本發(fā)明涉及利用先進(jìn)的信息和通訊技術(shù)，將分散的可再生能源、儲(chǔ)能設(shè)備及需求響應(yīng)等資源進(jìn)行集中管理，從而優(yōu)化能源配置，尤其涉及一種基于主從博弈理論的虛擬電廠(chǎng)分布式協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行方法。

背景技術(shù)：

1、虛擬電廠(chǎng)(virtual?power?plant,簡(jiǎn)稱(chēng)vpp)作為一種整合分布式能源資源的高效平臺(tái)，逐漸成為推動(dòng)電力系統(tǒng)向更高效、清潔和低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)。市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)性和不斷變化的環(huán)境政策為vpp的運(yùn)營(yíng)策略?xún)?yōu)化帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，尤其是在碳排放管制日益嚴(yán)格的今天，vpp如何在確保經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低碳排放成為其面臨的主要挑戰(zhàn)。

2、目前提出的vpp優(yōu)化策略雖然提供了一定的解決方案，但在處理復(fù)雜的市場(chǎng)互動(dòng)和參與者多樣性方面顯示出局限性。特別是在需要保護(hù)市場(chǎng)參與者信息隱私的環(huán)境中，這些方法往往難以適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需求。因此，探索適用于vpp的分布式優(yōu)化策略，如主從博弈的策略不僅完全符合電力市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，而且有效地應(yīng)對(duì)了市場(chǎng)實(shí)時(shí)變化的挑戰(zhàn)。

3、vpp框架融合了vpp運(yùn)營(yíng)商、vpp聚合商和可調(diào)負(fù)荷，形成了一個(gè)綜合性能源管理系統(tǒng)。在此架構(gòu)中，vpp運(yùn)營(yíng)商作為樞紐，聯(lián)結(jié)vpp聚合商提供的分布式清潔能源、綜合儲(chǔ)能設(shè)備、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和負(fù)荷聚合商的需求側(cè)響應(yīng)。vpp運(yùn)營(yíng)商充當(dāng)能源的供應(yīng)方和需求方之間的橋梁，依據(jù)市場(chǎng)供需關(guān)系，進(jìn)行電價(jià)的日前優(yōu)化。vpp聚合商通過(guò)智能管理系統(tǒng)，優(yōu)化各種發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行，以提高能源效率和經(jīng)濟(jì)收益。負(fù)荷聚合商發(fā)揮關(guān)鍵作用，通過(guò)聚合具有需求響應(yīng)(dr)能力的負(fù)荷，代表他們集體參與電力市場(chǎng)。該系統(tǒng)通過(guò)智能電網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和高效能源分配，增強(qiáng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明為虛擬電廠(chǎng)內(nèi)部調(diào)度提供一種基于主從博弈理論的虛擬電廠(chǎng)分布式協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行方法，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單,優(yōu)化了vpp的運(yùn)行效率及響應(yīng)市場(chǎng)需求方面的實(shí)用性。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

3、一種基于主從博弈理論的虛擬電廠(chǎng)分布式協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行方法，步驟包括：

4、s1.獲取虛擬電廠(chǎng)光伏預(yù)測(cè)出力、風(fēng)電預(yù)測(cè)出力、用戶(hù)側(cè)偏好負(fù)荷和其與電網(wǎng)交互成本的數(shù)據(jù)，并分析虛擬電廠(chǎng)內(nèi)部各主體的需求特點(diǎn)；

5、s2.基于虛擬電廠(chǎng)內(nèi)部各主體需求特點(diǎn)量化出優(yōu)化目標(biāo)，包括vpp運(yùn)營(yíng)商、vpp聚合商和負(fù)荷聚合商采用的數(shù)學(xué)模型；在該模型中，vpp運(yùn)營(yíng)商擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)者的角色，依據(jù)市場(chǎng)數(shù)據(jù)和負(fù)荷需求制定價(jià)格策略，而vpp聚合商和負(fù)荷聚合商則作為跟隨者參與優(yōu)化過(guò)程；

6、s3.考慮vpp內(nèi)部主體的獨(dú)立性，同時(shí)考慮vpp在供能側(cè)與用戶(hù)側(cè)最優(yōu)定價(jià)及調(diào)度策略之間的內(nèi)在耦合關(guān)系，在保證能源交易效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，優(yōu)化各方的策略以達(dá)到stackelberg均衡；

7、s4.使用遺傳算法結(jié)合二次規(guī)劃技術(shù)解決優(yōu)化問(wèn)題。

8、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟s1中虛擬電廠(chǎng)中各主體的需求包括虛擬電廠(chǎng)內(nèi)部主體的構(gòu)成、主體間的交互關(guān)系和各主體的需求特點(diǎn)。

9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟s2中所述虛擬電廠(chǎng)內(nèi)部各主體需求特點(diǎn)量化出優(yōu)化目標(biāo)具體是根據(jù)vpp運(yùn)營(yíng)商、vpp聚合商和負(fù)荷聚合商的需求特點(diǎn)，同時(shí)考慮綜合儲(chǔ)能設(shè)備、用戶(hù)側(cè)需求響應(yīng)和碳排放成本。

10、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟s2中所述包括vpp運(yùn)營(yíng)商、vpp聚合商和負(fù)荷聚合商采用的數(shù)學(xué)模型是在主從博弈的框架下構(gòu)建了一個(gè)以vpp運(yùn)營(yíng)商為領(lǐng)導(dǎo)者，vpp聚合商和負(fù)荷聚合商為跟隨者的兩階段優(yōu)化模型，在定價(jià)階段，vpp運(yùn)營(yíng)商依據(jù)當(dāng)前的供需關(guān)系和市場(chǎng)信息來(lái)設(shè)定電價(jià)；在隨后的定量階段，vpp聚合商和負(fù)荷聚合商根據(jù)前述定價(jià)信息，調(diào)整其電力產(chǎn)出和消費(fèi)需求。

11、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述主從博弈的框架下構(gòu)建的以vpp運(yùn)營(yíng)商為領(lǐng)導(dǎo)者，vpp聚合商和負(fù)荷聚合商為跟隨者的兩階段優(yōu)化模型如下：

12、vpp運(yùn)營(yíng)商通過(guò)優(yōu)化售電收入與購(gòu)電和電網(wǎng)交互成本之間的差值來(lái)實(shí)現(xiàn)，vpp運(yùn)營(yíng)商的目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)化表示為：

13、

14、其中，fvpp?ope為vpp運(yùn)營(yíng)商的優(yōu)化目標(biāo)；t為總時(shí)段數(shù)；為第t時(shí)段向用能側(cè)的供電收入；為第t時(shí)段向供能側(cè)的購(gòu)電成本；為電網(wǎng)交互成本，當(dāng)其大于0時(shí)表示向電網(wǎng)購(gòu)電，否則表示上網(wǎng)售電；為第t時(shí)段的系統(tǒng)碳交易成本；

15、通過(guò)如下公式計(jì)算：

16、

17、式中：δt為時(shí)間長(zhǎng)度；為第t時(shí)段用能側(cè)的電負(fù)荷功率，即消費(fèi)者電負(fù)荷功率；為第t時(shí)段供能側(cè)的電輸出功率，即第t時(shí)段vpp聚合商的電輸出功率；和分別為第t時(shí)段出售給用能側(cè)和從供能側(cè)買(mǎi)入的電能價(jià)格；和分別為第t時(shí)段電網(wǎng)的上網(wǎng)和售電電價(jià)；

18、vpp聚合商會(huì)基于vpp運(yùn)營(yíng)商給定的購(gòu)買(mǎi)電價(jià)進(jìn)行出力優(yōu)化，vpp聚合商的優(yōu)化問(wèn)題表示為最大化其收益，這個(gè)收益來(lái)源于電力的生產(chǎn)和銷(xiāo)售，vpp聚合商的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

19、

20、式中，fvpp?agg為vpp聚合商的優(yōu)化目標(biāo)；為第t時(shí)段的電力生產(chǎn)總成本，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的變工況效率特性，將其輸出功率與燃料成本之間的關(guān)系用二次函數(shù)的形式表示為：

21、

22、式中：為t時(shí)刻燃?xì)廨啓C(jī)的輸出電功率；ae，be，ce為燃?xì)廨啓C(jī)的成本系數(shù)，此外，對(duì)于風(fēng)電、光伏和綜合儲(chǔ)能設(shè)備認(rèn)為其生產(chǎn)成本為0；

23、vpp聚合商t時(shí)刻輸出電功率為：

24、

25、式中:分別為第t時(shí)段風(fēng)電、光伏、綜合儲(chǔ)能設(shè)備的電功率；

26、負(fù)荷聚合商在vpp運(yùn)營(yíng)商設(shè)定的電價(jià)基礎(chǔ)上，優(yōu)化自身的可平移電負(fù)荷的功率，目的是最大化消費(fèi)者剩余，即用戶(hù)效用與用電成本之差，以下是負(fù)荷聚合商的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件：

27、

28、其中，fuser為負(fù)荷聚合商的優(yōu)化目標(biāo)；是表示用戶(hù)滿(mǎn)意度隨能源消費(fèi)增加的變化趨勢(shì)的效用函數(shù)，且:

29、

30、式中βe和αe為對(duì)消費(fèi)者電能的偏好系數(shù)，反映出用戶(hù)對(duì)能源的需求偏好并影響需求量的大小；

31、消費(fèi)者電負(fù)荷功率包含不可響應(yīng)電負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移不可中斷電負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移可中斷電負(fù)荷，表示為：

32、

33、式中為第t時(shí)段的不可響應(yīng)電負(fù)荷；是可轉(zhuǎn)移但不可中斷的電負(fù)荷；是可轉(zhuǎn)移且可中斷的電負(fù)荷；電負(fù)荷需滿(mǎn)足如下運(yùn)行條件：

34、

35、

36、式中：分別為第t時(shí)段的可轉(zhuǎn)移不可中斷電負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移且可中斷的電負(fù)荷的上限；wtnel、wiel分別為為t個(gè)時(shí)段內(nèi)可轉(zhuǎn)移不可中斷電負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移且可中斷的電負(fù)荷的總量。

37、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，第t時(shí)段的系統(tǒng)碳交易成本cemission具體通過(guò)如下過(guò)程得到：

38、采用階梯式碳定價(jià)機(jī)制來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的碳排放成本，當(dāng)vpp的實(shí)際碳排放量超出分配的碳配額時(shí)，必須購(gòu)買(mǎi)額外的碳排放權(quán)以補(bǔ)償超出的部分，碳價(jià)隨著超出排放量的增加而遞增，即超過(guò)的碳排放量越大，相應(yīng)的碳價(jià)也越高，碳排放的實(shí)際計(jì)算公式：

39、

40、式中，qg為vpp碳排放總量，為供能側(cè)發(fā)電的碳排放系數(shù)，為從大電網(wǎng)購(gòu)電的碳排放系數(shù)；

41、采用基準(zhǔn)值法，為不同類(lèi)型的機(jī)組設(shè)定特定的碳排放基準(zhǔn)值，vpp碳配額計(jì)算如下：

42、

43、式中，qgp為vpp碳配額總量，為供能側(cè)單位發(fā)電的碳配額；

44、則能夠在碳市場(chǎng)進(jìn)行交易的碳排放量qvpp為

45、qvpp＝qgp-qg

46、系統(tǒng)碳交易成本計(jì)算如下：

47、cemissions＝λqvpp

48、式中，λ為碳交易均價(jià)。

49、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在計(jì)算vpp聚合商t時(shí)刻輸出電功率的過(guò)程中，需滿(mǎn)足如下約束：

50、

51、式中，為燃?xì)廨啓C(jī)的額定容量；為綜合儲(chǔ)能設(shè)備的最大容量；和分別表示在市場(chǎng)價(jià)格的約束下，vpp聚合商的售電價(jià)格的最大值和最小值。

52、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s3所述優(yōu)化各方的策略以達(dá)到stackelberg均衡，具體是需要滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

53、

54、其中，fuser為負(fù)荷聚合商的優(yōu)化目標(biāo)；

55、ηvpp?ope為vpp運(yùn)營(yíng)商售電和購(gòu)電策略的向量表示，包括24小時(shí)內(nèi)的售電價(jià)格和購(gòu)電價(jià)格，以向量形式表示記為ηvpp?ope＝(ce,s,ce,b)；為ηvpp?ope的均衡解；

56、μuser為負(fù)荷聚合商的策略向量表示，負(fù)荷聚合商的策略包括調(diào)整其控制下的可轉(zhuǎn)移不可中斷電負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移可中斷電負(fù)荷，表示向量為：μuser＝(ptnel,piel)；為μuser的均衡解；

57、μvpp?agg為vpp聚合商的策略的向量表示，vpp聚合商的策略為調(diào)節(jié)其管理下的各能源單元的輸出功率，表示為向量μvpp?agg＝(pice,pess)；為μvpp?agg的均衡解；

58、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s4所述使用遺傳算法結(jié)合二次規(guī)劃技術(shù)解決優(yōu)化問(wèn)題，具體方法是：

59、首先對(duì)vpp聚合商的目標(biāo)函數(shù)分別求關(guān)于的一階偏導(dǎo)，得到：

60、

61、令一階偏導(dǎo)等于0，得到：

62、

63、再對(duì)式vpp聚合商的目標(biāo)函數(shù)求關(guān)于的二階偏導(dǎo)，得到：

64、

65、由于成本系數(shù)是正的，這里二階偏導(dǎo)始終小于0，所以為vpp聚合商的目標(biāo)函數(shù)的極大值點(diǎn)，然而，受到策略區(qū)間上下限的約束影響，當(dāng)能源價(jià)格發(fā)生變化時(shí)，極值點(diǎn)可能位于區(qū)間邊界上，因此，能源供給側(cè)的最優(yōu)策略取值表示為：

66、

67、連續(xù)進(jìn)行迭代后，若各參與者在相鄰兩次得到的最優(yōu)策略相同，則達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的市場(chǎng)均衡點(diǎn)，即：

68、

69、其中，上標(biāo)i表示第i次迭代，上標(biāo)i-1表示第i-1次迭代。

70、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

71、1)通過(guò)理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，證明了所提出的主從博弈兩階段優(yōu)化運(yùn)行模型存在唯一的stackelberg均衡解。為求解該模型，本文采用了基于遺傳算法與二次規(guī)劃(ga-qp)的分布式計(jì)算方法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法在收斂性方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保證了參與各方的隱私安全。

72、2)經(jīng)過(guò)兩種不同情景的對(duì)比分析，考慮vpp中的需求響應(yīng)機(jī)制后，本發(fā)明通過(guò)價(jià)格信號(hào)的引導(dǎo)，有效地調(diào)節(jié)了供能側(cè)的輸出及用戶(hù)端的用能計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷的削峰填谷。這不僅使供能更加合理、用能更經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也顯著提升了節(jié)能減排的效果，為虛擬電廠(chǎng)響應(yīng)全球“雙碳”目標(biāo)提供了可行的實(shí)施策略。

73、3)通過(guò)采用主從博弈的互動(dòng)模式，能夠協(xié)同優(yōu)化虛擬電廠(chǎng)內(nèi)各主體的利益，從而增強(qiáng)虛擬電廠(chǎng)的整體盈利能力，并為制定內(nèi)部購(gòu)售電價(jià)格、調(diào)度計(jì)劃以及參與跨市場(chǎng)交易提供了重要的指導(dǎo)。