态衡量出力情况，并对决策目标进行寻优；

4)领导者将“源荷储”各主体反馈回来的设备出力情况和多能负荷信息结合第一代的电、热、冷、气价格信息作为下一代种群；

结合三个主体的决策目标，对种群不断进行选择、交叉、变异，更新迭代直至达到最终的博弈均衡后停止。

主从博弈包含三个基本要素：参与者N、策略集L和效用F。

参与者：本发明建立的博弈模型包含能源运营商(EO)、能源供应商(ES)、负荷聚合商(LA)、储能商(ESS)四个参与者。

策略集：EO策略集为L

其中，P

效用：四个主体的目标决策分别为式(1)、(2)、(3)、(4)的目标函数，即收益达到均衡状态。

在本发明建立的源荷双侧主从博弈中达到纳什均衡，需具备以下约束条件：

即

实施例：为验证所提方法的有效性本发明将设置以下三个场景来对含多方主从博弈的综合能源系统经济优化问题进行研究。根据博弈互动结果探讨系统的收益均衡、产能计划以及用能满意度情况。

场景一：考虑综合能源系统的“源-网-荷”主从博弈情况，不考虑储能商的参与；

场景二：综合能源系统中电、气、冷、热能价格固定，即不考虑主从博弈情况。分析系统的“源-网-荷-储”收益情况；

场景三：考虑综合能源系统的“源-网-荷-储”主从博弈情况。

其中源侧新能源设备的相关参数如表1所示，储侧设备参数如表2所示；四种负荷需求量参考图3；风电、光伏和CSP电站光场收集热量的预测值参考图4。

表1 相关设备参数

表2 储能设备参数

综合能源系统“源-网-荷-储”主从博弈模型。以网侧能源运营商为领导者制定实时能源价格信息策略，作为跟随者能源供应商根据价格信息调整自身机组出力情况，负荷聚合商响应价格策略调整自身用能，储能商则精准实时调整能源投切量。四方博弈参与者在追求各自利益最大化的过程中无法单独改变自身策略集来谋取更大的利益，有利于提升系统的供需平衡。

主从博弈包含三个基本要素：参与者N、策略集L和效用F。

参与者：本发明建立的博弈模型包含能源运营商(EO)、能源供应商(ES)、负荷聚合商(LA)、储能商(ESS)四个参与者。

策略集：EO策略集为L

效用：四个主体的目标决策分别为式(1)、(2)、(3)、(4)的目标函数，即收益达到均衡状态。

在本发明建立的源荷双侧主从博弈中达到纳什均衡，需具备以下约束条件：

即

利用NSGA-Ⅱ联合CPLEX求解器对该主从博弈模型进行求解，可以有效降低复杂度和提高求解速度及精度。在进行博弈的过程中，NSGA-Ⅱ只需制定、传递和调整价格信息，用户侧更新并传递用能需求信息。不同的主体只需更换价格和能源需求信息，并且各自的决策目标严格保密。于此，该方法有效的将决策变量和策略集进行一定程度的分离，有利于分别优化，具体求解方法步骤如下：

1)首先初始化参数信息，领导者在能源价格的区间内随机生成第一代购入和售出的电、热、冷、气价格种群；

2)荷侧跟随者根据能源价格种群信息，调整决策目标进行寻优，将寻优后的策略集即参与综合需求响应的负荷信息反馈给领导者；

3)源侧跟随者根据领导者所颁发的能源需求信息和购入能源价格，综合设备运行状态衡量出力情况，并对决策目标进行寻优；

4)领导者将“源荷储”各主体反馈回来的设备出力情况和多能负荷信息结合第一代的电、热、冷、气价格信息作为下一代种群；

结合三个主体的决策目标，对种群不断进行选择、交叉、变异，更新迭代直至达到最终的博弈均衡后停止。

上述步骤以matlab2016b平台进行编程仿真。在本发明中，通过博弈论的方法将模型中的综合能源系统划分为能源运营商、能源供应商、负荷聚合商、储能商，通过四方博弈优化其运行并且提高系统的经济性。图5为四个决策商收益曲线；图6为电、热、冷、气能供应设备出力情况；图7为电、热、冷、气负荷综合需求响应总量；图8为电、热、冷、气负荷实时价格信息。结果证明源-网-荷-储四方主从博弈能有效的提升系统的整体收益，并且优化系统的运行，效果达到预期。

表3 不同场景各主体收益情况

表3结果分析：储能商收益维持在389.284元。由于储能商的参与，用户在价格峰值时减少用能，价格降低时增加用能，呈现了良好的削峰填谷效果；用户用能满意度也有提高，并且用户侧的购能成本也有大幅度降低，带来的用户侧综合效益呈现上升状态。虽然能源运营商的收益为1831.364元相比场景一和场景二有所下降，但是下降幅度不大，是因为领导者降低自身收益的同时，能有效地提升其他跟随者的收益，实现系统多赢现象，提高了系统的经济型。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能以此理解为对本发明的限制。应该指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。