一种基于博弈论的光储接入条件下的电网规划方法与流程

本发明属于电力系统电源与输电网领域，尤其涉及一种基于博弈论的光伏机组、储能设备和输电网协调规划方法。

背景技术：

在我国新能源政策的支持下，分布广泛、资源丰富的光伏发电在近年来得到了迅猛的发展，但光伏电站的无序规划建设和弃光现象也愈加突出。究其原因，一是在光伏电站大量规划的同时，光伏的消纳解决方案未能同步进行，弃光问题突出，造成了大量投资浪费；二是由于大量市场资本的涌入，各方投资者为了追求自身利益的最大化，哄抢资源，博弈竞争，且各参与者之间缺乏共谋的有效性，难以达成有约束力的协议，无法形成合作联盟，导致光伏电站、储能系统、电网公司无法实现协调规划发展。

如何在现有的新能源政策与电力市场化改革机制下，充分考虑光伏电站集中规划、远离负荷中心、出力随机波动性较强等特点，计及电力系统规划建设的投资经济性问题和光伏的消纳解决方案，研究光伏电站、储能系统和电网的协调规划建设，对于合理规划光伏电站容量布局，提高电网与光伏电站的综合效益，促进电力系统的经济、稳定、安全运行，具有极其重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种科学合理的基于非合作博弈理论的光储接入网源协调规划方法，实现对光伏电站、储能装置和网架的协调规划，在满足负荷需求和可靠性的基础上有效提高光伏消纳率，获得更好的经济与环保价值。

为了实现上述目的，本发明以水平年光伏、储能和电网为研究对象，考虑市场环境的影响，引入可再生能源配额与绿色证书交易机制，基于非合作博弈中的完全信息动态博弈理论，建立光-储-网协调规划博弈模型。

光伏、储能和电网进行博弈规划时，考虑各主体的规划顺序，由作为电源侧的光伏电站首先制定其容量规划策略pp，在电源规划的基础上电网进行线路的扩展规划，制定策略lg之后，根据系统的运行情况，储能制定其容量规划策略pb，最后光伏、储能和电网均以最大化各自收益为目标，优化调整博弈策略至最优，由此可见这是一个动态博弈过程。需要特别说明的是，严格意义上来讲，在光储网博弈规划过程中，各方信息并不是完全对称和公开的，考虑本文重点在于探讨基于博弈理论的规划方法，为避免求解不完全信息面临的复杂性问题，本文为简明起见，假设博弈阶段各参与者互相掌握对方的全部策略信息，且参与者具有完全理性。

基于上述分析，本文建立光储接入后的网源协调规划动态博弈模型，以求解三方参与者的纳什均衡策略，优化目标函数如下：

式中：为博弈参与者的纳什均衡策略，表示在对方选择最优策略时己方的最优对策，即该策略组合下光-储-网能实现纳什均衡意义下的最高收益；argmax(·)表示使目标函数取值最大的变量集合。上述优化目标需要在电网的调度策略下运行寻优。

在光-储-网协调规划博弈模式下，各投资主体的效益涉及整个寿命周期的全过程，本发明考虑设备的等值年系数，采用年收入和成本计算各博弈参与者的收益，各投资主体的具体收益模型如下。

a.光伏电站收益

光伏电站的收益fp由其收入和各项成本费用组成，其收入包括年售电收入wp，sel，政府新能源补贴wp，sub，光伏电池报废收入wp，scr；其成本包括光伏电站初期建设成本cp，inv，运行维护成本cp，wom和运行考核成本cp，ass。我国对大规模光伏电站并网后的功率波动和预测有严格的考核标准，具体如下。

1)规定光伏电站月均10min和1min最大功率变化分别不超过装机容量的33％和10％，每超出1％按10分/月考核，每分对应1000元惩罚金额。

2)规定光伏电站短期和超短期功率预测月平均绝对误差分别小于15％和10％，每超出1％按装机容量×0.2分/mw考核，每分对应1000元惩罚金额。

光伏电站收益函数如下式：

式中：wp，scr＝ppdp，其中pp为光伏电站装机容量，dp为单位功率光伏报废收入；cp，inv＝ppup，其中up为单位功率光伏造价；cp，wom＝ppmp，其中mp为单位功率光伏年维护费用；τ为银行利率，tp为光伏电站寿命，为设备等值年系数。

b.储能系统收益

与光伏电站类似，储能系统的收益fb也由其收入和各项成本费用组成。本文主要考虑储能系统在电网运行中的调峰和备用服务，其收入为其所提供辅助服务的收入wb，aux；其成本包括从电网购电成本cb，pur，初期建设成本cb，inv和运行维护成本cb，wom。本文储能系统辅助服务收入计算如下：

式中：cpe为单位调峰收入；cre为单位备用收入；时段储能参与系统备用容量，其中时段储能电量，时段储能参与调峰电量。

储能系统收益函数如下式：

式中：购电成本其中时段储能从电网购买的电量，λb为单位电量购买价格；初期建设成本cb，inv和运行维护成本cb，wom的计算与光伏电站类似，只需要将相应的变量改为储能系统的变量，此处不再赘述。根据我国发布的《并网发电厂辅助服务管理实施细则》，储能系统参与辅助服务的补偿费用来源于发电厂并网运行管理考核费用和发电机组调试运行期差额资金。

c.电网公司收益

电网公司的收益由其售电收入wg，sel，绿色证书交易收入wg，tgc，从光伏电站年购电成本cg，pur，电网为接纳光伏进行的网架扩建成本cg，tr等组成。其中绿色证书交易收入计算如下，设电网公司可再生能源配额要求为n，绿色证书实际持有量为m，则电网公司通过可再生能源交易市场可获收益为：

wg，tgc＝λtgc(m-n)(5)

式中：wg，tgc为绿色证书交易收益；λtgc为绿色证书单位电量的交易价格。

本文以1kw·h光伏电量作为单位证书面值，以一年为期限作为绿色证书结算周期。上式中，若m＜n，表示电网公司未能完成政府规定的可再生能源配额义务要求，则wg，tgc为电网公司从其他超额完成配额义务的承担者处购买绿色证书所花费用。

电网公司收益函数如下式：

式中：其中nl为备选扩增线路总条数，ck为第k条线路的平均造价，lk为第k条备选扩增线路长度。

本发明基于经济调度策略，以火电机组的煤耗成本和储能系统的辅助服务成本最小为目标对各博弈方案进行校核。经济调度目标函数如下：

式中：cgen和cbess分别为火电机组和储能系统的运行成本；ng为火电机组台数，nb为储能系统数量；和表示火电机组在i在t时段和t时段前的启停状态，表示火电机组处于停机状态，火电机组处于开机状态；电机组i在t时段的输出功率；αi，βi，γi为火电机组运行耗量特性参数；ηi为火电机组启动耗量特性参数。储能运行成本cbess即为储能系统收益模型中其辅助服务收入wb，aux，此处是从调度角度出发考虑。

约束条件如下：

(1)可调度光伏出力约束

式中：时段光伏出力，时段光伏最大出力。

(2)火电机组技术约束

①输出功率上下限约束：

式中：pgi，max和pgi，min分别为火电机组i的输出功率上、下限。

②爬坡率约束：

式中：pgi，up和pgi，dw分别为火电机组i的向上爬坡速率和向下爬坡速率。

③最小启停时间约束：

式中：分别为火电机组i的最小连续运行时间和最小连续停机时间；电机组i在t时段前持续同一状态(运行或停机)的时间。

(3)储能系统技术约束

①充放电功率约束：

式中：和为储能充放电功率；和分别为储能充电功率上、下限；和分别为储能放电功率上、下限。

②存储电量约束：

式中：为储能i在t时段的存储电量；ebi，max和ebi，min分别为储能存储电量上、下限。

(4)系统约束

①功率平衡约束：

式中：为时段t的有功负荷。

②旋转备用约束：

式中：和分别为t时段系统应对光伏功率波动设置的正负旋转备用；和分别为t时段系统应对负荷波动设置的正负旋转备用。

③线路容量约束：

式中：pline为线路实际潮流；和分别为线路最小、最大容量约束。

附图说明

图1为本发明的光伏电站与输电网发展关系图；

图2为本发明的光储并网系统运行示意图；

图3为本发明的光储接入网源协调规划方法流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明的光伏电站与输电网发展关系图。

不同于传统的火电、水电、核电等稳定可控的发电模式，光伏发电受天气、环境等影响因素较大，其出力随机性、间歇性和波动性等特点决定其消纳受到电力系统电源结构、电网结构、负荷水平与负荷特性、电网调度计划安排等因素的制约。我国光伏发电基地多位于距离主电力系统和负荷中心较远的地方，面临着网架薄弱、系统调峰能力不足、需要跨省消纳和电力系统稳定性等一系列难题。而且，受新能源电价政策与市场环境因素影响，光伏的高速发展与地区的电力系统规划脱节，这些因素都导致了目前的光伏消纳难题。

众所周知，电力系统规划包括负荷预测、电源规划、电网规划，其中电源规划和电网规划相辅相成、互联互动。为支持新能源发电的发展，我国在新能源政策上对新能源企业给出了很大的激励和支持，随之而来的是新能源行业的投资热潮。由于光伏电站项目前期工作流程简单，建设周期较短，我国迎来了光伏发电的高速发展，但光伏电站的无序规划建设和大量资源浪费的现象也日益突出。为解决光伏的发展和消纳问题，近年来我国的电网企业已经加大了电网建设的力度，但电网项目审核相对复杂，方案确定慢，建设周期长，导致光伏电站的建设和电网的规划建设不同步，因此光伏电站和电网的规划建设无法实现协调发展。

图2为本发明的光储并网系统运行示意图。

本发明针对目前大量光伏电站无序建设，光伏消纳困难等问题，考虑电网扩展规划和储能系统并网对光伏消纳的提升作用，结合可再生能源配额制，在规划年负荷预测的基础上，提出光伏、储能和电网的协调规划研究，首先进行光储网的博弈关系分析。

光伏电站、储能系统和电网公司在整个系统的运行过程中是互联互动、收益相关的。光伏电站的策略为并网容量，其装机容量影响着电网企业的绿色证书交易收益与储能系统调峰、备用等辅助服务收益；电网公司的策略为网架的扩展规划方案，网架结构的变化关系着光伏电量的上网消纳；储能系统的策略为规划容量，其调峰和备用的容量制约着光伏电量的消纳，并影响着电网的可再生能源配额制完成情况。可见，光伏、储能和电网三者的决策变量互相影响，形成博弈关系。

图3为本发明的光储接入网源协调规划方法流程图。

步骤s1：配置原始数据和相关信息参数，包括光伏机组的出力特性数据、负荷管理信息、电价相关情况、发电机组及其相关设备造价等，并将它们录入模型。

步骤s2：分析各方的策略选择，形成博弈策略集。电网公司网架建设方案策略集合：对每个光伏机组运行策略下的系统情况进行模拟，通过ga算法，去除显然性价比低的网架建设方案。光伏电站和储能设备策略集合：在合理的容量建设范围内，将光伏机组和储能设备的容量从零开始逐步增加至上限。

步骤s3：按照博弈理论形成博弈树。即按光伏决策集、储能设备决策集和网架规划决策集排序分层排列。

步骤s4：根据步骤s1输入的原始数据和相关信息参数，对电力系统的调度行为进行模拟仿真，计算博弈树上每条分支线上光伏机组、储能设备和电网公司的收益情况，并衡量其收益水平。

步骤s5：博弈树简化。从当前博弈树的重点位置向前搜索，找出该博弈树中所有的最小子博弈，计算出它的纳什均衡解，然后，将子博弈的初始点位看作原博弈的终点位置，并在新的终点位置上标注达到纳什均衡的三方策略选择和收益情况，来替换掉这些子博弈；在简化后的博弈树上重复上述步骤，逆向推进至原博弈树初始结。

步骤s6：判断系统是否找到子博弈精炼纳什均衡。若找到均衡，进入步骤s7；若未找到均衡，返回步骤s2。

步骤s7：输出博弈的纳什均衡解。本发明以水平年光伏电站、储能系统和电网企业规划为研究对象，考虑市场环境的影响，引入可再生能源配额与绿色证书交易机制，基于非合作博弈理论，建立光-储-网协调规划博弈模型，对当前市场环境下光伏与电网的不协调规划问题进行研究和探索，提升电网消纳光伏的积极性，避免光伏电站的无序扩张，可为目前光伏电站规划中出现的场网不协调问题提供改进方案。