基于能量共享的綜合能源系統(tǒng)群多主體實(shí)時(shí)協(xié)同優(yōu)化策略

王 怡，王小君，孫慶凱，張義志，劉 曌，和敬涵

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京市 100044）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，低效、單一的能源利用方式與資源儲(chǔ)備之間的矛盾逐步加深［1］。為了更好地緩解矛盾，必須破除能源體系壁壘，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的綜合能源市場(chǎng)。區(qū)別于傳統(tǒng)能源市場(chǎng)，綜合能源市場(chǎng)依托于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）進(jìn)行交易，不僅能夠支撐多能源的耦合交易，而且可以實(shí)現(xiàn)多主體復(fù)雜互動(dòng)。因此，研究適合多IES 參與的綜合能源市場(chǎng)對(duì)能源發(fā)展具有重要意義。

綜合能源市場(chǎng)交易研究通常涉及多主體利益關(guān)系，各主體決策行為聯(lián)系緊密，本質(zhì)是均衡決策問(wèn)題［2］。目前，已有學(xué)者采用博弈論構(gòu)建綜合能源市場(chǎng)交易框架。其中文獻(xiàn)［3］考慮供需雙側(cè)主體互動(dòng)，提出園區(qū)運(yùn)營(yíng)商的雙層主從博弈互動(dòng)框架。文獻(xiàn)［4］考慮IES 各參與主體的收益水平，提出含氫儲(chǔ)能的三階段主從博弈框架。文獻(xiàn)［5］針對(duì)多微網(wǎng)能源交易競(jìng)爭(zhēng)，提出一種基于非合作博弈的日前交易方法。文獻(xiàn)［6］考慮多IES 服務(wù)商參與日前能源交易，提出了一種基于納什議價(jià)模型的運(yùn)行策略。上述文獻(xiàn)深入挖掘了市場(chǎng)主體的利益訴求，但供需雙側(cè)普遍存在多個(gè)參與者，如何考慮多主體交易互動(dòng)來(lái)解決市場(chǎng)交易問(wèn)題還尚有不足。

近年來(lái)，諸多學(xué)者深入分析多時(shí)間尺度下的綜合能源市場(chǎng)交易問(wèn)題，針對(duì)該問(wèn)題提出解決方案［7］。由于IES 體量較小，源荷不確定性導(dǎo)致市場(chǎng)行為難以掌握，從而造成能量偏差。為規(guī)避該問(wèn)題造成的經(jīng)濟(jì)損失，如何處理能量偏差成為市場(chǎng)交易的關(guān)鍵問(wèn)題［8］。文獻(xiàn)［9］考慮風(fēng)電商出力偏差風(fēng)險(xiǎn)，提出一種現(xiàn)貨市場(chǎng)的多階段競(jìng)價(jià)策略。文獻(xiàn)［10］提出2 種計(jì)及出力不確定性的供應(yīng)商定價(jià)機(jī)制，降低風(fēng)電出力不平衡成本。上述文獻(xiàn)針對(duì)市場(chǎng)能量偏差問(wèn)題均是從供應(yīng)側(cè)利益角度出發(fā)，尋找需求側(cè)協(xié)調(diào)能量偏差的方法也是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。文獻(xiàn)［11］針對(duì)購(gòu)能偏差問(wèn)題，建立能量互保行為的實(shí)時(shí)能量偏差應(yīng)對(duì)模型。文獻(xiàn)［12］提出了一種改進(jìn)深度信念網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法以處理能量偏差。

如今興起的共享經(jīng)濟(jì)，為解決以上問(wèn)題提供了新思路。本文將共享經(jīng)濟(jì)延伸至綜合能源市場(chǎng)領(lǐng)域，并引出“能量共享”的概念，即能量共享是一種擁有閑置能量的一方有償讓渡能量使用權(quán)給另一方，利用閑置能量滿足需求的運(yùn)營(yíng)模式［13］。

為此，本文采用合作博弈實(shí)現(xiàn)需求側(cè)多主體能量共享，并建立供應(yīng)側(cè)競(jìng)價(jià)決策模型，協(xié)調(diào)處理日前-實(shí)時(shí)市場(chǎng)能量偏差，有效保障市場(chǎng)各主體利益均衡。主要工作歸納如下:1）構(gòu)建了供應(yīng)側(cè)多主體競(jìng)價(jià)互動(dòng)、需求側(cè)多主體能量共享的綜合能源市場(chǎng)框架，有效保障多主體利益均衡；2）引入需求側(cè)能量共享的交易方式，平抑能量偏差并提升各主體用能效益。

1 綜合能源市場(chǎng)互動(dòng)交易框架

1.1 市場(chǎng)參與主體劃分

綜合能源市場(chǎng)交易框架由能源供應(yīng)、市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)、園區(qū)運(yùn)營(yíng)和終端用戶4 部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在此結(jié)構(gòu)下劃分市場(chǎng)參與主體如下:

圖1 綜合能源市場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integrated energy market

1）能源供應(yīng)商（energy supplier，ES），作為市場(chǎng)售能方，負(fù)責(zé)能源的生產(chǎn)和銷售。根據(jù)負(fù)荷信息提出投標(biāo)價(jià)格的交易策略。

2）市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商（market operator，MO），作為協(xié)調(diào)市場(chǎng)出清的平臺(tái)，負(fù)責(zé)處理供應(yīng)商上報(bào)價(jià)格信息和園區(qū)運(yùn)營(yíng)商需求信息，并發(fā)布市場(chǎng)出清情況。

3）園區(qū)運(yùn)營(yíng)商（park operator，PO），作為市場(chǎng)購(gòu)能方，負(fù)責(zé)聚合園區(qū)綜合能源系統(tǒng)（park integrated energy system，PIES）內(nèi)部用戶負(fù)荷信息，統(tǒng)籌多能源調(diào)度，并向市場(chǎng)提出能源需求策略。

1.2 市場(chǎng)交易機(jī)制

1.2.1 市場(chǎng)交易流程

多主體參與的綜合能源市場(chǎng)在日前和實(shí)時(shí)市場(chǎng)展開(kāi)交易。其中，日前市場(chǎng)是主要交易平臺(tái)，側(cè)重利益劃分；實(shí)時(shí)市場(chǎng)旨在根據(jù)實(shí)際變化對(duì)日前交易計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到供需平衡，二者相輔相成［14］。其交易流程詳見(jiàn)附錄A 圖A1。

1.2.2 供應(yīng)商競(jìng)價(jià)投標(biāo)機(jī)制

鑒于區(qū)域能源市場(chǎng)供應(yīng)商在機(jī)組類型、數(shù)量等方面規(guī)模有限，不適合采用傳統(tǒng)分時(shí)價(jià)格投標(biāo)，應(yīng)采用包含利潤(rùn)和邊際成本的功率-價(jià)格曲線進(jìn)行競(jìng)價(jià)交互。出于ES 能源價(jià)格策略分析的考慮，采用等比例系數(shù)報(bào)價(jià)，即ES 以自身收益最大來(lái)調(diào)整比例系數(shù)，并將新曲線重新傳遞給MO。其投標(biāo)價(jià)格函數(shù)如式（1）所示。

式中:λ為ES 的能源投標(biāo)價(jià)格；a為ES 運(yùn)行成本的二次項(xiàng)系數(shù)；b為ES 運(yùn)行成本的一次項(xiàng)系數(shù)；PG為ES 的能源出清功率；k為ES 投標(biāo)價(jià)格的比例系數(shù)。

1.2.3 需求側(cè)偏差懲罰機(jī)制

ES 采用集中競(jìng)價(jià)交易模式，受需求方用能時(shí)序偏差的影響，導(dǎo)致自身經(jīng)濟(jì)效益降低［15］?？紤]能源市場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)秩序和供應(yīng)側(cè)承受的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)［16］和江蘇電力市場(chǎng)設(shè)置需求側(cè)能量偏差懲罰機(jī)制來(lái)調(diào)控市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)秩序，保障市場(chǎng)供應(yīng)側(cè)售能利益，其偏差懲罰規(guī)則不在此贅述。

2 綜合能源市場(chǎng)參與主體決策模型

本文暫不考慮日前-實(shí)時(shí)市場(chǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參與主體的變化，其具體決策模型如下。

2.1 供應(yīng)側(cè)競(jìng)價(jià)決策模型

綜合能源市場(chǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)電力、熱力市場(chǎng)，其多家供應(yīng)商在聯(lián)合市場(chǎng)及統(tǒng)一機(jī)制下競(jìng)爭(zhēng)。本文的運(yùn)營(yíng)主體僅考慮日前和實(shí)時(shí)時(shí)間尺度上的交易，不涉及中長(zhǎng)期市場(chǎng)交易，且規(guī)模較小。為此有如下假設(shè):供應(yīng)商機(jī)組相關(guān)策略通過(guò)內(nèi)部?jī)?yōu)化做出，市場(chǎng)交易僅進(jìn)行最優(yōu)競(jìng)價(jià)出清。其競(jìng)價(jià)決策模型如下。

2.1.1 電能供應(yīng)商策略競(jìng)價(jià)模型

電能供應(yīng)商通過(guò)向MO 提供機(jī)組邊界條件信息及申報(bào)價(jià)格曲線系數(shù)，從而影響結(jié)算電量及邊際電價(jià)qe，t，最大化自身收益，其模型如下。

2.1.2 熱能供應(yīng)商策略競(jìng)價(jià)模型

熱能供應(yīng)商通過(guò)向MO 提供所需信息，從而影響結(jié)算熱量及邊際熱價(jià)qh，t，最大化自身收益，其模型與電能供應(yīng)商相同。

2.1.3 電熱耦合供應(yīng)商策略競(jìng)價(jià)模型

電熱耦合供應(yīng)商采取電熱組合出清方式。電熱組合投標(biāo)以電能為基準(zhǔn)，即當(dāng)電力出清Uot時(shí)，熱能μUot同時(shí)出清。組合投標(biāo)申報(bào)價(jià)格包含機(jī)組的電熱總生產(chǎn)成本，無(wú)須多余能源成本分?jǐn)?，其模型如下?/p>

2.2 需求側(cè)調(diào)度決策模型

綜合能源市場(chǎng)依托于區(qū)域多PIES 場(chǎng)景下的互動(dòng)交易，PO 通過(guò)聚合終端用戶負(fù)荷統(tǒng)籌運(yùn)營(yíng)，其調(diào)度決策模型如下。

2.2.1 園區(qū)運(yùn)營(yíng)商決策優(yōu)化目標(biāo)

PO 以能源市場(chǎng)交易過(guò)程的總用能效益Fpo最大為決策目標(biāo)，在24 h 內(nèi)的收益函數(shù)如式（10）所示。

2.2.2 園區(qū)運(yùn)營(yíng)商優(yōu)化約束條件

PIES 具有一定內(nèi)部?jī)?yōu)化能力，為更好地進(jìn)行能源管理，參考文獻(xiàn)［17］對(duì)耦合和儲(chǔ)能等設(shè)備構(gòu)建Energy hub 模型。PO 作為聯(lián)盟的參與者，其外部能源調(diào)度和交易約束如下。

1）能量守恒約束

2）能量共享約束

式中:m為PO 個(gè)數(shù)；Pco，maxe和Pco，maxh分別為電能和熱能共享交易的最大傳輸量。式（13）和式（14）的意義為多園區(qū)能源交易量守恒約束。

2.3 市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商出清決策模型

相較于供應(yīng)側(cè)寡頭博弈，需求側(cè)PO 體量較小，難以通過(guò)策略投標(biāo)影響市場(chǎng)出清，其投標(biāo)基本反映真實(shí)需求成本［18］。本文不考慮PO 的策略性投標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)，MO 接收PO 的日前預(yù)測(cè)負(fù)荷信息，進(jìn)行有效出清［19］。

在此基礎(chǔ)上，將綜合能源市場(chǎng)出清問(wèn)題記為MC(Pot，Qot，Uot，θn，Tl)，并以最大化電、熱供需總體社會(huì)福利作為市場(chǎng)出清目標(biāo)，其出清模型及約束如下:

2）電熱網(wǎng)絡(luò)約束

本文采用文獻(xiàn)［20］的線性模型對(duì)電熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，利用直流潮流模型對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)建模并采用恒流變溫（CF-VT）的熱網(wǎng)模型。

3 基于能量共享的需求側(cè)多主體互動(dòng)分析

由于可再生能源和多能負(fù)荷的不確定性，日前交易與實(shí)際用能在時(shí)間尺度上不能達(dá)成一致，故市場(chǎng)交易中總會(huì)出現(xiàn)能量偏差。能量偏差不僅會(huì)造成參與主體的經(jīng)濟(jì)損失，還可能導(dǎo)致市場(chǎng)供需失衡，阻礙正常運(yùn)營(yíng)。

考慮到供應(yīng)側(cè)屬于寡頭競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，很難改變競(jìng)價(jià)機(jī)制協(xié)調(diào)能量偏差。為緩解其造成的負(fù)面影響，考慮從需求側(cè)角度入手，借助能量共享處理偏差的有效性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等優(yōu)勢(shì)，利用合作博弈方法實(shí)現(xiàn)需求側(cè)多主體協(xié)同優(yōu)化處理該問(wèn)題。

3.1 基于能量共享的多園區(qū)合作博弈分析

3.1.1 多園區(qū)能量共享框架

結(jié)合PIES 運(yùn)行特性，針對(duì)圖1 中的能源需求層面建設(shè)多園區(qū)能量共享框架，如附錄A 圖A2 所示。頂層為交易層，該層面向各PO，組織PO 進(jìn)行能量共享交易。其底層為調(diào)度層，起到支撐交易層的作用。

1）交易層。各園區(qū)簽訂合作協(xié)議，依據(jù)多PO形成的合作聯(lián)盟進(jìn)行共享交易，其具體過(guò)程如下:PO 實(shí)際能源過(guò)剩時(shí)即出現(xiàn)負(fù)偏差Prealt-Paheadt＜0，通過(guò)向其他園區(qū)供給共享能源量協(xié)調(diào)自身多余能源；PO 實(shí)際能源不足時(shí)即出現(xiàn)正偏差Prealt-Paheadt≥0，通過(guò)從其他園區(qū)接收共享能源量彌補(bǔ)自身能源不足。

2）調(diào)度層。接收交易層的能量共享情況，通過(guò)耦合和儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行園區(qū)自用能源量的調(diào)度優(yōu)化，滿足終端用戶用能需求的同時(shí)降低用能成本支出。

由于園區(qū)耦合設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)多能源的相互轉(zhuǎn)換，因而可利用該特性處理電、熱能不平衡量。當(dāng)園區(qū)實(shí)際電能、熱能過(guò)?；虿蛔銜r(shí)，可利用能源耦合、儲(chǔ)能設(shè)備協(xié)調(diào)處理能源不平衡量，從而實(shí)現(xiàn)保障園區(qū)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)用能效益的同時(shí)提升系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。

綜上所述，能量共享利用其處理偏差的有效性、降低園區(qū)調(diào)度成本的經(jīng)濟(jì)性和協(xié)同運(yùn)營(yíng)的可靠性等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)交易層和調(diào)度層實(shí)現(xiàn)PO 內(nèi)部和外部同步調(diào)度優(yōu)化。多園區(qū)能量共享過(guò)程中，需求側(cè)若仍存在電、熱不平衡量，應(yīng)與上級(jí)供應(yīng)側(cè)進(jìn)行結(jié)算，退還或補(bǔ)交能量偏差的購(gòu)能費(fèi)用。

3.1.2 多園區(qū)合作博弈模型

根據(jù)多園區(qū)能量共享框架得出，實(shí)時(shí)市場(chǎng)中的多主體互動(dòng)是以需求側(cè)的角度進(jìn)行決策，各園區(qū)作為用戶群體的代表，其利益追求存在一致目標(biāo)。為減小能量偏差帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，共同承擔(dān)能量偏差的風(fēng)險(xiǎn)損失是各類用戶群體的共識(shí)。除此，非合作博弈格局下參與者利益通常是相互沖突的，一般呈現(xiàn)對(duì)抗關(guān)系來(lái)獲取更大自身利益。因此，采用合作博弈通過(guò)具有約束力的協(xié)議形成聯(lián)盟是多園區(qū)互動(dòng)交易和處理偏差的更合理方法。

合作博弈同時(shí)考慮PO 的整體理性和個(gè)體理性進(jìn)行決策，構(gòu)成的合作聯(lián)盟能夠有效平抑多園區(qū)能源不平衡量、擴(kuò)大各PO 用能效益，其過(guò)程屬于效用可轉(zhuǎn)移的合作博弈［21］?；谏鲜龊献鞑┺姆治?，建立多園區(qū)合作博弈模型如下。

1）參與者集合:在能量共享的交易過(guò)程中，各PO 共同構(gòu)成合作博弈聯(lián)盟，將參與者聯(lián)盟集合定為N={ies1，ies2，…，iesm}的非空有限集合。其中，iesi表 示 第i個(gè) 參 與 者。

2）策略集合:聯(lián)盟參與者的交易策略最終決定各參與者能量共享情況。因而將各PO 實(shí)際能源優(yōu)化策略作為參與者策略集合，記為S={Pco1，Pco2，…，Pcom}。其中，Pcoi為PO 能量共 享交易策略。

3）效益函數(shù):所有參與者的效益函數(shù)均為用能總效益。以各自收益最大為目標(biāo)函數(shù)，總效益函數(shù)可表示為如下形式:

式中:v(N)表示參與者集合N的合作聯(lián)盟效益；Fiesi為參與者iesi的效益函數(shù)。

因?yàn)镻O 相互進(jìn)行能源交易時(shí)，多園區(qū)合作聯(lián)盟總交易量之和為0，交易價(jià)格相等，由此可得出:

根據(jù)式（21）和式（22）可得:

故該多園區(qū)合作博弈滿足超可加性博弈條件，參與主體能夠趨向于形成合作聯(lián)盟。同時(shí)，PO 的總效益函數(shù)通過(guò)合作博弈轉(zhuǎn)化為不考慮合作能源交易成本，僅涉及多PO 能量流動(dòng)的效益最大化問(wèn)題，從而得出比非合作博弈更具經(jīng)濟(jì)性、有效性的運(yùn)營(yíng)策略。

3.1.3 多園區(qū)效益分配方法

聯(lián)盟中成員效益的合理分配是合作博弈的關(guān)鍵。聯(lián)盟成員之間的效益分配方法一般有核仁法、Shapley 值法等［22-24］。本文采用Shapley 值法確定聯(lián)盟中各成員效益分配策略。設(shè)共有m個(gè)PO 構(gòu)成合作聯(lián)盟，則第i個(gè)PO 的Shapley 值的公式如下所示:

式中:φi(v)為PO 分得的收益；|s|為集合s中包含的參與者個(gè)數(shù)；v(s)-v(s-{i})為第i個(gè)參與者對(duì)聯(lián)盟N的邊際貢獻(xiàn)。

在合作博弈中，為實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟效益分配的穩(wěn)定公平，需對(duì)Shapley 值法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，其詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)附錄A。

3.2 市場(chǎng)多主體博弈求解方法

本文詳細(xì)求解流程不再贅述，供應(yīng)側(cè)博弈決策模型屬于競(jìng)價(jià)-出清雙層模型，采用文獻(xiàn)［25］的雙層粒子群算法優(yōu)化求解競(jìng)價(jià)均衡策略，并計(jì)算其納什適應(yīng)度，納什均衡存在性證明詳見(jiàn)附錄A；需求側(cè)多主體能量共享下協(xié)同優(yōu)化決策屬于效用可轉(zhuǎn)移的合作博弈模型，可借助商用求解器CPLEX 求解。

4 算例分析

4.1 算例概述

本文采用6 節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)和8 節(jié)點(diǎn)熱網(wǎng)進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附錄C 圖C1 所示。發(fā)電機(jī)組G1、G2 分屬兩家電能供應(yīng)商，其中HS1（G3）為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，屬于電熱耦合供應(yīng)商，熱源HS2 屬于熱能供應(yīng)商?？紤]到多園區(qū)不同運(yùn)營(yíng)特性，負(fù)荷D1、D2、D3 分別代表居民園區(qū)1、商業(yè)園區(qū)2 和工業(yè)園區(qū)3。園區(qū)滿意度函數(shù)參考文獻(xiàn)［26］，采用分時(shí)段效用系數(shù)，根據(jù)時(shí)段合理選取。各園區(qū)日前能源需求和滿意度函數(shù)反映的實(shí)際需求曲線見(jiàn)附錄C 圖C2 和圖C3。電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)取值參考文獻(xiàn)［20］。其余參數(shù)設(shè)置見(jiàn)附錄C 表C1 至表C4。

為驗(yàn)證模型和方法的有效性，同時(shí)分析需求側(cè)多主體能量共享的影響，設(shè)立3 種仿真場(chǎng)景，日前市場(chǎng)供應(yīng)商皆采取競(jìng)價(jià)博弈方式，PO 采用如下運(yùn)營(yíng)方式:1）場(chǎng)景1，PO 采取獨(dú)立運(yùn)營(yíng)方式；2）場(chǎng)景2，PO 采取非合作交易方式；3）場(chǎng)景3，PO 采取考慮能量共享的合作聯(lián)盟方式。

其中獨(dú)立運(yùn)營(yíng)方式指PO 僅負(fù)責(zé)園區(qū)內(nèi)部能源調(diào)度，不涉及園區(qū)間能源交易；非合作交易方式指各園區(qū)以固定能價(jià)進(jìn)行購(gòu)售能的交易。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述場(chǎng)景條件，求解出各場(chǎng)景下的市場(chǎng)交易策略，通過(guò)經(jīng)濟(jì)性和偏差優(yōu)化兩方面分析交易機(jī)制和策略的有效性。

4.2.1 經(jīng)濟(jì)性分析

1）PO 不同運(yùn)營(yíng)方式對(duì)供應(yīng)側(cè)收益影響

基于PO 不同運(yùn)營(yíng)方式的綜合能源市場(chǎng)出清結(jié)果對(duì)比如表1 所示。場(chǎng)景1、2、3 的出清總電量分別為1 983.5、1 983.5、1 872.0 MW·h，出清總熱量分別為1 337.1、1 365.2、1 400.7 MW·h，社會(huì)福利值分別為12 603.0、14 011.5、14 914.1 美元。

表1 綜合能源市場(chǎng)出清結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of clearing results for integrated energy market

由表1 不同場(chǎng)景下的出清情況可以得出，場(chǎng)景3的各供應(yīng)商能夠獲得更大收益。相比于場(chǎng)景2，4 家供應(yīng)商售能收益分別增長(zhǎng)了446.8、264.7、1 063.5、79.4 美元，這得益于合作聯(lián)盟的運(yùn)營(yíng)方式相較其他2 種方式處理偏差空間更大，能夠確保供應(yīng)商在日前市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。場(chǎng)景1、2 供應(yīng)側(cè)雖然出清電量有所增加，由于其收益受單位生產(chǎn)成本急劇升高的影響更大，導(dǎo)致場(chǎng)景1、2 收益降低。

這說(shuō)明考慮園區(qū)能量共享的合作聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)方式不僅沒(méi)有制約供應(yīng)側(cè)利益，相較于獨(dú)立運(yùn)營(yíng)和非合作交易方式反而能刺激市場(chǎng)供應(yīng)商競(jìng)爭(zhēng)活力，有助于市場(chǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2）園區(qū)合作聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)下供應(yīng)側(cè)競(jìng)價(jià)互動(dòng)分析

合作聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)方式下的供應(yīng)商競(jìng)價(jià)互動(dòng)博弈策略如附錄D 圖D1 和圖D2 所示。

圖D1 比較各ES 在時(shí)段20 下競(jìng)價(jià)均衡策略。迭代初始階段距競(jìng)價(jià)博弈均衡解較遠(yuǎn)，供應(yīng)商通過(guò)迭代優(yōu)化自身報(bào)價(jià)策略，改變市場(chǎng)利益分配。隨迭代次數(shù)增加至第70 次，各ES 最優(yōu)價(jià)格策略不再發(fā)生變化。此時(shí)，任一ES 難以單獨(dú)改變策略獲得更大利益，其策略達(dá)到收斂狀態(tài)。

由圖D2 可知，園區(qū)以合作聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)方式下，各ES 的結(jié)算能價(jià)與園區(qū)用能需求和價(jià)格曲線比例系數(shù)呈正相關(guān)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)邊際能價(jià)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2 家電能供應(yīng)商由于機(jī)組類型接近，不斷通過(guò)壓低價(jià)格獲得邊際出清優(yōu)勢(shì)，供應(yīng)商G1 因自身單位成本較小占據(jù)邊際出清優(yōu)先權(quán)；電熱耦合供應(yīng)商因耦合出清優(yōu)勢(shì)，采取較高的能價(jià)獲取更大利益；而熱能供應(yīng)商HS2 受自身機(jī)組成本系數(shù)的影響，其最終的節(jié)點(diǎn)結(jié)算熱價(jià)較低。

綜上分析可知，考慮園區(qū)能量共享的合作聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)方式能夠使得供應(yīng)側(cè)競(jìng)價(jià)過(guò)程快速達(dá)到均衡狀態(tài)，同時(shí)有利于維持供應(yīng)側(cè)競(jìng)價(jià)活力。

3）PO 不同運(yùn)營(yíng)方式對(duì)需求側(cè)效益和成本影響

園區(qū)不同運(yùn)營(yíng)方式下用能效益和相關(guān)成本支出情況如表2 所示，24 h 用能總成本變化如附錄D 圖D3 所示。

表2 園區(qū)不同運(yùn)營(yíng)方式下效益和相關(guān)成本對(duì)比Table 2 Comparison of benefits and related costs in different operation modes of parks

分析表2 與圖D3 可得出如下結(jié)論:

1）在需求側(cè)效益和成本支出方面。各園區(qū)通過(guò)多主體交易能夠有效降低用能成本支出，由表2 可知，場(chǎng)景3 相比場(chǎng)景1、2 多園區(qū)總成本分別降低了4 810.9 美元和157 美元。由圖D3 可知，形成聯(lián)盟后大多數(shù)時(shí)段下成本支出顯著降低，其主要原因是合作聯(lián)盟下各園區(qū)通過(guò)能量共享的方式彌補(bǔ)能量偏差的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)表1 的社會(huì)福利值對(duì)比，場(chǎng)景3 的社會(huì)福利值相比場(chǎng)景1、2 分別提高了2 311.1 美元和902.6 美元，提升幅度分別達(dá)到18.3%和6.4%。這得益于能量共享運(yùn)營(yíng)方式下的合作聯(lián)盟，在多園區(qū)能源交易過(guò)程中消除了額外的購(gòu)售能環(huán)節(jié)，使得合作聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)方式的總成本支出更低，同時(shí)有效提高社會(huì)福利，促進(jìn)需求側(cè)參與市場(chǎng)交易的積極性。

2）在偏差懲罰成本反映能量偏差量方面。場(chǎng)景3 的各園區(qū)平抑能量偏差效果最佳，這得益于工業(yè)園區(qū)具有較強(qiáng)的內(nèi)部?jī)?yōu)化能力，且單位偏差懲罰成本較低。通過(guò)能量共享方式，工業(yè)園區(qū)主要承擔(dān)能量偏差的經(jīng)濟(jì)損失，使得整體用能經(jīng)濟(jì)效益比其他2 種場(chǎng)景分別提高了44%和34%。

3）在多園區(qū)合作聯(lián)盟成本和效益分?jǐn)偡矫?。?duì)比各園區(qū)不同運(yùn)營(yíng)方式下的用能效益發(fā)現(xiàn)，分配后的工業(yè)園區(qū)用能效益較其他2 種方式分別提高了900.7 美元和2 743.1 美元。由場(chǎng)景1 和場(chǎng)景3 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，合作聯(lián)盟下的整體用能成本比獨(dú)立運(yùn)營(yíng)成本之和降低了4 810.9 美元，各園區(qū)通過(guò)合作聯(lián)盟分配的效益皆高于獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的用能效益。工業(yè)園區(qū)作為合作聯(lián)盟的主要承擔(dān)者，其偏差懲罰成本經(jīng)分配后降至938.7 美元，通過(guò)Shapley 值分配能夠公平分?jǐn)偅S護(hù)參與合作聯(lián)盟各方利益。

通過(guò)以上分析，非合作交易運(yùn)營(yíng)方式下雖能在一定程度上減小能量偏差帶來(lái)的影響，但卻是一種缺乏效率的交易策略。因此，合作聯(lián)盟更適合需求側(cè)多主體交易互動(dòng)。

4.2.2 基于共享合作聯(lián)盟方式的能量偏差分析

1）多PO 電、熱共享情況分析

基于能量共享合作聯(lián)盟方式下的多園區(qū)電、熱共享情況如圖2 所示。

圖2 多園區(qū)電、熱能量共享情況Fig.2 Sharing of electricity and heat energy inmultiple parks

由圖2 分析可知，園區(qū)可通過(guò)合作聯(lián)盟形式實(shí)現(xiàn)能源的跨園區(qū)互補(bǔ)，提高需求側(cè)用能效率。在能量共享機(jī)制下園區(qū)間通過(guò)能源交易彌補(bǔ)能量偏差。如圖2（a）所示的時(shí)段12，工業(yè)園區(qū)實(shí)際電能過(guò)剩，通過(guò)能量共享方式將4 MW 電功率傳輸至其余園區(qū)；在圖2（b）所示的時(shí)段11 中工業(yè)園區(qū)實(shí)際熱能需求較大，商業(yè)和居民園區(qū)會(huì)利用自身過(guò)剩能量傳輸至工業(yè)園區(qū)以彌補(bǔ)熱能缺額6 MW。園區(qū)通過(guò)能源需求的時(shí)序特性，供給和接收電、熱量，滿足終端用戶能源需求。這說(shuō)明多園區(qū)合作聯(lián)盟有助于改善園區(qū)的實(shí)際用能需求，提高園區(qū)間能量共享黏性。

2）基于共享合作聯(lián)盟下的園區(qū)內(nèi)部機(jī)組出力優(yōu)化分析

工業(yè)園區(qū)作為合作聯(lián)盟協(xié)調(diào)能量偏差的主要承擔(dān)者。以工業(yè)園區(qū)為例，分析各時(shí)段的內(nèi)部機(jī)組出力優(yōu)化如圖3 和圖4 所示。

圖3 工業(yè)園區(qū)電能優(yōu)化情況Fig.3 Electricity power optimization in industrial park

圖4 工業(yè)園區(qū)熱能優(yōu)化情況Fig.4 Thermal energy optimization in industrial park

因內(nèi)部設(shè)備與用能行為密切聯(lián)系，尤其是當(dāng)園區(qū)日前與實(shí)時(shí)能源需求差異較大時(shí)，會(huì)通過(guò)內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。由圖3 和圖4 看出，實(shí)際能源不足或過(guò)剩時(shí)，主要依靠園區(qū)能量共享交易趨向電、熱平衡；其次通過(guò)能源耦合設(shè)備和儲(chǔ)能裝置減小偏差量。從圖3（a）和（b）可以看出，工業(yè)園區(qū)依靠?jī)?chǔ)電設(shè)備和能量共享削減電能偏差。由于熱電轉(zhuǎn)換機(jī)組單位運(yùn)行維護(hù)成本較高，因而該機(jī)組沒(méi)有參與優(yōu)化電能偏差。從圖4（a）和（b）可以看出，工業(yè)園區(qū)依靠?jī)?chǔ)熱設(shè)備、電轉(zhuǎn)熱設(shè)備和能量共享削減熱能偏差。工業(yè)園區(qū)在能量共享后園區(qū)內(nèi)部設(shè)備出力明顯降低，儲(chǔ)電設(shè)備充電功率由19.6 MW 降至13.4 MW。能量共享方式擴(kuò)大了園區(qū)電、熱偏差優(yōu)化空間，有效緩解了園區(qū)機(jī)組調(diào)控優(yōu)化能量偏差的壓力。

3）基于共享合作聯(lián)盟下能量偏差優(yōu)化分析

多PO 通過(guò)能量共享的合作聯(lián)盟處理偏差量，如圖5 所示。從圖5 可以看出，能量共享方式可以有效平抑能量偏差量，居民和商業(yè)園區(qū)的能量偏差大幅降低，工業(yè)園區(qū)的電、熱偏差得到部分抑制。分析圖5（a）可知，居民園區(qū)在能量共享前后電能總偏差下降約74.6%，削減了用戶電、熱需求波動(dòng)高峰時(shí)段的偏差量。通過(guò)圖5（b）可得，在時(shí)段8～10 處于商業(yè)園區(qū)用能高峰期，通過(guò)能量共享方式減少了約5.4 MW·h 電量偏差和9.1 MW·h 熱量偏差。由圖5（c）可得，工業(yè)園區(qū)在時(shí)段9、18 等電能偏差不減反增，這是合作聯(lián)盟下共同調(diào)節(jié)能量偏差的結(jié)果，而受電能偏差的影響工業(yè)園區(qū)僅能從一定程度上削減熱偏差，主要利用內(nèi)部設(shè)備協(xié)調(diào)處理電、熱偏差。因而，合作聯(lián)盟方式通過(guò)園區(qū)內(nèi)部調(diào)度和外部交易協(xié)同處理電、熱能源偏差量，可以很好地解決需求側(cè)能量偏差的負(fù)面影響。利用多園區(qū)結(jié)成合作聯(lián)盟追求整體與個(gè)體效益最大化，可以擴(kuò)大各參與者的用能效益。

圖5 多園區(qū)能量共享偏差處理情況Fig.5 Treatment of energy sharing deviation in multiple parks

5 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了多主體互動(dòng)的綜合能源市場(chǎng)框架，同時(shí)提出基于需求側(cè)能量共享的交易策略，在理論和算例分析中體現(xiàn)如下優(yōu)勢(shì):

1）在多主體互動(dòng)的綜合能源市場(chǎng)框架下，供應(yīng)側(cè)競(jìng)價(jià)博弈能夠刺激多主體參與市場(chǎng)積極性；能量偏差懲罰機(jī)制有效核定不平衡量，保障供應(yīng)側(cè)參與主體權(quán)益，為維持市場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行提供重要驅(qū)動(dòng)力。

2）基于能量共享的合作聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)方式有效減少了日前-實(shí)時(shí)市場(chǎng)的偏差能量，有效規(guī)避了交易風(fēng)險(xiǎn)，在維持供需平衡的同時(shí)擴(kuò)大了市場(chǎng)各參與主體的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著綜合能源市場(chǎng)交易行為愈加復(fù)雜，后續(xù)工作將在本文基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究市場(chǎng)精細(xì)化模型對(duì)多主體參與交易的影響。

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