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基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法

热词 市场 竞价 竞标 vppi vpp 博弈 虚拟电厂 功率 日前 gt
专利类型 发明公开 法律事件 公开; 实质审查;
专利有效性 实质审查 当前状态 实质审查
申请号 CN202411563318.0 申请日 2024-11-05
公开(公告)号 CN119647824A 公开(公告)日 2025-03-18
申请人 西安理工大学; 申请人类型 学校
发明人 左智元; 温家兴; 贾嵘; 焦洋; 曹戈; 郭怿; 第一发明人 左智元
权利人 西安理工大学 权利人类型 学校
当前权利人 西安理工大学 当前权利人类型 学校
省份 当前专利权人所在省份:陕西省 城市 当前专利权人所在城市:陕西省西安市
具体地址 当前专利权人所在详细地址:陕西省西安市金花南路5号 邮编 当前专利权人邮编:710048
主IPC国际分类 G06Q10/0631 所有IPC国际分类 G06Q10/0631H02J3/00G06Q30/0601G06Q50/06G06N5/01
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 10 专利文献类型 A
专利代理机构 西安杜诺匠心专利代理事务所 专利代理人 刘立磊;
摘要 本 发明 提供一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法,包括:构建多虚拟电厂参与日前联合市场的双层博弈 框架 ;对 风 电功率、光伏功率和电负荷功率进行Wasserstein距离的不确定性建模;基于多源荷功率不确定性集,构建上层多虚拟电厂两阶段分布鲁棒竞价模型,竞价模型包括日前阶段制定投标策略的预调度成本和日内阶段再调度成本期望之和最小的第一目标函数及对应的第一类约束条件;构建下层联合市场出清模型;出清模型包括日前电‑调峰‑氢联合市场购能成本最小的第二目标函数及对应的第二类约束条件;分别对竞价模型和出清模型进行等效转化;对转化后的竞价模型和转化后的出清模型进行求解,得到竞价策略。
权利要求

1.一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法,其特征在于,所述方法包括:
构建多虚拟电厂参与日前联合市场的双层博弈框架
电功率、光伏功率和电负荷功率进行Wasserstein距离的不确定性建模,得到多源荷功率不确定集;
基于所述多源荷功率不确定性集,构建上层多虚拟电厂两阶段分布鲁棒竞价模型;所述两阶段鲁棒分布竞价模型中包括日前阶段制定投标策略的预调度成本和日内阶段再调度成本期望之和最小的第一目标函数;并对应构建所述第一目标函数的第一类约束条件;
构建下层联合市场出清模型;所述出清模型中包括日前电‑调峰‑氢联合市场购能成本最小的第二目标函数;并对应构建所述第二目标函数的第二类约束条件;
分别对所述两阶段分布鲁棒竞价模型和所述下层联合出清模型进行等效转化,对应得到转化后的竞价模型和转化后的出清模型;对所述转化后的竞价模型中的互补松弛条件进行线性化处理,得到处理后的互补松弛条件;
基于所述处理后的互补松弛条件、所述第一类约束条件和所述第二类约束条件,对所述转化后的竞价模型和所述转化后的出清模型进行求解,得到竞价策略。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述对风电功率、光伏功率和电负荷功率进行Wasserstein距离的不确定性建模,得到多源荷功率不确定集,包括:
基于风电、光伏日前预测出和风电、光电源荷功率误差向量,确定风电、光伏日内实际出力;基于电负荷日前预测出力和电负荷源荷功率误差向量,确定电负荷日内实际出力;
分别计算风电出力经验分布和真实分布之间的第一Wasserstein距离、光伏出力经验分布和真实分布之间的第二Wasserstein距离,以及电负荷经验分布和真实分布之间的第三Wasserstein距离;
分别基于所述第一Wasserstein距离、所述第二Wasserstein距离和所述第三
Wasserstein距离,对应确定所述风电功率不确定集、所述光伏功率不确定集和所述电负荷不确定集。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于所述多源荷功率不确定性集,构建上层多虚拟电厂两阶段分布鲁棒竞价模型;所述两阶段鲁棒分布竞价模型中包括日前阶段制定投标策略的预调度成本和日内阶段再调度成本期望之和最小的第一目标函数,包括:
所述第一目标函数表示为:
式中:Ui为VPPi日前投标阶段参与各能量市场的净运行成本;f(xi,δi)为VPPi日内调度阶段的再调度成本; 为包含不确定量 的函数在概率分布
下的期望;sup为上确界;πE,i,t、πS,i,t和πH,i,t分别为t时刻VPPi在电能市场、调峰市场和氢能市场的出清价格;PE,i,t、PS,i,t和PH,i,t分别为t时刻VPPi在电能市场、调峰市场和氢能市场的中标功率;Ci为VPPi的运行成本。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述对应构建所述第一目标函数的第一类约束条件,包括:
1)燃气轮机约束条件
式中: 和 分别为t时刻燃气轮机GT电出力和热出力;ηp,t和ηq,t分别为t时刻GT电效率和热效率; 为t时刻GT耗气功率;Hgas为天然气低热值; 和 分别为GT出力的上限和下限; 和 分别为GT爬坡功率的上限和下限;
2)电制氢约束条件
式中: 分别为t时刻P2H耗电功率和产氢功率;ηP2H为P2H的转化效率; 和
分别为P2H耗电功率的上限和下限; 和 分别为P2H耗电功率爬坡上限和下
限;
3)氢燃料电池约束条件
式中: 为t时刻HFC的耗氢功率; 和 分别为t时刻HFC的电功率和热功率;
ηHFC,p,t和ηHFC,q,t分别为t时刻HFC的电效率和热效率; 和 分别为HFC电功率的上限和下限; 分别为HFC电功率爬坡上限和下限;
4)捕集设备约束条件
式中: 为t时刻CCS捕集CO2所需的捕集能耗; 为t时刻维持能耗,是与CCS的运行状态无关的固定值; 为t时刻运行能耗,随CCS运行状态的变化而变化,与CCS捕集CO2的能力呈正相关;γc为CCS捕集单位CO2所需的能耗; 分别为CCS耗电功率的上、下限;
5)电储能电动汽车、热储能电动汽车、氢燃料电动汽车的约束条件
式中:上标m表示能量类型,它包括ES、TS、EV和HEV; 为t时刻储能设备容量;φm为储能设备m的自损系数; 和 分别为储能设备的充能效率和放能效率; 和 分别为储能设备的充能功率和放能功率; 和 分别为储能设备m的最大和最小存储容量;
为0‑1变量,用以表示储能设备m的充、放能不能同时进行, 表示储能设备充能,表示储能设备放能; 和 分别表示储能设备m充能功率和放能功率的上限; 为储能设备m初始容量; 为储能设备m运行一个周期后剩余容量;
6)储氢日内能量平衡约束条件
7)每季节开始时的储氢量
8)每年存储平衡后的荷氢状态
9)SHS初始和年末容量约束条件
10)SHS的能量状态约束条件
11)氢气充能/释放速率约束条件
式中:参数Πs表示季节中典型天数的能量循环次数s;
12)可时移电负荷
式中: 为t时刻可时移电负荷功率;αi,TSE为可时移电负荷占总负荷的比值;
13)可中断电负荷
式中: 分别为GT在电能市场的竞标价格上限,下限;
14)功率平衡约束条件
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述构建下层联合市场出清模型;所述出清模型中包括日前电‑调峰‑氢联合市场购能成本最小的第二目标函数,包括:
所述第二目标函数表示为:
式中:UMA为联合市场运营商购能总成本;RE,i,t、RS,i,t和RH,i,t分别为t时刻市场运营商在电能市场、调峰市场和氢能市场中的购能成本; 和 分别为VPPi中GT、
电储能ES、电动汽车EV和可再生能源RE在电能市场中的竞价价格; 为VPPi中GT在调峰市场中的竞价价格; 和 分别为VPPi中P2H、SHS、氢燃料电动汽车HEV在氢能市场中的竞价价格; 和 分别为VPPi中GT、ES、EV和RE在电能市场中的
竞标功率; 为VPPi中GT在调峰市场中的竞标功率; 和 分别为VPPi中
P2H、SHS和HEV在氢能市场中的竞标功率。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述对应构建所述第二目标函数的第二类约束条件,包括:
1)功率平衡约束条件
式中: 和 分别为t时刻电能市场、调峰市场和氢能市场能量需求量;
2)VPP竞标功率约束条件
式中: 和 分别为GT、ES、EV、RE在电能市场的中标功率上限;
为GT在调峰市场的中标功率上限; 分别为GT、SHS和HE V在氢能
市场 的中 标功率 上限 ;
为对应约束的对偶变量。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,分别对所述两阶段分布鲁棒竞价模型和所述下层联合出清模型进行等效转化,对应得到转化后的竞价模型和转化后的出清模型,包括:
采用对偶理论,将所述竞价模型的实时阶段最坏期望分布上确界问题转化为下确界问题,得到单层最小目标寻优:
引入辅助变量wn可简化得到:
由于上式中约束条件的上确界只能在不确定变量的边界上获得,所述第一目标函数最终转化为单层的线性规划模型,所述转化后的竞价模型表示为:
式中:λi为对偶因子;δi、 分别表示不确定变量样本集{δi,1,δi,2,…,δi,N}的下确界和上确界;
所述出清模型的拉格朗日函数表示为:
对变量求偏导,得到所述出清模型的拉格朗日平衡条件:
所述出清模型中不等式所对应的松弛条件为:
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,对所述转化后的竞价模型和所述转化后的出清模型进行求解,包括:
步骤1:竞标开始前,VPPi根据预测的日前市场信息及其余VPP的竞标方案充分整合内部资源,以电能市场为例,确定首轮报价方案为
步骤2:竞标开始后,VPPi根据其他VPPj(j=1,2,…,n;j≠i)第k‑1轮的竞标方案求解上层竞价模型制定自身第k轮(k≥2)的竞标方案
直至所有VPP均给出其第k轮竞标方案后,转至步骤3;
步骤3:各VPP以运行成本最小为优化目标,重复步骤2,向市场运营商重复报价;多轮博弈后,若无VPP改变其竞标方案,则转至步骤4;若仍有VPP试图改变其竞标策略,并提交了第k+1轮的竞标方案,则转至步骤5;
步骤4:若各VPP均不再尝试通过单方面改变其竞标方案获利,则此时市场中就形成纳什均衡的局面;竞标结束后,市场运营商按照市场博弈后的结果统一出清;
步骤5:判断是否达到博弈轮次上限;若此时未达到博弈轮次上限,则返回步骤1;若已达到,则市场运营商不再接受各VPP新一轮的竞标方案;竞标结束后,市场运营商会按照约定的市场交易规则强制出清。
9.一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价装置,其特征在于,所述装置包括:
构建模,用于构建多虚拟电厂参与日前联合市场的双层博弈框架;
建模模块,用于对风电功率、光伏功率和电负荷功率进行Wasserstein距离的不确定性建模,得到多源荷功率不确定集;
所述构建模块,还用于基于所述多源荷功率不确定性集,构建上层多虚拟电厂两阶段分布鲁棒竞价模型;所述两阶段鲁棒分布竞价模型中包括日前阶段制定投标策略的预调度成本和日内阶段再调度成本期望之和最小的第一目标函数;并对应构建所述第一目标函数的第一类约束条件;
所述构建模块,还用于构建下层联合市场出清模型;所述出清模型中包括日前电‑调峰‑氢联合市场购能成本最小的第二目标函数;并对应构建所述第二目标函数的第二类约束条件;
转化模块,用于分别对所述两阶段鲁棒分布竞价模型和所述下层联合出清模型进行等效转化,对应得到转化后的竞价模型和转化后的出清模型;对所述转化后的竞价模型中的互补松弛条件进行线性化处理,得到处理后的互补松弛条件;
求解模块,用于基于所述处理后的互补松弛条件、所述第一类约束条件和所述第二类约束条件,对所述转化后的竞价模型和所述转化后的出清模型进行求解,得到竞价策略。
10.一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价设备,其特征在于,包括:
存储器,用于存储可执行指令;处理器,用于执行所述存储器中存储的可执行指令时,实现权利要求1至8任一项所述的基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法。

说明书全文

基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电网技术领域,涉及但不限于一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法。

背景技术

[0002] 随着市场改革逐步深入,大量社会资本涌入能量市场展开激烈竞争,市场参与者日益多元化,且隶属于不同的利益主体,各自整合多样化资源以优化自身运行目标。在这一背景下,决策过程需充分考虑各主体间的相互影响。虚拟电厂(VPP,Virtual power plant)能够摆脱地理空间、电网拓扑约束,基于先进的通信技术将分布广泛的分布式资源聚合起来进行集中管理,并借助能量市场交易实现对分布式资源的优化调度,已成为研究热点。然而,随着VPP聚合主体的不断多样化,如何有效协调这些多源运行主体的互补性,深入挖掘并充分利用海量分布式资源的灵活潜,进而提高其市场竞争力,已成为亟待解决的重要难题。
[0003] 目前,关于多VPP参与市场交易方面已进行了大量研究,其主要交易模式为将运营商作为领导者,通过价格优化引导能源交易。各个VPP作为追随者,根据发布的价格优化内部的聚合机组和负荷。然而,这一模式存在一个显著局限,即该模式未考虑虚拟电厂对市场出清结果的影响,导致VPP实质上仅作为价格接受者参与市场运行,其本质上仍为VPP内部优化。
[0004] 随着电转氢技术的发展与应用,氢储能作为一种新型储能方式,在多能虚拟电厂中扮演着重要色。氢储能利用富余电力通过电解转化为氢气进行存储,并在电力不足时通过氢燃料电池消耗氢气进行发电。与电池储能、抽水蓄能等储能方式相比,氢储能在大规模、长时间的能量存储方面更具优势。然而,当前研究未能考虑到季节性氢储能参与电力市场竞价带来的经济效益。

发明内容

[0005] 基于相关技术中的问题,本发明实施例提供一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价。
[0006] 本发明实施例的技术方案是这样实现的:
[0007] 第一方面,本发明实施例提供一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法,所述方法包括:
[0008] 构建多虚拟电厂参与日前联合市场的双层博弈框架
[0009] 对电功率、光伏功率和电负荷功率进行Wasserstein距离的不确定性建模,得到多源荷功率不确定集;
[0010] 基于所述多源荷功率不确定性集,构建上层多虚拟电厂两阶段分布鲁棒竞价模型;所述两阶段鲁棒分布竞价模型中包括日前阶段制定投标策略的预调度成本和日内阶段再调度成本期望之和最小的第一目标函数;并对应构建所述第一目标函数的第一类约束条件;
[0011] 构建下层联合市场出清模型;所述出清模型中包括日前电‑调峰‑氢联合市场购能成本最小的第二目标函数;并对应构建所述第二目标函数的第二类约束条件;
[0012] 分别对所述两阶段分布鲁棒竞价模型和所述下层联合出清模型进行等效转化,对应得到转化后的竞价模型和转化后的出清模型;对所述转化后的竞价模型中的互补松弛条件进行线性化处理,得到处理后的互补松弛条件;
[0013] 基于所述处理后的互补松弛条件、所述第一类约束条件和所述第二类约束条件,对所述转化后的竞价模型和所述转化后的出清模型进行求解,得到竞价策略。
[0014] 第二方面,本发明实施例提供一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价装置,所述装置包括:
[0015] 构建模,用于构建多虚拟电厂参与日前联合市场的双层博弈框架;
[0016] 建模模块,用于对风电功率、光伏功率和电负荷功率进行Wasserstein距离的不确定性建模,得到多源荷功率不确定集;
[0017] 所述构建模块,还用于基于所述多源荷功率不确定性集,构建上层多虚拟电厂两阶段分布鲁棒竞价模型;所述两阶段鲁棒分布竞价模型中包括日前阶段制定投标策略的预调度成本和日内阶段再调度成本期望之和最小的第一目标函数;并对应构建所述第一目标函数的第一类约束条件;
[0018] 所述构建模块,还用于构建下层联合市场出清模型;所述出清模型中包括日前电‑调峰‑氢联合市场购能成本最小的第二目标函数;并对应构建所述第二目标函数的第二类约束条件;
[0019] 转化模块,用于分别对所述两阶段鲁棒分布竞价模型和所述下层联合出清模型进行等效转化,对应得到转化后的竞价模型和转化后的出清模型;对所述转化后的竞价模型中的互补松弛条件进行线性化处理,得到处理后的互补松弛条件;
[0020] 求解模块,用于基于所述处理后的互补松弛条件、所述第一类约束条件和所述第二类约束条件,对所述转化后的竞价模型和所述转化后的出清模型进行求解,得到竞价策略。
[0021] 在一些实施例中,所述建模模块,还用于基于风电、光伏日前预测出力和风电、光电源荷功率误差向量,确定风电、光伏日内实际出力;基于电负荷日前预测出力和电负荷源荷功率误差向量,确定电负荷日内实际出力;分别计算风电出力经验分布和真实分布之间的第一Wasserstein距离、光伏出力经验分布和真实分布之间的第二Wasserstein距离,以及电负荷经验分布和真实分布之间的第三Wasserstein距离;分别基于所述第一Wasserstein距离、所述第二Wasserstein距离和所述第三Wasserstein距离,对应确定所述风电功率不确定集、所述光伏功率不确定集和所述电负荷不确定集。
[0022] 在一些实施例中,所述构建模块,还用于所述第一目标函数表示为:
[0023]
[0024] 式中:Ui为VPPi日前投标阶段参与各能量市场的净运行成本;f(xi,δi)为VPPi日内调度阶段的再调度成本; 为包含不确定量 的函数在概率分布WT/PV/el
Pi 下的期望;sup为上确界;πE,i,t、πS,i,t和πH,i,t分别为t时刻VPPi在电能市场、调峰市场和氢能市场的出清价格;PE,i,t、PS,i,t和PH,i,t分别为t时刻VPPi在电能市场、调峰市场和氢能市场的中标功率;Ci为VPPi的运行成本。
[0025] 在一些实施例中,所述构建模块,还用于构建1)燃气轮机约束条件
[0026]
[0027] 式中: 和 分别为t时刻燃气轮机GT电出力和热出力;ηp,t和ηq,t分别为t时刻GT电效率和热效率; 为t时刻GT耗气功率;Hgas为天然气低热值; 和 分别为GT出力的上限和下限; 和 分别为GT爬坡功率的上限和下限;
[0028] 2)电制氢约束条件
[0029]
[0030] 式中: 分别为t时刻P2H耗电功率和产氢功率;ηP2H为P2H的转化效率;和 分别为P2H耗电功率的上限和下限; 和 分别为P2H耗电功率爬坡上限
和下限;
[0031] 3)燃料电池约束条件
[0032]
[0033] 式中: 为t时刻HFC的耗氢功率; 和 分别为t时刻HFC的电功率和热功率;ηHFC,p,t和ηHFC,q,t分别为t时刻HFC的电效率和热效率; 和 分别为HFC电功率的上限和下限; 分别为HFC电功率爬坡上限和下限;
[0034] 4)捕集设备约束条件
[0035]
[0036] 式中: 为t时刻CCS捕集CO2所需的捕集能耗; 为t时刻维持能耗,是与CCS的运行状态无关的固定值; 为t时刻运行能耗,随CCS运行状态的变化而变化,与CCS捕集CO2的能力呈正相关;γc为CCS捕集单位CO2所需的能耗; 分别为CCS耗电功率的上、下限;
[0037] 5)电储能电动汽车、热储能电动汽车、氢燃料电动汽车的约束条件
[0038]
[0039] 式中:上标m表示能量类型,它包括ES、TS、EV和HEV; 为t时刻储能设备容量;φm为储能设备m的自损系数; 和 分别为储能设备的充能效率和放能效率; 和 分别为储能设备的充能功率和放能功率; 和 分别为储能设备m的最大和最小存储容量; 为0‑1变量,用以表示储能设备m的充、放能不能同时进行, 表示储能设备充能,表示储能设备放能; 和 分别表示储能设备m充能功率和放能功率的上限;
为储能设备m初始容量; 为储能设备m运行一个周期后剩余容量;
[0040] 6)储氢日内能量平衡约束条件
[0041]
[0042] 7)每季节开始时的储氢量
[0043]
[0044] 8)每年存储平衡后的荷氢状态
[0045]
[0046] 9)SHS初始和年末容量约束条件
[0047]
[0048] 10)SHS的能量状态约束条件
[0049]
[0050] 11)氢气充能/释放速率约束条件
[0051]
[0052] 式中:参数Πs表示季节中典型天数的能量循环次数s;
[0053] 12)可时移电负荷
[0054]
[0055] 式中: 为t时刻可时移电负荷功率;αi,TSE为可时移电负荷占总负荷的比值;
[0056] 13)可中断电负荷
[0057]
[0058] 式中: 分别为GT在电能市场的竞标价格上限,下限;
[0059] 14)功率平衡约束条件
[0060]
[0061] 在一些实施例中,所述构建模块,还用于所述第二目标函数表示为:
[0062]
[0063] 式中:UMA为联合市场运营商购能总成本;RE,i,t、RS,i,t和RH,i,t分别为t时刻市场运营商在电能市场、调峰市场和氢能市场中的购能成本; 和 分别为VPPi中GT、电储能ES、电动汽车EV和可再生能源在电能市场中的竞价价格; 为VPPi中GT在调峰市场中的竞价价格; 和 分别为VPPi中P2H、SHS、氢燃料电动汽车HEV在氢
能市场中的竞价价格; 和 分别为VPPi中GT、ES、EV和RE在电能市场中
的竞标功率; 为VPPi中GT在调峰市场中的竞标功率; 和 分别为VPPi中
P2H、SHS和HEV在氢能市场中的竞标功率。
[0064] 在一些实施例中,所述构建模块,还用于构建1)功率平衡约束条件
[0065]
[0066] 式中: 和 分别为t时刻电能市场、调峰市场和氢能市场能量需求量;
[0067] 2)VPP竞标功率约束条件
[0068]
[0069] 式中: 和 分别为GT、ES、EV和RE在电能市场的中标功率上限; 为GT在调峰市场的中标功率上限; 和 分别为GT、SHS和HEV在氢
能市场的中标功率上限;
[0070] 为对应约束的对偶变量。
[0071] 在一些实施例中,所述转化模块,还用于采用对偶理论,将所述竞价模型的实时阶段最坏期望分布上确界问题转化为下确界问题,得到单层最小目标寻优:
[0072]
[0073] 引入辅助变量wn可简化得到:
[0074]
[0075] 由于上式中约束条件的上确界只能在不确定变量的边界上获得,所述第一目标函数最终转化为单层的线性规划模型,所述转化后的竞价模型表示为:
[0076]
[0077] 式中:λi为对偶因子;δi、 分别表示不确定变量样本集{δi,1,δi,2,…,δi,N}的下确界和上确界;
[0078] 所述出清模型的拉格朗日函数表示为:
[0079]
[0080] 对变量求偏导,得到所述出清模型的拉格朗日平衡条件:
[0081]
[0082] 所述出清模型中不等式所对应的松弛条件为:
[0083]
[0084] 在一些实施例中,所述求解模块,还用于步骤1:竞标开始前,VPPi根据预测的日前市场信息及其余VPP的竞标方案充分整合内部资源,以电能市场为例,确定首轮报价方案为[0085] 步骤2:竞标开始后,VPPi根据其他VPPj(j=1,2,…,n;j≠i)第k‑1轮的竞标方案求解上层竞价模型制定自身第k轮(k≥2)的竞标方案直至所有VPP均给出其第k轮竞标方案后,转至步骤3;
[0086] 步骤3:各VPP以运行成本最小为优化目标,重复步骤2,向市场运营商重复报价;多轮博弈后,若无VPP改变其竞标方案,则转至步骤4;若仍有VPP试图改变其竞标策略,并提交了第k+1轮的竞标方案,则转至步骤5;
[0087] 步骤4:若各VPP均不再尝试通过单方面改变其竞标方案获利,则此时市场中就形成纳什均衡的局面;竞标结束后,市场运营商按照市场博弈后的结果统一出清;
[0088] 步骤5:判断是否达到博弈轮次上限;若此时未达到博弈轮次上限,则返回步骤1;若已达到,则市场运营商不再接受各VPP新一轮的竞标方案;竞标结束后,市场运营商会按照约定的市场交易规则强制出清。
[0089] 第三方面,本发明实施例提供一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价设备,包括:存储器,用于存储可执行指令;处理器,用于执行所述存储器中存储的可执行指令时,实现上述基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法。
[0090] 第四方面,本发明实施例提供一种计算机可读存储介质,存储有可执行指令,用于引起处理器执行所述可执行指令时,实现上述基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法。
[0091] 本发明实施例提供的基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法,即基于两阶段碳交易的多虚拟电厂分布式低碳优化方法;首先构建了以多VPP为领导者,以市场运营商为跟随者的主从博弈日前市场双层竞价模型;,上层领导者为参与多元市场的VPP运营商,以其运行成本最小化为目标,结合基于Wasserstein距离的不确定集,构建了VPP日前投标‑日内调度两阶段分布鲁棒优化模型;下层以市场运营商在电‑调峰‑氢联合市场购能最小化为目标进行出清;其次,通过引入季节性氢储能,可以缓解可再生能源发电与能源需求之间在时间尺度上的不匹配,实现氢能跨季节和电能跨能源形式的长期存储利用,进而降低系统运行成本,促进可再生能源的就地消纳;该模型可以在多市场环境下提供经济、低碳的竞价策略,为提高VPP收益提供了思路。附图说明
[0092] 图1是本发明实施例提供的一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法的流程示意图;
[0093] 图2是本发明实施例提供的一种多虚拟电厂参与日前联合市场的双层博弈框架的结构示意图;
[0094] 图3是本发明实施例提供的双层非合作博弈模型的迭代求解过程示意图;
[0095] 图4是本发明实施例提供的各VPP在电能市场中的出清功率示意图;
[0096] 图5是本发明实施例提供的各VPP在调峰市场中的出清量示意图;
[0097] 图6是本发明实施例提供的各VPP在氢能市场中的出清量示意图;
[0098] 图7为本发明实施例提供的基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价装置的组成结构示意图;
[0099] 图8为本发明实施例提供的基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价设备的组成结构示意图。

具体实施方式

[0100] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述,所描述的实施例不应视为对本发明的限制,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
[0101] 在以下的描述中,涉及到“一些实施例”,其描述了所有可能实施例的子集,但是可以理解,“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集,并且可以在不冲突的情况下相互结合。除非另有定义,本发明实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明实施例所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的,不是旨在限制本发明。
[0102] 本发明实施例提供一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法,参见图1,图1是本发明实施例提供的一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法的流程示意图,将结合图1示出的步骤进行说明。
[0103] 步骤S110,构建多虚拟电厂参与日前联合市场的双层博弈框架。
[0104] 步骤S120,对风电功率、光伏功率和电负荷功率进行Wasserstein距离的不确定性建模,得到多源荷功率不确定集。
[0105] 步骤S130,基于所述多源荷功率不确定性集,构建上层多虚拟电厂两阶段分布鲁棒竞价模型;所述两阶段鲁棒分布竞价模型中包括日前阶段制定投标策略的预调度成本和日内阶段再调度成本期望之和最小的第一目标函数;并对应构建所述第一目标函数的第一类约束条件。
[0106] 步骤S140,构建下层联合市场出清模型;所述出清模型中包括日前电‑调峰‑氢联合市场购能成本最小的第二目标函数;并对应构建所述第二目标函数的第二类约束条件。
[0107] 步骤S150,分别对所述两阶段分布鲁棒竞价模型和所述下层联合出清模型进行等效转化,对应得到转化后的竞价模型和转化后的出清模型;对所述转化后的竞价模型中的互补松弛条件进行线性化处理,得到处理后的互补松弛条件。
[0108] 步骤S160,基于所述处理后的互补松弛条件、所述第一类约束条件和所述第二类约束条件,对所述转化后的竞价模型和所述转化后的出清模型进行求解,得到竞价策略。
[0109] 本发明实施例提供的基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法,即基于两阶段碳交易的多虚拟电厂分布式低碳优化方法;首先构建了以多VPP为领导者,以市场运营商为跟随者的主从博弈日前市场双层竞价模型;,上层领导者为参与多元市场的VPP运营商,以其运行成本最小化为目标,结合基于Wasserstein距离的不确定集,构建了VPP日前投标‑日内调度两阶段分布鲁棒优化模型;下层以市场运营商在电‑调峰‑氢联合市场购能最小化为目标进行出清;其次,通过引入季节性氢储能,可以缓解可再生能源发电与能源需求之间在时间尺度上的不匹配,实现氢能跨季节和电能跨能源形式的长期存储利用,进而降低系统运行成本,促进可再生能源的就地消纳;该模型可以在多市场环境下提供经济、低碳的竞价策略,为提高VPP收益提供了思路。
[0110] 在一些实施例中,上述步骤S120可以通过步骤S121至S123实现:
[0111] 步骤S121,基于风电、光伏日前预测出力和风电、光电源荷功率误差向量,确定风电、光伏日内实际出力;基于电负荷日前预测出力和电负荷源荷功率误差向量,确定电负荷日内实际出力。
[0112] 步骤S122,分别计算风电出力经验分布和真实分布之间的第一Wasserstein距离、光伏出力经验分布和真实分布之间的第二Wasserstein距离,以及电负荷经验分布和真实分布之间的第三Wasserstein距离。
[0113] 步骤S123,分别基于所述第一Wasserstein距离、所述第二Wasserstein距离和所述第三Wasserstein距离,对应确定所述风电功率不确定集、所述光伏功率不确定集和所述电负荷不确定集。
[0114] 在一些实施例中,上述步骤S130中的第一目标函数表示为:
[0115]
[0116] 式中:Ui为VPPi日前投标阶段参与各能量市场的净运行成本;f(xi,δi)为VPPi日内调度阶段的再调度成本; 为包含不确定量 的函数在概率分布WT/PV/el
Pi 下的期望;sup为上确界;πE,i,t、πS,i,t和πH,i,t分别为t时刻VPPi在电能市场、调峰市场和氢能市场的出清价格;PE,i,t、PS,i,t和PH,i,t分别为t时刻VPPi在电能市场、调峰市场和氢能市场的中标功率;Ci为VPPi的运行成本。
[0117] 在一些实施例中,第一目标函数的第一类约束条件为:
[0118] 1)燃气轮机约束条件
[0119]
[0120] 式中: 和 分别为t时刻燃气轮机GT电出力和热出力;ηp,t和ηq,t分别为t时刻GT电效率和热效率; 为t时刻GT耗气功率;Hgas为天然气低热值; 和 分别为GT出力的上限和下限; 和 分别为GT爬坡功率的上限和下限;
[0121] 2)电制氢约束条件
[0122]
[0123] 式中: 分别为t时刻P2H耗电功率和产氢功率;ηP2H为P2H的转化效率;和 分别为P2H耗电功率的上限和下限; 和 分别为P2H耗电功率爬坡上限
和下限;
[0124] 3)氢燃料电池约束条件
[0125]
[0126] 式中: 为t时刻HFC的耗氢功率; 和 分别为t时刻HFC的电功率和热功率;ηHFC,p,t和ηHFC,q,t分别为t时刻HFC的电效率和热效率; 和 分别为HFC电功率的上限和下限; 分别为HFC电功率爬坡上限和下限;
[0127] 4)碳捕集设备约束条件
[0128]
[0129] 式中: 为t时刻CCS捕集CO2所需的捕集能耗; 为t时刻维持能耗,是与CCS的运行状态无关的固定值; 为t时刻运行能耗,随CCS运行状态的变化而变化,与CCS捕集CO2的能力呈正相关;γc为CCS捕集单位CO2所需的能耗; 分别为CCS耗电功率的上、下限;
[0130] 5)电储能电动汽车、热储能电动汽车、氢燃料电动汽车的约束条件
[0131]
[0132] 式中:上标m表示能量类型,它包括ES、TS、EV和HEV; 为t时刻储能设备容量;φm为储能设备m的自损系数; 和 分别为储能设备的充能效率和放能效率; 和 分别为储能设备的充能功率和放能功率; 和 分别为储能设备m的最大和最小存储容量; 为0‑1变量,用以表示储能设备m的充、放能不能同时进行, 表示储能设备充能,表示储能设备放能; 和 分别表示储能设备m充能功率和放能功率的上限;
为储能设备m初始容量; 为储能设备m运行一个周期后剩余容量;
[0133] 6)储氢日内能量平衡约束条件
[0134]
[0135] 7)每季节开始时的储氢量
[0136]
[0137] 8)每年存储平衡后的荷氢状态
[0138]
[0139] 9)SHS初始和年末容量约束条件
[0140]
[0141] 10)SHS的能量状态约束条件
[0142]
[0143] 11)氢气充能/释放速率约束条件
[0144]
[0145] 式中:参数Πs表示季节中典型天数的能量循环次数s;
[0146] 12)可时移电负荷
[0147]
[0148] 式中: 为t时刻可时移电负荷功率;αi,TSE为可时移电负荷占总负荷的比值;
[0149] 13)可中断电负荷
[0150]
[0151] 式中: 分别为GT在电能市场的竞标价格上限,下限;
[0152] 14)功率平衡约束条件
[0153]
[0154] 在一些实施例中,上述步骤S140中的第二目标函数表示为:
[0155]
[0156] 式中:UMA为联合市场运营商购能总成本;RE,i,t、RS,i,t和RH,i,t分别为t时刻市场运营商在电能市场、调峰市场和氢能市场中的购能成本; 分别为VPPi中GT、电储能ES、电动汽车EV和可再生能源RE在电能市场中的竞价价格; 为VPPi中GT在调峰市场中的竞价价格; 分别为VPPi中P2H、SHS、氢燃料电动汽车HEV在氢
能市场中的竞价价格; 和 分别为VPPi中GT、ES、EV和RE在电能市场中
的竞标功率; 为VPPi中GT在调峰市场中的竞标功率; 和 分别为VPPi中
P2H、SHS和HEV在氢能市场中的竞标功率。
[0157] 在一些实施例中,第二目标函数的第二类约束条件为:
[0158] 1)功率平衡约束条件
[0159]
[0160] 式中: 和 分别为t时刻电能市场、调峰市场和氢能市场能量需求量;
[0161] 2)VPP竞标功率约束条件
[0162]
[0163] 式中: 分别为GT、ES、EV、RE在电能市场的中标功率上限; 为GT在调峰市场的中标功率上限; 分别为GT,SHS,HEV在氢能
市场的中标功率上限;
[0164] 为对应约束的对偶变量。
[0165] 在一些实施例中,上述步骤S150可以通过以下方式实现:
[0166] 采用对偶理论,将所述竞价模型的实时阶段最坏期望分布上确界问题转化为下确界问题,得到单层最小目标寻优:
[0167]
[0168] 引入辅助变量wn可简化得到:
[0169]
[0170] 由于上式中约束条件的上确界只能在不确定变量的边界上获得,所述第一目标函数最终转化为单层的线性规划模型,所述转化后的竞价模型表示为:
[0171]
[0172] 式中:λi为对偶因子;δi、 分别表示不确定变量样本集{δi,1,δi,2,…,δi,N}的下确界和上确界;
[0173] 所述出清模型的拉格朗日函数表示为:
[0174]
[0175] 对变量求偏导,得到所述出清模型的拉格朗日平衡条件:
[0176]
[0177] 所述出清模型中不等式所对应的松弛条件为:
[0178]
[0179] 在一些实施例中,上述步骤S160可以通过以下方式实现:
[0180] 步骤1:竞标开始前,VPPi根据预测的日前市场信息及其余VPP的竞标方案充分整合内部资源,以电能市场为例,确定首轮报价方案为
[0181] 步骤2:竞标开始后,VPPi根据其他VPPj(j=1,2,…,n;j≠i)第k‑1轮的竞标方案求解上层竞价模型制定自身第k轮(k≥2)的竞标方案直至所有VPP均给出其第k轮竞标方案后,转至步骤3;
[0182] 步骤3:各VPP以运行成本最小为优化目标,重复步骤2,向市场运营商重复报价;多轮博弈后,若无VPP改变其竞标方案,则转至步骤4;若仍有VPP试图改变其竞标策略,并提交了第k+1轮的竞标方案,则转至步骤5;
[0183] 步骤4:若各VPP均不再尝试通过单方面改变其竞标方案获利,则此时市场中就形成纳什均衡的局面;竞标结束后,市场运营商按照市场博弈后的结果统一出清;
[0184] 步骤5:判断是否达到博弈轮次上限;若此时未达到博弈轮次上限,则返回步骤1;若已达到,则市场运营商不再接受各VPP新一轮的竞标方案;竞标结束后,市场运营商会按照约定的市场交易规则强制出清。
[0185] 下面,将说明本申请实施例在一个实际的应用场景中的示例性应用。
[0186] 一)基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价模型
[0187] (1)多虚拟电厂VPP参与日前联合市场的双层博弈框架
[0188] 在本发明实施例中,日前联合市场包含电能市场、调峰市场和氢能市场,当市场运营商发布市场需求信息后,各VPP是以售能商的形式在各能量市场中提交“报价‑报量”方案,参与市场交易。其交易行为是在合理调度内部资源的基础上,充分考虑竞争对手的竞标策略和已知的市场信息后进行竞价。本发明提供唵多虚拟电厂VPP参与日前联合市场的非合作双层博弈框架,如图2所示。
[0189] 由图2可知,各VPP可以有效整合各种类型的分布式能源、储能、负荷等设备,其中包括风机(WT)、光伏组件(PV)、燃气轮机(GT)、燃气锅炉(GB)、P2H、氢燃料电池(HFC)、碳捕集(CCS)、电储能(ES)、储热罐(TS)、SHS、电动汽车(EV)、氢燃料电动汽车(HEV)、以及用户电负荷,热负荷。
[0190] (2)基于Wasserstein距离的不确定性建模
[0191] 将源荷功率误差向量分别定义为 则含不确定变量的源荷功率为:
[0192]
[0193] 式中: 为t时刻风电、光伏的日内实际出力; 为t时刻风电、光伏的日前预测出力; 为t时刻电负荷的日内实际值; 为t时刻电负荷的日前预测值。WT
[0194] 以风电为例,风电预测误差的经验分布 可由N 个独立的风电误差向量来确定,当获取到大量的误差向量δ时,经验分布 将趋近于真实
分布 本发明使用Wasserstein距离来度量在给定变量空间Ξ中概率分布与真实分布之间的距离 以衡量各分布之间的相似程度,其表达式如下:
[0195]
[0196] 式中: 分别为服从风电经验分布 与风电真实分布 的随机变量;为风电随机变量 之间的欧式范数; 为风电经验分布
与风电真实分布 的联合概率分布;同样,光伏、电负荷的Wasserstein距离可以表示为:
[0197]
[0198] 根据以上定义,基于Wasserstein距离的风电功率不确定集 光伏功率不确定集 电负荷功率不确定集 可以分别表示为:
[0199]
[0200] 式中: 和 分别为风电、光伏和电负荷所有具有随机变量空间Ξ的概率分布集合;以风电为例, 表示一个以 为球心,以 为半径的风电
Wasserstein球,并且可以通过半径来控制模糊集的大小以控制保守程度;若设置不确定集的置信水平为1‑β,那么风电Wasserstein球半径设为如下值可保证置信水平不低于1‑β:
[0201]
[0202] 式中:D为随机变量空间Ξ的直径,代表空间Ξ内任意对原子之间Wasserstein距离的最大值;1‑β表示半径的置信度;η为辅助变量;为所有样本的均值; 为VPPi中风电的第n组样本; 表示样本 与均值 之间的1范数。
[0203] (3)上层多虚拟电厂两阶段分布鲁棒竞价模型
[0204] 3.1)第一目标函数
[0205] 在本发明构建VPP参与联合市场的博弈竞价整体架构中,上层VPP根据动态竞价模型,优化其竞价价格并传递给下层。下层联合市场跟随者基于市场主体投标策略执行市场出清,将出清价格和出清量传递给上层。
[0206] 基于源荷功率的不确定性刻画,构建VPP日前‑日内两阶段DRO模型。该模型的目标为源荷功率预测误差δi在不确定集 的最恶劣概率分布下,日前阶段制定投标策略的预调度成本和日内阶段再调度成本期望之和最小,即:
[0207]
[0208] 式中:Ui为VPPi日前投标阶段参与各能量市场的净运行成本;f(xi,δi)为VPPi日内WT调度阶段的再调度成本; 为包含不确定量 的函数在概率分布Pi
/PV/el
下的期望;sup为上确界。
[0209] VPP在日前阶段根据预测发电量尽可能多地消纳可再生能源,预调度各机组出力,并以非合作博弈的形式参与多元市场投标。VPPi运营商该阶段的优化目标为最小化其在日前市场中的净运行成本。如式(11)所示,各VPP净运行成本由如下两部分组成:第一部分为VPPi运营商的运行成本;第二部分为VPPi运营商在电能市场,调峰市场,氢能市场中获得的收益。
[0210]
[0211] 式中:πE,i,t、πS,i,t、πH,i,t分别为t时刻VPPi在市场的电能市场,调峰市场,氢能市场出清价格;PE,i,t、PS,i,t、PH,i,t分别为t时刻VPPi在市场的电能市场,调峰市场,氢能市场中标功率;Ci为VPPi的运行成本,具体表示为:
[0212] Ci=Ci,grid+Ci,car+Ci,idr+Ci,op+Ci,cu+Ci,re(12)
[0213]
[0214] 式中:Ci,grid是购能成本,Ci,car是碳交易成本,Ci,idr是需求响应补偿成本,Ci,op是设备运维成本,Ci,cu是可再生能源弃用成本,Ci,re是备用容量成本。 为t时刻阶梯型碳交易IE成本; 为碳交易基价;ξ为价格增长率;r 为可中断电负荷的单位补偿价格;ωop,x是机组x的单位运维成本,ωop,m是储能m的单位运维成本;机组x包括GT、P2H、HFC和CCS;rloss为可再生能源弃用单位惩罚价格, 为可再生能源弃用功率; 分别为t时刻
VPPi中GT、P2H、HFC提供的备用容量;ωre,GT、ωre,P2H、ωre,HFC分别为GT、P2H、HFC的单位备用成本。
[0215] 3.2)约束条件
[0216] ①功率平衡
[0217]
[0218] ②燃气轮机
[0219]
[0220] 式中: 为t时刻GT电出力和热出力;ηp,t、ηq,t为t时刻GT电效率和热效率;为t时刻GT耗气功率;Hgas为天然气低热值; 为GT出力的上下限;
为GT爬坡功率上下限。
[0221] ③电制氢
[0222]
[0223] 式中: 分别为t时刻P2H耗电功率和产氢功率;ηP2H为P2H的转化效率;为P2H耗电功率的上下限; 为P2H耗电功率爬坡上下限。
[0224] ④氢燃料电池
[0225]
[0226] 式中: 为t时刻HFC的耗氢功率; 分别为t时刻HFC的电功率和热功率;ηHFC,p,t、ηHFC,q,t分别为t时刻HFC的电效率和热效率; 分别为HFC电功率的上、下限; 分别为HFC电功率爬坡上、下限。
[0227] ⑤碳捕集设备
[0228]
[0229] 式中: 为t时刻CCS捕集CO2所需的捕集能耗; 为t时刻维持能耗,是与CCS的运行状态无关的固定值; 为t时刻运行能耗,随CCS运行状态的变化而变化,与CCS捕集CO2的能力呈正相关;γc为CCS捕集单位CO2所需的能耗; 分别为CCS耗电功率的上、下限。
[0230] ⑥电储能电动汽车、热储能电动汽车、氢燃料电动汽车
[0231]
[0232] 上标m表示能量类型,它包括ES,TS,EV和HEV; 为t时刻储能设备容量;φm为储能设备m的自损系数; 分别为储能设备的充、放能效率; 分别为储能设备的充、放能功率; 和 分别为储能设备m的最大和最小存储容量; 为0‑1变量,用以表示储能设备m的充、放能不能同时进行, 表示储能设备充能, 表示储能设备放能;
分别表示储能设备m充、放能功率的上限; 为储能设备m初始容量; 为
储能设备m运行一个周期后剩余容量。
[0233] ⑦季节性氢储能
[0234] 在单个典型日内,SHS仅能充氢或仅能放氢,使SHS工作在不同的典型日间,实现日间氢能交互。SHS的能量自耗散率几乎接近为0,且在下一个典型日场景初始时刻需对上一个典型日场景的充放氢累积进行考虑。因此,SHS数学模型可表示为:
[0235]
[0236] 式中:式(26)为储氢日内能量平衡;式(27)为每个季节开始时的储氢量,其中参数Πs表示季节中典型天数的能量循环次数s;式(28)为每年存储平衡后的荷氢状态;式(29)为SHS初始和年末的容量约束;式(30)与式(31)分别为SHS的能量状态和氢气充能/释放速率约束。
[0237] ⑧可时移电负荷
[0238]
[0239] 式中: 为t时刻可时移电负荷功率;αi,TSE为可时移电负荷占总负荷的比值。
[0240] ⑨可中断电负荷
[0241]
[0242] 式中: 为t时刻可中断电负荷功率;αi,IE为可中断电负荷占总负荷的比值。
[0243] ⑩竞价价格约束
[0244]
[0245] 式中: 分别为GT在电能市场的竞标价格上限,下限,其余符号类似。
[0246] (4)下层联合市场出清模型
[0247] 4.1)第二目标函数
[0248] 在下层模型中,市场运营商根据各VPP提交的投标价格,以日前联合市场购能成本最小化为目标,对日前电能市场,调峰市场和氢能市场进行联合出清,并将出清结果反馈给各个市场参与者;第二目标函数如下:
[0249]
[0250] 式中:UMA为联合市场运营商购能总成本;RE,i,t、RS,i,t、RH,i,t分别为t时刻市场运营商在电能市场,调峰市场,氢能市场中的购能成本; 分别为VPPi中GT、ES、EV、RE在电能市场中的竞价价格; 为VPPi中GT在调峰市场中的竞价价格;
分别为VPPi中P2H、SHS、HEV在氢能市场中的竞价价格;
分别为VPPi中GT、ES、EV、RE在电能市场中的竞标功率; 为VPPi
中GT在调峰市场中的竞标功率; 分别为VPPi中P2H、SHS、HEV在氢能市场
中的竞标功率。
[0251] 4.2)约束条件
[0252] ①功率平衡
[0253]
[0254] 式中: 分别为t时刻电能市场,调峰市场和氢能市场能量需求量。
[0255] ②VPP竞标功率约束
[0256]
[0257] 式中: 分别为GT在电能市场的中标功率上限、下限; 为对应约束的对偶变量。
[0258] 二)双层模型转换与求解
[0259] (1)两阶段分布鲁棒模型的等效转化
[0260] 本发明采用对偶理论,将内层的实时阶段最坏期望分布上确界问题转化下确界问题,从而得到单层最小目标寻优。
[0261]
[0262] 式中:λi为对偶因子;δi、 分别表示不确定变量样本集{δi,1,δi,2,…,δi,N}的下确界和上确界。引入辅助变量wn可简化得到:
[0263]
[0264] 由于式(40)中约束条件的上确界只能在不确定变量的边界上获得,因此目标函数最终转化为单层的线性规划模型,如下:
[0265]
[0266] (2)双层博弈竞价模型下层联合出清模型的转化
[0267] 2.1)双层模型的转化
[0268] VPP与市场运营商之间属于双层的主从非合作博弈关系,当跟随者根据所有领导者的策略做出最优响应,并且领导者也接受这个响应时,博弈达到均衡,此时任何一方参与者都不可能通过单方面改变策略来获得更大的利益。文中所提出的双层模型中下层模型是非凸非线性的,采用KKT(Karush Kuhn‑Tucker)定理,将下层出清模型转化为KKT约束条件,从而将均衡约束规划问题转化为混合整数线性规划问题。
[0269] 首先,写出下层联合出清模型的拉格朗日函数,如式(42)所示。
[0270]
[0271] 对变量求偏导,可以得到下层问题的拉格朗日平衡条件:
[0272]
[0273] 下层问题中不等式所对应的松弛条件为:
[0274]
[0275] 4.2)线性化处理
[0276] 转化后的模型仍存在非线性项:一是互补松弛条件;二是目标函数中双决策变量的乘积、其线性转化过程如下:
[0277] ①目标函数的线性化
[0278] 上述所提模型的非线性主要是由目标函数式(11)中存在2个连续变量的乘积所导致的,使该模型无法进行直接求解。
[0279] 以电能市场为例,当市场竞标主体采用“报价‑报量”的竞标方式时,VPPi中各主体的竞标电价 竞标电量 出清电价πE,i,t、出清电量PE,i,t之间存在以下关系:
[0280]
[0281] 式(43)中仍然存在两个决策变量的乘积,使得VPPi竞标模型为非线性与非凸优化问题,但可通过二进制扩充法进行处理。以 与 为例,其处理过程为:
[0282]
[0283] 式中:Nπ、NP为二进制扩充变量的个数; 均为新引入的辅助变量,其计算方法如式(47)所示, 的计算方法如式(48)所示,式(46)中非线性部分的松弛方法如式(49)所示:
[0284]
[0285] 式中: 均为布尔变量;Mπ、MP均为足够大的正整数。
[0286] ②约束条件的线性化
[0287] 转化后的模型仍存在非线性项,对于式(44)中的互补约束,运用大M法,引入布尔变量将上述互补约束条件中的对偶变量与决策变量的乘积进行线性化表示;以GT售电中标功率上限互补约束条件为例,可通过该约束对应辅助布尔变量 和足够大的正数M重新表示为:
[0288]
[0289] 式(44)中的其余互补松弛约束条件的线性化处理方法类似式(50)。
[0290] (3)求解流程
[0291] 步骤1:竞标开始前,VPPi根据预测的日前市场信息及其余VPP的竞标方案充分整合内部资源,以电能市场为例,确定首轮报价方案为
[0292] 步骤2:竞标开始后,VPPi根据其他VPPj(j=1,2,…,n;j≠i)第k‑1轮的竞标方案求解上层竞价模型制定自身第k轮(k≥2)的竞标方案直至所有VPP均给出其第k轮竞标方案后,转至步骤3;
[0293] 步骤3:各VPP以运行成本最小为优化目标,重复步骤2,向市场运营商重复报价;多轮博弈后,若无VPP改变其竞标方案,则转至步骤4;若仍有VPP试图改变其竞标策略,并提交了第k+1轮的竞标方案,则转至步骤5;
[0294] 步骤4:若各VPP均不再尝试通过单方面改变其竞标方案获利,则此时市场中就形成纳什均衡的局面;竞标结束后,市场运营商按照市场博弈后的结果统一出清;
[0295] 步骤5:判断是否达到博弈轮次上限;若此时未达到博弈轮次上限,则返回步骤1;若已达到,则市场运营商不再接受各VPP新一轮的竞标方案;竞标结束后,市场运营商会按照约定的市场交易规则强制出清。
[0296] 本实施例1
[0297] 碳交易机制下多虚拟电厂合作运行优化模型功能测试
[0298] (1)参数设置
[0299] 为验证本发明所提策略的有效性,以中国陕西省西安市能量市场为例进行仿真,该日前市场中有3个不同结构的VPP参与竞标,其中各VPP内部结构如图1所示。以四个季节的典型日作为研究对象,VPP1和VPP3处于建筑密度不高的区域,主要配置风电;VPP2处于建筑密度较高的区域,主要配置光伏。其中VPP3中包含20个充电桩,10个充氢桩。各VPP内部设备基本参数如表1所示。本发明在MATLAB2021a环境下,调用Gurobi求解器进行求解。
[0300] 表1各VPP内部设备基本参数
[0301]
[0302] (2)VPP参与多市场出清结果分析
[0303] 1.收敛性分析
[0304] 图3展示了双层非合作博弈模型的迭代求解过程。由图3可知,各VPP经过26轮的非合作博弈后,在联合市场中的运行成本趋于稳定,任何运营商均不能通过单方面改变其竞标方案来获取额外收益,此时的竞标策略即为使得各主体收益最优的纳什均衡解,其中,联合市场均衡成本为24755.04¥。VPP1,VPP2,VPP3对应的均衡成本分别为‑665.64¥、‑2740.10¥、‑5901.12¥。在求解过程中,各主体运行成本呈现出不断波动、此消彼长的规律。这是由于本发明所提动态竞价策略与碳排放量和负荷需求响应等因素紧密相关,每次迭代过程中,这些因素是波动变化的,导致价格在一定的范围内也是波动变化的。由此可见,本发明所提竞标博弈方法能有效求解多VPP同时参与电能市场,调峰市场,氢能市场的投标决策方案,实现复杂博弈场景下各主体收益的优化分配。
[0305] 2.VPP参与电能市场出清结果分析
[0306] 各VPP在电能市场中的出清功率,如图4所示。由图4可知,动态竞价策略使得各VPP电量中标情况各有差异,VPP中标量和风光出力呈正相关,即VPP在可再生能源发电量较高时会获得更多的市场中标量。其中,大部分时段VPP3的中标电量较大,在竞价博弈中占据优势。原因在于,VPP3中风电全时段均有出力,其较低的运行成本使得VPP3在博弈竞标中具有较低的报价水平。VPP2中标时段主要集中于8:00‑18:00,32:00‑42:00,56:00‑66:00,80:00‑90:00时段,以上时段光伏出力充足,使得其在电能市场中可提供较低的报价方案。当VPP2与VPP3中标电量难以满足市场电能需求时,VPP1中富余的可再生能源出力以较低电价中标市场电力缺额,获取收益。
[0307] 3.VPP参与调峰市场出清结果分析
[0308] 各VPP在调峰市场中的出清量,如图5所示。由图5可知,在削峰调峰时段,VPP1和VPP2在调峰市场中投入的竞标容量占比较大。原因在于,VPP1和VPP2中燃气轮机在电能市场的竞标中处于劣势,会优先考虑参与调峰市场以最大化自身收益,这对于燃气轮机发电容量更大的VPP1尤为重要。此外,因燃气轮机相较于可再生能源出力更加稳定高效且调峰质量高,所以VPP运营商可通过在调峰市场中预留更多投标容量弥补其在电能市场中因竞标失败导致的经济损失。
[0309] 4.VPP参与氢能市场出清结果分析
[0310] 各VPP在氢能市场中的出清量,如图6所示。由图6可知,大部分时段VPP1与VPP3的氢能中标功率较大,优势明显,而VPP2则处于相对劣势的地位。原因在于,VPP3全时段的运行成本较低,并且氢燃料电动汽车使其竞标方案更加经济灵活,可帮助VPP3在博弈中以较低报价获得较多的市场份额。VPP1中生产的氢能除通过氢燃料电池参与电能供给外,同样参与市场交易,电力市场侧秉持购能费用最低的原则,同样会分配给VPP1运营商较多市场份额。VPP2中可再生能源出力主要参与电能市场出清,依靠电制氢生产的氢能较少,且VPP2中未配置季节性氢储能,使得其所占市场份额较少。
[0311] 图7是本发明实施例提供的基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价装置的组成结构示意图,如图7所示,基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价装置700包括:构建模块701,用于构建多虚拟电厂参与日前联合市场的双层博弈框架;建模模块
702,用于对风电功率、光伏功率和电负荷功率进行Wasserstein距离的不确定性建模,得到多源荷功率不确定集;所述构建模块701,还用于基于所述多源荷功率不确定性集,构建上层多虚拟电厂两阶段分布鲁棒竞价模型;所述两阶段鲁棒分布竞价模型中包括日前阶段制定投标策略的预调度成本和日内阶段再调度成本期望之和最小的第一目标函数;并对应构建所述第一目标函数的第一类约束条件;所述构建模块701,还用于构建下层联合市场出清模型;所述出清模型中包括日前电‑调峰‑氢联合市场购能成本最小的第二目标函数;并对应构建所述第二目标函数的第二类约束条件;转化模块703,用于分别对所述两阶段鲁棒分布竞价模型和所述下层联合出清模型进行等效转化,对应得到转化后的竞价模型和转化后的出清模型;对所述转化后的竞价模型中的互补松弛条件进行线性化处理,得到处理后的互补松弛条件;求解模块704,用于基于所述处理后的互补松弛条件、所述第一类约束条件和所述第二类约束条件,对所述转化后的竞价模型和所述转化后的出清模型进行求解,得到竞价策略。
[0312] 需要说明的是,本发明实施例装置的描述,与上述方法实施例的描述是类似的,具有同方法实施例相似的有益效果,因此不做赘述。对于本装置实施例中未披露的技术细节,请参照本发明方法实施例的描述而理解。
[0313] 需要说明的是,本发明实施例中,如果以软件功能模块的形式实现上述的基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价方法,并作为独立的产品销售或使用时,也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明实施例的技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台终端执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘只读存储器(Read Only Memory,ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样,本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
[0314] 对应的,本发明实施例提供一种基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价设备,图8是本发明实施例提供的基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价设备的组成结构示意图,如图8所示,所述基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价设备800至少包括:处理器801和配置为存储可执行指令的计算机可读存储介质802,其中处理器801通常控制所述基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价设备800的总体操作。计算机可读存储介质802配置为存储由处理器801可执行的指令和应用,还可以缓存待处理器801和基于主从非合作博弈的虚拟电厂参与联合市场竞价设备800中各模块待处理或已处理的数据,可以通过闪存(FLASH)或随机访问存储器(Random Access Memory,RAM)实现。
[0315] 本发明实施例提供一种存储有可执行指令的存储介质,其中存储有可执行指令,当可执行指令被处理器执行时,将引起处理器执行本发明实施例提供的方法,例如,如图1示出的方法。
[0316] 在一些实施例中,存储介质可以是计算机可读存储介质,例如,电存储器(FRAM,Ferromagnetic Random Access Memory)、只读存储器(ROM,Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM,Programmable Read Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM,Erasable Programmable Read Only Memory)、带电可擦可编程只读存储器(EEPROM,Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)、闪存、磁表面存储器、光盘、或光盘只读存储器(CD‑ROM,Compact Disk‑Read Only Memory)等存储器;也可以是包括上述存储器之一或任意组合的各种设备。
[0317] 在一些实施例中,可执行指令可以采用程序、软件、软件模块、脚本或代码的形式,按任意形式的编程语言(包括编译或解释语言,或者声明性或过程性语言)来编写,并且其可按任意形式部署,包括被部署为独立的程序或者被部署为模块、组件、子例程或者适合在计算环境中使用的其它单元。
[0318] 作为示例,可执行指令可以但不一定对应于文件系统中的文件,可以可被存储在保存其它程序或数据的文件的一部分,例如,存储在超文本标记语言(HTML,Hyper Text Markup Language)文档中的一个或多个脚本中,存储在专用于所讨论的程序的单个文件中,或者,存储在多个协同文件(例如,存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)中。作为示例,可执行指令可被部署为在一个电子设备上执行,或者在位于一个地点的多个电子设备上执行,又或者,在分布在多个地点且通过通信网络互连的多个电子设备上执行。
[0319] 以上所述,仅为本发明的实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和范围之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均包含在本发明的保护范围之内。
[0320] 应理解,说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此,在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外,这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解,在本发明的各种实施例中,上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
[0321] 需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法或者装置不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。在本发明所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的设备和方法,可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,如:多个单元或组件可以结合,或可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。
[0322] 以上所述,仅为本发明的实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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