周步祥，曾揚(yáng)俊，邱一葦，臧天磊，陳 剛

（1.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041）

0 引言

可再生能源制氫可顯著提升風(fēng)、光資源利用率［1］，并為化工、交通、冶煉等行業(yè)提供“綠氫”原料。合成氨作為氫的最大下游產(chǎn)業(yè)，利用“綠氫”替代煤、天然氣所制“灰氫”合成“綠氨”可降低化石燃料消費(fèi)，助力化工行業(yè)碳減排。國內(nèi)外學(xué)者在電解水制氫、氫儲(chǔ)能［2-3］、綠氫化工［4］、電氫耦合［5］等方面的研究與展望，亦明確了可再生能源制氫合成氨（renewable power to ammonia，ReP2A）技術(shù)在“雙碳”目標(biāo)下的規(guī)?；瘧?yīng)用潛力。

目前，ReP2A 技術(shù)相關(guān)研究已有較多成果。學(xué)術(shù)界對合成氨反應(yīng)器靈活性［6］、電-氫-氨產(chǎn)業(yè)集群能量管理［7］、ReP2A 系統(tǒng)選址定容與電網(wǎng)擴(kuò)建的協(xié)同規(guī)劃［8］、高壓直流輸電與氫供應(yīng)鏈協(xié)同規(guī)劃［9］等方面展開研究，以提升可再生能源消納及投資、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［10］探討ReP2A 在未來北歐能源系統(tǒng)中提供化肥生產(chǎn)原料、能源儲(chǔ)運(yùn)媒介的可行性；文獻(xiàn)［11］提出電力網(wǎng)絡(luò)、氫供應(yīng)鏈一體化規(guī)劃模型，通過配置季節(jié)性儲(chǔ)氫以解決風(fēng)光發(fā)電與用氫需求的時(shí)空不平衡；文獻(xiàn)［12］提出ReP2A 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型，驗(yàn)證“綠氫”“綠氨”替代的經(jīng)濟(jì)競爭力。此外，文獻(xiàn)［13］提出ReP2A 系統(tǒng)以虛擬電廠形式參與電力及氨期貨、現(xiàn)貨市場交易的決策方法；文獻(xiàn)［14］提出100 %可再生電力的工業(yè)級ReP2A系統(tǒng)生產(chǎn)模擬、運(yùn)行優(yōu)化方法；文獻(xiàn)［15］提出ReP2A 系統(tǒng)可調(diào)度域的顯式刻畫方法，以充分挖掘其柔性調(diào)控潛力；文獻(xiàn)［16］提出并網(wǎng)型ReP2A 系統(tǒng)定容、定價(jià)方法以兼顧不同投資主體利益；文獻(xiàn)［17］詳細(xì)對比了并網(wǎng)／離網(wǎng)模式下ReP2A 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。上述研究大多將ReP2A 系統(tǒng)作為單個(gè)主體進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控。然而，受風(fēng)光資源與“綠氨”需求空間分布、用地規(guī)劃、投資主體等因素影響，ReP2A系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電、電制氫、合成氨等組成部分可能分屬不同利益主體［16］，整個(gè)系統(tǒng)難以集中調(diào)控。為明晰ReP2A 系統(tǒng)多主體運(yùn)行的關(guān)鍵影響因素，本文基于廣義納什博弈，分析不同主體模式下的均衡狀態(tài)。

電氣工程博弈論采用合作博弈、非合作博弈刻畫多主體之間的互動(dòng)［18］。前者關(guān)注參與者的合作關(guān)系與利益分配［18］，應(yīng)用于風(fēng)-光-水-儲(chǔ)［19］、風(fēng)-氫多主體協(xié)同運(yùn)行［20］等。其通過納什談判達(dá)成合作。后者則更適用于競爭性場景，應(yīng)用于市場均衡分析［21］、寡頭壟斷分析［22］等。此類研究常采用迭代法求解納什均衡，但收斂性依賴于初值選取［18］。另一類研究利用基于卡羅需-庫恩-塔克（Karush-Kuhn-Tucker，KKT）系統(tǒng)的駐點(diǎn)優(yōu)化法［23］求解碳-電耦合多市場均衡［24］、多微網(wǎng)共享能量投標(biāo)［25］等問題，克服迭代法初值敏感、收斂性差等不足。然而，ReP2A系統(tǒng)源、氫、氨各組成部分調(diào)節(jié)能力差異較大，同時(shí)系統(tǒng)配置儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氨等多級序貫緩沖以協(xié)調(diào)全過程柔性生產(chǎn)，故與傳統(tǒng)電力、多能耦合系統(tǒng)［26］存在明顯不同，多主體運(yùn)行特性與影響因素亟待明確。

基于上述背景，為分析ReP2A 系統(tǒng)不同主體結(jié)構(gòu)下電、氫、氨多市場耦合的均衡狀態(tài)，明確儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氨容量配置的影響，本文首先提出計(jì)及系統(tǒng)內(nèi)多主體相互作用的非合作博弈模型。然后，基于駐點(diǎn)優(yōu)化法，通過KKT 條件變換為混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixed integer linear programming，MILP）求解廣義納什均衡點(diǎn)。最后，基于蒙西地區(qū)某在建工程構(gòu)造算例，分析不同主體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的利弊，為工程投資、市場設(shè)計(jì)、監(jiān)管政策制定等提供參考。

1 ReP2A系統(tǒng)多主體運(yùn)行決策模型

1.1 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

ReP2A 系統(tǒng)受風(fēng)光資源、氨需求時(shí)空分布差異［8］、用地規(guī)劃、投資主體［27］等因素影響，可再生能源發(fā)電、電制氫、合成氨等工段或隸屬于不同利益主體。例如：“風(fēng)光制氫一體化”項(xiàng)目中，風(fēng)光發(fā)電、制氫需同步投產(chǎn)，電源直接接入制氫廠［27］，二者隸屬于同一主體；“氫能-綠氨產(chǎn)業(yè)鏈”（氫、氨一體化）項(xiàng)目中，制氫、制氨由同一投資主體建設(shè)［28］；亦有氫能產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目要求風(fēng)、光、氫、氨隸屬同一主體。各類主體結(jié)構(gòu)模式如圖1 所示。圖中：模式a 下，源、氫、氨分屬不同主體，所參與市場包括外部電力市場、內(nèi)部電力市場、內(nèi)部氫市場以及外部氨市場；模式b 下，氫-氨為單一主體，無內(nèi)部氫市場，同理，模式c 無內(nèi)部電力市場，模式d、e 均不包含內(nèi)部電力市場與氫市場；R、H、A 分別表示源、氫、氨對應(yīng)主體；模式的主體結(jié)構(gòu)中連字符表示主體間進(jìn)行交易，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為博弈結(jié)構(gòu)；模式的主體結(jié)構(gòu)中逗號(hào)表示主體間不進(jìn)行交易，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為非博弈結(jié)構(gòu)。

圖1 ReP2A系統(tǒng)多主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-agent structure for ReP2A system

系統(tǒng)中，氫側(cè)配置氫緩沖罐以平抑間歇性電源導(dǎo)致的氫氣流量波動(dòng)，保證合成氨生產(chǎn)安全，同時(shí)為自身生產(chǎn)計(jì)劃提供靈活性空間；氨側(cè)配置儲(chǔ)氨以優(yōu)化生產(chǎn)，獲取更大收益。此外，由于電力側(cè)儲(chǔ)能相較于儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氨容量有限，且投資及運(yùn)行成本顯著高于儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氨，故工程上通常僅將儲(chǔ)能用于維持離網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定，而不用于小時(shí)級至更長時(shí)間尺度下的能量平移，配置容量較?。?5］。因此，本文調(diào)度模型不考慮電力側(cè)儲(chǔ)能。

1.2 多主體互動(dòng)假設(shè)

為明晰不同主體參與電、氫、氨市場的互動(dòng)行為，綜合考慮可再生能源發(fā)電波動(dòng)的周期性及儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氨的調(diào)節(jié)時(shí)間尺度，設(shè)置ReP2A 系統(tǒng)調(diào)度周期為1周，步長為1 h，同時(shí)作如下假設(shè)。

1）各主體運(yùn)行決策目標(biāo)為在未來1 周內(nèi)，通過電、氫、氨生產(chǎn)與交易以最大化自身利益。

2）內(nèi)部電力市場中，源側(cè)售電，氫、氨側(cè)購電，均衡電價(jià)在模式a下由源、氫、氨三方互動(dòng)確定，模式b下則由源側(cè)與氫-氨主體互動(dòng)確定。

3）外部電力市場中，源側(cè)以風(fēng)光上網(wǎng)電價(jià)售電，氫、氨側(cè)以電網(wǎng)電價(jià)購電。5 種模式中，源、氫、氨側(cè)均參與外部電力市場。

4）內(nèi)部氫市場中，氫側(cè)制氫售給氨側(cè)作為生產(chǎn)原料，均衡氫價(jià)在模式a 下由氫、氨側(cè)互動(dòng)確定，在模式c 下由源-氫主體與氨側(cè)互動(dòng)確定。此外，受限于氫氣運(yùn)輸技術(shù)，目前氫氣外送成本偏高，且國內(nèi)氫市場建設(shè)相對不成熟［4］，故本文僅考慮制氨就地消納，暫未考慮將氫氣向外售出。

5）氨市場中，氨側(cè)或氫-氨主體以外部市場價(jià)格向氨市場售氨，且氨價(jià)不受產(chǎn)量影響。

1.3 源側(cè)：可再生能源發(fā)電工段運(yùn)行決策建模

可再生能源發(fā)電工段收益由向氫、氨側(cè)及外部電網(wǎng)售電收入構(gòu)成，決策目標(biāo)為最小化成本CR，即：

式中：T為調(diào)度周期；為t時(shí)刻源側(cè)向氫氨側(cè)售電功率之和；為t時(shí)刻源側(cè)向外部電網(wǎng)售電功率；分別為t時(shí)刻源側(cè)向氫氨側(cè)售電的出清電價(jià)、外部電網(wǎng)售電的價(jià)格。

源側(cè)功率平衡及售電功率約束如下：

式中：P為1周前可再生能源發(fā)電預(yù)測t時(shí)刻功率。

內(nèi)部電力市場功率平衡約束為：

1.4 氫側(cè)：電制氫主體運(yùn)行決策建模

電制氫工段的運(yùn)行成本為向源側(cè)、外部電網(wǎng)購電費(fèi)用之和，收益為向氨側(cè)售氫的收入，其決策目標(biāo)為最小化成本CH，即：

電制氫工段用電功率、電-氫轉(zhuǎn)換關(guān)系及相關(guān)變量約束如下：

電制氫工段所配置氫緩沖罐模型、壓強(qiáng)、始末狀態(tài)約束如下：

最后，考慮售氫、購氫平衡約束如下：

式中：f為t時(shí)刻氨側(cè)向氫側(cè)購氫量；ρ為t時(shí)刻出清氫價(jià)，即約束式（15）的對偶變量。

1.5 氨側(cè)：合成氨主體運(yùn)行決策建模

氨側(cè)運(yùn)行成本包括向源側(cè)、外部電網(wǎng)購電成本與向氫側(cè)購氫的成本，收益為向外部氨市場售氨收入，其決策目標(biāo)為最小化成本CA，即：

合成氨工廠的用電負(fù)載、氫-氨轉(zhuǎn)換關(guān)系、氨產(chǎn)率、負(fù)載爬坡約束及相關(guān)變量的上下限約束如下：

合成氨主體為優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)營，在氨市場價(jià)格波動(dòng)中獲取更多收益，所配置氨緩沖罐貯存量平衡、始末狀態(tài)約束如下：

2 源-氫-氨多主體均衡模型

依據(jù)源、氫、氨各工段的運(yùn)行決策模型，根據(jù)式（4），源側(cè)決策變量售電功率P與氫側(cè)購電功率P、氨側(cè)購電功率P滿足電力平衡約束；氫、氨側(cè)售氫量、購氫量由式（15）確定。故多主體決策變量之間相互約束導(dǎo)致策略空間相互制約，因此將多主體非合作博弈建模為廣義納什均衡問題（generalized Nash equilibrium problem，GNEP）［23］，定義如式（27）所示，并通過駐點(diǎn)優(yōu)化法求解多主體博弈的納什均衡。

式中：Ci、xi、Xi分別為參與者i的目標(biāo)函數(shù)、決策變量、策略空間；x-i為除參與者i外所有參與者的決策變量；gi為參與者i的不等式約束；hi為參與者i的等式約束。

首先，將1.3 — 1.5 節(jié)給出的各工段決策模型依據(jù)非合作博弈結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分組合，構(gòu)造等效KKT 系統(tǒng)并聯(lián)立，進(jìn)而通過大M法轉(zhuǎn)換為MILP問題進(jìn)行求解，以定位ReP2A 系統(tǒng)中多主體博弈的均衡狀態(tài)［23］。求解方法示意圖見附錄A圖A1。

以模式a為例，其博弈結(jié)構(gòu)如圖2所示。模式b、c 類比可得，此處不再贅述。依據(jù)博弈結(jié)構(gòu)，將源、氫、氨各工段的生產(chǎn)決策模型進(jìn)行劃分組合，變換為KKT系統(tǒng)聯(lián)立求解。

圖2 模式a下多主體非合作博弈結(jié)構(gòu)Fig.2 Multi-agent non-cooperative game structure in Mode a

由于GNEP 可能存在多種均衡情況——無均衡及有限、無限多個(gè)均衡，為驗(yàn)證均衡的存在性及唯一性，可直接聯(lián)立KKT 條件計(jì)算不動(dòng)點(diǎn)判斷［23］。由于本文所提模型納什均衡解存在且不唯一，故將系統(tǒng)整體收益最大化作為條件篩選不動(dòng)點(diǎn)，以確保解的經(jīng)濟(jì)意義。需要注意的是，該步驟并非求解合作博弈，而是從非合作博弈的多個(gè)納什均衡點(diǎn)中選取更具分析價(jià)值的解。此外，針對主體數(shù)量增多、建模改變等情形，亦可按照上述過程求取均衡解。

式中：λ1為等式約束的對偶變量；μ1為不等式約束的對偶變量。其均衡點(diǎn)求解問題如下：

式中：xR、xH、xA分別為源、氫、氨主體的決策變量；R為模式a下ReP2A系統(tǒng)整體收益。

式中：λ2為氫-氨側(cè)等式約束｛hH，hA｝的對偶變量；μ2為氫-氨側(cè)不等式約束｛gH，gA｝的對偶變量。

均衡點(diǎn)求解問題構(gòu)建如下：

式中：λ3為源-氫側(cè)等式約束｛hR，hH｝的對偶變量；μ3為源-氫側(cè)不等式約束｛gR，gH｝的對偶變量。

均衡點(diǎn)求解問題構(gòu)建如下：

對于Θkkt中形如0≤a⊥b≥0的互補(bǔ)松弛條件，通過大M 法變換為混合整數(shù)線性約束，即可得多主體均衡問題的MILP 模型。本文模型納什均衡的證明及驗(yàn)證見附錄B。

3 算例分析

采用蒙西地區(qū)某在建工程數(shù)據(jù)構(gòu)造算例，基于Wolfram Mathematica 語言建立多主體均衡模型，采用GUROBI 求解MILP 問題，以分析均衡狀態(tài)及其關(guān)鍵影響因素。其中，Wolfram Mathematica 語言借助其符號(hào)數(shù)值混合計(jì)算能力，具備較高靈活性，已應(yīng)用于電力系統(tǒng)分析等領(lǐng)域的研究與教學(xué)。

3.1 參數(shù)設(shè)定

算例系統(tǒng)中，電源側(cè)由200 MW 風(fēng)電與260 MW光伏構(gòu)成；制氫側(cè)額定負(fù)載為125 MW，氫氣產(chǎn)率為25 000 m3／h；合成氨額定氨產(chǎn)率為15.564 t／h，額定負(fù)載下耗電功率為10 MW。關(guān)鍵參數(shù)見附錄C表C1。其中，風(fēng)光發(fā)電與外部電網(wǎng)購、售電價(jià)均來源于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)2022 年8 月實(shí)際數(shù)據(jù)，外部氨價(jià)來自ChemicalBook；外網(wǎng)售電及上網(wǎng)電價(jià)、氨價(jià)曲線分別如附錄C圖C1和圖C2所示。

3.2 仿真分析

分別對模式a — e 下ReP2A 系統(tǒng)多主體均衡狀態(tài)進(jìn)行分析。首先，針對模式a（源、氫、氨分屬不同主體），在3.2.1、3.2.2 節(jié)探討各主體互動(dòng)關(guān)系；然后，在3.2.3 節(jié)分析不同主體結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)單迭代法驗(yàn)證，所有結(jié)果均為納什均衡。

3.2.1 源側(cè)生產(chǎn)運(yùn)營均衡分析

模式a、b 下內(nèi)部電力市場1 周內(nèi)均衡電價(jià)如附錄C 圖C3 所示，源、氫、氨主體的發(fā)用電、購售電功率曲線如圖3 所示?？梢?，ReP2A 系統(tǒng)內(nèi)部電價(jià)與風(fēng)光出力具有明顯的互補(bǔ)特性。當(dāng)風(fēng)光出力偏低且均衡電價(jià)過高，如t為25、43 h等時(shí)，由于制氫成本幾乎全部來自電力，氫側(cè)將減少或停止制氫；內(nèi)部電力市場亦幾乎不產(chǎn)生交易，源測向外網(wǎng)直接售電。當(dāng)風(fēng)光出力較高，如t為11～15 h 等時(shí)，源-氫與源-氨間的電力交易趨于飽和，源測向外網(wǎng)出售余電以最大化自身收益。

圖3 模式a下源、氫、氨各主體的發(fā)用電與購售電功率Fig.3 Power generation，load，sale and purchase of each agent at power source side，hydrogen production side and ammonia synthesis side in Mode a

3.2.2 氫、氨側(cè)生產(chǎn)運(yùn)營均衡分析

1 周內(nèi)均衡氫價(jià)見附錄C 圖C4?？梢姡瑲鋬r(jià)趨勢受氨價(jià)影響。當(dāng)氨價(jià)升高時(shí)，氫側(cè)作為“壟斷”制氫的主體會(huì)抬高氫價(jià)；氨側(cè)為保證自身利益將減少購氫，對氫側(cè)收益造成影響。氫交易在“價(jià)高量少”與“價(jià)低量大”的模式間達(dá)到均衡。

由圖3（b）和圖C3可知，當(dāng)風(fēng)光被全部消納，如t為92～101、124～129 h 等時(shí)，氫側(cè)綜合考慮電網(wǎng)電價(jià)與氫價(jià)，仍從電網(wǎng)購電制氫。而分析圖3（c）、圖C3和圖C4 可知，氨側(cè)不僅需兼顧電價(jià)、氫價(jià)與氨價(jià)以制定生產(chǎn)計(jì)劃，還需考慮合成氨生產(chǎn)安全。如t為2、90 h等時(shí)，盡管凈收益為負(fù)，但合成氨工段的靈活性受限，亦不能切換至低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。

氫側(cè)的制氫、售氫曲線、儲(chǔ)氫狀態(tài)和氨側(cè)的儲(chǔ)氨狀態(tài)如圖4 所示?？梢?，制氫與耗氫趨勢基本一致。首先，儲(chǔ)氫罐容量及制氫、用氫平衡限制已給定二者偏差的上下限；其次，上述現(xiàn)象反映了氫、氨主體應(yīng)對電價(jià)波動(dòng)時(shí)運(yùn)行策略的一致性，體現(xiàn)出各主體的個(gè)體理性。

圖4 模式a下產(chǎn)氫、售氫、儲(chǔ)氫和儲(chǔ)氨狀態(tài)曲線Fig.4 Hydrogen production，hydrogen sale，hydrogen stock state and ammonia stock state in Mode a

由圖4 可知，氫側(cè)利用儲(chǔ)氫罐為儲(chǔ)氫、售氫提供靈活性空間，同時(shí)確保合成氨的運(yùn)行安全。結(jié)合圖4 和圖C2 可見，在t為48～72、96～120 h 時(shí)，氨側(cè)利用儲(chǔ)氨罐優(yōu)化生產(chǎn)以獲取更大利潤。對比圖4 中儲(chǔ)罐狀態(tài)波動(dòng)情況，可知儲(chǔ)氫受其低能量密度限制，僅能在小時(shí)級時(shí)間尺度上協(xié)調(diào)生產(chǎn)，而儲(chǔ)氨則可在日級乃至更長時(shí)間尺度上優(yōu)化生產(chǎn)，從而印證了文獻(xiàn)［13］的分析結(jié)論。儲(chǔ)罐容量影響均衡的靈敏度分析見3.2.4節(jié)。

3.2.3 不同主體結(jié)構(gòu)下生產(chǎn)運(yùn)營對比分析

模式b — e 下系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分別如附錄D 圖D1 — D4 所示，各模式下的可再生能源消納以及氨產(chǎn)量如表1所示，運(yùn)行收益對比如表2所示?？梢钥闯?，雖然模式a、b 下可再生能源消納、氨產(chǎn)量及系統(tǒng)整體收益均持平，但氫-氨一體化（模式b）相較于獨(dú)立運(yùn)行（模式a），電制氫合成氨應(yīng)對外部電價(jià)與氨價(jià)波動(dòng)的靈活性得到提升，邊際收益有所提高，總購電支出降低了29 827 元，收益提升了1.6 %。因此，相關(guān)部門在鼓勵(lì)化工企業(yè)投資建設(shè)合成氨工廠時(shí)，同時(shí)投資建設(shè)制氫廠，以避免二者分屬不同主體因利益沖突而造成經(jīng)濟(jì)損失。

表1 各模式下可再生能源消納量與氨產(chǎn)量Table 1 Renewable power consumption and ammonia production in different modes

表2 各模式運(yùn)行收益對比Table 2 Contrast of operating profit among different modes單位：元

模式c（風(fēng)光制氫一體化）下的氨產(chǎn)量較模式a提升了0.9 %，但可再生能源消納降低了3.0 %，系統(tǒng)整體收益降低了1.2 %，源、氫收益之和降低了1.2 %，同時(shí)氨側(cè)收益降低了0.75 %。由于合成氨用氫成本比電力成本高10 倍以上，兩主體之間氫交易占主導(dǎo)地位，故氨側(cè)受迫從外網(wǎng)購電，其邊際生產(chǎn)成本上升，通過降低氫市場價(jià)格將氨側(cè)部分上浮成本轉(zhuǎn)移至源-氫主體以達(dá)到均衡，導(dǎo)致雙方收益均有所下降。考慮到現(xiàn)實(shí)中已有該類示范工程立項(xiàng)開工，監(jiān)管部門應(yīng)限制單方壟斷，同時(shí)加以激勵(lì)措施以保證該模式的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

模式d 中，源側(cè)不與氫-氨主體直接交易，二者均僅與外部電網(wǎng)進(jìn)行能量交換。此時(shí)，氨產(chǎn)量較模式b 下降了19.6 %，源測收益下降了24.6 %，各方總收益下降了28.9 %，故不宜在現(xiàn)實(shí)中直接采用。為避免上述不足，電力監(jiān)管部門應(yīng)創(chuàng)造交易環(huán)境，滿足氫-氨主體與可再生能源發(fā)電直接進(jìn)行電能交互的需求，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ絙。

模式e（風(fēng)光氫氨一體化）中，可再生能源消納量、氨產(chǎn)量、系統(tǒng)整體收益較模式a 分別提升了4.6 %、2.2 %、1.2 %?？梢?，多主體博弈與集中決策存在顯著差異，個(gè)體利益與全局利益并不一致。三者一體化運(yùn)行可避免多方利益沖突所致?lián)p失，提升綠電、綠氫利用的綜合收益。若資源、地理、法規(guī)等條件允許，則在風(fēng)光平價(jià)上網(wǎng)等政策下，應(yīng)鼓勵(lì)發(fā)電或化工企業(yè)投資建設(shè)風(fēng)光氫氨一體化工程。

3.2.4 氫、氨側(cè)儲(chǔ)罐配置對均衡狀態(tài)的影響分析

針對主體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的模式a，展開儲(chǔ)氫罐、儲(chǔ)氨罐容量配置影響均衡狀態(tài)的靈敏度分析，得到儲(chǔ)罐容量對系統(tǒng)總收益及源、氫、氨各方收益的靈敏度分別如圖5（a）、附錄E 圖E1、圖5（b）、圖5（c）所示，氫、氨側(cè)儲(chǔ)罐單位容量投資及1 周內(nèi)系統(tǒng)增益分別如附錄E表E1、E2所示。

圖5 模式a下氫、氨側(cè)儲(chǔ)罐容量配置對多方收益的影響Fig.5 Impact of hydrogen and ammonia buffer capacities on multi-agent profits in Mode a

由圖5（a）可知，固定儲(chǔ)氨罐容量，按A→E→B由60 000 m3儲(chǔ)氫逐點(diǎn)提升容量30 000 m3，1 周內(nèi)增益分別為4 000、2 000 元，單位增益投資之比分別為5.2×10-4、2.6×10-4。固定儲(chǔ)氫罐容量，按照C→D→E→F→G由600 t儲(chǔ)氨依次提升容量200、200、500、100 t，1周內(nèi)增益分別為58 000、40 000、51 000、1 000元，單位增益投資之比分別為8.2×10-2、5.8×10-2、2.9×10-2、2.9×10-3。在給定儲(chǔ)罐容量區(qū)間內(nèi)，儲(chǔ)氨高能量密度、低成本帶來的增益是儲(chǔ)氫的5.6～323 倍。換言之，投資儲(chǔ)氫為其所屬主體帶來的經(jīng)濟(jì)收益不顯著。

此外需指出的是，納什均衡由博弈結(jié)構(gòu)所決定［18］。由于氫、氨側(cè)收益函數(shù)包含等雙線性項(xiàng)且雙線性項(xiàng)中變量單調(diào)性相反，故氫、氨側(cè)收益關(guān)于儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氨容量提升不一定呈單調(diào)關(guān)系，而呈非凸。如：圖5（b）中，由H→I→J提升儲(chǔ)氫容量，氫側(cè)收益先增后減；圖5（c）中，由L→M→N提升儲(chǔ)氨，氨側(cè)收益先增后減。由此可知，簡單地提升儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氨配置并非能提高各自主體的均衡收益。因此，從系統(tǒng)安全與靈活性角度考慮，為防止儲(chǔ)氫容量過低、綠氫供應(yīng)流量波動(dòng)過大導(dǎo)致合成氨無法安全生產(chǎn)，監(jiān)管部門應(yīng)限制儲(chǔ)氫配置的最低容量，同時(shí)建立補(bǔ)償機(jī)制以兼顧氫側(cè)投資主體的利益。

4 結(jié)論

針對ReP2A 系統(tǒng)可再生能源發(fā)電、制氫、合成氨工段隸屬于不同主體并參與電、氫、氨市場，提出多主體均衡模型，并基于蒙西地區(qū)某在建示范工程構(gòu)造算例，對不同主體結(jié)構(gòu)下的均衡狀態(tài)展開分析，得到如下結(jié)論。

1）對比源、氫、氨獨(dú)立運(yùn)行模式及氫-氨一體化模式，系統(tǒng)整體收益持平，能源利用率一致，氫-氨側(cè)收益增加，故化工企業(yè)可考慮氫-氨一體化建設(shè)以提升效益。

2）相較于源、氫、氨獨(dú)立運(yùn)行，風(fēng)光制氫一體化模式中氨側(cè)從外網(wǎng)購電，風(fēng)光消納及氨產(chǎn)量降低，各方收益均有所下降。故監(jiān)管部門應(yīng)為其內(nèi)部電力交易創(chuàng)造條件，限制壟斷，同時(shí)加以激勵(lì)措施以保證該模式的經(jīng)濟(jì)可行性。

3）不同主體模式中，風(fēng)光氫氨一體化模式下系統(tǒng)收益、風(fēng)光消納、氨產(chǎn)量均最高。若資源、地理、法規(guī)等條件允許，則應(yīng)鼓勵(lì)發(fā)電或化工企業(yè)投資建設(shè)風(fēng)光氫氨一體化工程。

4）均衡條件下，投資儲(chǔ)氨的增益可達(dá)投資儲(chǔ)氫的數(shù)十倍乃至更高，且氫、氨主體單方面提升儲(chǔ)罐容量并不一定會(huì)提升自身收益。因此，為保證安全生產(chǎn)，監(jiān)管部門應(yīng)限制最低儲(chǔ)氫容量，同時(shí)建立補(bǔ)償機(jī)制以兼顧氫側(cè)投資主體的利益。

后續(xù)研究將從以下方面展開：①計(jì)及風(fēng)光發(fā)電以及電價(jià)、氨價(jià)不確定性；②考慮制、儲(chǔ)、輸氫與化工、交通領(lǐng)域用氫需求耦合，研究包含區(qū)域氫供應(yīng)鏈的多主體運(yùn)行模式；③細(xì)化制氫、合成氨的詳細(xì)動(dòng)態(tài)模型，提升分析結(jié)果的工業(yè)實(shí)用性。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。