考慮外部博弈和內(nèi)部協(xié)同的耦合系統(tǒng)時序隨機(jī)生產(chǎn)模擬

任洲洋 程 歡 周桂平 趙苑竹 王 磊

考慮外部博弈和內(nèi)部協(xié)同的耦合系統(tǒng)時序隨機(jī)生產(chǎn)模擬

任洲洋1程 歡1周桂平2趙苑竹2王 磊2

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院） 重慶 400044 2. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 沈陽 110006）

火電與可再生能源在同一并網(wǎng)點(diǎn)集成為耦合系統(tǒng)能夠有效促進(jìn)可再生能源消納。傳統(tǒng)隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法難以充分考慮外部市場競爭以及內(nèi)部機(jī)組協(xié)同對耦合系統(tǒng)運(yùn)行的影響。為此，提出一種考慮外部博弈和內(nèi)部協(xié)同的耦合系統(tǒng)時序隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法。首先，基于主從博弈，刻畫耦合系統(tǒng)與其他發(fā)電商及電網(wǎng)之間的電量-電價競爭關(guān)系，基于合作博弈，建立了反映耦合系統(tǒng)內(nèi)火電與可再生能源機(jī)組合作競爭關(guān)系的內(nèi)部協(xié)同模型；然后，建立考慮外部博弈和內(nèi)部協(xié)同嵌套的耦合系統(tǒng)時序隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法，提出耦合系統(tǒng)的可靠性評估指標(biāo)以及內(nèi)部機(jī)組經(jīng)濟(jì)收益分配方法；最后，采用中國東北某區(qū)域電網(wǎng)的實(shí)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所提方法的有效性和正確性。仿真結(jié)果表明，通過外部博弈和內(nèi)部協(xié)同，耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性大幅提升。

耦合系統(tǒng) 內(nèi)部協(xié)同 外部博弈 隨機(jī)生產(chǎn)模擬 電力市場

0 引言

近年來，可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)消納困難[1-3]。國家發(fā)展改革委和國家能源局出臺了關(guān)于“風(fēng)光火儲一體化”的指導(dǎo)意見，強(qiáng)調(diào)要充分利用各類能源的互補(bǔ)協(xié)調(diào)能力，提高可再生能源消納水平[4]。

我國北方電力系統(tǒng)中普遍存在火電與可再生能源在同一并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)物理耦合的耦合系統(tǒng)[5]，在提高可再生能源消納水平的同時又能以更加低廉、可控的出力參與電力市場交易，有利于推進(jìn)可再生能源規(guī)?；l(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)電力市場環(huán)境下耦合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的準(zhǔn)確評估，對于耦合系統(tǒng)的規(guī)劃與運(yùn)行具有重要的理論研究價值和工程應(yīng)用前景。

隨機(jī)生產(chǎn)模擬是反映電力系統(tǒng)時序運(yùn)行狀態(tài)，評估整體經(jīng)濟(jì)性和可靠性的關(guān)鍵基礎(chǔ)工具[6-7]，可有效支撐多電源耦合系統(tǒng)運(yùn)行、規(guī)劃及市場交易等策略制定[8]。近年來，圍繞多電源系統(tǒng)的隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法，現(xiàn)有文獻(xiàn)開展了大量卓有成效的研究工作[9-15]。其中，文獻(xiàn)[9]考慮不同風(fēng)電消納策略，建立了風(fēng)-火聯(lián)合外送的互聯(lián)系統(tǒng)隨機(jī)生產(chǎn)模擬，為互聯(lián)系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行提供科學(xué)的決策依據(jù)；文獻(xiàn)[11]結(jié)合機(jī)組多狀態(tài)模型提出含風(fēng)-光-水-火電力系統(tǒng)的多狀態(tài)隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法，以評估新能源時序特性對常規(guī)機(jī)組啟停的影響；文獻(xiàn)[12-13]基于有效容量分布法建立了含風(fēng)-儲多能互補(bǔ)電力系統(tǒng)的時序隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法，量化評估不同調(diào)度策略下多能互補(bǔ)系統(tǒng)的可靠性及新能源消納水平；文獻(xiàn)[14]將系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度策略與隨機(jī)生產(chǎn)模擬中各類型機(jī)組的加載順序相結(jié)合，構(gòu)建了考慮斷面約束的多能源電力系統(tǒng)時序隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法，充分保證新能源的優(yōu)先消納；文獻(xiàn)[15]考慮日前機(jī)組組合計劃，基于時序負(fù)荷曲線，利用隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法建立反映風(fēng)-火發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的運(yùn)行備用容量與可靠性之間的量化關(guān)系。

然而，上述隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)的時序性和各機(jī)組間的相互作用及其對電力系統(tǒng)整體性能的影響。鮮有計及市場競爭環(huán)境對多電源耦合系統(tǒng)運(yùn)行影響的隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法，難以準(zhǔn)確評估市場環(huán)境下耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性水平。

在市場環(huán)境下，博弈論作為處理多主體問題的有效方法，被廣泛應(yīng)用于多能源系統(tǒng)耦合的優(yōu)化運(yùn)行中。文獻(xiàn)[16]基于合作博弈論分析了風(fēng)火聯(lián)合外送模式，結(jié)果表明相較獨(dú)立外送，聯(lián)合外送更有利于提高系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)效益；文獻(xiàn)[17]采取合作博弈優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行，并結(jié)合Shapley收益分配方法調(diào)動虛擬電廠中可再生能源與可控機(jī)組協(xié)同的積極性；文獻(xiàn)[18]為解決供給側(cè)風(fēng)電消納問題，提出了風(fēng)火網(wǎng)三方非合作博弈模型。上述研究往往只考慮多主體耦合系統(tǒng)的外部競爭或內(nèi)部合作的單一利益關(guān)系，而本文研究的可再生能源與火電在同點(diǎn)并網(wǎng)的耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了物理耦合，在參與市場競爭時，需計及內(nèi)部機(jī)組運(yùn)行和外部市場競爭的耦合關(guān)系，而現(xiàn)有研究忽略了火電與可再生能源耦合系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)同和外部博弈的關(guān)聯(lián)關(guān)系，適用性有限，無法充分挖掘耦合系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性的提升潛力。

針對傳統(tǒng)方法無法適應(yīng)市場環(huán)境下耦合系統(tǒng)外部博弈和內(nèi)部協(xié)同的耦合關(guān)系，且缺乏有效的耦合系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性評估方法，本文在深入分析耦合系統(tǒng)內(nèi)外協(xié)同競爭機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出考慮外部博弈和內(nèi)部協(xié)同的耦合系統(tǒng)時序隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法。首先，基于主從博弈，刻畫了耦合系統(tǒng)與其他發(fā)電商及電網(wǎng)之間的電量-電價競爭關(guān)系，建立了反映耦合系統(tǒng)內(nèi)火電與可再生能源機(jī)組協(xié)同競爭關(guān)系的合作博弈模型；然后，結(jié)合時序負(fù)荷曲線模擬思想，建立了考慮耦合系統(tǒng)外部博弈和內(nèi)部協(xié)同嵌套的時序隨機(jī)生產(chǎn)模擬方法，提出了耦合系統(tǒng)可靠性評估指標(biāo)以及內(nèi)部機(jī)組經(jīng)濟(jì)收益分配方法；最后，采用中國東北某區(qū)域電網(wǎng)的實(shí)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

1 耦合系統(tǒng)的外部博弈和內(nèi)部協(xié)同機(jī)制

1.1 耦合系統(tǒng)概念

廣義的耦合系統(tǒng)可理解為電力系統(tǒng)中由不同類型電源集成的復(fù)合電能生產(chǎn)主體[19]，如風(fēng)火打捆、虛擬電廠等。本文研究的耦合系統(tǒng)特指火電與風(fēng)電、光伏等可再生能源在同點(diǎn)并網(wǎng)，與空間位置分散的風(fēng)光火打捆發(fā)電系統(tǒng)不同，本文所提耦合系統(tǒng)通過在同點(diǎn)并網(wǎng)，可真正實(shí)現(xiàn)火電與可再生能源在物理空間上的耦合。因此，本文的耦合系統(tǒng)可作為整體可控的調(diào)控對象和運(yùn)營主體參與電力系統(tǒng)運(yùn)行，更具有調(diào)度優(yōu)勢。耦合系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

式中，L為耦合系統(tǒng)時段合約分解電量。

耦合系統(tǒng)利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢可充分發(fā)揮火電的靈活調(diào)節(jié)能力平抑風(fēng)光出力波動，提高可再生能源消納水平及電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。在電力市場中，耦合系統(tǒng)依靠內(nèi)部火電與可再生能源的協(xié)同配合，可實(shí)現(xiàn)低成本、低碳運(yùn)行，并展現(xiàn)出良好的調(diào)節(jié)性能，能夠大幅提高耦合系統(tǒng)的市場競爭力與經(jīng)濟(jì)效益。因此，需綜合考慮耦合系統(tǒng)的外部市場競爭環(huán)境與內(nèi)部機(jī)組協(xié)調(diào)配合之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)行耦合系統(tǒng)隨機(jī)生產(chǎn)模擬，充分挖掘耦合系統(tǒng)靈活運(yùn)行的潛能。