[发明专利]一种基于博弈论的微网容量配置优化方法

权利要求书

1.一种基于博弈论的微网容量配置优化方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S110、建立独立风/光/储/柴油发电机微网的结构及出力函数，确定能量调度策略；

步骤S120、对所述独立风/光/储/柴油发电机微网中各投资机组的收益函数进行建模；

步骤S130、根据所述独立风/光/储/柴油发电机微网系统的实际运行模式，对各个机组主体建立相应的非合作博弈模型、风光主导的博弈模型；

步骤S140、结合粒子群算法与迭代算法，对建立的博弈模型进行求解，获得容量配置的优化方案；

所述确定能量调度策略，包括：

步骤S115、独立风/光/储/柴油发电机微网能量调度策略制定：

风力发电机组和光伏发电机组共同发电输出电能用于供给负载、储能电池组；t时刻微网的可消纳功率如下述关系式(12)：

式中，S_ess(t)为t时刻储能装置已储存的电能；

a)、当微网t时刻风光发电出力大于t时刻微网可消纳功率，即p_WG(t)+p_PV(t)＞P_mar(t)，风电和光电按发电量各自弃部分电能，即产生弃风或弃光现象；此时风光各自被微网接纳的能量如下述关系式(13)和(14)：

式中，p_WG.S(t)、p_PV.S(t)分别为t时刻的微网接纳风力发电量、微网接纳光伏发电量；

b)、当p_d(t)≤p_WG(t)+p_PV(t)≤P_mar(t)，微网接纳全部的可再生发电，多余电能用于储能电池充电；

c)、当p_WG(t)+p_PV(t)＜p_d(t)，储能电池开始放电，由于可再生能源存在随机性和波动性，若可再生能源发电和储能电池放电仍不能满足负荷需求，小型柴油发电机开始工作，其出力区间为0至额定功率，若柴油发电机达到额定功率时仍不能满足负荷需求，此时需要切断一部分负荷，以保障重要负荷正常运行；

所述步骤S120具体包括：

发电系统在初期一次性投入建设成本，在运行寿命期间内不断获取收入，考虑风光储设备全寿命周期内的年平均经济效益更有实际意义；博弈模型的求解需要使投资者的年经济效益最优，同时要保证微网供电可靠性达到要求；风光储各自的年经济效益函数U_x如下述关系式(15)：

U_x＝I_x-C_x-E_x    (15)

式中，下标x取WG、PV、b；I_x、C_x、E_x分别为设备全寿命周期内的收入、建设运行维护成本和因供电不足需要支付的费用；

步骤S121、年收入函数

步骤S1211、风力发电收入

风力发电机组的收入为下述关系式(16)：

I_WG＝I_WG.s+I_WG.sub+I_WG.d    (16)

式中I_WG.s、I_WG.sub、I_WG.d分别为电能出售收益、政府补贴和设备运行到达年限的残值；

假设政府以单位电能对风电投资者进行补贴，补贴系数可以折算进单位风电上网电价，包含政府补贴收入的电能出售收入为下述关系式(17)：

式中，R_WG为计及政府补贴的发电上网电价，T表示运行总小时数；

风力发电机在到达设备使用年限后不能继续工作，但具有残余价值，在计算年收益时，需要考虑资金的贴现率，这部分收入需要折算到每一年中，设备残值为下述关系式(18)：

式中，i_WG.d为单位容量风机残余价值，r为资金的贴现率，L_WG为风机运行寿命；

光伏发电收入计算与风电类似；

步骤S1212、储能电池收入：

储能设备通过充放电控制来平衡系统与负载之间的能量供需关系，同时起到平滑发电系统出力的作用，在计算储能设备收入时，除了计算储能电价收入I_b.s、政府补贴I_b.sub，还考虑储能电池的辅助服务收益I_b.e，其收入函数为下述关系式(19)：

I_b＝I_b.s+I_b.sub+I_b.e    (19)

针对风光发电出力的随机性和波动性，储能电池可以视为电网中新能源发电的备用容量，在电网负荷低谷时储存多余的可再生能源发电，在可再生能源出力不足时提供电能输出，能够拉平系统的负荷曲线，需要对储能电池的辅助服务支付费用为下述关系式(20)：

式中R_b.e为单位辅助服务收益系数；

步骤S122、年建设运行成本函数

投资者的年建设运行成本包括年建设成本C_x.con和每年的运行维护成本C_x.m，具体满足下述关系式(21)；

C_x＝C_x.con+C_x.m    (21)

设备的建设成本为一次性投入费用，在计算年建设成本时需要考虑货币的时间价值，以风机为例，计及资金回报系数的年建设成本和年运行维护成本为下述关系式(22)至(24)：

C_WG.con＝c_WG.conP_WGf_WG.cr   (22)

C_WG.m＝c_WG.mP_WG   (24)

式中，c_WG.con为单位容量风机建设成本，c_WG.m为单位容量风机运行维护成本，f_WG.cr为风机资金回报系数；

步骤S123、供电不足费用函数

当风光储三者出力不满足区域用电需求时，需要启动柴油发电机，对于柴油发电的能耗以及产生的环境污染，风光储三方需要向柴油发电机支付相应的购电费用E_c；相关费用由三方共同承担，具体的分配方法由风光储三方在起初探讨决定分配支付比例，按额定容量分配；

以风电为例，因供电不足需要支付的费用为下述关系式(25)和(26)：

式中，R_c为向柴油发电购电费用系数；

所述步骤S130具体包括：

独立风/光/储/柴油发电机微网系统中的各机组主体都视为一个博弈者，机组的出力即为博弈的策略，在实际运行模式中各主体之间可能是合作的，也可能是非合作的；在非合作博弈中，各博弈者之间由于没有具有约束力的协议，各自寻求自身利益最大化的策略去执行；而在合作博弈中，各博弈者之间以集体理性为基础，首先实现联盟收益最大化，再通过对利益的合理分配最大化各博弈者的收益；

步骤S131、风光储非合作博弈模型

风光储非合作博弈中，风光储三方各自选择额定装机容量，决策目标为各自的年经济效益最优，对微网中单独一方其经济效益不仅取决与自身额定容量，还与其它二者的容量有关；在此博弈中风、光、储设备的投资者同时选择额定装机容量，或在决策前不知晓他人选择的额定装机容量，投资者是理性的，且知道其他投资者也是理性的，投资者对其他的投资者的收益函数、决策空间等相关信息完全了解；风光储非合作博弈构成静态完全信息博弈，包含博弈的参与者、决策、收益函数、博弈的解等要素，描述为：

a)、博弈的参与者为风、光、储各自的投资人，记为WG、PV、b；

b)、参与者的决策为风、光、储各自的装机容量P_WG、P_PV、P_b；

c)、博弈的收益函数为风、光、储各自的年经济效益U_WG、U_PV、U_b；

d)、以纯策略纳什均衡解作为该博弈的解；

在博弈中，每一参与者选择的策略必须是针对其他参与者选择的策略的最优反应，即参与者自愿选择纯策略纳什均衡解作为自己的策略，没有参与者愿意独自背离该解而选择其他的策略，若某个参与者独自选择其他的策略必定会使自身的收益下降；纯策略纳什均衡的定义如下：

记u_i为参与者i的收益函数，s_i为参与者i的策略，S_i为参与者i的决策空间，在n人的博弈标准式表述G＝{S₁，...,S_n；u₁,...u_n}中，纯策略纳什均衡的战略组合中的对于S_i中的所有策略s_i，是以下优化问题的最优解为下述关系式(27)：

纯策略纳什均衡S^*的计算形式如下关系式(28)：

步骤S132、风光合作主导的主从博弈模型

在独立风/光/储/柴油发电机微网中，由于风力发电机组和光伏发电机组无发电成本，因此风电和光电优先使用，而储能系统作为在风电和光电供电不能满足负荷时提供电能输出；在一定程度上，风力发电机组和光伏发电机组的装机容量对储能电池系统的容量配置有引导作用储能电池系统的投资者在观测到风电和光电的投资者选择风力发电机组和光伏发电机组的容量后，再决定储能电池的容量；基于此，可以建立有风光合作主导的主从博弈模型，在该博弈中，风电投资者和光伏投资者选择合作寻求二者的综合收益最大化；主从博弈的重要特征是主导者率先选择合适的策略，追随者在决策前了解主导者作出的策略；博弈描述为：

a)、博弈的主导者为风光联盟投资人，追随者为储能电池投资人，记为WG+PV、b；

b)、参与者的决策为风光联盟、储能电池的装机容量(P_WG、P_PV)、P_b；

c)、博弈的收益函数为风光联盟、储能电池的年经济效益U_WG+PV、U_b；

风光投资者根据在联盟中的贡献获取收益，即博弈中获得的总收益运用合作博弈理论中的Shapley值进行分配，参与联盟Z的个体i获得的收益U_i计算方式如下关系式(29)和(30)：

式中，S为联盟Z中包含成员i的所有子集，|Z|和|S|分别为联盟和子集中包含成员的个数，U(S)为联盟S的联盟收益，U(S\i)为不包含成员i的联盟收益；

主从博弈时的行动次序为

a)、风光联盟确定装机容量P_WG、P_PV；

b)、储能电池投资者了解风光装机容量并确定储能电池容量U_b；

所述步骤S140具体包括：

步骤S141、风光储非合作博弈求解

求取纯策略纳什均衡解的迭代算法如下：

a)、建立参与博弈的各方的收益模型U_WG，U_PV，U_b；

b)、输入计算所需的相关参数和相关历史数据，确定策略空间S_WG、S_PV、S_b；

c)、确定种群数量，并初始化参与者的策略(P_WG0，P_PV0，P_b0)，这个初值的设定可以按照经验设定较为合理的值；

d)、适应度函数的计算公式为下述关系式(31)至(34)：

minf＝min(Δ_WG+Δ_PV+Δ_b)    (34)

e)、更新种群并判断退出迭代条件，判断条件为达到设定迭代次数或满足f≤ε，ε用来表示纳什均衡解近似程度；

步骤S142、风光合作主导的主从博弈模型求解

风光合作主导的主从博弈过程如下：

a)、风光联盟确定装机容量(P_WG0，P_PV0)；

b)、储能设备获得风光装机容量信息后选择合适的储能电池容量P_b1使自己收益最大化，如下述关系式(35)：

由于博弈的各方互相了解各自的收益函数，风光联盟可以预测到储能电池投资者的选择P_b0，风光联盟将据此调整自身决策，如下述关系式(36)：