CN111767654A - 一种基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型，S1.获取某虚拟电厂风电预测出力、用户偏好负荷和所连接配电网电价数据，并分析了虚拟电厂中各主体的诉求特点；S2.基于诉求特点量化出各主体优化目标，进一步对运营商的目标进行拓展，考虑内部用户的需求响应资源，并应用主从博弈模型构建了虚拟电厂内部主体制衡调度模型；S3.将该模型应用于某虚拟电厂，促进了虚拟电厂内部风电消纳和提高了发电方、用户方效益。本发明为虚拟电厂内部调度提供一种实现方法简单，且能够促进内部主体平衡制约、提升内部效益和促进风电消纳的调度模型。

Description

一种基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型
技术领域
本发明涉及新能源电力系统技术和虚拟电厂领域，尤其涉及一种基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型。
背景技术
虚拟电厂(Virtual Power Plants，VPP)是利用电力市场经济手段加强供需两侧的协调，以价值为驱动，把促进新能源消纳和挖掘需求响应资源为目标。此外，相比于微网，虚拟电厂还具有不受地域限制的优势。影响虚拟电厂内部优化运行的因素较多，其中虚拟电厂内部的需求响应资源、组织构架和主体交互关系是重要的影响因素。
通常情况下需求响应分为基于电价的需求响应(Price-based Demand Response，PDR) 和基于激励的需求响应(Incentive-based Demand Response，IDR)。PDR侧重于用户方以经济为诉求主动参与电价变化的响应，其因不同用户方的响应量、响应速度和调节能力存在差异而可控性不强；IDR是指赔偿和折扣的方式来激励和引导用户方参与需求响应，通过提前竞标或者签订差异合同接受调度强制执行，具有响应速度快和可控性强等特点，文章所考虑的IDR资源具有向上或向下调节的能力。因此，如何利用PDR和IDR的特点更好为虚拟电厂优化调度，从而降低用户方用电成本，并对探索更低成本提高新能源消纳和平抑新能源出力偏差的方式具有重要意义。
虚拟电厂的组织架构和内部主体交互关系方面。虚拟电厂内部通常由发电方、用户方和虚拟电厂运营商(简称：运营商)三方主体构成。目前，发电方、用户方和虚拟电厂运营商多以效益型目标为诉求，且运营商多直接参与效益结算，但因运营商具有绝对调度权和信息权，易出现运营商利用自身优势谋取不当利益或偏袒某一方主体，这不利于虚拟电厂长久发展和内部的平衡制约。因此，需要对运营商优化目标进行设计，这对进一步满足发电方、用户方的效益型目标和保障虚拟电厂内部长久互利发展，具有重要探索意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明为虚拟电厂内部调度提供一种实现方法简单，且能够促进内部主体平衡制约、提升内部效益和促进风电消纳的调度模型。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型，步骤包括：
S1.获取某虚拟电厂风电预测出力、用户偏好负荷和所连接配电网电价数据，并分析了虚拟电厂中各主体的诉求特点；
S2.基于诉求特点量化出各主体优化目标，进一步对运营商的目标进行拓展，考虑内部用户的需求响应资源，并应用主从博弈模型构建了虚拟电厂内部主体制衡调度模型；
S3.将该模型应用于某虚拟电厂，促进了虚拟电厂内部风电消纳和提高了发电方、用户方效益。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中基于虚拟电厂内部运营商、发电方和用户方三个主体诉求特点，考虑用户方的需求响应资源，并对运营商的目标进行拓展，得到运营商、发电方和用户方的量化目标：
CS＝max(γ1F1+(1-γ1)F2)
CG＝max(Ce-Cc-Cgrid-Cf)
CH＝min(Ce+CR)
其中，CS、CG和CH分别为运营商、发电方和用户方的量化目标；F1和F2分别为运营商目标的效益和技术保证子目标；γ1为权重取值；Ce为售电收入/用户方购电成本；Cc为发电成本；Cgrid为向电网购电成本；Cf为弃风惩罚；CR为偏好成本。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中为了促进虚拟电厂内部的制衡，基于已经量化的三方主体目标，规定运营商为博弈模型中的博弈主体，发电方和用户方为博弈从体。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中应用主从博弈模型对三方主体制衡关系进行建模，得到内部主体制衡调度数学模型：
Figure BDA0002565591720000021
其中，Pi,t、Pgrid,t、Pw,t和PL,t分别为t时刻的第i台火电机组出力、外购电量、风电调度出力和用户负荷；λn,t、λgrid,t分别为t时刻虚拟电厂内部电价和外购电价；上标“*”号表示博弈中求解的策略。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中为了保证虚拟电厂内部安全运行，需要考虑主从博弈相关约束：
Figure BDA0002565591720000031
其中，Pi,N为第i台火电机组的额定出力；
Figure BDA0002565591720000032
为用户偏好负荷。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S3中将所建数学模型应用于某虚拟电厂，促进了虚拟电厂内部风电消纳和提高了发电方、用户方效益。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明针出现虚拟电厂内部运营商多以效益型目标为诉求和多直接参与效益结算的不足，对运营商优化目标进行重新设计，将效益型目标扩展为同时考虑虚拟电厂内部效益和风电消纳水平的综合型目标。
2)本发明针出现虚拟电厂内部运营商易利用自身优势谋取不当利益或偏袒某一方主体的现象，应用主从博弈模型对虚拟电厂内部主体交互关系重新构造，规定运营商为博弈模型中的博弈主体，发电方和用户方为博弈从体，并应用主从博弈模型对三方主体制衡关系进行建模。
3)本发明将所建模型应用于某虚拟电厂日前优化调度。仿真结果表明，本发明的模型能促进虚拟电厂内部风电消纳和进一步提高了发电方、用户方效益。
附图说明
图1是本实施例中基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型的实现流程示意图。
图2是本发明具体实时例中用户偏好负荷、风电预测功率和配电网电价曲线图。
图3是本发明具体实时例中VPP内部主体交互关系图。
图4是本发明具体实时例中方案1优化结果图。
图5是本发明具体实时例中方案2优化结果图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例中基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型，步骤包括：
S1.获取某虚拟电厂风电预测出力、用户偏好负荷和所连接配电网电价数据，并分析了虚拟电厂中各主体的诉求特点；
S2.基于诉求特点量化出各主体优化目标，进一步对运营商的目标进行拓展，考虑内部用户的需求响应资源，并应用主从博弈模型构建了各主体优化目标的内部制衡调度模型；
S3.将该模型应用于某虚拟电厂，促进了虚拟电厂内部风电消纳和提高了发电方、用户方效益。
本实施例中，虚拟电厂运营商多以效益型目标为诉求，且运营商多直接参与效益结算，此外，因运营商具有绝对调度权和信息权，易出现运营商利用自身优势谋取不当利益或偏袒某一方主体，这不利于虚拟电厂长久发展和内部的平衡制约。
本实施例中，基于上述分析虚拟电厂内部存在的部分问题，步骤S1首先获取虚拟电厂内部风电预测出力、用户偏好负荷和所连接配电网电价数据，如图2所示。
进一步对虚拟电厂内部主体的构成、主体的交互关系和各主体诉求特点加以分析和说明。如图3所示，虚拟电厂是由发电方、用户方和运营商作为内部主体构成的整体，且虚拟电厂三方主体存在着某种交互关系。进一步对各内部主体诉求特点进行分析。
本实施例中，步骤S1基于上述诉求特点的分析，可得各主体的量化目标如下：
发电方是虚拟电厂中的电能提供者，由火电机组和风电机组构成，其主要任务是满足用户方的用电需求，除了发电成本外，还承担向外购电成本和IDR成本。发电方需把所有信息上报运营商，并接受运营商调度，以效益型诉求参与运行，并以效益CG最大构造优化目标。
CG＝max(Ce-Cc-Cgrid-Cf) (1)
Figure BDA0002565591720000041
Figure BDA0002565591720000042
Figure BDA0002565591720000043
其中，Ce为售电收入/用户方购电成本；Cc为发电成本；Cgrid为向电网购电成本；Cf为弃风惩罚；ki,t为第i台火电机组t时刻运行状态；fq为火电机组启停成本；λgrid,t、λf,t分别为t时刻外购电价和弃风惩罚单价；Pqw,t和Pqw,t为t时刻弃风功率。
用户方是指有用电需求并具备需求响应能力的用户方集合，会作为整体将所有信息上报虚拟电厂运营商，并具有需求响应得能力，以效益型诉求参与运行，并以用能成本CH最低构造优化目标。
CH＝min(Ce+CR) (5)
Figure BDA0002565591720000051
Figure BDA0002565591720000052
其中，CR为偏好成本
Figure BDA0002565591720000053
和PL,t分别为用户方在t时刻的偏好电负荷和实际电负荷，ωt、λn,t分别为t时刻电负荷偏离惩罚系数和VPP内部电价。
运营商是指虚拟电厂内部的调度中心，其除了为发电方和用户方的效益型诉求提供公平环境外，也需尽可能提升风电消纳水平，以综合目标CS最大参与运行。
CS＝max(γ1F1+(1-γ1)F2) (8)
Figure BDA0002565591720000054
其中，Pw,t和Ppw,t分别为t时刻风电预调度出力和风电预测出力；γ1为权重取值。
本实施例中，步骤S2中基于上述虚拟电厂内部主体诉求和量化目标的分析，考虑用户需求响应资源，应用主从博弈模型对三方主体制衡关系进行建模，并规定运营商为博弈模型中的博弈主体，发电方和用户方为博弈从体。具体三方主体博弈数学模型如下：
Figure 2
其中，Pi,t、Pgrid,t、Pw,t和PL,t分别为t时刻的第i台火电机组出力、外购电量、风电调度出力和用户负荷；λn,t、λgrid,t分别为t时刻虚拟电厂内部电价和外购电价；上标“*”号表示博弈中求解的策略。
为了保证虚拟电厂内部安全运行，需满足式(11)约束。
Figure BDA0002565591720000056
其中，Pi,N为第i台火电机组的额定出力；
Figure BDA0002565591720000057
为用户偏好负荷。
本实施例中，步骤S3将上述应用主从博弈所建立的虚拟电厂内部主体制衡调度模型应用到某虚拟电厂的具体日前调度中。
虚拟电厂内部相关参数还包含：虚拟电厂发电方具备20台2MW风电机组和2台30MW火电机组；弃风惩罚单价取外购电价1.5倍；ωt均取值1315；采用主观经验法设置γ1为0.3；火电机组参数如表1所示。
表1火电发电机组参数
Figure BDA0002565591720000061
为了体现本发明模型的有效性，设置两个方案进行对比分析。
方案1：运营商以所建模型参与日前优化；
方案2：运营商仅以效益型目标参与日前优化，即当γ1取值1时。
仿真结果如图4和图5所示。显然，风电消纳率更高，方案1的外购电量比方案2更低，是因为方案1在20-24h时段和0-5h时段的电价更低，相比于方案2更加刺激了用户方参与PDR，促进了风电的消纳。进一步对各效益型主体的经济性进行分析，如表2。
表2日前优化调度结果
Figure BDA0002565591720000062
由表2对比方案1方案2可知，由于方案2更偏向于发电方效益，从而发电方效益得以保障，但用户方PDR资源未被充分利用，系统风电消纳率较低。结合图4、5和表2可知，方案1中发电方收益虽然下降了一些，但提升了风电消纳水平和进一步挖掘了用户方PDR资源。
本发明一种基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型，将所建立模型在实例中应用有如下效果:
运营商以综合目标参与优化运行策略，能进一步提升虚拟电厂内部风电消纳水平，且一定程度上避免了仅以效益型目标参与优化运行策略的弊端。
基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型可进一步确保了内部主体平衡制约，对内提升了参与主体经济效益；对外提高了风电消纳水平，提升了社会效益。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型，其特征在于，步骤包括：
S1.获取某虚拟电厂风电预测出力、用户偏好负荷和所连接配电网电价数据，并分析了虚拟电厂中各主体的诉求特点；
S2.基于诉求特点量化出各主体优化目标，进一步对运营商的目标进行拓展，考虑内部用户的需求响应资源，并应用主从博弈模型构建了虚拟电厂内部主体制衡调度模型；
S3.将该模型应用于某虚拟电厂，促进了虚拟电厂内部风电消纳和提高了发电方、用户方效益。
2.根据权利要求1所述的基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型，其特征在于：所述步骤S1中虚拟电厂中各主体的诉求分析包括虚拟电厂内部主体的构成、主体的交互关系和各主体诉求特点。
3.根据权利要求2所述的基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型，其特征在于：所述步骤S2中基于虚拟电厂内部运营商、发电方和用户方三个主体诉求特点，考虑用户方的需求响应资源，并对运营商的目标进行拓展，得到运营商、发电方和用户方的量化目标：
CS＝max(γ1F1+(1-γ1)F2)
CG＝max(Ce-Cc-Cgrid-Cf)
CH＝min(Ce+CR)
其中，CS、CG和CH分别为运营商、发电方和用户方的量化目标；F1和F2分别为运营商目标的效益和技术子目标；γ1为权重取值；Ce为售电收入/用户方购电成本；Cc为发电成本；Cgrid为向电网购电成本；Cf为弃风惩罚；CR为偏好成本。
4.根据权利要求3所述的基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型，其特征在于：所述步骤S2中为了促进虚拟电厂内部的制衡，基于已经量化的三方主体目标，规定运营商为博弈模型中的博弈主体，发电方和用户方为博弈从体。
5.根据权利要求4所述的基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型，其特征在于：所述步骤S2中应用主从博弈模型对三方主体制衡关系进行建模，得到内部主体制衡调度数学模型：
Figure FDA0002565591710000011
其中，Pi,t、Pgrid,t、Pw,t和PL,t分别为t时刻的第i台火电机组出力、外购电量、风电调度出力和用户负荷；λn,t、λgrid,t分别为t时刻虚拟电厂内部电价和外购电价；上标“*”号表示博弈中求解的策略。
6.根据权利要求4和5所述的基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型，其特征在于：所述步骤S2中为了保证虚拟电厂内部安全运行，需要考虑主从博弈相关约束：
Figure FDA0002565591710000021
其中，Pi,N为第i台火电机组的额定出力；
Figure FDA0002565591710000022
为用户偏好负荷。
7.根据权利要求6所述的基于主从博弈的虚拟电厂内部主体制衡调度模型，其特征在于：所述步骤S3中将所建数学模型应用于某虚拟电厂，促进了虚拟电厂内部风电消纳和提高了发电方、用户方效益。
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