楊 錚, 彭思成, 廖清芬, 劉滌塵, 徐業(yè)琰, 張雅潔

(1. 武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院, 湖北省武漢市 430072; 2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司, 北京市 100192)

0 引言

隨著全球范圍內(nèi)的溫室效應(yīng)和能源危機(jī)不斷加劇,人類社會的能源需求與自然環(huán)境的承載力之間的矛盾日益凸顯[1]。尋求安全高效、低碳清潔的能源運(yùn)營模式和市場服務(wù)機(jī)制,打破現(xiàn)有能源供給體系的技術(shù)壁壘,實現(xiàn)能源的供給側(cè)改革,成為了世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)[2],耦合電力、天然氣、供熱、交通等多種能源系統(tǒng),實現(xiàn)不同能源梯級高效利用的綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)成為了研究熱點(diǎn)[3-4]。而園區(qū)IES作為多能源系統(tǒng)底層耦合終端,在可再生能源就地消納、提高需求側(cè)調(diào)度靈活性、實現(xiàn)多能互補(bǔ)協(xié)同利用等方面具有重要的現(xiàn)實意義[3]。

根據(jù)2015年3月的《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》(電改9號文)文件指導(dǎo)精神[5],未來含自建光伏的用戶、節(jié)能服務(wù)公司、供水供熱供氣的公共服務(wù)行業(yè)等眾多市場交易主體可參與市場化售電業(yè)務(wù)[5-6]。未來的園區(qū)IES將包含分布式清潔發(fā)電、熱電聯(lián)供(combined heat and power,CHP)機(jī)組、電動汽車(electric vehicle,EV)、儲能、柔性負(fù)荷等具有不同屬性的單元[6-7],市場行為更加靈活、復(fù)雜,市場競爭更加激烈。多元市場主體參與市場化交易必然需要制定合適的交易機(jī)制,以協(xié)調(diào)不同市場主體的利益沖突[8]。在電力市場的研究方面,博弈論能夠有效處理多決策主體參與市場運(yùn)營和競爭的問題,取得了一定的研究成果[9-13]。文獻(xiàn)[10]基于多代理系統(tǒng)和不完全信息博弈理論的雙層優(yōu)化框架,提出了風(fēng)電機(jī)組與其他發(fā)電商市場競爭的市場交易機(jī)制。文獻(xiàn)[11]建立了售電側(cè)放開后多元化源網(wǎng)荷主體參與的電能交易非合作博弈模型,利用最優(yōu)反應(yīng)的學(xué)習(xí)算法進(jìn)行了求解。文獻(xiàn)[12]引入非合作完全信息動態(tài)博弈理論,通過對用戶用電行為的引導(dǎo),實現(xiàn)微網(wǎng)整體的效率最優(yōu)。文獻(xiàn)[13]建立了EV參與競爭性電力市場調(diào)頻服務(wù)的市場框架,通過引入馬爾可夫博弈和非合作博弈來處理不同利益主體之間的沖突。

而在未來包含冷、熱、電、氣、交通等能源系統(tǒng)的綜合能源市場領(lǐng)域,則需要同時考慮如分布式供能[14-17]、柔性負(fù)荷[16-17]、EV[16]等耦合不同能源系統(tǒng)、具有不同屬性的交易主體。文獻(xiàn)[14]通過構(gòu)建以分布式能源產(chǎn)消者、獨(dú)立售電商和一般用戶為主體的區(qū)域電力市場模型,提出了總體共贏的交易決策模型。文獻(xiàn)[15]建立了包含社區(qū)運(yùn)營商與產(chǎn)消者群的社區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)博弈模型。文獻(xiàn)[16]研究了包含能量管理中心、空調(diào)、EV等負(fù)荷的用能系統(tǒng),提出并求解了基于實時定價策略的需求響應(yīng)算法。文獻(xiàn)[17]考慮新能源發(fā)電和負(fù)荷的不確定性,建立了虛擬電廠的斯塔伯格動態(tài)博弈模型。然而大部分研究成果中所建立的交易決策模型本質(zhì)上仍基于對電力系統(tǒng)的調(diào)控,其他能源系統(tǒng)僅作為調(diào)控環(huán)節(jié)參與市場運(yùn)行,而無過多的市場交易行為,多能耦合的效果不夠顯著。

因此,本文進(jìn)一步研究具有不同屬性、不同特征市場交易主體協(xié)同運(yùn)行的綜合能源市場運(yùn)行機(jī)制,將其納入統(tǒng)一的市場運(yùn)營框架,建立含CHP系統(tǒng)的園區(qū)能源運(yùn)營商、含分布式新能源發(fā)電的用戶集群、EV充電代理商三個市場交易主體模型,并研究了園區(qū)IES內(nèi)部的三方博弈競價模型。最后以某商務(wù)型園區(qū)IES為例,對所提模型進(jìn)行驗證。

1 綜合能源園區(qū)場景分析

本文所研究的綜合能源園區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括1個園區(qū)能量交易中心(energy trading center,ETC)和3個市場交易主體。市場交易主體包括園區(qū)能源運(yùn)營商、含分布式光伏的用戶、EV充電代理商3個部分。園區(qū)ETC和市場交易主體之間的交易信息交流和調(diào)度指令傳達(dá)通過各自的能量管理系統(tǒng)(energy management system,EMS)進(jìn)行,EMS負(fù)責(zé)制定自身能源報價策略、管理用能需求,園區(qū)ETC根據(jù)市場交易機(jī)制對信息進(jìn)行采集、分配、計算。綜合能源園區(qū)生產(chǎn)的電能依照底層就地消納的原則,并不向上級配電網(wǎng)售電[18]。能源設(shè)備模型如附錄A所示。

圖1 綜合能源園區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.1 Framework of community with integrated energy system

2 綜合能源園區(qū)市場交易框架

2.1 園區(qū)綜合能源市場與市場交易主體

本文中,市場交易主體是指綜合能源園區(qū)中的經(jīng)濟(jì)實體,在交易過程中具有自主選擇、自主調(diào)節(jié)的能力。不同的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、市場交易主體及其EMS、綜合能源園區(qū)能量交易中心等硬件要素,以及交易過程中結(jié)算、評估、信息共享等軟件要素,共同構(gòu)成了本文的園區(qū)綜合能源市場,具體概念的名詞解釋見附錄A表A1。

市場交易主體的類型包括能源生產(chǎn)者屬性和能源消費(fèi)者屬性兩類:能源生產(chǎn)者根據(jù)園區(qū)內(nèi)部的用能需求,合理制定能源報價;能源消費(fèi)者根據(jù)園區(qū)內(nèi)部各方的能源報價,合理安排自身的能源消費(fèi)策略。

能源運(yùn)營商作為整個園區(qū)的能源生產(chǎn)者,是連接外部能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部能源分配網(wǎng)絡(luò)的紐帶,負(fù)責(zé)園區(qū)內(nèi)大部分電、熱負(fù)荷的能源供應(yīng)。能源運(yùn)營商通過制定合理的能源價格,向用戶和EV代理商出售能源,獲取一定的收益,其定價模型為:

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分別為能源運(yùn)營商出售電、熱的價格;T為一日內(nèi)總的調(diào)度時段數(shù)。

含分布式光伏的用戶作為新興的一類市場主體,內(nèi)部配置了一定容量的分布式光伏發(fā)電,既作為能源生產(chǎn)者又作為能源消費(fèi)者。一般情況下,用戶以光伏發(fā)電為自身主要的能量來源;當(dāng)自身光伏出力不足以滿足用能需求時,則向能源運(yùn)營商購入一定的電能和熱能,具有消費(fèi)者屬性;當(dāng)光伏出力較大時,可以向園區(qū)內(nèi)的EV充電代理商售電獲取額外的報酬,具有生產(chǎn)者屬性。由于光伏發(fā)電成本較低且具有補(bǔ)貼,因此有一定的競爭優(yōu)勢,售電的電價模型為:

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

(4)

式中:puser為用戶的售電電價。

EV充電代理商是園區(qū)內(nèi)部的純電能負(fù)荷,管理著一定數(shù)量的EV,是園區(qū)的能源消費(fèi)者。代理商與EV車主簽訂代理充電合約,保證車主的通勤需求,車主則向代理商支付固定的費(fèi)用。其獲利渠道主要是通過管理各時段EV的充電行為,賺取一定的差價。EV充電代理商選比t時段運(yùn)營商和用戶售電電價較低者為該時段的主要電能供應(yīng)方,選比策略為:

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

(5)

2.2 園區(qū)綜合能源市場交易機(jī)制

在綜合能源園區(qū)中,三方市場主體均以自身利益最大化為目標(biāo)參與市場交易。其中,能源運(yùn)營商是市場的主導(dǎo)者,其他市場交易主體以能源運(yùn)營商的定價策略為基準(zhǔn)制定自身的售價或用能策略。

能源運(yùn)營商通過外部能源網(wǎng)絡(luò)購能制取電能和熱能,制定能源供應(yīng)價格,向用戶和EV代理商供能,獲取自身的收益最大化。含分布式光伏的用戶根據(jù)運(yùn)營商報價,制定更有價格競爭力的光伏發(fā)電上網(wǎng)電價,在光伏出力有盈余時向EV充電代理商供電,使自己的收益最大化。而EV充電代理商根據(jù)所掌握的EV車輛信息和用電需求,通過選比報價取較低者作為電能供應(yīng)方,并制定合理的EV充電策略,使自身的收益最大化。市場交易機(jī)制如圖2所示,園區(qū)中三方市場主體的屬性及獲利渠道見附錄A表A2。

圖2 綜合能源園區(qū)交易機(jī)制示意圖Fig.2 Illustration of trading mechanism in community with integrated energy system

下面結(jié)合圖2進(jìn)一步敘述綜合能源園區(qū)市場交易機(jī)制。作為園區(qū)內(nèi)部市場交易的主導(dǎo)者,能源運(yùn)營商首先依據(jù)歷史交易經(jīng)驗,向園區(qū)ETC發(fā)布初始供能報價,ETC向用戶和EV代理商EMS傳達(dá)該價格。含分布式光伏的用戶EMS在收到運(yùn)營商報價后,以此為參考制定更有競爭力的光伏上網(wǎng)電價,并向園區(qū)ETC發(fā)布該價格。EV充電代理商選比兩方報價得出最優(yōu)的用電策略,并在該電價條件下管理EV集群充電行為,使自身利益最大化。根據(jù)制定的最優(yōu)充電策略,EV充電代理商上傳運(yùn)營商和用戶各需提供的電量。用戶EMS收到EV代理商上傳的電量需求后,根據(jù)自身光伏出力預(yù)測值和運(yùn)營商所提供的電、熱價格,調(diào)整內(nèi)部電熱設(shè)備出力,基于上述價格制定最優(yōu)用能策略,并向園區(qū)ETC上傳用能計劃,使自身利益最大化。運(yùn)營商EMS接收到ETC下達(dá)的兩方用能計劃后,進(jìn)一步調(diào)整自身的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和售能報價,使自身的收益進(jìn)一步增加。而運(yùn)營商改變能價的行為會損害另外兩方交易主體的利益,為此其他市場主體會做出相應(yīng)改變。交易市場的ETC重復(fù)上述過程,直到三方市場主體達(dá)到最佳的交易策略。

對上述市場交易機(jī)制的分析可知,能源運(yùn)營商、含分布式光伏的用戶、EV充電代理商三者的交易策略構(gòu)成了三方非合作博弈模型。作為博弈的參與方,三者均理性地追求自身的收益最大化,以此為目標(biāo)確定自身的用能或供能策略,并通過充分的交流互動,最終達(dá)到納什均衡,從而獲得最佳的交易狀態(tài)[12]。

3 三方市場主體的交易策略博弈模型

本節(jié)對園區(qū)能源供應(yīng)商、含分布式光伏的用戶、EV充電代理商三類市場交易主體的交易策略博弈模型進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 園區(qū)能源運(yùn)營商交易模型

園區(qū)能源運(yùn)營商作為市場交易的主導(dǎo)者,本文認(rèn)為能源運(yùn)營商在園區(qū)中只有一家,是最主要的供能主體,提供持續(xù)、穩(wěn)定的電能和熱能供應(yīng)。

3.1.1能源運(yùn)營商的能量優(yōu)化分配

能源運(yùn)營商在自身的能量優(yōu)化分配中,以自身凈收益最大作為目標(biāo),其值相當(dāng)于售能收入與運(yùn)行成本之差。可以看出,在用戶、EV充電代理商用能需求一定的情況下,能源運(yùn)營商擴(kuò)大自身收益的途徑如下:一方面是通過調(diào)度自身供能設(shè)備出力,以減少自身的運(yùn)行成本;另一方面是調(diào)整售能報價,以獲得更多收益。

3.1.2能源運(yùn)營商收益

能源運(yùn)營商的收益是指其向用戶和EV代理商售能所獲收入與自身運(yùn)行成本之差:

(6)

式中:Ropr為能源運(yùn)營商的收益。

(7)

式中:Pe,opr和Ph,opr分別為每時刻向園區(qū)內(nèi)部供應(yīng)電能和熱能的功率;Δt為調(diào)度時間間隔。

(8)

式中:pgrid為電網(wǎng)公司的售電價格;pgas為天然氣公司的售氣價格;Pgrid為任意時刻電網(wǎng)側(cè)注入的電功率;qgas為任意調(diào)度時刻的單位購氣量。

(9)

3.1.3能源運(yùn)營商約束條件

能源運(yùn)營商約束條件由系統(tǒng)能量平衡約束[19]、設(shè)備出力約束、設(shè)備爬坡約束及能源運(yùn)營商定價約束[20]等組成,具體如附錄A所示。

3.2 含分布式光伏的用戶交易模型

含分布式光伏的用戶是一類新興的市場交易主體。本文認(rèn)為含分布式光伏的用戶為一個利益共同體,由園區(qū)內(nèi)所有配置了光伏發(fā)電的用戶集群組成,用戶之間存在電量共享。這種設(shè)置能夠增加集群對外的電能供應(yīng)量,對能源運(yùn)營商和EV充電代理商的議價能力增強(qiáng),利于進(jìn)行市場化交易[21]。

3.2.1用戶的最優(yōu)用能運(yùn)行方式

含分布式光伏的用戶在自身最優(yōu)用能策略的制定過程中,以自身的收益值最大為目標(biāo)。用戶通過調(diào)整售電報價和調(diào)度自身用能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),從而獲得更多的收益。當(dāng)用戶的光伏能夠滿足自身用能需求且發(fā)電量有盈余時,用戶可通過制定合理且具有競爭力的報價策略,從而獲得EV充電代理商的售電權(quán),向其提供電能以獲取一定的收入。而用戶EMS接收到園區(qū)ETC下達(dá)的EV充電代理商用電需求后,根據(jù)自身的光伏出力預(yù)測和運(yùn)營商售能報價,調(diào)度自身用能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),可降低設(shè)備的運(yùn)行成本。

3.2.2用戶收益

含分布式光伏的用戶收益是指其向EV充電代理商售電所獲收入與運(yùn)行成本之差:

(10)

式中:Ruser為用戶的收益。

(11)

(12)

(13)

3.2.3用戶約束條件

含分布式光伏的用戶約束條件由系統(tǒng)能量平衡約束[18]、設(shè)備出力約束及用戶定價約束等組成,具體如附錄A所示。

3.3 EV充電代理商交易模型

本文的EV充電代理商負(fù)責(zé)對自己所管理的EV進(jìn)行充電,滿足車主的交通需求。

3.3.1EV充電代理商的電能供應(yīng)方選擇

代理商EMS每時段選比能源運(yùn)營商和用戶報價中的較低價者供電,供電功率不足的情況下價高的另一方滿足剩余的用電需求。進(jìn)一步來說,由于能源運(yùn)營商能源供應(yīng)充足,報價較低時段可以滿足該時段的全部充電需求。而含分布式光伏的用戶首先需要滿足自身用能需求,光伏有盈余的情況下才會向EV充電代理商售電。若該時段EV電能需求較大,即使余量光伏全部供應(yīng),仍無法滿足充電需求,電量缺額需要從能源運(yùn)營商處以較高的購電電價購買。EV充電代理商的電能供應(yīng)方選比策略如附錄A圖A1所示。

3.3.2EV充電代理商收益

(14)

因為博弈的目標(biāo)是使博弈方的效用最大,故本文定義EV充電代理商的效用函數(shù)為:

(15)

3.3.3EV充電代理商約束條件

EV充電代理商的約束條件由系統(tǒng)能量平衡約束、充電需求能量平衡約束、充電功率約束及可調(diào)度時段約束等組成,具體如附錄A所示。

3.4 博弈模型的求解方法

3.4.1三方市場交易主體博弈模型

根據(jù)3.1節(jié)至3.3節(jié)的分析可知,三個市場交易主體構(gòu)成了三方非合作博弈模型,三者目標(biāo)均是理性地追求自身的收益最大,最優(yōu)策略表達(dá)式為:

(16)

(17)

(18)

記博弈各方進(jìn)行決策的策略集合為:

(19)

式中:2T維行向量wch表示EV充電代理商策略集,其分量wopr和wuser分別表示從能源運(yùn)營商和用戶處的全天購電量策略集合。當(dāng)某時刻不存在購電行為時,該調(diào)度時間間隔內(nèi)的購電量為零。

根據(jù)納什均衡的定義可以知道,上述三個市場交易主體決策的契機(jī)均是使自身獲益最大。當(dāng)博弈達(dá)到納什均衡點(diǎn)的時候,任何一方市場交易主體單方面的策略改變,都不會激發(fā)其他主體改變自身交易策略以獲得更大的收益。因此,策略集a*為博弈均衡解的充分必要條件是,對每一個參與博弈的市場交易主體的交易策略,均有[10]

(20)

式中:a-i為除第i個市場主體外所有市場主體的策略集;本文i取3,分別表示能源運(yùn)營商、含分布式光伏的用戶、EV充電代理商三個市場交易主體。

由式(20)可以看出,在博弈的均衡解中,園區(qū)能源運(yùn)營商、含分布式光伏的用戶和EV充電代理商得到的最優(yōu)策略是基于另外兩方市場交易主體的最優(yōu)定價或用能策略所得到的。換言之,任何一方市場交易主體單方面對交易決策的策略進(jìn)行調(diào)整時,都不能使得自己的收益進(jìn)一步增加。求解上述問題首先需要對所提出的博弈模型的納什均衡點(diǎn)存在性進(jìn)行判定,證明過程如附錄B所示。

3.4.2博弈模型均衡解的求解算法

根據(jù)3.4.1節(jié)對所提出的博弈模型達(dá)到納什均衡時的相關(guān)敘述,本文定義每一個市場交易主體的適應(yīng)度函數(shù)表達(dá)式如下:

(21)

為了求解文中所述三方博弈模型,本文運(yùn)用一種基于改進(jìn)粒子群算法的納什均衡求解算法,通過智能算法求取文中三方博弈模型的均衡解,算法的具體內(nèi)容和模型的求解流程如附錄C所示。

4 算例分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

本文選取圖1所示的某商務(wù)型園區(qū)IES進(jìn)行仿真計算。園區(qū)內(nèi)有能源運(yùn)營商、含光伏的用戶集群、EV充電代理商各1家,其中含光伏的用戶集群內(nèi)部包括安裝了分布式光伏電板的商業(yè)樓宇5幢。具體仿真參數(shù)設(shè)定和負(fù)荷預(yù)測曲線如附錄D所示。

4.2 仿真結(jié)果及分析

4.2.1博弈均衡時各方出價結(jié)果

博弈均衡時,能源運(yùn)營商的售電分時電價、售熱分時熱價,以及用戶集群的售電分時電價結(jié)果如圖3所示。

圖3 能源運(yùn)營商與用戶的出價結(jié)果Fig.3 Bidding results of user and energy operator

由于光伏出力集中在09:00—18:00時段,因此只需分析圖3該時段,其他時段盡管用戶有報價行為,但是光伏出力較小,用戶集群不具有向外售電的生產(chǎn)者屬性,報價不具有意義。進(jìn)一步分析該時段可以發(fā)現(xiàn),用戶相比運(yùn)營商而言大部分時段的售電報價要低,尤其是12:00—15:00光伏出力較高的時段,兩者報價差進(jìn)一步擴(kuò)大,EV充電代理商會優(yōu)先選擇用戶所出售的光伏電能。這是因為光伏高發(fā)時段若用戶不采取一定的價格激勵措施來增強(qiáng)在能源市場的競爭力,則自身的光伏發(fā)電會因內(nèi)部“供大于求”的用能格局而浪費(fèi),有損自身收益,因此用戶的報價策略會朝著增大自身收益的方向移動。

同理可以分析圖3能源運(yùn)營商的售熱報價趨勢?？梢钥闯?在12:00—15:00光伏出力較高的時段,能源運(yùn)營商的售熱報價相比其他時段要低,這是因為若熱價較高,用戶利用自身光伏發(fā)電量開啟電空調(diào)制熱的意愿增強(qiáng),進(jìn)而會降低能源運(yùn)營商潛在的售熱收益,故其調(diào)整自身的售熱報價策略,該時段的熱價會處于較低水平。

4.2.2博弈均衡時園區(qū)各方收益情況

在本文所示的算例中,當(dāng)達(dá)到三方的博弈均衡時,園區(qū)IES內(nèi)部運(yùn)營商售能收入、用戶總收入、運(yùn)營商購能成本、用戶用能成本、EV充電成本分別為5 512.75,2 141.94,4 276.82,3 366.82,249.87元,系統(tǒng)光伏消納率為99.17%?？梢钥闯?在本文提出的園區(qū)IES三方市場主體博弈模型的框架下,能源運(yùn)營商、含分布式光伏的用戶、EV充電代理商三者達(dá)到博弈均衡時,可再生能源通過IES在底層消納效果優(yōu)異。

能源運(yùn)營商通過售能,獲得的總收入為5 512.75元,減去設(shè)備運(yùn)維成本和向配電網(wǎng)和燃?xì)饩W(wǎng)的購能成本后,全天凈收益為1 173.38元。

含分布式光伏的用戶集群從能源運(yùn)營商處購能花銷5 444.11元,但通過向EV充電代理商售電及光伏全電量補(bǔ)貼收入,全天實際用能成本為3 366.82元。進(jìn)一步分析用戶的用能成本,若用戶不配置分布式光伏,自身的熱負(fù)荷通過電空調(diào)制取,且通過配電網(wǎng)供電,計算可得全天用能成本為10 410.43元。可以發(fā)現(xiàn),園區(qū)內(nèi)部安裝了光伏發(fā)電的用戶,相較傳統(tǒng)的純電用戶,其用能成本大幅度降低,IES多能互補(bǔ)、高效經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)得到充分的體現(xiàn)。

對于EV充電代理商而言,全天充電成本為249.87元,若EV不參與市場博弈,全部以無序充電的狀態(tài)接入配電網(wǎng),根據(jù)計算可得充電成本為500.57元;若全部使用能源運(yùn)營商的電能,則充電成本為304.18元?？梢哉J(rèn)為,EV接入IES充電,能夠顯著降低充電成本;而IES三方博弈的市場機(jī)制能夠進(jìn)一步降低EV的充電成本,EV對光伏資源的消納亦有促進(jìn)作用。

4.2.3能源運(yùn)營商的運(yùn)行狀態(tài)分析

博弈均衡時,能源運(yùn)營商供電、供熱系統(tǒng)的出力如圖4(a)(b)所示。本文定義功率為正表示功率消耗或輸出,功率為負(fù)表示功率生產(chǎn)或輸入。

整體上看,由于12:00—15:00時段用戶的光伏發(fā)電量較大,對于用戶而言其自身大部分負(fù)荷的用能需求可以通過光伏發(fā)電提供電力支持;對于EV充電代理商而言,該時段用戶光伏盈余較多,用戶報價策略降低導(dǎo)致了該時段能源運(yùn)營商的售電報價在市場上競爭力不足,因此圖4(a)中能源運(yùn)營商的售電量在用戶光伏高發(fā)時段觸底,上網(wǎng)電量為0。另一方面,圖4(a)中能源運(yùn)營商在09:00前從配電網(wǎng)大量購電,這是因為由于存在分時電價,從電網(wǎng)直接購電的成本比開啟CHP機(jī)組發(fā)電成本低;而10:00之后因為電網(wǎng)分時電價處于尖峰時段,能源運(yùn)營商則開啟CHP機(jī)組發(fā)電以減少自身的發(fā)電成本。

圖4 能源運(yùn)營商的設(shè)備出力Fig.4 Load profiles of energy operator

圖4(b)體現(xiàn)了能源運(yùn)營商供熱系統(tǒng)出力情況。由圖中可以看出,商務(wù)型園區(qū)白天辦公的作息規(guī)律導(dǎo)致用戶的熱能需求在白天較大,因此能源運(yùn)營商通過售熱獲得收益的渠道較為穩(wěn)定。圖中CHP機(jī)組供熱先開啟后關(guān)閉、燃?xì)忮仩t在光伏高發(fā)時段開啟,其原因是因為用戶在光伏出力充足時購電需求較少,而受限于自身電空調(diào)功率的原因仍需要從能源運(yùn)營商處購熱;CHP機(jī)組運(yùn)行在熱電比恒定的模式下,在用戶電熱需求較大的階段開啟獲益較高,而用戶只需熱不需電的階段開啟經(jīng)濟(jì)效益低,開啟燃?xì)忮仩t則可以滿足用戶的用能需求。

4.2.4含分布式光伏用戶的運(yùn)行狀態(tài)分析

博弈均衡時,含分布式光伏用戶供電、供熱系統(tǒng)的出力如圖5(a)(b)所示。

由圖5(a)可知,在光伏出力較大的12:00—15:00時段,用戶一方面可通過自身光伏滿足負(fù)荷需求,減少從能源運(yùn)營商處的購電量以降低自身的運(yùn)行成本;另一方面該時段光伏在滿足自身用能需求時仍有余量可以上網(wǎng),故用戶可向EV充電代理商售電以獲得一定的收益,最大輸出電功率164.4 kW,全天售電收益為181.23元,獲得光伏電量補(bǔ)貼1 960.71元。而在光伏出力較小的時段,用戶從能源運(yùn)營商處購得電能以滿足自身負(fù)荷需求。用戶集群全天的光伏消納率為99.17%,其中自身消納95.14%,外送4.03%,EV充電代理商的充電需求提高了用戶的電能消納率,光伏資源在園區(qū)IES層面得到了較好的配置。

圖5 含分布式光伏用戶的設(shè)備出力Fig.5 Load profiles of user with distributed PV

從圖5(b)可以看出,在光伏出力較大時段,由于制熱空調(diào)的輸出功率限制,即使將制熱空調(diào)全部開啟仍然無法滿足自身的熱能需求,故剩余的熱能供應(yīng)仍然需要從能源運(yùn)營商處購得。

4.2.5EV充電代理商的運(yùn)行狀態(tài)分析

博弈均衡時,EV充電代理商的充電策略與無序充電策略的對比如圖6所示。

圖6 EV充電負(fù)荷曲線對比Fig.6 Comparison of EV charging curves

由圖6可以看出,EV充電代理商作為市場交易主體參與園區(qū)IES市場運(yùn)營,在博弈均衡時充電負(fù)荷集中在用戶光伏高發(fā)時段,對光伏資源的消納有積極的作用,其充電負(fù)荷峰值為13:00—14:00時段的220.3 kW,該時段用戶多余的光伏發(fā)電量可得到消納。若EV無序充電,則負(fù)荷峰值為08:00—09:00時段的154.0 kW,盡管充電負(fù)荷峰值與之相比有所降低,但是考慮到該時段光伏出力處于較低水平,若充電負(fù)荷與用戶用能需求相疊加,結(jié)合圖4(a)可知,能源運(yùn)營商的供能能力必然不足,因而會增加向配電網(wǎng)的購電量,既不利于園區(qū)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,又會造成配電網(wǎng)“峰上加峰”現(xiàn)象,不利于配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文研究了包含能源運(yùn)營商、含分布式光伏的用戶、EV充電代理商等不同屬性市場交易主體的綜合能源園區(qū)市場交易框架,建立了三種市場交易主體的三方非合作博弈模型,結(jié)論如下。

1)綜合能源園區(qū)能夠顯著降低不同種類能源負(fù)荷的用能成本,通過靈活調(diào)度不同能源之間的轉(zhuǎn)換,能夠提高分布式清潔能源在底層消納的靈活性。

2)市場交易主體之間的三方非合作博弈模型能夠使博弈各方獲得較為理想的交易狀態(tài),平衡各方的收益,并對光伏資源的消納、EV和用戶用能成本的降低具有促進(jìn)作用。

3)能源運(yùn)營商作為能源生產(chǎn)者參與園區(qū)市場運(yùn)營,作為主導(dǎo)者參與園區(qū)能源市場定價。其獲利途徑主要來自向用戶出售電、熱能,以及向EV代理商提供電能兩部分。

4)含分布式光伏的用戶既作為能源消費(fèi)者又作為能源生產(chǎn)者參與園區(qū)市場運(yùn)營。其獲利途徑主要來自向EV代理商供能和光伏發(fā)電補(bǔ)貼兩部分。

5)EV代理商作為能源消費(fèi)者參與園區(qū)市場運(yùn)營,自身充電費(fèi)用顯著降低,并能夠幫助用戶消納多余的光伏資源。

在接下來的研究中,將綜合考慮具有其他運(yùn)行特征和屬性的市場交易主體,繼續(xù)探究綜合能源系統(tǒng)的不同能源系統(tǒng)之間相互轉(zhuǎn)換、相互耦合的運(yùn)行模式和商業(yè)機(jī)制。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。