CN114936672A - 一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂联合调度方法 - Google Patents

一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂联合调度方法 Download PDF

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柏晶晶
唐华
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Abstract

本发明公开了一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂联合调度方法，包括：建立单虚拟电厂日前优化调度模型；建立多个虚拟电厂电能交互模型，并在此基础上，构建考虑集中‑分散交易机制的多虚拟电厂联合调度模型；最后，根据上述多虚拟电厂联合调度模型的求解结果，构建基于纳什谈判策略的多虚拟电厂收益分配方法，计算各虚拟电厂的最终收益。本发明能够在多虚拟电厂联合调度结果的基础上，对各虚拟电厂的收益进行二次分配，从而实现区域级多虚拟电厂联盟的长久稳定，实现多个虚拟电厂电能的优势互补与梯级利用，显著提高能源利用水平，提高各虚拟电厂的经济效益。

Description

一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂联合调度方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及电力系统电源调度，具体涉及一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂联合调度方法。
背景技术
随着能源短缺和环境污染等问题的日益严峻，大力开发以风电和光伏为主的可再生能源，实现能源的绿色、低碳和循环发展已成为全球能源行业的重要战略。与传统能源相比，分布式能源具有可靠、经济、灵活、环保等优势，但由于其容量小、地理位置分散、出力随机性等问题，导致电网很难对其进行有效管控。虚拟电厂技术为解决上述问题提供了有效途径，其通过先进的通信、计量、控制等手段实现不同类型分布式能源的协调优化控制，已逐渐成为一种灵活性强、适应度高、经济性好的新兴运营模式。
目前，针对单个虚拟电厂的研究以及虚拟电厂内部的经济效益分配，国内外学者已经开战了较多的研究，并取得了一定的成果，其中，基于Shapley值法以及基于核仁法的分配方案使用的最多，然而，基于Shapley值法的分配方案在市场主体数量较多时，往往难以实现分配方案的快速确实，需要经过较多次计算才能得出最终的分配方案，计算效率较低；而基于核仁法的分配方案则有时候不能保证分配方案位于核心，且同样存在大规模适用等问题。基于此，本发明提出一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂合作剩余分配策略，将合作剩余分配问题转化为博弈均衡问题，并通过求解纳什均衡解实现分配策略的求解。在此基础上，可依次向谈判主体中加入各种谈判因素，从而可以考虑诸多方面的影响因素，实现合作剩余的公平分配。
发明内容
本发明要解决的问题是：在虚拟电厂技术中，如何实现多虚拟电厂联合调度背景下合作剩余的公平分配的问题。
本发明的技术方案为：一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂联合调度方法，包括以下步骤：
步骤1，结合各聚合单元运行原理，构建虚拟电厂日前优化调度模型；
步骤2，结合多虚拟电厂间的电能交易原理，构建计及集中分散交易机制的多虚拟电厂联合调度模型，并采用GAMS软件调用CPLEX求解器实现模型的求解；
步骤3，构建基于纳什谈判理论的多虚拟电厂合作剩余分配模型，并结合步骤2的求解结果，计算各虚拟电厂的谈判系数以及分配结果。
进一步的，所述步骤1中构建虚拟电厂日前优化调度模型具体为：
虚拟电厂的聚合单元包括燃气轮机、可中断负荷以及电储能系统，各部分的具体模型如下：
燃气轮机模型：
将燃气轮机的运行成本表示为如下分段线性模式：
Figure BDA0003595651300000021
Figure BDA0003595651300000022
式中，a、λsu、λsd分别为固定生产成本、启动成本以及关机成本；
Figure BDA0003595651300000023
分别为整数变量，表示燃气轮机是否工作、启动或关机；Kl为燃气轮机生产成本曲线的第l段；gl,t为燃气轮机第l段出力；
Figure BDA0003595651300000024
为燃气轮机的总出力；
燃气轮机运行约束：
Figure BDA0003595651300000025
Figure BDA0003595651300000026
Figure BDA0003595651300000027
Figure BDA0003595651300000028
Figure BDA0003595651300000029
Figure BDA00035956513000000210
Figure BDA00035956513000000211
Figure BDA00035956513000000212
Figure BDA00035956513000000213
式中，gGT,max、gGT,min分别为燃气轮机的最大/最小功率输出；rU、rD分别为和燃气轮机的向上/下爬坡率；
Figure BDA00035956513000000214
为燃气轮机第l段输出功率上限；tsu、tsd分别为燃气轮机开关机时间的最小值；tsu，0、tsd，0分别为燃气轮机开关机时间的初始值；
可中断负荷运行模型：
可中断负荷成本
Figure BDA0003595651300000031
可以表示为如下形式：
Figure BDA0003595651300000032
式中，nm为中断等级数，
Figure BDA0003595651300000033
为第m级负荷中断补偿价格，
Figure BDA0003595651300000034
为第m级负荷中断量。
Figure BDA0003595651300000035
Figure BDA0003595651300000036
Figure BDA0003595651300000037
式中，
Figure BDA0003595651300000038
为第m级的负荷中断系数；
Figure BDA0003595651300000039
为电力负荷；
Figure BDA00035956513000000310
为t时段的负荷中断量；Lcurt,max为连续时间内负荷中断量的最大值；
电储能系统运行约束：
Figure BDA00035956513000000311
Figure BDA00035956513000000312
Figure BDA00035956513000000313
Figure BDA00035956513000000314
式中，
Figure BDA00035956513000000315
为ESS中存储的电能；ηc、ηd分别为ESS的充放电效率；
Figure BDA00035956513000000316
分别为ESS的充放电功率；Ses,max、Ses,min分别为ESS存储电能的上下限；gesc,max、gesd,max分别为ESS充放电功率最大值；
市场购售电量约束：
Figure BDA00035956513000000317
0≤Pt DA≤PDA,max (21)式中，SDA,max、PDA,max和SRT,max、PRT,max分别为VPP在DAM和RTM售电量/购电量上限；
功率平衡约束：
Figure BDA00035956513000000318
式中，Pt RES为RESs出力，Pt load为用户负荷；
至此，能够确定单虚拟电厂日前调度的目标函数为：
Figure BDA00035956513000000319
进一步的，所述步骤2中构建多虚拟电厂联合调度模型具体为：
考虑多虚拟电厂可同时参与集中及分散交易，各部分约束条件如下：
交易状态约束：
Figure BDA0003595651300000041
Figure BDA0003595651300000042
式中，
Figure BDA0003595651300000043
为布尔变量，分别表示t时刻VPPi是否向VPPj购买或出售电量，是则置1，否则置0；
Figure BDA0003595651300000044
为布尔变量，分别表示t时刻VPPi是否向MO购买或出售电量，是则置1，否则置0；
Figure BDA0003595651300000045
Figure BDA0003595651300000046
Figure BDA0003595651300000047
Figure BDA0003595651300000048
Figure BDA0003595651300000049
式中，
Figure BDA00035956513000000410
分别表示t时刻VPPi向VPPj购买或出售的电量，
Figure BDA00035956513000000411
分别表示t时刻VPPi向MO购买或出售的电量，其中，VPP间的最大交易电量限制为Pvpa,max，VPP向上级电网的购、售电上限为
Figure BDA00035956513000000412
和
Figure BDA00035956513000000413
结合集中分散交易机制，得出多虚拟电厂联合调度的目标函数为：
Figure BDA00035956513000000414
式中，
Figure BDA00035956513000000415
分别为光伏发电出力以及运行成本单价，
Figure BDA00035956513000000416
分别为储能系统充放电功率，
Figure BDA00035956513000000417
为储能系统的运行成本单价，
Figure BDA00035956513000000418
分别为市场购电量以及购电电价，
Figure BDA00035956513000000419
Figure BDA00035956513000000420
分别为市场售电量以及售电电价。
进一步的，所述步骤3中构建基于纳什谈判理论的多虚拟电厂合作剩余分配模型具体为：
纳什谈判法的基本形式为：
Figure BDA00035956513000000421
式中，xi∈(0,1)为各谈判参与者的收益分配系数，是决策变量；S为各参与者组合的合作联盟；Ui(x)为谈判的效用函数；ai为各参与主体的谈判力，且需要满足ai＞0，
Figure BDA00035956513000000422
xi,min为参与者的谈判初始点；
采用采用底数为自然对数的指数函数刻画效用函数，表示如下：
Figure BDA0003595651300000051
式中，a、b均为待定系数，可通过(0,0)、(1,1)两个点确定；
基于边际贡献度计算各虚拟电厂的谈判力：
Figure BDA0003595651300000052
式中，
Figure BDA0003595651300000053
为虚拟电厂的谈判力，v(N)表示全联盟时的总收益，v(N-{i})表示VPAi不参与交易时联盟的整体收益。
有益效果：本发明将纳什谈判理论应用到多虚拟电厂的联合调度中，用以实现多虚拟电厂合作剩余的公平分配。为了达到公平分配的目的，本发明引入了纳什博弈模型，将将合作剩余分配问题转化为博弈均衡问题，并通过求解纳什均衡解实现分配策略的求解。在此基础上，可依次向谈判主体中加入各种谈判因素，从而可以考虑诸多方面的影响因素，实现合作剩余的公平分配。
附图说明
图1为本发明方法的基本流程图。
图2为本发明中多虚拟电厂的负荷功率图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明涉及一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂联合调度方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：结合各聚合单元运行原理，构建虚拟电厂日前优化调度模型，具体如下：
虚拟电厂的聚合单元包括燃气轮机、可中断负荷以及电储能系统，各部分的具体模型如下：
燃气轮机模型：
将燃气轮机的运行成本表示为如下分段线性模式：
Figure BDA0003595651300000054
Figure BDA0003595651300000061
式中，a、λsu、λsd分别为固定生产成本、启动成本以及关机成本；
Figure BDA0003595651300000062
分别为整数变量，表示燃气轮机是否工作、启动或关机；Kl为燃气轮机生产成本曲线的第l段；gl,t为燃气轮机第l段出力；
Figure BDA0003595651300000063
为燃气轮机的总出力。
燃气轮机运行约束：
Figure BDA0003595651300000064
Figure BDA0003595651300000065
Figure BDA0003595651300000066
Figure BDA0003595651300000067
Figure BDA0003595651300000068
Figure BDA0003595651300000069
Figure BDA00035956513000000610
Figure BDA00035956513000000611
Figure BDA00035956513000000612
式中，gGT,max、gGT,min分别为燃气轮机的最大/最小功率输出；rU、rD分别为和燃气轮机的向上/下爬坡率；
Figure BDA00035956513000000613
为燃气轮机第l段输出功率上限；tsu、tsd分别为燃气轮机开关机时间的最小值；tsu，0、tsd，0分别为燃气轮机开关机时间的初始值。
可中断负荷运行模型：
可中断负荷成本
Figure BDA00035956513000000614
可以表示为如下形式：
Figure BDA00035956513000000615
式中，nm为中断等级数，
Figure BDA00035956513000000616
为第m级负荷中断补偿价格，
Figure BDA00035956513000000617
为第m级负荷中断量。
Figure BDA00035956513000000618
Figure BDA00035956513000000619
Figure BDA0003595651300000071
式中，
Figure BDA0003595651300000072
为第m级的负荷中断系数；
Figure BDA0003595651300000073
为电力负荷；
Figure BDA0003595651300000074
为t时段的负荷中断量；Lcurt,max为连续时间内负荷中断量的最大值。式(15)避免了连续时间内负荷中断量过大导致的用户满意度下降。
电储能系统运行约束：
Figure BDA0003595651300000075
Figure BDA0003595651300000076
Figure BDA0003595651300000077
Figure BDA0003595651300000078
式中，
Figure BDA0003595651300000079
为ESS中存储的电能；ηc、ηd分别为ESS的充放电效率；
Figure BDA00035956513000000710
分别为ESS的充放电功率；Ses,max、Ses,min分别为ESS存储电能的上下限；gesc,max、gesd,max分别为ESS充放电功率最大值。
市场购售电量约束：
Figure BDA00035956513000000711
0≤Pt DA≤PDA,max (21)式中，SDA,max、PDA,max和SRT,max、PRT,max分别为VPP在DAM和RTM售电量/购电量上限。
功率平衡约束：
Figure BDA00035956513000000712
式中，Pt RES为RESs出力，Pt load为用户负荷。
至此，可以确定单虚拟电厂日前调度的目标函数为：
Figure BDA00035956513000000713
步骤2：构建多虚拟电厂联合调度模型，具体如下：
本发明考虑多虚拟电厂可同时参与集中及分散交易，各部分约束条件如下：
交易状态约束：
Figure BDA00035956513000000714
Figure BDA00035956513000000715
式中，
Figure BDA00035956513000000716
为布尔变量，分别表示t时刻VPPi是否向VPPj购买或出售电量，是则置1，否则置0；
Figure BDA00035956513000000717
为布尔变量，分别表示t时刻VPPi是否向MO购买或出售电量，是则置1，否则置0。
Figure BDA0003595651300000081
Figure BDA0003595651300000082
Figure BDA0003595651300000083
Figure BDA0003595651300000084
Figure BDA0003595651300000085
式中，
Figure BDA0003595651300000086
分别表示t时刻VPP i向VPP j购买或出售的电量，
Figure BDA0003595651300000087
分别表示t时刻VPP i向MO购买或出售的电量，其中，VPP间的最大交易电量限制为Pvpa,max，VPP向上级电网的购、售电上限为
Figure BDA0003595651300000088
和
Figure BDA0003595651300000089
结合集中分散交易机制，可得出多虚拟电厂联合调度的目标函数为：
Figure BDA00035956513000000810
式中，
Figure BDA00035956513000000811
分别为光伏发电出力以及运行成本单价，
Figure BDA00035956513000000812
分别为储能系统充放电功率，
Figure BDA00035956513000000813
为储能系统的运行成本单价，
Figure BDA00035956513000000814
分别为市场购电量以及购电电价，
Figure BDA00035956513000000815
Figure BDA00035956513000000816
分别为市场售电量以及售电电价。
步骤3：构建基于纳什谈判理论的多虚拟电厂合作剩余分配方法，具体如下：
纳什谈判法的基本形式为：
Figure BDA00035956513000000817
式中，xi∈(0,1)为各谈判参与者的收益分配系数，是决策变量；S为各参与者组合的合作联盟；Ui(x)为谈判的效用函数；ai为各参与主体的谈判力，且需要满足ai＞0，
Figure BDA00035956513000000818
xi,min为参与者的谈判初始点。
进一步，采用采用底数为自然对数的指数函数刻画效用函数，表示如下：
Figure BDA00035956513000000819
式中，a、b均为待定系数，可通过(0,0)、(1,1)两个点确定。
最后，基于边际贡献度计算各虚拟电厂的谈判力：
Figure BDA00035956513000000820
式中，
Figure BDA00035956513000000821
为虚拟电厂的谈判力，v(N)表示全联盟时的总收益，v(N-{i})表示VPAi不参与交易时联盟的整体收益。
为了验证本发明方法能够高效的实现合作剩余的公平分配，下面以三个虚拟电厂和一个市场运营商的算例，说明本发明的有效性。
电储能系统的参数见表1，燃气轮机的具体参数见表2，各种分配方法的对比结果见表3所示。
表1燃气轮机参数
Figure BDA0003595651300000091
表2储能系统参数
Figure BDA0003595651300000092
表3不同分配方案的分配结果
Figure BDA0003595651300000093
从表3中可以看出，不同的分配模式下，不同方法下虚拟电厂的分配策略有较为明显的区别。以虚拟电厂2为例，其在传统的Shapley值法分配方案下的收益为136.8€，这一结果略高于在纳什谈判分配方案下所得收入，并明显高于在独立风险收益法中所得的收入，这主要是因为无论是单一的独立风险贡献法还是Shapley值法，其评价指标仅有一个，从而容易造成产消者的分配方案过于极端，例如，在独立风险贡献法中，虚拟电厂1由于先天劣势导致其收入过低，而此时几乎没有运行风险的虚拟电厂3收入又过高。相反，在Nash谈判方案中，综合考虑了收入贡献度以及风险贡献度两种因素，并从博弈均衡的角度求解最优的分配方案，极大程度上避免了主观因素对分配方案的影响，其分配方案较为客观。
综上，本发明将纳什谈判理论应用到多虚拟电厂的联合调度中，实现了多虚拟电厂合作剩余的公平分配。相比于其他分配方法，本发明引入了纳什博弈模型，将将合作剩余分配问题转化为博弈均衡问题，并通过求解纳什均衡解实现分配策略的求解。在此基础上，可依次向谈判主体中加入各种谈判因素，从而可以考虑诸多方面的影响因素，实现合作剩余的公平分配。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂联合调度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，结合各聚合单元运行原理，构建虚拟电厂日前优化调度模型；
步骤2，结合多虚拟电厂间的电能交易原理，构建计及集中分散交易机制的多虚拟电厂联合调度模型，并采用GAMS软件调用CPLEX求解器实现模型的求解；
步骤3，构建基于纳什谈判理论的多虚拟电厂合作剩余分配模型，并结合步骤2的求解结果，计算各虚拟电厂的谈判系数以及分配结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂联合调度方法，其特征在于，所述步骤1中构建虚拟电厂日前优化调度模型具体为：
虚拟电厂的聚合单元包括燃气轮机、可中断负荷以及电储能系统，各部分的具体模型如下：
燃气轮机模型：
将燃气轮机的运行成本表示为如下分段线性模式：
Figure FDA0003595651290000011
Figure FDA0003595651290000012
式中，a、λsu、λsd分别为固定生产成本、启动成本以及关机成本；
Figure FDA0003595651290000013
分别为整数变量，表示燃气轮机是否工作、启动或关机；Kl为燃气轮机生产成本曲线的第l段；gl,t为燃气轮机第l段出力；
Figure FDA0003595651290000014
为燃气轮机的总出力；
燃气轮机运行约束：
Figure FDA0003595651290000015
Figure FDA0003595651290000016
Figure FDA0003595651290000017
Figure FDA0003595651290000018
Figure FDA0003595651290000019
Figure FDA00035956512900000110
Figure FDA00035956512900000111
Figure FDA0003595651290000021
Figure FDA0003595651290000022
式中，gGT,max、gGT,min分别为燃气轮机的最大/最小功率输出；rU、rD分别为和燃气轮机的向上/下爬坡率；
Figure FDA0003595651290000023
为燃气轮机第l段输出功率上限；tsu、tsd分别为燃气轮机开关机时间的最小值；tsu，0、tsd，0分别为燃气轮机开关机时间的初始值；
可中断负荷运行模型：
可中断负荷成本
Figure FDA0003595651290000024
可以表示为如下形式：
Figure FDA0003595651290000025
式中，nm为中断等级数，
Figure FDA0003595651290000026
为第m级负荷中断补偿价格，
Figure FDA0003595651290000027
为第m级负荷中断量。
Figure FDA0003595651290000028
Figure FDA0003595651290000029
Figure FDA00035956512900000210
式中，
Figure FDA00035956512900000211
为第m级的负荷中断系数；
Figure FDA00035956512900000212
为电力负荷；
Figure FDA00035956512900000213
为t时段的负荷中断量；Lcurt ,max为连续时间内负荷中断量的最大值；
电储能系统运行约束：
Figure FDA00035956512900000214
Figure FDA00035956512900000215
Figure FDA00035956512900000216
Figure FDA00035956512900000217
式中，
Figure FDA00035956512900000218
为ESS中存储的电能；ηc、ηd分别为ESS的充放电效率；
Figure FDA00035956512900000219
分别为ESS的充放电功率；Ses,max、Ses,min分别为ESS存储电能的上下限；gesc,max、gesd,max分别为ESS充放电功率最大值；
市场购售电量约束：
Figure FDA00035956512900000220
Figure FDA0003595651290000031
式中，SDA,max、PDA,max和SRT,max、PRT,max分别为VPP在DAM和RTM售电量/购电量上限；
功率平衡约束：
Figure FDA0003595651290000032
式中，Pt RES为RESs出力，Pt load为用户负荷；
至此，能够确定单虚拟电厂日前调度的目标函数为：
Figure FDA0003595651290000033
3.根据权利要求1所述的一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂联合调度方法，其特征在于，所述步骤2中构建多虚拟电厂联合调度模型具体为：
考虑多虚拟电厂可同时参与集中及分散交易，各部分约束条件如下：
交易状态约束：
Figure FDA0003595651290000034
Figure FDA0003595651290000035
式中，
Figure FDA0003595651290000036
为布尔变量，分别表示t时刻VPPi是否向VPPj购买或出售电量，是则置1，否则置0；
Figure FDA0003595651290000037
为布尔变量，分别表示t时刻VPPi是否向MO购买或出售电量，是则置1，否则置0；
Figure FDA0003595651290000038
Figure FDA0003595651290000039
Figure FDA00035956512900000310
Figure FDA00035956512900000311
Figure FDA00035956512900000312
式中，
Figure FDA00035956512900000313
分别表示t时刻VPPi向VPPj购买或出售的电量，
Figure FDA00035956512900000314
分别表示t时刻VPPi向MO购买或出售的电量，其中，VPP间的最大交易电量限制为Pvpa,max，VPP向上级电网的购、售电上限为
Figure FDA00035956512900000315
和
Figure FDA00035956512900000316
结合集中分散交易机制，得出多虚拟电厂联合调度的目标函数为：
Figure FDA00035956512900000317
式中，
Figure FDA0003595651290000041
Figure FDA0003595651290000042
分别为光伏发电出力以及运行成本单价，
Figure FDA0003595651290000043
分别为储能系统充放电功率，
Figure FDA0003595651290000044
为储能系统的运行成本单价，
Figure FDA0003595651290000045
分别为市场购电量以及购电电价，
Figure FDA0003595651290000046
Figure FDA0003595651290000047
分别为市场售电量以及售电电价。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳什谈判法的多虚拟电厂联合调度方法，其特征在于，所述步骤3中构建基于纳什谈判理论的多虚拟电厂合作剩余分配模型具体为：
纳什谈判法的基本形式为：
Figure FDA0003595651290000048
式中，xi∈(0,1)为各谈判参与者的收益分配系数，是决策变量；S为各参与者组合的合作联盟；Ui(x)为谈判的效用函数；ai为各参与主体的谈判力，且需要满足ai＞0，
Figure FDA0003595651290000049
xi,min为参与者的谈判初始点；
采用采用底数为自然对数的指数函数刻画效用函数，表示如下：
Figure FDA00035956512900000410
式中，a、b均为待定系数，可通过(0,0)、(1,1)两个点确定；
基于边际贡献度计算各虚拟电厂的谈判力：
Figure FDA00035956512900000411
式中，
Figure FDA00035956512900000412
为虚拟电厂的谈判力，v(N)表示全联盟时的总收益，v(N-{i})表示VPAi不参与交易时联盟的整体收益。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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