一种基于博弈纳什均衡的微网电源规划方法.pdf

本发明公开了一种基于博弈纳什均衡的微网微电源规划方法，分别以不同参与者的身份建立了合作博弈优化配置模型，充分考虑了微网中不同种类微电源的发电出力特性以及多种约束条件，以微网售电收益、微电网的投资成本、系统网损成本、环境成本、交互功率成本组成的收益函数和大电网网损的降损收益、向微网的售电收益、由于向微网售电排放的废气成本以及大电网节省的热备用费用而组成的收益函数进行博弈，并采用博弈迭代算法进行求解，解决了博弈模型的电源规划问题。通过采用典型微网结构进行仿真分析研究，仿真结果表明微网与大电网合作博弈才能够取得更好的收益，因此通过联合各利益相关方的力量，才能推动微网的健康发展。

权利要求书
1.  本发明建立基于博弈纳什均衡的微网与大电网优化配置模型，充分考虑的微网技术包括光伏发电（Photovoltaic，PV），风力发电（Wind Turbine，WT）、微型燃气轮机（Micro Gas Turbine,MT），和储能装置（Energy Storage Systems,ESS），而博弈论中，一个博弈包括多个必备的要素，其中包括参与者、策略、收益函数、均衡为必备。
博弈论要素分析
1）参与者
以微网和大电网为博弈的参与者，从而构成双人博弈，分别用Mic，Mac表示两个参与者。
2）参与者策略
参与者Mic，Mac在进行博弈时，其策略主要是通过合作和非合作博弈模式决定微电源的容量，分别表示为PPV,PWT,PMT,PESS,由于决策变量在某个范围内连续取值，即各参与者具有连续的策略空间SPV,SWT,SMT,SESS,具体为：
PPV=∈{SPV=[PPVmin,PPVmax]}PWT∈{SWT=[PWTmin,]PWTmax]}PMT∈{SMT=[PMTmin,PMTmax]}PESS∈{SESS=[PESSmin,PESSmax]}]]>
其中，为光伏发电容量的上下限；为风力发电容量的上下限；为微型燃气轮机容量的上下限；为储能装置容量的上下限。
3）参与者收益
参与者Mic，Mac的收益函数分别为：
①微网的收益函数：
CBMic=CBenefit-CC]]>
式中：为微网的目标收益；CBenefit为微网为一年时期的售电收入；CC为微网对于微电源的经济成本，包括投资成本、安装成本、运行和维护成本、环境成本和向大电网购电成本。具体的目标函数为：

式中，Nb为微电源的种类，其中1为PV，2为WT,3为MT,4为ESS,Nb为4;Ndl为调度时段，τdl为第dl个调度时段的时间；λdl为第dl个调度时段时的电价；rdl为第dl个调度时段的电价补贴；为第i种微电源第dl个调度时段的售电量；CI、CO&M、CF、CE、CGRID分别为微电源的投资成本年金现值、运行和维护成本、燃料成本、环境成本和向大电网购电成本；Ii,e、Ii,f分别第i种微电源的购置成本和安装成本；Pi为第i种微电源的额定装机容量；分别为第i种微电源单位发电量的运行和维护成本；Cgas为单位立方米天然气的价格，一般为2.5元/m3；c(d,n)是折现率为d使用寿命为n的年金现值系数；Ei,k、E′i，k分别为第i种微电源单位发电量排放的第k种污染气体的环境价值成本和污染惩罚成本；M为微电源排放污染气体的种类；为微网在第dl个调度时段负荷缺电率；c为微网向大电网的购电电价；为微网在第dl个调度时段的负荷需求；为有功网损； b为微网的网损电价。
②大电网的收益函数
相对于微网来说，大电网的收益主要是由于微网的并网接入，电力系统中网损的降损收益Closs、向微网的售电收益CMG、由于向微网售电而消耗的化石燃料排放的废气成本Cemission、大电网节省的热备用费用Creserve。
CBMac=Closs+CMG-Cemission-CreserveCloss=Σdl=1Ndl(a×ΔP‾dlloss)×τdlCMG=Σdl=1Ndlτdl·c·δdlLPSP·PdlLCemission=Σdl=1NdlΣk=1Mτdl(Ek+Ek′)·δdlLPSP·PdlLCreserve=Σdl=1NdlΣi=1Nbτdl·c1·α·Pi]]>
式中：为第dl个调度时段大电网由于微网的接入而降低的网损变化量；a为网损电价；Ek、E′k分别为火电机组单位发电量排放的第k种污染气体的环境价值成本和污染惩罚成本；由于微网的并网接入，既满足了当地供电可靠性的需求，同时大电网也减少了热备用的需求，因此Creserve为大电网节省的热备用费用，c1为单位电量的热备用费用，α为热备用所占总装机容量的比重。
4)信息集
对于合作博弈的微网与大电网而言，信息集即是保证系统能够安全、可靠和稳定运行的约束条件。
①等式约束，即节点潮流方程。
Pj,dlnet=-Pj,dlD+Pj,dlDGQj,dlnet=-Qj,dlD+Qj,dlDG]]>
Pj,dlnet=Uj,dlΣr=1NUr(Gjrcosθjr+Bjrsinθjr)Qj,dlnet=Uj,dlΣr=1NUr(Gjrsinθijr-Bjrcosθjr)ΔPdlloss=Σj=1NPj,dlnet]]>
式中：分别为节点j在第dl个调度时段电网的有功和无功功率网损；分别为节点j在第dl个调度时段电网需求的有功和无功功率；分别为节点j在第dl个调度时段DG发出的有功和无功功率；Uj,dl为节点j在第dl个调度时段的电压幅值；Gjr、Bjr分别为系统的导纳矩阵的实部和虚部；θjr为节点j与节点r的电压相角差；N为微网的节点数。
②不等式约束
a.准入容量约束
Pi,min≤PiDG≤Pi,max]]>
式中，Pi,min、Pi,max分别为第i种微电源的准入容量的上下限。
b.电压约束
Umin≤Uj,dl≤Umax
式中，Uj,dl为节点j在第dl个调度时段的电压值；Umin、Umax为电压质量的上下限。
c.微型燃气轮机爬坡约束
|Pt,dlMT-Pt-1,dlMT|≤PmaxMT]]>
式中，为考虑燃气轮机爬坡约束时的功率上限。
d.储能装置运行约束
SOCmin≤SOC≤SOCmax]]>
式中，为储能装置剩余电量约束的下限和上限；
5）均衡策略
假设为博弈模型的纳什均衡策略，由于微网与大电网的既可以组成合作联盟博弈也可以实现非合作博弈，则表示该策略能够实现各联盟收益的最大化。

说明书一种基于博弈纳什均衡的微网电源规划方法
技术领域
本发明涉及一种基于博弈纳什均衡的微网电源规划方法，属微网技术领域。
背景技术
随着环境问题和能源危机的日趋严重，传统电力系统通过消耗化石燃料来产生电能以及长距离传输的方式难以满足节能减排、减轻环境污染、降低网损、改善电能质量和提高供电可靠性等要求，世界各国都在大力开发新能源及可再生能源，提高可再生能源发电的比重。同时，用户对电能质量和供电可靠性要求不断提升，要求电网能够提供更加安全、可靠、清洁、优质的电力供应，能够适应多种能源类型发电方式的需要，因此，微网的概念应运而生。
相对大电网而言，微网（Microgrid）是一种由风力发电、光伏发电、微型燃气轮机等微电源（分布式电源，DG）和储能装置、负荷共同组成的有机系统。微网可以有效的整合各种分布式电源的优势，充分发挥分布式电源所带来的经济效益和环境效益，可更好的满足用户对电能质量和供电可靠性更高的要求，可实现电网的削峰填谷，提高能源的梯级利用。
微网系统中微电源的电源规划是微网技术研究的重点和难点问题，已经引起了人们的广泛关注。当前国内外已有大量的学者对DG的优化配置开展研究，主要从技术因素、经济效益、环境成本等方面着手考虑，并取得了一定的研究成果。然而以上的方法有一定的局限性，都是基于微网或者大电网不同的投资方进行微电源的规划。微网与大电网可能属于不同的投资者，针对微电源优化配置时，各方投资者都希望能够以自身最大利益的前提下配置最优容量，这样还需对微网系统中微电源的优化配置问题在广度和深度上进一步展开深入研究。
发明内容
本发明建立博弈论纳什均衡模型来分析微网中微电源容量的优化配置问题，以微网和大电网为博弈的参与者，采用博弈论迭代算法求解并分析比较了各模式下的纳什均衡结果，迭代计算结果证明采用合作模式能够更好的实现微网中微电源的优化配置，保证能源的高效利用，全面提升微网与大电网的综合技术经济效益。
1模型构建
本发明所考虑的微网技术包括光伏发电（Photovoltaic，PV），风力发电（Wind Turbine，WT）、微型燃气轮机（Micro Gas Turbine,MT），和储能装置（Energy Storage Systems,ESS），从而建立基于博弈论的微网与大电网优化配置模型。博弈论中，一个博弈包括多个必备的要素，其中包括参与者、策略、收益函数、均衡为必备。
博弈论要素分析
1）参与者
以微网和大电网为博弈的参与者，从而构成双人博弈，分别用Mic，Mac表示两个参与者。
2）参与者策略
参与者Mic，Mac在进行博弈时，其策略主要是通过合作和非合作博弈模式决定微电源的容量，分别表示为PPV,PWT,PMT,PESS,由于决策变量在某个范围内连续取值，即各参与者具有连续的策略空间SPV,SWT,SMT,SESS,具体为：
PPV=∈{SPV=[PPVmin,PPVmax]}PWT∈{SWT=[PWTmin,]PWTmax]}PMT∈{SMT=[PMTmin,PMTmax]}PESS∈{SESS=[PESSmin,PESSmax]}---(1)]]>
其中，为光伏发电容量的上下限；为风力发电容量的上下限；为微型燃气轮机容量的上下限；为储能装置容量的上下限。
3）参与者收益
参与者Mic，Mac的收益函数分别为：
①微网的收益函数：
CBMic=CBenefit-CC---(2)]]>
式中：为微网的目标收益；CBenefit为微网为一年时期的售电收入；CC为微网对于微电源的经济成本，包括投资成本、安装成本、运行和维护成本、环境成本和向大电网购电成本。具体的目标函数为：

式中，Nb为微电源的种类，其中1为PV，2为WT,3为MT,4为ESS,Nb为4;Ndl为调度时段，τdl为第dl个调度时段的时间；λdl为第dl个调度时段时的电价； rdl为第dl个调度时段的电价补贴；为第i种微电源第dl个调度时段的售电量；CI、CO&M、CF、CE、CGRID分别为微电源的投资成本年金现值、运行和维护成本、燃料成本、环境成本和向大电网购电成本；Ii,e、Ii,f分别第i种微电源的购置成本和安装成本；Pi为第i种微电源的额定装机容量；分别为第i种微电源单位发电量的运行和维护成本；Cgas为单位立方米天然气的价格，一般为2.5元/m3；c(d,n)是折现率为d使用寿命为n的年金现值系数；Ei,k、E′i，k分别为第i种微电源单位发电量排放的第k种污染气体的环境价值成本和污染惩罚成本；M为微电源排放污染气体的种类；为微网在第dl个调度时段负荷缺电率；c为微网向大电网的购电电价；为微网在第dl个调度时段的负荷需求；为有功网损；b为微网的网损电价。
②大电网的收益函数
相对于微网来说，大电网的收益主要是由于微网的并网接入，电力系统中网损的降损收益Closs、向微网的售电收益CMG、由于向微网售电而消耗的化石燃料排放的废气成本Cemission、大电网节省的热备用费用Creserve。
CBMac=Closs+CMG-Cemission-CreserveCloss=Σdl=1Ndl(a×ΔP‾dlloss)×τdlCMG=Σdl=1Ndlτdl·c·δdlLPSP·PdlLCemission=Σdl=1NdlΣk=1Mτdl(Ek+Ek′)·δdlLPSP·PdlLCreserve=Σdl=1NdlΣi=1Nbτdl·c1·α·Pi---(4)]]>
式中：为第dl个调度时段大电网由于微网的接入而降低的网损变化量；a为网损电价；Ek、E′k分别为火电机组单位发电量排放的第k种污染气体的环境价值成本和污染惩罚成本；由于微网的并网接入，既满足了当地供电可靠性的需求，同时大电网也减少了热备用的需求，因此Creserve为大电网节省的热备用费 用，c1为单位电量的热备用费用，α为热备用所占总装机容量的比重。
4)信息集
对于合作博弈的微网与大电网而言，信息集即是保证系统能够安全、可靠和稳定运行的约束条件。
①等式约束，即节点潮流方程。
Pj,dlnet=-Pj,dlD+Pj,dlDGQj,dlnet=-Qj,dlD+Qj,dlDG---(5)]]>
Pj,dlnet=Uj,dlΣr=1NUr(Gjrcosθjr+Bjrsinθjr)Qj,dlnet=Uj,dlΣr=1NUr(Gjrsinθijr-Bjrcosθjr)ΔPdlloss=Σj=1NPj,dlnet---(6)]]>
式中：分别为节点j在第dl个调度时段电网的有功和无功功率网损；分别为节点j在第dl个调度时段电网需求的有功和无功功率；分别为节点j在第dl个调度时段DG发出的有功和无功功率；Uj,dl为节点j在第dl个调度时段的电压幅值；Gjr、Bjr分别为系统的导纳矩阵的实部和虚部；θjr为节点j与节点r的电压相角差；N为微网的节点数。
②不等式约束
a.准入容量约束
Pi,min≤PiDG≤Pi,max---(7)]]>
式中，Pi,min、Pi,max分别为第i种微电源的准入容量的上下限。
b.电压约束
Umin≤Uj,dl≤Umax        （8）
式中，Uj,dl为节点j在第dl个调度时段的电压值；Umin、Umax为电压质量的上下限。
c.微型燃气轮机爬坡约束
|Pt,dlMT-Pt-1,dlMT|≤PmaxMT---(9)]]>
式中，为考虑燃气轮机爬坡约束时的功率上限。
d.储能装置运行约束
SOCmin≤SOC≤SOCmax---(10)]]>
式中，为储能装置剩余电量约束的下限和上限；
5）均衡策略
假设为博弈模型的纳什均衡策略，由于微网与大电网的既可以组成合作联盟博弈也可以实现非合作博弈，则表示该策略能够实现各联盟收益的最大化。
附图说明
图1为微网结构原理图
图2为当地太阳光照辐射量
图3为当地风速变化情况
图4为负荷情况
图5为实时电价曲线
图6为合作博弈模式下网损对比图
图7为各个微电源的发电出力
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
(1)博弈纳什均衡的优化配置模型
本文建立的微网与大电网合作博弈优化配置模型是要保证所有参与者的整体收益最大化，即通过参与者组成合作联盟实现收益最大化，然后再进行收益的合理分配，最终保证参与者个人利益最大化。因此，假设为博弈模型的纳什均衡策略，合作博弈模型为：

(2)模型求解
针对合作博弈的优化模型而言，是一个非线性、多约束的优化问题，因此引入策略概率矩阵，以求解模型。博弈优化配置模型变为：
参与者：博弈的参与者为各自的目标收益，即ξ={1,2,…,n}，然而针对微网与大电网的博弈都为了实现自身的利益最大化，因此n=2，其中1为微网的目标收益，2为大电网的目标收益。
博弈策略：假设在博弈过程中，所有参与者都是“理性人”，而且共享一个博弈空间，即S={S1,S2}，其中S1代表合作策略，S2代表非合作策略。
收益矩阵：根据每个参与者不同的策略选择导致收益各不相同，因此，每一次博弈回合中，参与者都会获得一个新的收益矩阵，即其中uij代表参与者i采取策略时对参与者j带来的收益。
收益函数：针对每一个参与者而言，其最终收益实现最大化为表示各个博弈参与者都追求实现利益最大化。
策略概率矩阵：在博弈过程中一个参与者i采取的行动会影响到参与者j的收益值。参与者j根据每次博弈后的收益情况调整对参与者i的策略概率。 策略概率矩阵为其中pij为参与人j选取合作策略的概率，初始值为0.5，以后每次博弈结束，根据收益矩阵U调整该值。如果则增加概率pji；如果则减少概率pji。
食物浓度适应值矩阵；由于本文采用自适应人工鱼群算法进行迭代求解，因此必须对其进行食物浓度适应值计算，假设为第t次迭代的个体i，的食物浓度适应值为这样参与者对各个目标的有一个偏好程度（0到100），在初始状态对每个目标偏好相同（为50），通过所采取的策略来来更新各个目标偏好（合作+10，非合作-10）。参与者对各个目标的偏好可以转换为权值向量wi=(wi1,wi2,…,win)T,则结合人工鱼群第k代的食物浓度适应值为由此参与者i就可以根据策略来寻求最优解。
Step1:原始数据的输入。包括微网系统的网络参数、微电源的设备参数、气候环境相关参数（如风速、光照强度等）、系统负荷情况等。
Step2:建立合作博弈与非合作博弈模型。将Step1中相关参数带入到模型中，并且根据公式（11）、（12）建立基于博弈纳什均衡的微网与大电网合作博弈优化配置模型；
Step3：均衡策略初始化。由于采用博弈论的迭代算法求解均衡策略，因此，首先设定均衡策略的初值，假设(PPV,PWT,PMT,PESS)为博弈模型的纳什均衡策略初值。
Step4：博弈求解。根据合作博弈模型，各个参与者都要依据博弈模型优化各自的策略，保证自身的收益。同时计算食物浓度适应值矩阵，不断更新策 略概率矩阵和收益函数。
Step5：输出结果。判断是否达到了纳什均衡，也即若已经达到了博弈纳什均衡，则输出结果。
（3）算例分析
1）实际数据
本文选取中国山西地区的某个负荷中心的实际数据进行微电源容量的优化配置研究，其中微网结构原理图如图1所示，其中图1中负荷1为居民负荷，最大有功功率为15kW，负荷2为商业负荷，最大有功功率为30kW，负荷3为工业负荷，最大有功功率为30kW，属于可中断负荷，负荷4为工业负荷，最大有功功率为40kW。考虑到配网辐射状的网络结构与低压线路参数的特点，取线路电阻R=0.64Ω/km,X=0.1Ω/km。微电源的相关参数如表1所示。太阳光辐射量以及风速变化情况如图2、3所示。图4为负荷在某个典型日24小时的动态变化曲线。通过对该地区一年的负荷数据统计，其负荷情况如表2所示。图5为实时电价曲线，假设工业负荷、商业负荷以及居民负荷都采用同样的实时电价曲线，然而由于采用分布式新能源并网发电，国家发改委在7月31日公布的光伏上网电价方案以及风电标杆上网电价，分别为1.15元/kWh、0.58元/kWh。储能装置的初始剩余电量SOC(0)=0.5，剩余电量变化范围为0.1～0.9。在人工鱼群算法中，人工鱼的状态为2维空间向量，人工鱼总数为100条，迭代次数为40代，尝试次数为200次，拥挤度为0.618。
表1微电源的系统参数

表2调度时段

表3环境折算成本和排放因子      （元/MWh）

2)优化结果与分析
根据本发明所建立的合作博弈模型，结合给定的山西某地区的气候条件以及微电源参数等条件，采用博弈纳什均衡的人工鱼群迭代算法求解，优化结果为：
表4合作与非合作博弈模式下优化配置结果

表5微网投资收益及相关费用

表6大电网收益及相关费用

通过对表4的分析看出合作博弈模式下的微型燃气轮机的装机容量是108.34kW、风力发电机的装机容量是26.86kW、光伏电池的装机容量是10.54、储能装置的装机容量是40kW/320kW.h，通过对表4的分析看出合作博弈模式下风力发电机组的装机容量要显著比光伏电池的装机容量大，结合图2和图3可以看出，该地区的风力资源相对较丰富，平均风速在6m/s左右，并且全天都可以连续的发电，与负荷的匹配性好，而光伏电池的仅在白天有光照的时候才可以发电出力，不能全天与负荷相互匹配，而且对于该地区的气候条件而言，从图2可以得出，该地区的平均辐射量为5000MJ/m3,为太阳能资源较为贫乏的地方，这些都势必会增加微型燃气轮机和储能装置的配置容量，因此，配置的光伏电池容量相对要小。
而相比分布式发电，微型燃气轮机具有很大的优势，由于其是可控的微电源，与负荷具有良好的匹配性，所以要配置较大的容量，但是由于其发电过程中排放的有害气体以及较高的发电成本也限制了其容量。
从表5可以看出，对于微网而言，微型燃气轮机的天然气燃料成本CF为215130元，占了整个发电成本的50%，对于整个系统的发电成本影响最大，因此在合理配置微型燃气轮机的装机容量的前提下，要合理启停机。对于微网中不同种类微电源的运行和维护费用CO&M为23258元，是发电成本中重要的组成部分，通过与常规火电机组的对比，可看出微网具有显著的环境效益，可极大促进社会的低碳发展。从表6可以看出，针对大电网而言，大电网节省的热备用费用Creserve为92158元，也证明了微网的接入，极大的提高了系统的稳定性， 降低了热备用费用，而且合作博弈下，大电网可以获得向微网售电电收益CMG为5173.9元，这将进一步促进大电网对微网发展的支持。而且从大电网与微网的交互功率而消耗化石燃料排放的废气可以看出微网的环保性。由于微网接入配电网中，系统的网损降低了很多，从图6就可以看出，对于提高系统的电压、稳定性都有重要的作用。图7给出了不同种类微电源在负荷需求情况下的发电出力情况，由图7可以看出，在1时-4时这个阶段，由于风机和太阳能光伏发电功率的波动性，并且它们是不可调度电源，此时的实时电价都较低，这时主要由储能系统的充放电来维持功率的平衡与负荷之间的匹配；随着实时电价的增长，微型燃气轮机的发电出力增多，特别是在5时-19时的时候，发电功率大于负荷功率时，电力盈余完全依靠蓄电池来吸收。而在20时-24时出现电力缺额时，实时电价较低，主要依靠储能系统放电来弥补，因能量或者功率的限制而不能放电达到负荷要求时，微型燃气轮机可作为备用电源来提供剩余功率，这在一定程度上可以提高系统可靠性。
总之，虽然微网的建设投资成本较高，但若从微网与大电网的整体利益出发，综合考虑微网在提高可靠性、节能降耗、保护环境等方面的效益，微网的投资是经济的，通过联合各利益相关方的力量，才能推动微网的健康发展。