一种基于非合作博弈的多虚拟电厂点对点能源交易方法与流程

本发明属于电力，涉及电力系统电源优化调度方面，为一种基于非合作博弈的多虚拟电厂点对点能源交易方法。

背景技术：

1、近年来，分布式能源开发的优势逐步显现，能源供给模式由集中式向分布式转型已成为必然趋势。然而，中国现有的发电/供电模式大多以集中式运行为主，其敏感度较高、通信信息量大、鲁棒性较低，无法充分发挥分布式能源在安全性、经济性等方面的优势，导致分布式能源市场化程度较低，且仍需要国家相关政策的扶持。在电力体制改革不断深化的背景下，世界各国均加快了发展分布式市场化交易的步伐，中国也于2017年11月发布了《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》，提出了要进一步开放用户侧市场、发挥市场的正面引导作用、激发市场主体活力等目标。在此背景下，一种局部电能共享与交易方法——点对点(peer-to-peer,p2p)能源交易方法应运而生，它能够有效降低用户侧市场交易的门槛以及交易费用，激发各市场主体参与分布式交易的积极性，目前已广泛应用于虚拟电厂(virtual power plant,虚拟电厂)之间的电能交易。但是，分布式能源交易依然要面对用户行为随机、各主体竞标策略随机以及市场关系复杂性等问题，因此亟需对各主体的市场交易策略进行优化，并进一步明确不同市场主体间的博弈关系。

2、目前，有关虚拟电厂间电能共享与分布式交易的形式基本可分为以下两种：(1)基于合作博弈模的能量共享与交易机制；(2)基于非合作博弈的能量共享与交易机制。对于前者，其主要形式是各虚拟电厂以联盟的形式整体参与市场交易，并通过能量共享的形式优先消纳内部富余的电能。国内有学者提出了一种基于单对多、多对多交易情形下的合作博弈模型，并采用核仁法实现合作剩余的再分配，通过聚类以及计算过剩度等方法改进核仁法，使得其对于数量庞大的虚拟电厂群依然适用。还有学者提出了基于能量共享的建筑群日前优化调度策略，并采用shapley值法在调度结束后对整体收益进行再分配。与合作博弈不同，基于非合作博弈的电能交易方式侧重于各主体利益冲突下的均衡，可分为基于平台主导的交易模式以及基于参与者主导的交易模式。国内目前有基于平台主导的市场交易模型，其中领导者市场运营商与跟随者之间构成stackelberg博弈关系，通过电价引导电能共享，促进清洁能源的就近消纳，减少了能源交易过程中的传输损耗。国内学者研究基于参与者主导的非合作博弈模型，建立了多个卖方之间的非合作竞争关系，并基于nash均衡解得出各售电方的最佳竞标策略，既有代理商与虚拟电厂间的主从博弈关系，又有多个虚拟电厂之间的演化博弈关系。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于非合作博弈的多虚拟电厂点对点能源交易方法，能够更好地为决策者提供最优策略方案。

2、本发明具体为一种基于非合作博弈的多虚拟电厂点对点能源交易方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤1，构建虚拟电厂内部考虑用户用能特性的公共楼宇空调系统模型、光伏模型以及储能模型；

4、步骤2，根据步骤1中构建的虚拟电厂内各组成部分的模型，综合考虑虚拟电厂内各组成部分的实际运行约束，构建虚拟电厂日前调度模型；

5、步骤3，根据电厂日前调度模型，构建卖方虚拟电厂和市场运营商的效用函数模型；

6、步骤4，根据效用函数模型，构建卖方虚拟电厂与市场运营商之间非合作博弈模型；

7、步骤5，采用gams软件求解多个虚拟电厂与市场运营商之间的非合作博弈模型并输出结果。

8、进一步的，所述步骤1具体包括：

9、采用基于冷热负荷计算的建模方法描述公共楼宇的储热模型，对于公共楼宇，中央空调机组在工作期间向室内提供制冷量，同时楼宇内外热源的放热作用以及楼宇内墙的蓄热作用使得室温不断上升，有如下热量平衡关系：

10、cavkρadtin＝qcldt+qnwdt-qx-qedt   (1)

11、式中，qcl、qnw、qx、qe分别表示公共楼宇瞬时热量、新风负荷、建筑结构的蓄热量以及中央空调制冷机组的逐时制冷量；tin为楼宇室内温度；ca为空气定压重量比热，vk为楼宇的制冷空间体积，ρa为空气密度；结合上述热力学方程，推导出计及中央空调制冷效果的公共楼宇储热模型：

12、

13、式中，tin为楼宇室内温度，γ、β、α分别均为描述天气情况以及建筑储热特性的参数，qe为中央空调制冷机组的逐时制冷量，对式(2)作进一步推导，则有如下室温时变方程：

14、

15、式中，t表示时间，δt为时间间隔；

16、中央空调系统的制冷过程就是运用电能将室内的热量搬移到室外，对于一个有n1台冷水机组、n2台冷冻水泵、n3台冷却盘管风机、n4台冷却水泵以及n5台冷却塔的空调系统，其能耗模型表示为：

17、

18、式中，pchiller,i、pchwpump,j、pcoil,k、pcwpump,m以及ptower,n分别表示冷水机组能耗、冷冻水泵功率、冷却水泵功率、风机盘管能耗以及冷却塔能耗，phvac为总的能量损耗；各部分能耗计算如下：

19、1)冷水机组

20、冷水机组为中央空调系统的核心，其能耗取决于其能效比：

21、

22、式中，pchiller,i为冷水机组的能耗，qe为冷冻水循环侧的冷负荷，cop为空调的能效比；cop由冷水机组蒸发温度、冷凝温度及负载率等参数计算得出：

23、

24、式中，r为冷水机组负载率，表示为冷负荷qe与额定负载qnom的比值；te为蒸发温度，tc为冷凝温度，用以下公式计算：

25、

26、

27、式中，tchwr和tcws分别表示冷冻水回水温度和冷凝水供水温度，qc表示冷凝水循环侧的负荷，fchw(mchw)和fcw(mcw)是有关冷冻水流量mchw和冷凝水流量mcw的经验公式；

28、2)变频水泵

29、假设所有水泵均加装变频控制系统，变频水泵的功率计算公式如下：

30、

31、式中，qroom.k为对应区域冷负荷，msa,k和mchw,k分别为风机风速和盘管内冷冻水流量；cc,1,k、cc,2,k为运行系数，tchws分别表示冷冻水供水温度，tma,k为风箱内室内外空气混合温度，表示为同时盘管内冷冻水流量之和等于系统中冷冻水总流量：

32、

33、式中，msa,k和mchw,k分别为风机风速和盘管内冷冻水流量；n2为冷冻水泵台数、n3为冷却盘管风机台数；

34、3)冷却塔

35、冷却塔是中央空调系统的排热装置，通过冷却水循环将室内空气中的热量吸收排放至大气中，散热过程表示为：

36、

37、式中，n1为冷水机组台数，n5为冷却塔的空调系统台数，mta,n和mcw,n分别为冷却塔中风速和冷却水流量，tcwr和twb分别为冷冻水回水温度和冷却塔湿球温度，cc,1,t、cc,2,t为智能楼宇参数；此外，空调系统中冷却水总流量保持不变：

38、

39、式中，n4为冷却水泵台数，n5为冷却塔的空调系统台数，mta,n和mcw,n分别为冷却塔中风速和冷却水流量；

40、4)风机盘管

41、风机盘管和冷却塔的能耗均源自风机，其能耗模型与变频水泵相似，表示为：

42、

43、

44、式中：pcoil/tower为风机盘管能耗，kf、xa、xsa为风机盘管固定系数，msa/ta.nom为风机盘管和冷却塔风速的额定值，ηvar为风机盘管工作效率，af为风机盘管的阻力系数；

45、储能模型：

46、储能系统调控过程中的蓄电量表示为：

47、

48、式中，为t时刻储能系统的蓄电量，ηch、ηdis为t时刻储能充放电效率，为t时刻储能系统的充电功率和放电功率；

49、光伏模型：

50、根据太阳辐射强度，光伏阵列的预测输出功率为：

51、

52、式中，ηct为光伏阵列能量转换效率，为t时刻光伏机组的总出力，sca为光伏阵列面积，gt表示某地t时刻的预测的太阳辐射强度。

53、进一步的，所述步骤2具体包括：

54、(1)中央空调系统运行约束

55、中央空调系统的约束条件包括各设备的运行约束以及不同设备间的相互作用约束，其中，冷水机组和冷冻/却水循环之间的相互作用表示为：

56、

57、

58、式中，冷却水基于能量平衡原理消除冷却水侧热量，包括压缩机产生的热量和冷冻水循环侧经由蒸发器传输到冷凝器的热量，冷却水循环中的冷负荷qc,i＝qe,i+pchiller,i，qe,i为冷冻水循环侧的冷负荷，mchw.m为冷冻水流量，tchwr和tchws分别表示冷冻水回水温度和冷冻水供水温度，tcwr和tcws分别为冷冻水回水温度以及冷凝水供水温度，cw为固定系数；

59、为保障空调系统运行具有最优性能，公共楼宇中央空调系统中的变量需控制在能够接受的范围之内：

60、tchws.min≤tchws≤tchws.max   (19)

61、tcws.min≤tcws≤tcws.max   (20)

62、mchw,j.min≤mchw,j≤mchw,j.max   (21)

63、mcw,j.min≤mcw,j≤mcw,j.max   (22)

64、msa,k.min≤msa,k≤msa,k.max   (23)

65、mta,n.min≤mta,n≤mta,n.max   (24)

66、式(19)-(20)中tchws.min、tchws.max、tcws.min、tcws.max分别设置了冷水机组中冷冻水和冷却水供水温度的上下限；式(21)-(22)中mchw,j.min、mchw,j.max、mcw,j.min、mcw,j.max表示水泵流量需控制在一定范围内；式(23)-(24)中msa,k.min、msa,k.max、mta,n.min、mta,n.max表明风机风速的控制范围；

67、此外，中央空调的调控应使得室温在用户能够接受范围内，表示如下：

68、

69、式中，为用户能够接受的最低/最高室温；

70、(2)储能系统运行过程中需要满足的约束如下：

71、

72、

73、

74、式中，smin、smax为储能蓄电量的下限和上限，pchmax、pdismax分别为储能的最大充放电功率；

75、(3)光伏机组的运行约束如下：

76、

77、式中，为实际消纳的光伏功率大小，为预测输出功率；

78、至此，确定虚拟电厂日前优化调度的目标为最大化其在日前市场的收益：

79、

80、式中：分别为t时刻向电网售电量和购电量；λp(t)表示t时刻日前能量市场统一出清价格；kpurchase表示购电价格在原电价基础上乘以的比例系数。

81、进一步的，所述步骤3具体包括：

82、对于卖方虚拟电厂而言，其效用函数为其在t时刻的售电收益减去相关成本，具体表示如下：

83、

84、式中，分别为第m个卖方虚拟电厂的p2p售电收入、与运营商交易收入、p2p服务花费以及空调负荷调控成本，各部分具体计算如下：

85、

86、

87、

88、

89、式中，为第m个卖方虚拟电厂的p2p售电收入，为卖方虚拟电厂向第x个买方虚拟电厂的售电功率，nx为买方虚拟电厂的数量，为运营商的购电电价，为虚拟电厂间p2p交易报价，为运营商的博弈策略对虚拟电厂之间p2p交易收取的服务费用，为卖方虚拟电厂向运营商的售电功率；为量化经济成本的相关系数，表示用户最舒适室温参考温度，为空调负荷调控成本，为t时刻智能楼宇室内温度；

90、市场运营商的效用函数同样为其在市场交易中获取的利润，即在零售市场的收益减去其电能批发成本，计算如下：

91、

92、式中，表示市场运营商的净利润，为其在零售市场的电能交易收入；为其对虚拟电厂间p2p交易收取的服务费用；为其批发电价成本；各部分具体计算如下：

93、

94、

95、

96、式中，表示市场运营商向买方虚拟电厂的售电电价，为运营商的购电电价，为市场运营商售电功率以及购电功率，为虚拟电厂间p2p交易收取的服务费；为其对虚拟电厂间p2p交易收取的服务费用，为卖方vpp向第x个买方vpp的售电功率，为批发市场电价，pt表示运营商向虚拟电厂出售的总功率；

97、虚拟电厂在某一时刻的交易电量需求计算式为：

98、

99、式中，表示第z个虚拟电厂的交易电量，若其为正值，则表示虚拟电厂z作为卖方；若其为负值，则说明虚拟电厂z处于买方，分别表示第z个虚拟电厂在t时刻的光伏输出功率、储能放电功率、储能充电功率、固定负荷以及中央空调负荷。

100、进一步的，所述步骤4具体包括：

101、非合作博弈模型的基本形式如下：

102、g＝＜γ；(bi)；(ui)＞ (41)

103、式中，g表示博弈策略，γ、bi、ui为博弈的基本要素，即博弈方、博弈策略以及效用函数；

104、(1)博弈方

105、p2p交易过程中的博弈方为t时刻存在的卖方虚拟电厂以及配电网，记全体卖方虚拟电厂集合为γpro＝{pro1,pro2,···pron}，市场运营商集合记为γds＝{ds}，于是博弈参与方概括为集合

106、(2)博弈策略

107、运营商的博弈策略为对虚拟电厂间p2p交易收取的服务费用规定虚拟电厂间p2p交易报价上限为市场运营商的服务费用上限为则卖方虚拟电厂的博弈策略集合记为市场运营商的博弈策略集合记为

108、(3)博弈的纳什均衡点

109、非合作博弈的纳什均衡点定义为：当系统达到博弈均衡时，任意一方改变博弈策略，均不会提高其效用函数，记博弈均衡点的策略为m0；博弈方策略单方面调整时效用函数的偏移情况，具体包括以下几种偏移场景：任意卖方虚拟电厂减少其p2p报价；任意卖方虚拟电厂提高其p2p报价；市场运营商减少其服务报价；市场运营商提高其服务报价；首先通过其中两种偏移场景归纳总结出纳什均衡点，继而证明其余两种偏移场景同样满足纳什均衡点定义，最终得到的纳什均衡点为：

110、

111、式中，为运营商t时刻的购电电价，为运营商t时刻的售电电价，nm为卖方虚拟电厂的数量。

112、进一步的，所述步骤5具体为：

113、通过采用gams软件求解多个虚拟电厂与市场运营商之间的非合作博弈模型并输出结果，对比不同空调运行策略对于p2p交易结果的影响，分析虚拟电厂之间发生p2p交易的条件以及影响因素。

114、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

115、本发明针对当前虚拟电厂市场化交易过程中未能充分考虑交易主体的用能特性，且各交易主体间的博弈关系仍需进一步挖掘等问题，提出了一种考虑公共楼宇可控潜力的多虚拟电厂点对点能源交易方法，本发明提出的公共楼宇协调控制模型能够通过柔性调控精准地跟踪控制空调耗能，提高空调的运行效率，达到节能的效果；在虚拟电厂的p2p交易过程中考虑公共楼宇的柔性控制，能够显著提高各虚拟电厂的市场力水平，促进其在市场交易中采取更加积极的交易策略，提高其整体收益；虚拟电厂的空调负荷经济成本系数以及批发市场电价对于虚拟电厂间的交易方式以及纳什均衡解的分布无实质影响，而运营商的服务报价上限则会对虚拟电厂的交易方式产生较大影响，当服务报价逐步降低，虚拟电厂之间的p2p交易更容易发生。