王 怡，王小君，孫慶凱，張義志，劉 曌，和敬涵

（北京交通大學電氣工程學院，北京市 100044）

0 引言

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，低效、單一的能源利用方式與資源儲備之間的矛盾逐步加深［1］。為了更好地緩解矛盾，必須破除能源體系壁壘，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的綜合能源市場。區(qū)別于傳統(tǒng)能源市場，綜合能源市場依托于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）進行交易，不僅能夠支撐多能源的耦合交易，而且可以實現(xiàn)多主體復(fù)雜互動。因此，研究適合多IES 參與的綜合能源市場對能源發(fā)展具有重要意義。

綜合能源市場交易研究通常涉及多主體利益關(guān)系，各主體決策行為聯(lián)系緊密，本質(zhì)是均衡決策問題［2］。目前，已有學者采用博弈論構(gòu)建綜合能源市場交易框架。其中文獻［3］考慮供需雙側(cè)主體互動，提出園區(qū)運營商的雙層主從博弈互動框架。文獻［4］考慮IES 各參與主體的收益水平，提出含氫儲能的三階段主從博弈框架。文獻［5］針對多微網(wǎng)能源交易競爭，提出一種基于非合作博弈的日前交易方法。文獻［6］考慮多IES 服務(wù)商參與日前能源交易，提出了一種基于納什議價模型的運行策略。上述文獻深入挖掘了市場主體的利益訴求，但供需雙側(cè)普遍存在多個參與者，如何考慮多主體交易互動來解決市場交易問題還尚有不足。

近年來，諸多學者深入分析多時間尺度下的綜合能源市場交易問題，針對該問題提出解決方案［7］。由于IES 體量較小，源荷不確定性導(dǎo)致市場行為難以掌握，從而造成能量偏差。為規(guī)避該問題造成的經(jīng)濟損失，如何處理能量偏差成為市場交易的關(guān)鍵問題［8］。文獻［9］考慮風電商出力偏差風險，提出一種現(xiàn)貨市場的多階段競價策略。文獻［10］提出2 種計及出力不確定性的供應(yīng)商定價機制，降低風電出力不平衡成本。上述文獻針對市場能量偏差問題均是從供應(yīng)側(cè)利益角度出發(fā)，尋找需求側(cè)協(xié)調(diào)能量偏差的方法也是當前的研究重點。文獻［11］針對購能偏差問題，建立能量互保行為的實時能量偏差應(yīng)對模型。文獻［12］提出了一種改進深度信念網(wǎng)絡(luò)的負荷預(yù)測方法以處理能量偏差。

如今興起的共享經(jīng)濟，為解決以上問題提供了新思路。本文將共享經(jīng)濟延伸至綜合能源市場領(lǐng)域，并引出“能量共享”的概念，即能量共享是一種擁有閑置能量的一方有償讓渡能量使用權(quán)給另一方，利用閑置能量滿足需求的運營模式［13］。

為此，本文采用合作博弈實現(xiàn)需求側(cè)多主體能量共享，并建立供應(yīng)側(cè)競價決策模型，協(xié)調(diào)處理日前-實時市場能量偏差，有效保障市場各主體利益均衡。主要工作歸納如下:1）構(gòu)建了供應(yīng)側(cè)多主體競價互動、需求側(cè)多主體能量共享的綜合能源市場框架，有效保障多主體利益均衡；2）引入需求側(cè)能量共享的交易方式，平抑能量偏差并提升各主體用能效益。

1 綜合能源市場互動交易框架

1.1 市場參與主體劃分

綜合能源市場交易框架由能源供應(yīng)、市場運營、園區(qū)運營和終端用戶4 部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在此結(jié)構(gòu)下劃分市場參與主體如下:

圖1 綜合能源市場結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integrated energy market

1）能源供應(yīng)商（energy supplier，ES），作為市場售能方，負責能源的生產(chǎn)和銷售。根據(jù)負荷信息提出投標價格的交易策略。

2）市場運營商（market operator，MO），作為協(xié)調(diào)市場出清的平臺，負責處理供應(yīng)商上報價格信息和園區(qū)運營商需求信息，并發(fā)布市場出清情況。

3）園區(qū)運營商（park operator，PO），作為市場購能方，負責聚合園區(qū)綜合能源系統(tǒng)（park integrated energy system，PIES）內(nèi)部用戶負荷信息，統(tǒng)籌多能源調(diào)度，并向市場提出能源需求策略。

1.2 市場交易機制

1.2.1 市場交易流程

多主體參與的綜合能源市場在日前和實時市場展開交易。其中，日前市場是主要交易平臺，側(cè)重利益劃分；實時市場旨在根據(jù)實際變化對日前交易計劃進行調(diào)整，達到供需平衡，二者相輔相成［14］。其交易流程詳見附錄A 圖A1。

1.2.2 供應(yīng)商競價投標機制

鑒于區(qū)域能源市場供應(yīng)商在機組類型、數(shù)量等方面規(guī)模有限，不適合采用傳統(tǒng)分時價格投標，應(yīng)采用包含利潤和邊際成本的功率-價格曲線進行競價交互。出于ES 能源價格策略分析的考慮，采用等比例系數(shù)報價，即ES 以自身收益最大來調(diào)整比例系數(shù)，并將新曲線重新傳遞給MO。其投標價格函數(shù)如式（1）所示。

式中:λ為ES 的能源投標價格；a為ES 運行成本的二次項系數(shù)；b為ES 運行成本的一次項系數(shù)；PG為ES 的能源出清功率；k為ES 投標價格的比例系數(shù)。

1.2.3 需求側(cè)偏差懲罰機制

ES 采用集中競價交易模式，受需求方用能時序偏差的影響，導(dǎo)致自身經(jīng)濟效益降低［15］?？紤]能源市場的穩(wěn)定運營秩序和供應(yīng)側(cè)承受的經(jīng)濟風險，根據(jù)文獻［16］和江蘇電力市場設(shè)置需求側(cè)能量偏差懲罰機制來調(diào)控市場運營秩序，保障市場供應(yīng)側(cè)售能利益，其偏差懲罰規(guī)則不在此贅述。

2 綜合能源市場參與主體決策模型

本文暫不考慮日前-實時市場內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參與主體的變化，其具體決策模型如下。

2.1 供應(yīng)側(cè)競價決策模型

綜合能源市場區(qū)別于傳統(tǒng)電力、熱力市場，其多家供應(yīng)商在聯(lián)合市場及統(tǒng)一機制下競爭。本文的運營主體僅考慮日前和實時時間尺度上的交易，不涉及中長期市場交易，且規(guī)模較小。為此有如下假設(shè):供應(yīng)商機組相關(guān)策略通過內(nèi)部優(yōu)化做出，市場交易僅進行最優(yōu)競價出清。其競價決策模型如下。

2.1.1 電能供應(yīng)商策略競價模型

電能供應(yīng)商通過向MO 提供機組邊界條件信息及申報價格曲線系數(shù)，從而影響結(jié)算電量及邊際電價qe，t，最大化自身收益，其模型如下。

2.1.2 熱能供應(yīng)商策略競價模型

熱能供應(yīng)商通過向MO 提供所需信息，從而影響結(jié)算熱量及邊際熱價qh，t，最大化自身收益，其模型與電能供應(yīng)商相同。

2.1.3 電熱耦合供應(yīng)商策略競價模型

電熱耦合供應(yīng)商采取電熱組合出清方式。電熱組合投標以電能為基準，即當電力出清Uot時，熱能μUot同時出清。組合投標申報價格包含機組的電熱總生產(chǎn)成本，無須多余能源成本分攤，其模型如下。

2.2 需求側(cè)調(diào)度決策模型

綜合能源市場依托于區(qū)域多PIES 場景下的互動交易，PO 通過聚合終端用戶負荷統(tǒng)籌運營，其調(diào)度決策模型如下。

2.2.1 園區(qū)運營商決策優(yōu)化目標

PO 以能源市場交易過程的總用能效益Fpo最大為決策目標，在24 h 內(nèi)的收益函數(shù)如式（10）所示。

2.2.2 園區(qū)運營商優(yōu)化約束條件

PIES 具有一定內(nèi)部優(yōu)化能力，為更好地進行能源管理，參考文獻［17］對耦合和儲能等設(shè)備構(gòu)建Energy hub 模型。PO 作為聯(lián)盟的參與者，其外部能源調(diào)度和交易約束如下。

1）能量守恒約束

2）能量共享約束

式中:m為PO 個數(shù)；Pco，maxe和Pco，maxh分別為電能和熱能共享交易的最大傳輸量。式（13）和式（14）的意義為多園區(qū)能源交易量守恒約束。

2.3 市場運營商出清決策模型

相較于供應(yīng)側(cè)寡頭博弈，需求側(cè)PO 體量較小，難以通過策略投標影響市場出清，其投標基本反映真實需求成本［18］。本文不考慮PO 的策略性投標競爭，MO 接收PO 的日前預(yù)測負荷信息，進行有效出清［19］。

在此基礎(chǔ)上，將綜合能源市場出清問題記為MC(Pot，Qot，Uot，θn，Tl)，并以最大化電、熱供需總體社會福利作為市場出清目標，其出清模型及約束如下:

2）電熱網(wǎng)絡(luò)約束

本文采用文獻［20］的線性模型對電熱網(wǎng)絡(luò)進行建模，利用直流潮流模型對電力網(wǎng)絡(luò)建模并采用恒流變溫（CF-VT）的熱網(wǎng)模型。

3 基于能量共享的需求側(cè)多主體互動分析

由于可再生能源和多能負荷的不確定性，日前交易與實際用能在時間尺度上不能達成一致，故市場交易中總會出現(xiàn)能量偏差。能量偏差不僅會造成參與主體的經(jīng)濟損失，還可能導(dǎo)致市場供需失衡，阻礙正常運營。

考慮到供應(yīng)側(cè)屬于寡頭競爭關(guān)系，很難改變競價機制協(xié)調(diào)能量偏差。為緩解其造成的負面影響，考慮從需求側(cè)角度入手，借助能量共享處理偏差的有效性、經(jīng)濟性和可靠性等優(yōu)勢，利用合作博弈方法實現(xiàn)需求側(cè)多主體協(xié)同優(yōu)化處理該問題。

3.1 基于能量共享的多園區(qū)合作博弈分析

3.1.1 多園區(qū)能量共享框架

結(jié)合PIES 運行特性，針對圖1 中的能源需求層面建設(shè)多園區(qū)能量共享框架，如附錄A 圖A2 所示。頂層為交易層，該層面向各PO，組織PO 進行能量共享交易。其底層為調(diào)度層，起到支撐交易層的作用。

1）交易層。各園區(qū)簽訂合作協(xié)議，依據(jù)多PO形成的合作聯(lián)盟進行共享交易，其具體過程如下:PO 實際能源過剩時即出現(xiàn)負偏差Prealt-Paheadt＜0，通過向其他園區(qū)供給共享能源量協(xié)調(diào)自身多余能源；PO 實際能源不足時即出現(xiàn)正偏差Prealt-Paheadt≥0，通過從其他園區(qū)接收共享能源量彌補自身能源不足。

2）調(diào)度層。接收交易層的能量共享情況，通過耦合和儲能設(shè)備進行園區(qū)自用能源量的調(diào)度優(yōu)化，滿足終端用戶用能需求的同時降低用能成本支出。

由于園區(qū)耦合設(shè)備可以實現(xiàn)多能源的相互轉(zhuǎn)換，因而可利用該特性處理電、熱能不平衡量。當園區(qū)實際電能、熱能過?；虿蛔銜r，可利用能源耦合、儲能設(shè)備協(xié)調(diào)處理能源不平衡量，從而實現(xiàn)保障園區(qū)獨立運營用能效益的同時提升系統(tǒng)運行的靈活性。

綜上所述，能量共享利用其處理偏差的有效性、降低園區(qū)調(diào)度成本的經(jīng)濟性和協(xié)同運營的可靠性等優(yōu)勢，通過交易層和調(diào)度層實現(xiàn)PO 內(nèi)部和外部同步調(diào)度優(yōu)化。多園區(qū)能量共享過程中，需求側(cè)若仍存在電、熱不平衡量，應(yīng)與上級供應(yīng)側(cè)進行結(jié)算，退還或補交能量偏差的購能費用。

3.1.2 多園區(qū)合作博弈模型

根據(jù)多園區(qū)能量共享框架得出，實時市場中的多主體互動是以需求側(cè)的角度進行決策，各園區(qū)作為用戶群體的代表，其利益追求存在一致目標。為減小能量偏差帶來的經(jīng)濟損失，共同承擔能量偏差的風險損失是各類用戶群體的共識。除此，非合作博弈格局下參與者利益通常是相互沖突的，一般呈現(xiàn)對抗關(guān)系來獲取更大自身利益。因此，采用合作博弈通過具有約束力的協(xié)議形成聯(lián)盟是多園區(qū)互動交易和處理偏差的更合理方法。

合作博弈同時考慮PO 的整體理性和個體理性進行決策，構(gòu)成的合作聯(lián)盟能夠有效平抑多園區(qū)能源不平衡量、擴大各PO 用能效益，其過程屬于效用可轉(zhuǎn)移的合作博弈［21］?；谏鲜龊献鞑┺姆治?，建立多園區(qū)合作博弈模型如下。

1）參與者集合:在能量共享的交易過程中，各PO 共同構(gòu)成合作博弈聯(lián)盟，將參與者聯(lián)盟集合定為N={ies1，ies2，…，iesm}的非空有限集合。其中，iesi表 示 第i個 參 與 者。

2）策略集合:聯(lián)盟參與者的交易策略最終決定各參與者能量共享情況。因而將各PO 實際能源優(yōu)化策略作為參與者策略集合，記為S={Pco1，Pco2，…，Pcom}。其中，Pcoi為PO 能量共 享交易策略。

3）效益函數(shù):所有參與者的效益函數(shù)均為用能總效益。以各自收益最大為目標函數(shù)，總效益函數(shù)可表示為如下形式:

式中:v(N)表示參與者集合N的合作聯(lián)盟效益；Fiesi為參與者iesi的效益函數(shù)。

因為PO 相互進行能源交易時，多園區(qū)合作聯(lián)盟總交易量之和為0，交易價格相等，由此可得出:

根據(jù)式（21）和式（22）可得:

故該多園區(qū)合作博弈滿足超可加性博弈條件，參與主體能夠趨向于形成合作聯(lián)盟。同時，PO 的總效益函數(shù)通過合作博弈轉(zhuǎn)化為不考慮合作能源交易成本，僅涉及多PO 能量流動的效益最大化問題，從而得出比非合作博弈更具經(jīng)濟性、有效性的運營策略。

3.1.3 多園區(qū)效益分配方法

聯(lián)盟中成員效益的合理分配是合作博弈的關(guān)鍵。聯(lián)盟成員之間的效益分配方法一般有核仁法、Shapley 值法等［22-24］。本文采用Shapley 值法確定聯(lián)盟中各成員效益分配策略。設(shè)共有m個PO 構(gòu)成合作聯(lián)盟，則第i個PO 的Shapley 值的公式如下所示:

式中:φi(v)為PO 分得的收益；|s|為集合s中包含的參與者個數(shù)；v(s)-v(s-{i})為第i個參與者對聯(lián)盟N的邊際貢獻。

在合作博弈中，為實現(xiàn)聯(lián)盟效益分配的穩(wěn)定公平，需對Shapley 值法進行穩(wěn)定性分析，其詳細過程見附錄A。

3.2 市場多主體博弈求解方法

本文詳細求解流程不再贅述，供應(yīng)側(cè)博弈決策模型屬于競價-出清雙層模型，采用文獻［25］的雙層粒子群算法優(yōu)化求解競價均衡策略，并計算其納什適應(yīng)度，納什均衡存在性證明詳見附錄A；需求側(cè)多主體能量共享下協(xié)同優(yōu)化決策屬于效用可轉(zhuǎn)移的合作博弈模型，可借助商用求解器CPLEX 求解。

4 算例分析

4.1 算例概述

本文采用6 節(jié)點電網(wǎng)和8 節(jié)點熱網(wǎng)進行驗證，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附錄C 圖C1 所示。發(fā)電機組G1、G2 分屬兩家電能供應(yīng)商，其中HS1（G3）為熱電聯(lián)產(chǎn)機組，屬于電熱耦合供應(yīng)商，熱源HS2 屬于熱能供應(yīng)商。考慮到多園區(qū)不同運營特性，負荷D1、D2、D3 分別代表居民園區(qū)1、商業(yè)園區(qū)2 和工業(yè)園區(qū)3。園區(qū)滿意度函數(shù)參考文獻［26］，采用分時段效用系數(shù)，根據(jù)時段合理選取。各園區(qū)日前能源需求和滿意度函數(shù)反映的實際需求曲線見附錄C 圖C2 和圖C3。電力網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)取值參考文獻［20］。其余參數(shù)設(shè)置見附錄C 表C1 至表C4。

為驗證模型和方法的有效性，同時分析需求側(cè)多主體能量共享的影響，設(shè)立3 種仿真場景，日前市場供應(yīng)商皆采取競價博弈方式，PO 采用如下運營方式:1）場景1，PO 采取獨立運營方式；2）場景2，PO 采取非合作交易方式；3）場景3，PO 采取考慮能量共享的合作聯(lián)盟方式。

其中獨立運營方式指PO 僅負責園區(qū)內(nèi)部能源調(diào)度，不涉及園區(qū)間能源交易；非合作交易方式指各園區(qū)以固定能價進行購售能的交易。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述場景條件，求解出各場景下的市場交易策略，通過經(jīng)濟性和偏差優(yōu)化兩方面分析交易機制和策略的有效性。

4.2.1 經(jīng)濟性分析

1）PO 不同運營方式對供應(yīng)側(cè)收益影響

基于PO 不同運營方式的綜合能源市場出清結(jié)果對比如表1 所示。場景1、2、3 的出清總電量分別為1 983.5、1 983.5、1 872.0 MW·h，出清總熱量分別為1 337.1、1 365.2、1 400.7 MW·h，社會福利值分別為12 603.0、14 011.5、14 914.1 美元。

表1 綜合能源市場出清結(jié)果對比Table 1 Comparison of clearing results for integrated energy market

由表1 不同場景下的出清情況可以得出，場景3的各供應(yīng)商能夠獲得更大收益。相比于場景2，4 家供應(yīng)商售能收益分別增長了446.8、264.7、1 063.5、79.4 美元，這得益于合作聯(lián)盟的運營方式相較其他2 種方式處理偏差空間更大，能夠確保供應(yīng)商在日前市場的經(jīng)濟效益。場景1、2 供應(yīng)側(cè)雖然出清電量有所增加，由于其收益受單位生產(chǎn)成本急劇升高的影響更大，導(dǎo)致場景1、2 收益降低。

這說明考慮園區(qū)能量共享的合作聯(lián)盟運營方式不僅沒有制約供應(yīng)側(cè)利益，相較于獨立運營和非合作交易方式反而能刺激市場供應(yīng)商競爭活力，有助于市場長期穩(wěn)定運行。

2）園區(qū)合作聯(lián)盟運營下供應(yīng)側(cè)競價互動分析

合作聯(lián)盟運營方式下的供應(yīng)商競價互動博弈策略如附錄D 圖D1 和圖D2 所示。

圖D1 比較各ES 在時段20 下競價均衡策略。迭代初始階段距競價博弈均衡解較遠，供應(yīng)商通過迭代優(yōu)化自身報價策略，改變市場利益分配。隨迭代次數(shù)增加至第70 次，各ES 最優(yōu)價格策略不再發(fā)生變化。此時，任一ES 難以單獨改變策略獲得更大利益，其策略達到收斂狀態(tài)。

由圖D2 可知，園區(qū)以合作聯(lián)盟運營方式下，各ES 的結(jié)算能價與園區(qū)用能需求和價格曲線比例系數(shù)呈正相關(guān)。根據(jù)節(jié)點邊際能價對比發(fā)現(xiàn)，2 家電能供應(yīng)商由于機組類型接近，不斷通過壓低價格獲得邊際出清優(yōu)勢，供應(yīng)商G1 因自身單位成本較小占據(jù)邊際出清優(yōu)先權(quán)；電熱耦合供應(yīng)商因耦合出清優(yōu)勢，采取較高的能價獲取更大利益；而熱能供應(yīng)商HS2 受自身機組成本系數(shù)的影響，其最終的節(jié)點結(jié)算熱價較低。

綜上分析可知，考慮園區(qū)能量共享的合作聯(lián)盟運營方式能夠使得供應(yīng)側(cè)競價過程快速達到均衡狀態(tài)，同時有利于維持供應(yīng)側(cè)競價活力。

3）PO 不同運營方式對需求側(cè)效益和成本影響

園區(qū)不同運營方式下用能效益和相關(guān)成本支出情況如表2 所示，24 h 用能總成本變化如附錄D 圖D3 所示。

表2 園區(qū)不同運營方式下效益和相關(guān)成本對比Table 2 Comparison of benefits and related costs in different operation modes of parks

分析表2 與圖D3 可得出如下結(jié)論:

1）在需求側(cè)效益和成本支出方面。各園區(qū)通過多主體交易能夠有效降低用能成本支出，由表2 可知，場景3 相比場景1、2 多園區(qū)總成本分別降低了4 810.9 美元和157 美元。由圖D3 可知，形成聯(lián)盟后大多數(shù)時段下成本支出顯著降低，其主要原因是合作聯(lián)盟下各園區(qū)通過能量共享的方式彌補能量偏差的經(jīng)濟損失。根據(jù)表1 的社會福利值對比，場景3 的社會福利值相比場景1、2 分別提高了2 311.1 美元和902.6 美元，提升幅度分別達到18.3%和6.4%。這得益于能量共享運營方式下的合作聯(lián)盟，在多園區(qū)能源交易過程中消除了額外的購售能環(huán)節(jié)，使得合作聯(lián)盟運營方式的總成本支出更低，同時有效提高社會福利，促進需求側(cè)參與市場交易的積極性。

2）在偏差懲罰成本反映能量偏差量方面。場景3 的各園區(qū)平抑能量偏差效果最佳，這得益于工業(yè)園區(qū)具有較強的內(nèi)部優(yōu)化能力，且單位偏差懲罰成本較低。通過能量共享方式，工業(yè)園區(qū)主要承擔能量偏差的經(jīng)濟損失，使得整體用能經(jīng)濟效益比其他2 種場景分別提高了44%和34%。

3）在多園區(qū)合作聯(lián)盟成本和效益分攤方面。對比各園區(qū)不同運營方式下的用能效益發(fā)現(xiàn)，分配后的工業(yè)園區(qū)用能效益較其他2 種方式分別提高了900.7 美元和2 743.1 美元。由場景1 和場景3 對比發(fā)現(xiàn)，合作聯(lián)盟下的整體用能成本比獨立運營成本之和降低了4 810.9 美元，各園區(qū)通過合作聯(lián)盟分配的效益皆高于獨立運營的用能效益。工業(yè)園區(qū)作為合作聯(lián)盟的主要承擔者，其偏差懲罰成本經(jīng)分配后降至938.7 美元，通過Shapley 值分配能夠公平分攤，維護參與合作聯(lián)盟各方利益。

通過以上分析，非合作交易運營方式下雖能在一定程度上減小能量偏差帶來的影響，但卻是一種缺乏效率的交易策略。因此，合作聯(lián)盟更適合需求側(cè)多主體交易互動。

4.2.2 基于共享合作聯(lián)盟方式的能量偏差分析

1）多PO 電、熱共享情況分析

基于能量共享合作聯(lián)盟方式下的多園區(qū)電、熱共享情況如圖2 所示。

圖2 多園區(qū)電、熱能量共享情況Fig.2 Sharing of electricity and heat energy inmultiple parks

由圖2 分析可知，園區(qū)可通過合作聯(lián)盟形式實現(xiàn)能源的跨園區(qū)互補，提高需求側(cè)用能效率。在能量共享機制下園區(qū)間通過能源交易彌補能量偏差。如圖2（a）所示的時段12，工業(yè)園區(qū)實際電能過剩，通過能量共享方式將4 MW 電功率傳輸至其余園區(qū)；在圖2（b）所示的時段11 中工業(yè)園區(qū)實際熱能需求較大，商業(yè)和居民園區(qū)會利用自身過剩能量傳輸至工業(yè)園區(qū)以彌補熱能缺額6 MW。園區(qū)通過能源需求的時序特性，供給和接收電、熱量，滿足終端用戶能源需求。這說明多園區(qū)合作聯(lián)盟有助于改善園區(qū)的實際用能需求，提高園區(qū)間能量共享黏性。

2）基于共享合作聯(lián)盟下的園區(qū)內(nèi)部機組出力優(yōu)化分析

工業(yè)園區(qū)作為合作聯(lián)盟協(xié)調(diào)能量偏差的主要承擔者。以工業(yè)園區(qū)為例，分析各時段的內(nèi)部機組出力優(yōu)化如圖3 和圖4 所示。

圖3 工業(yè)園區(qū)電能優(yōu)化情況Fig.3 Electricity power optimization in industrial park

圖4 工業(yè)園區(qū)熱能優(yōu)化情況Fig.4 Thermal energy optimization in industrial park

因內(nèi)部設(shè)備與用能行為密切聯(lián)系，尤其是當園區(qū)日前與實時能源需求差異較大時，會通過內(nèi)部設(shè)備進行優(yōu)化。由圖3 和圖4 看出，實際能源不足或過剩時，主要依靠園區(qū)能量共享交易趨向電、熱平衡；其次通過能源耦合設(shè)備和儲能裝置減小偏差量。從圖3（a）和（b）可以看出，工業(yè)園區(qū)依靠儲電設(shè)備和能量共享削減電能偏差。由于熱電轉(zhuǎn)換機組單位運行維護成本較高，因而該機組沒有參與優(yōu)化電能偏差。從圖4（a）和（b）可以看出，工業(yè)園區(qū)依靠儲熱設(shè)備、電轉(zhuǎn)熱設(shè)備和能量共享削減熱能偏差。工業(yè)園區(qū)在能量共享后園區(qū)內(nèi)部設(shè)備出力明顯降低，儲電設(shè)備充電功率由19.6 MW 降至13.4 MW。能量共享方式擴大了園區(qū)電、熱偏差優(yōu)化空間，有效緩解了園區(qū)機組調(diào)控優(yōu)化能量偏差的壓力。

3）基于共享合作聯(lián)盟下能量偏差優(yōu)化分析

多PO 通過能量共享的合作聯(lián)盟處理偏差量，如圖5 所示。從圖5 可以看出，能量共享方式可以有效平抑能量偏差量，居民和商業(yè)園區(qū)的能量偏差大幅降低，工業(yè)園區(qū)的電、熱偏差得到部分抑制。分析圖5（a）可知，居民園區(qū)在能量共享前后電能總偏差下降約74.6%，削減了用戶電、熱需求波動高峰時段的偏差量。通過圖5（b）可得，在時段8～10 處于商業(yè)園區(qū)用能高峰期，通過能量共享方式減少了約5.4 MW·h 電量偏差和9.1 MW·h 熱量偏差。由圖5（c）可得，工業(yè)園區(qū)在時段9、18 等電能偏差不減反增，這是合作聯(lián)盟下共同調(diào)節(jié)能量偏差的結(jié)果，而受電能偏差的影響工業(yè)園區(qū)僅能從一定程度上削減熱偏差，主要利用內(nèi)部設(shè)備協(xié)調(diào)處理電、熱偏差。因而，合作聯(lián)盟方式通過園區(qū)內(nèi)部調(diào)度和外部交易協(xié)同處理電、熱能源偏差量，可以很好地解決需求側(cè)能量偏差的負面影響。利用多園區(qū)結(jié)成合作聯(lián)盟追求整體與個體效益最大化，可以擴大各參與者的用能效益。

圖5 多園區(qū)能量共享偏差處理情況Fig.5 Treatment of energy sharing deviation in multiple parks

5 結(jié)語

本文構(gòu)建了多主體互動的綜合能源市場框架，同時提出基于需求側(cè)能量共享的交易策略，在理論和算例分析中體現(xiàn)如下優(yōu)勢:

1）在多主體互動的綜合能源市場框架下，供應(yīng)側(cè)競價博弈能夠刺激多主體參與市場積極性；能量偏差懲罰機制有效核定不平衡量，保障供應(yīng)側(cè)參與主體權(quán)益，為維持市場長期運行提供重要驅(qū)動力。

2）基于能量共享的合作聯(lián)盟運營方式有效減少了日前-實時市場的偏差能量，有效規(guī)避了交易風險，在維持供需平衡的同時擴大了市場各參與主體的經(jīng)濟效益。

隨著綜合能源市場交易行為愈加復(fù)雜，后續(xù)工作將在本文基礎(chǔ)上進一步研究市場精細化模型對多主體參與交易的影響。

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