計(jì)及負(fù)荷聚合商的綜合能源系統(tǒng)雙層主從博弈運(yùn)行優(yōu)化

王秀慧，趙浩辰，譚忠富

（1.延安大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，陜西 延安 716000；2.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206；3.華北電力大學(xué) 新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

隨著可再生能源的融入和用戶多元能源需求的增加，能源系統(tǒng)如何契合供給側(cè)的多元能源供給，并滿足不同用戶的能源需求，是能源系統(tǒng)變革須解決的問題。目前，發(fā)展綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）是最有效的方式之一。綜合能源系統(tǒng)內(nèi)大多數(shù)為工業(yè)用戶，負(fù)荷特性復(fù)雜，電力需求響應(yīng)逐步向綜合需求響應(yīng)（Integrated Demand Response，IDR）發(fā)展。這給需求側(cè)的運(yùn)行調(diào)度帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。負(fù)荷聚合商（Load Aggregator，LA）是實(shí)施綜合需求響應(yīng)的載體，可以通過多種能源的價(jià)格信號(hào)引導(dǎo)電、熱、氣等多元用戶的用能行為，實(shí)現(xiàn)供需雙側(cè)協(xié)調(diào)互動(dòng)[2]。

目前，已有學(xué)者對(duì)于綜合能源系統(tǒng)的綜合需求響應(yīng)問題展開了研究。田煜昆[3]提出了一種考慮廣義電熱需求響應(yīng)與階梯式碳交易機(jī)制的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。Gu H[4]提出了考慮多能源價(jià)格激勵(lì)的工業(yè)園區(qū)雙階段最優(yōu)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。以上研究均以綜合能源系統(tǒng)單主體作為研究對(duì)象，建立綜合需求響應(yīng)模型，但未考慮綜合能源用戶等相關(guān)利益主體。因此，相關(guān)學(xué)者將用戶、能源運(yùn)營商等利益主體引入綜合需求響應(yīng)的研究中。吳夢(mèng)凱[5]為提高綜合能源系統(tǒng)的綜合需求響應(yīng)能力，建立了考慮碳市場與電-氫儲(chǔ)能的園區(qū)-用戶雙層模型。孫偉卿[6]考慮一個(gè)能源供應(yīng)商和多個(gè)能源樞紐運(yùn)營商之間的需求響應(yīng)，提出了一種綜合能源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定價(jià)模型。Sobhani S O[7]提出了基于價(jià)格激勵(lì)的需求響應(yīng)機(jī)制,建立考慮用戶偏好的用戶效用模型和聚合商收益模型，以用戶和聚合商兩者利益最大化為目標(biāo)構(gòu)建主從博弈模型，求解模型獲得聚合商最優(yōu)補(bǔ)償定價(jià)策略。因此，引入負(fù)荷聚合商作為能源交易博弈的一方很有必要。程宇[8]考慮電熱負(fù)荷聚合商，構(gòu)建了一主多從的綜合能源多運(yùn)營主體系統(tǒng)優(yōu)化模型。Wang L[9]建立了多領(lǐng)導(dǎo)者多跟隨者主從博弈模型，以描述綜合能源服務(wù)提供商與負(fù)荷聚合商之間的多邊合同交易。以上兩個(gè)研究雖然將負(fù)荷聚合商作為利益主體之一，但均未考慮負(fù)荷聚合商與用戶的交互行為，忽略了用戶側(cè)的利益優(yōu)化。

綜上所述，本文考慮綜合需求響應(yīng)機(jī)制，建立了含綜合能源系統(tǒng)、負(fù)荷聚合商和用戶三者之間的雙層主從博弈優(yōu)化模型。該模型體現(xiàn)了負(fù)荷聚合商在綜合需求響應(yīng)中的雙向調(diào)節(jié)作用，一方面負(fù)荷聚合商與綜合能源系統(tǒng)簽訂合約，負(fù)荷聚合商為綜合能源系統(tǒng)提供電力調(diào)峰輔助服務(wù)；另一方面負(fù)荷聚合商在用戶側(cè)實(shí)施價(jià)格型與激勵(lì)型需求響應(yīng)措施，在三者策略不斷交互的博弈過程中，實(shí)現(xiàn)利益均衡。

1 基于雙層主從博弈的綜合需求響應(yīng)機(jī)制

本文研究設(shè)計(jì)了涉及綜合能源系統(tǒng)、負(fù)荷聚合商和綜合能源用戶3個(gè)主體的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)，如圖1所示。綜合能源系統(tǒng)主要包括風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組及熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Heat and Power，CHP）機(jī)組、電制冷設(shè)備及儲(chǔ)能等能源耦合設(shè)備，滿足負(fù)荷聚合商所上報(bào)的電、熱及冷負(fù)荷需求。CHP從外部管道購入天然氣，按照“以熱定電”模式運(yùn)行，滿足負(fù)荷聚合商所上報(bào)的全部熱負(fù)荷需求，同時(shí)滿足部分電負(fù)荷需求；此外通過變壓器從外部大電網(wǎng)購入電能，協(xié)助綜合能源系統(tǒng)滿足負(fù)荷聚合商所上報(bào)的全部電負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)供需平衡。負(fù)荷聚合商主要包括綜合需求響應(yīng)控制中心，它是協(xié)調(diào)供給側(cè)和需求側(cè)的調(diào)度中心，一方面與用戶簽訂參與基于激勵(lì)的電力需求響應(yīng)合約，制定電熱冷實(shí)時(shí)價(jià)格，實(shí)施基于價(jià)格的IDR措施；另一方面為綜合能源系統(tǒng)提供調(diào)峰輔助服務(wù)，輔助綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行平穩(wěn)化出力，最大化消納風(fēng)能和太陽能。用戶側(cè)包括負(fù)荷聚合商所安裝的數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備和控制設(shè)備，兩者通過簽訂協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息的雙向交流，負(fù)荷聚合商為用戶提供最佳用能策略，用戶根據(jù)價(jià)格信號(hào)和激勵(lì)措施調(diào)整用能行為，實(shí)現(xiàn)綜合需求響應(yīng)。

圖1 基于綜合需求響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)與負(fù)荷聚合商雙層交易框架Fig.1 IDR-based hierarchical trading framework for IES and LA

在該雙層交易框架中，負(fù)荷聚合商分別與綜合能源系統(tǒng)和用戶簽訂合約，代理用戶向綜合能源系統(tǒng)提供電力平抑與調(diào)峰服務(wù)，并提供電熱冷實(shí)時(shí)定價(jià)策略，三者自上而下形成能源生產(chǎn)交易的利益鏈條。在上層關(guān)系中，在綜合能源系統(tǒng)和負(fù)荷聚合商兩者之間，綜合能源系統(tǒng)作為能源交易的主動(dòng)方，給出多種能源價(jià)格及設(shè)備出力曲線，作為被動(dòng)方的負(fù)荷聚合商須根據(jù)能源出力曲線且考慮用戶需求，決定最優(yōu)綜合需求響應(yīng)策略，同時(shí)根據(jù)綜合需求響應(yīng)狀況給出調(diào)峰服務(wù)價(jià)格。這個(gè)過程符合主從博弈模型的特點(diǎn)。在下層關(guān)系中，負(fù)荷聚合商作為主動(dòng)方，在用戶側(cè)實(shí)施綜合需求響應(yīng)策略，用戶作為被動(dòng)方隨響應(yīng)價(jià)格變化優(yōu)化自身用能行為，在用能成本與滿意度之間達(dá)到最優(yōu)均衡。這個(gè)博弈過程也符合主從博弈的基本特征。上下兩層交互關(guān)系涉及兩個(gè)主從博弈關(guān)系，在雙層主從博弈中，綜合能源系統(tǒng)的博弈策略為電熱冷的售能價(jià)格；負(fù)荷聚合商的博弈策略為向綜合能源系統(tǒng)提供電力調(diào)峰服務(wù)的價(jià)格；用戶的博弈策略為各時(shí)段電熱冷使用量?；诖耍山⒕C合需求響應(yīng)雙層主從博弈優(yōu)化模型，三方均以利益最大化作為優(yōu)化目標(biāo)，在兩兩主從博弈交互關(guān)系中達(dá)到三者均滿意的利益均衡點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)3個(gè)主體的利益均衡。

①對(duì)于負(fù)荷聚合商與綜合能源系統(tǒng)兩者之間的交易來說，當(dāng)負(fù)荷聚合商收到綜合能源系統(tǒng)調(diào)度部門的負(fù)荷控制要求，未來T個(gè)時(shí)段內(nèi)負(fù)荷聚合商將所上報(bào)的電能需求控制在峰時(shí)閾值下及谷時(shí)閾值以上。

合約中，綜合能源系統(tǒng)向負(fù)荷聚合商購買平抑負(fù)荷波動(dòng)服務(wù)的價(jià)格λt為負(fù)荷聚合商電力需求量Pt的函數(shù)，滿足以下關(guān)系式：

式中：λt0為控制在閾值內(nèi)的服務(wù)價(jià)格；k1，k2為函數(shù)的常數(shù)參數(shù)。

如果負(fù)荷聚合商未能成功平移負(fù)荷波動(dòng)，將給系統(tǒng)帶來安全風(fēng)險(xiǎn)和高昂的邊際成本，因此閾值以外的購買價(jià)格將降低，且價(jià)格的變化與超限規(guī)模成正相關(guān)。負(fù)荷聚合商提供的電力響應(yīng)曲線為Ppur，每時(shí)段響應(yīng)的電量為Ppur，t。

②對(duì)于用戶和負(fù)荷聚合商兩者之間的交易來說，負(fù)荷聚合商與用戶簽訂合同，通過分時(shí)價(jià)格或?qū)崟r(shí)價(jià)格對(duì)電熱冷實(shí)施基于價(jià)格的需求響應(yīng)。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，需求價(jià)格彈性是指一種商品的價(jià)格在一定范圍內(nèi)的變動(dòng)所引起的商品需求量的變化程度，本文研究的電熱冷3種能源價(jià)格的需求彈性理論是在電價(jià)需求彈性理論上的拓展，采用彈性矩陣表示為

同時(shí)，對(duì)電能實(shí)施基于激勵(lì)的電力需求響應(yīng)。當(dāng)用戶不參與響應(yīng)時(shí)，按照原始的能源價(jià)格購買，負(fù)荷超時(shí)限時(shí)負(fù)荷聚合商設(shè)置補(bǔ)償電價(jià)曲線，對(duì)參與電力需求響應(yīng)的用能量進(jìn)行補(bǔ)償，激勵(lì)用戶改變自身用能行為以平抑負(fù)荷波動(dòng)，將該響應(yīng)模式稱為電力合約響應(yīng)。

2 考慮綜合需求響應(yīng)的交易優(yōu)化模型

2.1 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)

綜合能源系統(tǒng)以最大化經(jīng)濟(jì)收益為訴求，因此綜合能源系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)IIES包括售能收益EIES，t、產(chǎn)能成本CIES，t和向負(fù)荷聚合商購買電力調(diào)峰服務(wù)支付的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償費(fèi)用Ccut。

①售能收益

式中：pe，t，ph，t，pc，t分別為綜合能源系統(tǒng)的售電、售熱和售冷價(jià)格；分別為t時(shí)段綜合能源系統(tǒng)售出的電、熱、冷負(fù)荷。

②產(chǎn)能成本

式中：pgas為外部購氣價(jià)格；FCHP，t為CHP機(jī)組的天然氣燃燒功率；Lgas為天然氣熱值，取9.78 kW·h/m3；pgrid，t為外網(wǎng)購電價(jià)格；Pgrid，t為外部購電功率；Jk為第k類設(shè)備維護(hù)成本系數(shù)；Pk，t為第k類設(shè)備在t時(shí)段的輸出功率；κnet和κCHP分別為大電網(wǎng)和CHP機(jī)組的排放成本系數(shù)。

③向負(fù)荷聚合商購買電力調(diào)峰輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償費(fèi)用

2.2 負(fù)荷聚合商優(yōu)化目標(biāo)

負(fù)荷聚合商的目標(biāo)函數(shù)ILA包括用戶支付的電力補(bǔ)償成本。

式中：Pe，t，分別為在綜合需求響應(yīng)時(shí)段用戶側(cè)需求響應(yīng)前、后的電量；μe為補(bǔ)償電價(jià)。

2.3 綜合能源用戶優(yōu)化目標(biāo)

借助微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的思想，定義用戶側(cè)在t時(shí)段的效用函數(shù)πt為及偏好系數(shù)α的函數(shù)。πt表示用戶對(duì)綜合需求響應(yīng)效用的評(píng)估，反映用戶在用能時(shí)的舒適度。

用戶側(cè)優(yōu)化用能的目標(biāo)函數(shù)為消費(fèi)者剩余最大化，即用能效用減去用戶購能成本，反映用戶在用能舒適度與成本之間的權(quán)衡。

2.4 約束條件

綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型滿足能源平衡約束、光伏與風(fēng)機(jī)出力約束、能源耦合設(shè)備上下限功率約束及冷熱電儲(chǔ)能約束等基本約束[10]～[12]。

3 雙層主從博弈求解分析

3.1 博弈均衡解存在證明

本文研究建立了含綜合能源系統(tǒng)、負(fù)荷聚合商和用戶3種交易主體的雙層主從博弈模型。負(fù)荷聚合商在上層博弈中作為綜合能源系統(tǒng)的追隨者，在下層博弈中作為用戶的領(lǐng)導(dǎo)者，并且彼此之間的決策存在先后順序。主從博弈包含了3個(gè)基本要素：參與者L、策略Ω和效用I。博弈過程中，綜合能源系統(tǒng)的策略為售能價(jià)格pt（包括pe，t，ph，t與pc，t），負(fù)荷聚合商的策略為調(diào)峰服務(wù)價(jià)格λt，用戶的策略為購能量（包括電負(fù)荷Pe，t、熱負(fù)荷Ph，t與冷負(fù)荷Pc，t），三者通過策略Ω調(diào)整自身的效用I達(dá)到效益最大化。

對(duì)于具有層次決策結(jié)構(gòu)的雙層主從博弈，期望的結(jié)果采用主從均衡解（Stackelberg Equilibrium，SE）的形式來表征。若滿足式（12），則為本文所提的雙層主從博弈的均衡。

當(dāng)所有博弈參與者的策略均為SE策略時(shí)，任何參與者均不可以通過獨(dú)立調(diào)整策略獲得更多收益。根據(jù)SE的定義，當(dāng)博弈模型存在SE時(shí)，假設(shè)（）是模型唯一的SE策略。本文設(shè)定綜合能源系統(tǒng)、負(fù)荷聚合商和用戶的策略屬于純策略。根據(jù)文獻(xiàn)[13]進(jìn)行雙層博弈優(yōu)化模型均衡解證明，SE得以證明。

3.2 求解算法

傳統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化方法需要知道所有參與者的目標(biāo)函數(shù)、策略等信息，然而在博弈優(yōu)化中，各個(gè)參與者獨(dú)立決策，并不向其他博弈方透露自身的目標(biāo)函數(shù)。本文提出了一種求解“綜合能源系統(tǒng)-負(fù)荷聚合商-用戶”雙層主從博弈均衡的分布式組合算法，有利于參與者獨(dú)立決策，無須透露自身目標(biāo)函數(shù)信息。在該算法中，綜合能源系統(tǒng)、負(fù)荷聚合商和用戶3個(gè)主體先進(jìn)行自身內(nèi)部迭代優(yōu)化以獲得最佳效益；然后假定有一個(gè)集中控制中心作為中間方，控制中心獲取參與者新的決策信息后，傳遞給其他參與者，并接受反饋的決策信息，即將購能策略反饋給負(fù)荷聚合商，將售能價(jià)格策略反饋給用戶，將調(diào)峰輔助服務(wù)策略反饋給綜合能源系統(tǒng)。因此控制中心收集3個(gè)主體的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行外部兩兩博弈，在內(nèi)部優(yōu)化與外部博弈兩個(gè)交替迭代過程中實(shí)現(xiàn)利益均衡，具體求解思路如圖2所示。

圖2 雙層主從博弈流程Fig.2 The hierarchical Stackelberg game flow

由于該模型為混合整數(shù)非線性規(guī)劃，基于雙層博弈特性采用MATLAB中混合整數(shù)二次規(guī)劃（Mixed Integer Quadratic Programming，MIQP）求解器CPLEX和自適應(yīng)粒子群優(yōu)化（Adaptive Particle Swarm Optimization，APSO）算法相結(jié)合的MIQP-APSO分布式組合算法對(duì)該問題進(jìn)行求解。利用CPLEX求解3個(gè)主體的目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行主體內(nèi)部迭代，利用APSO算法搭建三者之間的博弈關(guān)系，外部迭代以尋求均衡最優(yōu)解。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文選取中國北方某小型園區(qū)綜合能源系統(tǒng)夏季典型日的用戶負(fù)荷作為研究對(duì)象，該綜合能源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中：EP，TP與GP分別為電網(wǎng)、熱網(wǎng)與天然氣管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；PV與WT分別表示光伏與風(fēng)電；EB與GB分別表示電鍋爐與燃?xì)忮仩t；HES與EES分別表示儲(chǔ)熱與儲(chǔ)電設(shè)備。

圖3 綜合能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Integrated energy system topology

圖4為典型日的負(fù)荷需求及風(fēng)電、光伏出力。

圖4 典型日負(fù)荷需求及風(fēng)電、光伏預(yù)測出力Fig.4 Typical daily load demand and WT and PV forecast output

綜合能源系統(tǒng)從外部電網(wǎng)購電的價(jià)格為分時(shí)電價(jià)，22：00-7：00，為0.3元/（kW·h）；6：00-9：00，12：00-18：00，為0.5元/（kW·h）；9：00-12：00，18：00-21：00，為0.7元/（kW·h）。外部購氣價(jià)格為1.5元/m3，高峰時(shí)段（9：00-12：00，18：00-21：00）的需求響應(yīng)補(bǔ)償電價(jià)為0.1元/（kW·h）。外部電網(wǎng)與CHP機(jī)組的排放成本系數(shù)分別為0.024元/kW與0.06元/kW。設(shè)備的基本參數(shù)[14]，[15]見表1。

表1 IES基本參數(shù)Table 1 IES basic parameters

4.2 情景設(shè)置與結(jié)果分析

本文根據(jù)需求響應(yīng)類型設(shè)定3種分析情景，如表2所示。情景1中不考慮負(fù)荷聚合商提供調(diào)峰輔助服務(wù)的功能，綜合能源系統(tǒng)采用恒定價(jià)格將能源出售給用戶，不實(shí)施任何綜合需求響應(yīng)。不考慮綜合需求響應(yīng)的情形下，該優(yōu)化模型只是一個(gè)普通綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化模型，使用MIQP求解器CPLEX直接進(jìn)行求解。情景2中綜合能源系統(tǒng)實(shí)施分時(shí)能源價(jià)格策略將電熱冷出售給用戶，同時(shí)實(shí)施基于激勵(lì)的綜合需求響應(yīng)。分時(shí)電價(jià)是目前電力系統(tǒng)中實(shí)施需求響應(yīng)的重要措施之一，分時(shí)能源價(jià)格是在分時(shí)電價(jià)基礎(chǔ)上的擴(kuò)展。將用戶的用能時(shí)段劃分為峰時(shí)段、谷時(shí)段和平時(shí)段。情景3中實(shí)施實(shí)時(shí)能源價(jià)格策略將電熱冷出售給用戶，同時(shí)實(shí)施基于激勵(lì)的綜合需求響應(yīng)。實(shí)時(shí)能源價(jià)格指在日內(nèi)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中每時(shí)刻采用不同的能源價(jià)格，不同時(shí)刻的能源價(jià)格一般不相等。雖然實(shí)時(shí)能源價(jià)格在目前的能源市場并未廣泛應(yīng)用，但這對(duì)于節(jié)約產(chǎn)能成本、削峰填谷、緩解棄風(fēng)棄光等方面有著重要作用。

表2 情景設(shè)置Table 2 Scenario setting

分時(shí)能源價(jià)格的時(shí)段劃分如表3所示，每種負(fù)荷的時(shí)段均分為峰時(shí)段、平時(shí)段和谷時(shí)段。

表3 分時(shí)能源價(jià)格的時(shí)段劃分Table 3 Time period division of time-of-use energy prices

根據(jù)優(yōu)化后的能源交易價(jià)格，可以得到3種情景下的綜合能源系統(tǒng)、負(fù)荷聚合商和用戶的目標(biāo)函數(shù)值（表4），其中，情景3中參與三方的效用最大，其次為情景2。相對(duì)于情景1，情景2中綜合能源系統(tǒng)、負(fù)荷聚合商的收益分別提高6.70%和2.11%，用戶的用能成本降低3.97%；情景3中綜合能源系統(tǒng)、負(fù)荷聚合商的收益分別提高13.95%和16.45%，用戶的用能成本降低4.63%。該結(jié)果說明本文所提出的運(yùn)行優(yōu)化機(jī)制及組合求解算法可以在一定程度上提高綜合能源系統(tǒng)和負(fù)荷聚合商的收益，降低用戶側(cè)的用能成本，是一項(xiàng)可以均衡多方利益、調(diào)動(dòng)參與方積極性的有效措施。

表4 不同情景下參與方效用優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Table 4 Participant utility optimization results

4.3 綜合需求響應(yīng)策略分析

通過求解雙層交易優(yōu)化模型可以得到3個(gè)情景下用戶側(cè)的電熱冷負(fù)荷參與綜合需求響應(yīng)的狀態(tài)，如圖5所示。情景1是一個(gè)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型，所以用戶側(cè)的電熱冷負(fù)荷曲線沒有發(fā)生變化；情景2、情景3中用戶在負(fù)荷聚合商的引導(dǎo)下參與綜合需求響應(yīng)，基于價(jià)格需求彈性調(diào)節(jié)自身用能行為。相比情景2，情景3中對(duì)用戶負(fù)荷削峰填谷的效果最佳，尤其是峰時(shí)段的負(fù)荷削減較明顯。從負(fù)荷種類來看，用戶電負(fù)荷參與需求響應(yīng)的能力更強(qiáng)，其次為熱負(fù)荷和冷負(fù)荷。優(yōu)化結(jié)果顯示，本文所提出的價(jià)格優(yōu)化模型可以有效引導(dǎo)用戶參與綜合能源系統(tǒng)，平滑用戶側(cè)負(fù)荷曲線，減緩綜合能源系統(tǒng)和負(fù)荷聚合商在用能高峰期的供應(yīng)壓力。

圖5 3種情景下用戶參與綜合需求響應(yīng)的狀態(tài)Fig.5 Status of user participation in IDR under three scenarios

4.4 能源定價(jià)策略分析

負(fù)荷聚合商具有提供電力調(diào)峰輔助服務(wù)的作用，在情景2與情景3中負(fù)荷聚合商根據(jù)調(diào)峰實(shí)際情況制定調(diào)峰服務(wù)價(jià)格（圖6），同時(shí)綜合能源系統(tǒng)向負(fù)荷聚合商支付調(diào)峰服務(wù)費(fèi)用。由于實(shí)際的服務(wù)價(jià)格是根據(jù)負(fù)荷聚合商在峰時(shí)段和谷時(shí)段是否將電量控制在閾值內(nèi)所確定的，間接反映了兩種情景下負(fù)荷聚合商上報(bào)給綜合能源系統(tǒng)的電力負(fù)荷曲線的平穩(wěn)性。情景3中，在峰時(shí)段和谷時(shí)段的調(diào)峰服務(wù)價(jià)格最高，說明實(shí)施價(jià)格激勵(lì)后，有利于發(fā)揮負(fù)荷聚合商的削峰填谷作用；情景3與情景2相比，峰時(shí)段的調(diào)峰服務(wù)價(jià)格高，但谷時(shí)段的服務(wù)價(jià)格基本持平，說明考慮消費(fèi)者心理特性后，對(duì)于負(fù)荷聚合商提供削峰有一定作用，但填谷的效用不明顯。

圖6 情景2與情景3下負(fù)荷聚合商提供電力調(diào)峰輔助服務(wù)的實(shí)際價(jià)格Fig.6 Actual prices for LA provision of electricity peaking assistance services under scenarios 2 and 3

基于雙層主從博弈優(yōu)化模型綜合能源系統(tǒng)在負(fù)荷聚合商的調(diào)度與管理下可以得到不同情景下的電價(jià)、冷價(jià)和熱價(jià)，如圖7所示。在情景1中，電價(jià)為0.598元/（kW·h），熱價(jià)為0.440元/（kW·h），冷價(jià)為0.323元/（kW·h）。在情景2，3中，電價(jià)、熱價(jià)和冷價(jià)均呈現(xiàn)相同的變化趨勢，即用能高峰期的能源價(jià)格相對(duì)較高，用能低谷期的能源價(jià)格相對(duì)較低。

圖7 情景1，2，3下的電熱冷價(jià)格優(yōu)化結(jié)果Fig.7 Optimization results of electric heating and cooling prices under scenarios 1,2 & 3

4.5 能源交互策略分析

綜合能源系統(tǒng)包含電、熱及冷3種能源形式，通過各種能源耦合設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同種類能源的耦合與轉(zhuǎn)換。在本文所建立的綜合需求響應(yīng)機(jī)制中，負(fù)荷聚合商通過價(jià)格及激勵(lì)措施調(diào)動(dòng)用戶側(cè)參與需求響應(yīng)，綜合能源系統(tǒng)根據(jù)用戶的用能需求策略調(diào)動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備出力，以滿足用戶側(cè)的用能需求。因此，綜合能源系統(tǒng)的設(shè)備出力不僅反映了各個(gè)能源設(shè)備的出力情況，也反映了綜合能源系統(tǒng)在負(fù)荷聚合商的調(diào)度作用下與用戶之間的能源交互策略。

本文以情景3為例介紹綜合能源系統(tǒng)的能源交互策略，如圖8所示。對(duì)于電出力，0：00-7：00，18：00-24：00主要由風(fēng)機(jī)輔以CHP與外電網(wǎng)出力，在夜間是風(fēng)機(jī)出力的高峰期；8：00-17：00由CHP機(jī)組和外電網(wǎng)為主要出力，輔以CHP與風(fēng)電出力。由于CHP按照“以熱定電”的方式運(yùn)行，所以電出力為次要途徑。對(duì)于熱出力，綜合能源系統(tǒng)的熱出力主要來源于CHP機(jī)組與電鍋爐，其次輔以燃?xì)忮仩t；在午間（10：00-13：00）熱能充足時(shí)，會(huì)儲(chǔ)備部分熱能，在夜間用能高峰期（18：00-20：00）將所儲(chǔ)備的熱能釋放；且0：00-4：00及22：00-24：00，電鍋爐的運(yùn)行多以消納多余風(fēng)電與光伏為主。對(duì)于冷出力，主要由電制冷滿足用戶的用冷需求。

圖8 綜合能源系統(tǒng)中電能、熱能與冷能設(shè)備出力Fig.8 Electricity,heat and cold energy equipment output in IES

5 結(jié)論

在園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中，本文考慮綜合需求響應(yīng)機(jī)制，首先建立了綜合能源系統(tǒng)、負(fù)荷聚合商和用戶之間的運(yùn)行優(yōu)化機(jī)制和交易策略模型，并將其表達(dá)為雙層主從博弈模型，以實(shí)現(xiàn)三方利益均衡；其次設(shè)置了不同綜合需求響應(yīng)的分析情景，通過策略分析得到以下結(jié)論。

①實(shí)現(xiàn)需求調(diào)節(jié)和負(fù)荷轉(zhuǎn)移。在負(fù)荷聚合商的價(jià)格型與激勵(lì)性的需求響應(yīng)引導(dǎo)下，用戶可以調(diào)節(jié)自身用能行為，實(shí)現(xiàn)需求調(diào)節(jié)與負(fù)荷轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到削峰填谷的效果。綜合能源系統(tǒng)中不同能源的耦合是實(shí)現(xiàn)綜合需求響應(yīng)機(jī)制的物理支撐，在滿足用戶需求策略的同時(shí)，保證系統(tǒng)以更節(jié)能與更靈活的水平運(yùn)行。

②獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)行分時(shí)能源價(jià)格和實(shí)時(shí)能源價(jià)格后，綜合能源系統(tǒng)、負(fù)荷聚合商的收益顯著增加，用戶的用能成本有所降低，尤其是實(shí)時(shí)能源價(jià)格情景。優(yōu)化后的綜合能源系統(tǒng)可以減少CHP機(jī)組的燃料成本，更多地利用可再生能源發(fā)電；對(duì)于負(fù)荷聚合商來說，優(yōu)化后可以獲得更多的電力調(diào)峰輔助收益。

③實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)多方利益均衡。傳統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化方法需要知道所有參與者的目標(biāo)函數(shù)、策略等信息。本文所提出的雙層主從博弈模型使得各參與者均具備獨(dú)立決策的機(jī)會(huì)，在博弈過程中綜合能源系統(tǒng)、負(fù)荷聚合商和用戶均獲得了均衡策略，并解決了不同利益主體之間的沖突問題，實(shí)現(xiàn)了各方利益均衡，有助于該交易機(jī)制的長久性。