面向综合能源园区的三方市场主体非合作交易方法

杨 铮, 彭思成, 廖清芬, 刘涤尘, 徐业琰, 张雅洁

(1. 武汉大学电气工程学院, 湖北省武汉市 430072; 2. 中国电力科学研究院有限公司, 北京市 100192)

0 引言

随着全球范围内的温室效应和能源危机不断加剧,人类社会的能源需求与自然环境的承载力之间的矛盾日益凸显[1]。寻求安全高效、低碳清洁的能源运营模式和市场服务机制,打破现有能源供给体系的技术壁垒,实现能源的供给侧改革,成为了世界各国关注的焦点[2],耦合电力、天然气、供热、交通等多种能源系统,实现不同能源梯级高效利用的综合能源系统(integrated energy system,IES)成为了研究热点[3-4]。而园区IES作为多能源系统底层耦合终端,在可再生能源就地消纳、提高需求侧调度灵活性、实现多能互补协同利用等方面具有重要的现实意义[3]。

根据2015年3月的《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(电改9号文)文件指导精神[5],未来含自建光伏的用户、节能服务公司、供水供热供气的公共服务行业等众多市场交易主体可参与市场化售电业务[5-6]。未来的园区IES将包含分布式清洁发电、热电联供(combined heat and power,CHP)机组、电动汽车(electric vehicle,EV)、储能、柔性负荷等具有不同属性的单元[6-7],市场行为更加灵活、复杂,市场竞争更加激烈。多元市场主体参与市场化交易必然需要制定合适的交易机制,以协调不同市场主体的利益冲突[8]。在电力市场的研究方面,博弈论能够有效处理多决策主体参与市场运营和竞争的问题,取得了一定的研究成果[9-13]。文献[10]基于多代理系统和不完全信息博弈理论的双层优化框架,提出了风电机组与其他发电商市场竞争的市场交易机制。文献[11]建立了售电侧放开后多元化源网荷主体参与的电能交易非合作博弈模型,利用最优反应的学习算法进行了求解。文献[12]引入非合作完全信息动态博弈理论,通过对用户用电行为的引导,实现微网整体的效率最优。文献[13]建立了EV参与竞争性电力市场调频服务的市场框架,通过引入马尔可夫博弈和非合作博弈来处理不同利益主体之间的冲突。

而在未来包含冷、热、电、气、交通等能源系统的综合能源市场领域,则需要同时考虑如分布式供能[14-17]、柔性负荷[16-17]、EV[16]等耦合不同能源系统、具有不同属性的交易主体。文献[14]通过构建以分布式能源产消者、独立售电商和一般用户为主体的区域电力市场模型,提出了总体共赢的交易决策模型。文献[15]建立了包含社区运营商与产消者群的社区能源互联网博弈模型。文献[16]研究了包含能量管理中心、空调、EV等负荷的用能系统,提出并求解了基于实时定价策略的需求响应算法。文献[17]考虑新能源发电和负荷的不确定性,建立了虚拟电厂的斯塔伯格动态博弈模型。然而大部分研究成果中所建立的交易决策模型本质上仍基于对电力系统的调控,其他能源系统仅作为调控环节参与市场运行,而无过多的市场交易行为,多能耦合的效果不够显著。

因此,本文进一步研究具有不同属性、不同特征市场交易主体协同运行的综合能源市场运行机制,将其纳入统一的市场运营框架,建立含CHP系统的园区能源运营商、含分布式新能源发电的用户集群、EV充电代理商三个市场交易主体模型,并研究了园区IES内部的三方博弈竞价模型。最后以某商务型园区IES为例,对所提模型进行验证。

1 综合能源园区场景分析

本文所研究的综合能源园区结构如图1所示,包括1个园区能量交易中心(energy trading center,ETC)和3个市场交易主体。市场交易主体包括园区能源运营商、含分布式光伏的用户、EV充电代理商3个部分。园区ETC和市场交易主体之间的交易信息交流和调度指令传达通过各自的能量管理系统(energy management system,EMS)进行,EMS负责制定自身能源报价策略、管理用能需求,园区ETC根据市场交易机制对信息进行采集、分配、计算。综合能源园区生产的电能依照底层就地消纳的原则,并不向上级配电网售电[18]。能源设备模型如附录A所示。

图1 综合能源园区结构Fig.1 Framework of community with integrated energy system

2 综合能源园区市场交易框架

2.1 园区综合能源市场与市场交易主体

本文中,市场交易主体是指综合能源园区中的经济实体,在交易过程中具有自主选择、自主调节的能力。不同的能源转换设备、市场交易主体及其EMS、综合能源园区能量交易中心等硬件要素,以及交易过程中结算、评估、信息共享等软件要素,共同构成了本文的园区综合能源市场,具体概念的名词解释见附录A表A1。

市场交易主体的类型包括能源生产者属性和能源消费者属性两类:能源生产者根据园区内部的用能需求,合理制定能源报价;能源消费者根据园区内部各方的能源报价,合理安排自身的能源消费策略。

能源运营商作为整个园区的能源生产者,是连接外部能源供应网络与内部能源分配网络的纽带,负责园区内大部分电、热负荷的能源供应。能源运营商通过制定合理的能源价格,向用户和EV代理商出售能源,获取一定的收益,其定价模型为:

popr=[pe,opr,ph,opr]

(1)

pe,opr=[pe,opr(1),pe,opr(2),…,pe,opr(T)]

(2)

ph,opr=[ph,opr(1),ph,opr(2),…,ph,opr(T)]

(3)

式中:pe,opr和ph,opr分别为能源运营商出售电、热的价格;T为一日内总的调度时段数。

含分布式光伏的用户作为新兴的一类市场主体,内部配置了一定容量的分布式光伏发电,既作为能源生产者又作为能源消费者。一般情况下,用户以光伏发电为自身主要的能量来源;当自身光伏出力不足以满足用能需求时,则向能源运营商购入一定的电能和热能,具有消费者属性;当光伏出力较大时,可以向园区内的EV充电代理商售电获取额外的报酬,具有生产者属性。由于光伏发电成本较低且具有补贴,因此有一定的竞争优势,售电的电价模型为:

puser=[pe,user(1),pe,user(2),…,pe,user(T)]

(4)

式中:puser为用户的售电电价。

EV充电代理商是园区内部的纯电能负荷,管理着一定数量的EV,是园区的能源消费者。代理商与EV车主签订代理充电合约,保证车主的通勤需求,车主则向代理商支付固定的费用。其获利渠道主要是通过管理各时段EV的充电行为,赚取一定的差价。EV充电代理商选比t时段运营商和用户售电电价较低者为该时段的主要电能供应方,选比策略为:

pch(t)=min{pe,user(t),pe,opr(t)}

(5)

2.2 园区综合能源市场交易机制

在综合能源园区中,三方市场主体均以自身利益最大化为目标参与市场交易。其中,能源运营商是市场的主导者,其他市场交易主体以能源运营商的定价策略为基准制定自身的售价或用能策略。

能源运营商通过外部能源网络购能制取电能和热能,制定能源供应价格,向用户和EV代理商供能,获取自身的收益最大化。含分布式光伏的用户根据运营商报价,制定更有价格竞争力的光伏发电上网电价,在光伏出力有盈余时向EV充电代理商供电,使自己的收益最大化。而EV充电代理商根据所掌握的EV车辆信息和用电需求,通过选比报价取较低者作为电能供应方,并制定合理的EV充电策略,使自身的收益最大化。市场交易机制如图2所示,园区中三方市场主体的属性及获利渠道见附录A表A2。

图2 综合能源园区交易机制示意图Fig.2 Illustration of trading mechanism in community with integrated energy system

下面结合图2进一步叙述综合能源园区市场交易机制。作为园区内部市场交易的主导者,能源运营商首先依据历史交易经验,向园区ETC发布初始供能报价,ETC向用户和EV代理商EMS传达该价格。含分布式光伏的用户EMS在收到运营商报价后,以此为参考制定更有竞争力的光伏上网电价,并向园区ETC发布该价格。EV充电代理商选比两方报价得出最优的用电策略,并在该电价条件下管理EV集群充电行为,使自身利益最大化。根据制定的最优充电策略,EV充电代理商上传运营商和用户各需提供的电量。用户EMS收到EV代理商上传的电量需求后,根据自身光伏出力预测值和运营商所提供的电、热价格,调整内部电热设备出力,基于上述价格制定最优用能策略,并向园区ETC上传用能计划,使自身利益最大化。运营商EMS接收到ETC下达的两方用能计划后,进一步调整自身的能源转换设备运行状态和售能报价,使自身的收益进一步增加。而运营商改变能价的行为会损害另外两方交易主体的利益,为此其他市场主体会做出相应改变。交易市场的ETC重复上述过程,直到三方市场主体达到最佳的交易策略。

对上述市场交易机制的分析可知,能源运营商、含分布式光伏的用户、EV充电代理商三者的交易策略构成了三方非合作博弈模型。作为博弈的参与方,三者均理性地追求自身的收益最大化,以此为目标确定自身的用能或供能策略,并通过充分的交流互动,最终达到纳什均衡,从而获得最佳的交易状态[12]。

3 三方市场主体的交易策略博弈模型

本节对园区能源供应商、含分布式光伏的用户、EV充电代理商三类市场交易主体的交易策略博弈模型进行详细介绍。

3.1 园区能源运营商交易模型

园区能源运营商作为市场交易的主导者,本文认为能源运营商在园区中只有一家,是最主要的供能主体,提供持续、稳定的电能和热能供应。

3.1.1能源运营商的能量优化分配

能源运营商在自身的能量优化分配中,以自身净收益最大作为目标,其值相当于售能收入与运行成本之差。可以看出,在用户、EV充电代理商用能需求一定的情况下,能源运营商扩大自身收益的途径如下:一方面是通过调度自身供能设备出力,以减少自身的运行成本;另一方面是调整售能报价,以获得更多收益。

3.1.2能源运营商收益

能源运营商的收益是指其向用户和EV代理商售能所获收入与自身运行成本之差:

(6)

式中:Ropr为能源运营商的收益。

(7)

式中:Pe,opr和Ph,opr分别为每时刻向园区内部供应电能和热能的功率;Δt为调度时间间隔。

(8)

式中:pgrid为电网公司的售电价格;pgas为天然气公司的售气价格;Pgrid为任意时刻电网侧注入的电功率;qgas为任意调度时刻的单位购气量。

(9)

3.1.3能源运营商约束条件

能源运营商约束条件由系统能量平衡约束[19]、设备出力约束、设备爬坡约束及能源运营商定价约束[20]等组成,具体如附录A所示。

3.2 含分布式光伏的用户交易模型

含分布式光伏的用户是一类新兴的市场交易主体。本文认为含分布式光伏的用户为一个利益共同体,由园区内所有配置了光伏发电的用户集群组成,用户之间存在电量共享。这种设置能够增加集群对外的电能供应量,对能源运营商和EV充电代理商的议价能力增强,利于进行市场化交易[21]。

3.2.1用户的最优用能运行方式

含分布式光伏的用户在自身最优用能策略的制定过程中,以自身的收益值最大为目标。用户通过调整售电报价和调度自身用能设备的运行状态,从而获得更多的收益。当用户的光伏能够满足自身用能需求且发电量有盈余时,用户可通过制定合理且具有竞争力的报价策略,从而获得EV充电代理商的售电权,向其提供电能以获取一定的收入。而用户EMS接收到园区ETC下达的EV充电代理商用电需求后,根据自身的光伏出力预测和运营商售能报价,调度自身用能设备的运行状态,可降低设备的运行成本。

3.2.2用户收益

含分布式光伏的用户收益是指其向EV充电代理商售电所获收入与运行成本之差:

(10)

式中:Ruser为用户的收益。

(11)

(12)

(13)

3.2.3用户约束条件

含分布式光伏的用户约束条件由系统能量平衡约束[18]、设备出力约束及用户定价约束等组成,具体如附录A所示。

3.3 EV充电代理商交易模型

本文的EV充电代理商负责对自己所管理的EV进行充电,满足车主的交通需求。

3.3.1EV充电代理商的电能供应方选择

代理商EMS每时段选比能源运营商和用户报价中的较低价者供电,供电功率不足的情况下价高的另一方满足剩余的用电需求。进一步来说,由于能源运营商能源供应充足,报价较低时段可以满足该时段的全部充电需求。而含分布式光伏的用户首先需要满足自身用能需求,光伏有盈余的情况下才会向EV充电代理商售电。若该时段EV电能需求较大,即使余量光伏全部供应,仍无法满足充电需求,电量缺额需要从能源运营商处以较高的购电电价购买。EV充电代理商的电能供应方选比策略如附录A图A1所示。

3.3.2EV充电代理商收益

(14)

因为博弈的目标是使博弈方的效用最大,故本文定义EV充电代理商的效用函数为:

(15)

3.3.3EV充电代理商约束条件

EV充电代理商的约束条件由系统能量平衡约束、充电需求能量平衡约束、充电功率约束及可调度时段约束等组成,具体如附录A所示。

3.4 博弈模型的求解方法

3.4.1三方市场交易主体博弈模型

根据3.1节至3.3节的分析可知,三个市场交易主体构成了三方非合作博弈模型,三者目标均是理性地追求自身的收益最大,最优策略表达式为:

(16)

(17)

(18)

记博弈各方进行决策的策略集合为:

(19)

式中:2T维行向量wch表示EV充电代理商策略集,其分量wopr和wuser分别表示从能源运营商和用户处的全天购电量策略集合。当某时刻不存在购电行为时,该调度时间间隔内的购电量为零。

根据纳什均衡的定义可以知道,上述三个市场交易主体决策的契机均是使自身获益最大。当博弈达到纳什均衡点的时候,任何一方市场交易主体单方面的策略改变,都不会激发其他主体改变自身交易策略以获得更大的收益。因此,策略集a*为博弈均衡解的充分必要条件是,对每一个参与博弈的市场交易主体的交易策略,均有[10]

(20)

式中:a-i为除第i个市场主体外所有市场主体的策略集;本文i取3,分别表示能源运营商、含分布式光伏的用户、EV充电代理商三个市场交易主体。

由式(20)可以看出,在博弈的均衡解中,园区能源运营商、含分布式光伏的用户和EV充电代理商得到的最优策略是基于另外两方市场交易主体的最优定价或用能策略所得到的。换言之,任何一方市场交易主体单方面对交易决策的策略进行调整时,都不能使得自己的收益进一步增加。求解上述问题首先需要对所提出的博弈模型的纳什均衡点存在性进行判定,证明过程如附录B所示。

3.4.2博弈模型均衡解的求解算法

根据3.4.1节对所提出的博弈模型达到纳什均衡时的相关叙述,本文定义每一个市场交易主体的适应度函数表达式如下:

(21)

为了求解文中所述三方博弈模型,本文运用一种基于改进粒子群算法的纳什均衡求解算法,通过智能算法求取文中三方博弈模型的均衡解,算法的具体内容和模型的求解流程如附录C所示。

4 算例分析

4.1 参数设置

本文选取图1所示的某商务型园区IES进行仿真计算。园区内有能源运营商、含光伏的用户集群、EV充电代理商各1家,其中含光伏的用户集群内部包括安装了分布式光伏电板的商业楼宇5幢。具体仿真参数设定和负荷预测曲线如附录D所示。

4.2 仿真结果及分析

4.2.1博弈均衡时各方出价结果

博弈均衡时,能源运营商的售电分时电价、售热分时热价,以及用户集群的售电分时电价结果如图3所示。

图3 能源运营商与用户的出价结果Fig.3 Bidding results of user and energy operator

由于光伏出力集中在09:00—18:00时段,因此只需分析图3该时段,其他时段尽管用户有报价行为,但是光伏出力较小,用户集群不具有向外售电的生产者属性,报价不具有意义。进一步分析该时段可以发现,用户相比运营商而言大部分时段的售电报价要低,尤其是12:00—15:00光伏出力较高的时段,两者报价差进一步扩大,EV充电代理商会优先选择用户所出售的光伏电能。这是因为光伏高发时段若用户不采取一定的价格激励措施来增强在能源市场的竞争力,则自身的光伏发电会因内部“供大于求”的用能格局而浪费,有损自身收益,因此用户的报价策略会朝着增大自身收益的方向移动。

同理可以分析图3能源运营商的售热报价趋势。可以看出,在12:00—15:00光伏出力较高的时段,能源运营商的售热报价相比其他时段要低,这是因为若热价较高,用户利用自身光伏发电量开启电空调制热的意愿增强,进而会降低能源运营商潜在的售热收益,故其调整自身的售热报价策略,该时段的热价会处于较低水平。

4.2.2博弈均衡时园区各方收益情况

在本文所示的算例中,当达到三方的博弈均衡时,园区IES内部运营商售能收入、用户总收入、运营商购能成本、用户用能成本、EV充电成本分别为5 512.75,2 141.94,4 276.82,3 366.82,249.87元,系统光伏消纳率为99.17%。可以看出,在本文提出的园区IES三方市场主体博弈模型的框架下,能源运营商、含分布式光伏的用户、EV充电代理商三者达到博弈均衡时,可再生能源通过IES在底层消纳效果优异。

能源运营商通过售能,获得的总收入为5 512.75元,减去设备运维成本和向配电网和燃气网的购能成本后,全天净收益为1 173.38元。

含分布式光伏的用户集群从能源运营商处购能花销5 444.11元,但通过向EV充电代理商售电及光伏全电量补贴收入,全天实际用能成本为3 366.82元。进一步分析用户的用能成本,若用户不配置分布式光伏,自身的热负荷通过电空调制取,且通过配电网供电,计算可得全天用能成本为10 410.43元。可以发现,园区内部安装了光伏发电的用户,相较传统的纯电用户,其用能成本大幅度降低,IES多能互补、高效经济的特点得到充分的体现。

对于EV充电代理商而言,全天充电成本为249.87元,若EV不参与市场博弈,全部以无序充电的状态接入配电网,根据计算可得充电成本为500.57元;若全部使用能源运营商的电能,则充电成本为304.18元。可以认为,EV接入IES充电,能够显著降低充电成本;而IES三方博弈的市场机制能够进一步降低EV的充电成本,EV对光伏资源的消纳亦有促进作用。

4.2.3能源运营商的运行状态分析

博弈均衡时,能源运营商供电、供热系统的出力如图4(a)(b)所示。本文定义功率为正表示功率消耗或输出,功率为负表示功率生产或输入。

整体上看,由于12:00—15:00时段用户的光伏发电量较大,对于用户而言其自身大部分负荷的用能需求可以通过光伏发电提供电力支持;对于EV充电代理商而言,该时段用户光伏盈余较多,用户报价策略降低导致了该时段能源运营商的售电报价在市场上竞争力不足,因此图4(a)中能源运营商的售电量在用户光伏高发时段触底,上网电量为0。另一方面,图4(a)中能源运营商在09:00前从配电网大量购电,这是因为由于存在分时电价,从电网直接购电的成本比开启CHP机组发电成本低;而10:00之后因为电网分时电价处于尖峰时段,能源运营商则开启CHP机组发电以减少自身的发电成本。

图4 能源运营商的设备出力Fig.4 Load profiles of energy operator

图4(b)体现了能源运营商供热系统出力情况。由图中可以看出,商务型园区白天办公的作息规律导致用户的热能需求在白天较大,因此能源运营商通过售热获得收益的渠道较为稳定。图中CHP机组供热先开启后关闭、燃气锅炉在光伏高发时段开启,其原因是因为用户在光伏出力充足时购电需求较少,而受限于自身电空调功率的原因仍需要从能源运营商处购热;CHP机组运行在热电比恒定的模式下,在用户电热需求较大的阶段开启获益较高,而用户只需热不需电的阶段开启经济效益低,开启燃气锅炉则可以满足用户的用能需求。

4.2.4含分布式光伏用户的运行状态分析

博弈均衡时,含分布式光伏用户供电、供热系统的出力如图5(a)(b)所示。

由图5(a)可知,在光伏出力较大的12:00—15:00时段,用户一方面可通过自身光伏满足负荷需求,减少从能源运营商处的购电量以降低自身的运行成本;另一方面该时段光伏在满足自身用能需求时仍有余量可以上网,故用户可向EV充电代理商售电以获得一定的收益,最大输出电功率164.4 kW,全天售电收益为181.23元,获得光伏电量补贴1 960.71元。而在光伏出力较小的时段,用户从能源运营商处购得电能以满足自身负荷需求。用户集群全天的光伏消纳率为99.17%,其中自身消纳95.14%,外送4.03%,EV充电代理商的充电需求提高了用户的电能消纳率,光伏资源在园区IES层面得到了较好的配置。

图5 含分布式光伏用户的设备出力Fig.5 Load profiles of user with distributed PV

从图5(b)可以看出,在光伏出力较大时段,由于制热空调的输出功率限制,即使将制热空调全部开启仍然无法满足自身的热能需求,故剩余的热能供应仍然需要从能源运营商处购得。

4.2.5EV充电代理商的运行状态分析

博弈均衡时,EV充电代理商的充电策略与无序充电策略的对比如图6所示。

图6 EV充电负荷曲线对比Fig.6 Comparison of EV charging curves

由图6可以看出,EV充电代理商作为市场交易主体参与园区IES市场运营,在博弈均衡时充电负荷集中在用户光伏高发时段,对光伏资源的消纳有积极的作用,其充电负荷峰值为13:00—14:00时段的220.3 kW,该时段用户多余的光伏发电量可得到消纳。若EV无序充电,则负荷峰值为08:00—09:00时段的154.0 kW,尽管充电负荷峰值与之相比有所降低,但是考虑到该时段光伏出力处于较低水平,若充电负荷与用户用能需求相叠加,结合图4(a)可知,能源运营商的供能能力必然不足,因而会增加向配电网的购电量,既不利于园区经济运行,又会造成配电网“峰上加峰”现象,不利于配电网的安全运行。

5 结论

本文研究了包含能源运营商、含分布式光伏的用户、EV充电代理商等不同属性市场交易主体的综合能源园区市场交易框架,建立了三种市场交易主体的三方非合作博弈模型,结论如下。

1)综合能源园区能够显著降低不同种类能源负荷的用能成本,通过灵活调度不同能源之间的转换,能够提高分布式清洁能源在底层消纳的灵活性。

2)市场交易主体之间的三方非合作博弈模型能够使博弈各方获得较为理想的交易状态,平衡各方的收益,并对光伏资源的消纳、EV和用户用能成本的降低具有促进作用。

3)能源运营商作为能源生产者参与园区市场运营,作为主导者参与园区能源市场定价。其获利途径主要来自向用户出售电、热能,以及向EV代理商提供电能两部分。

4)含分布式光伏的用户既作为能源消费者又作为能源生产者参与园区市场运营。其获利途径主要来自向EV代理商供能和光伏发电补贴两部分。

5)EV代理商作为能源消费者参与园区市场运营,自身充电费用显著降低,并能够帮助用户消纳多余的光伏资源。

在接下来的研究中,将综合考虑具有其他运行特征和属性的市场交易主体,继续探究综合能源系统的不同能源系统之间相互转换、相互耦合的运行模式和商业机制。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。