【电力系统】基于纳什谈判理论的风–光–氢多主体能源系统合作运行方法附Matlab代码

最新推荐文章于 2025-12-03 17:30:30 发布

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🔥 内容介绍

随着全球能源结构的转型，可再生能源如风能和太阳能日益渗透到电力系统中。然而，风能和太阳能固有的间歇性和波动性给电力系统的稳定运行带来了严峻挑战。氢能作为一种清洁、高效的储能介质，可以将波动性可再生能源转换为可控能源，为解决可再生能源消纳问题提供了新的途径。因此，风-光-氢多主体能源系统集成已成为学术界和工业界的研究热点。然而，风、光、氢各能源主体往往具有独立的利益诉求，如何在满足各自利益最大化的前提下实现系统整体的协同优化，是一个亟待解决的关键问题。本文将深入探讨基于纳什谈判理论的风-光-氢多主体能源系统合作运行方法，以期实现系统资源的优化配置和参与主体的互利共赢。

一、风-光-氢多主体能源系统概述

风-光-氢多主体能源系统通常由风电场、光伏电站、电解槽、氢气储罐、燃料电池以及电力负荷构成。风电场和光伏电站负责将风能和太阳能转化为电能，但其发电功率受到自然资源的限制，具有间歇性和随机性。电解槽利用电能将水分解为氢气和氧气，实现电能到氢能的转换，从而为氢气储罐提供氢气来源。氢气储罐用于存储氢气，起到时间尺度上的能量缓冲作用。燃料电池则将氢气转换为电能，可以灵活地响应负荷需求，提供电力支撑。不同主体之间存在复杂的能量流关系，例如：

风/光电 → 电解槽：
将过剩的风/光电用于电解水制氢，提高可再生能源的消纳率。
风/光电 → 负荷：
直接为电力负荷供电，降低对传统能源的依赖。
氢气储罐 → 燃料电池：
在风/光电出力不足时，燃料电池发电补充电力缺口，保证供电可靠性。
燃料电池 → 电网：
多余的燃料电池发电可以向电网售电，获取经济效益。

由于各个能源主体通常由不同的运营商或投资方拥有，每个主体都希望在能源系统的运行过程中实现自身的利益最大化。例如，风电场希望尽可能多地出售电力，光伏电站希望最大化光伏发电的利用率，电解槽希望以尽可能低的成本获取电能，燃料电池希望以尽可能高的效率发电。这些独立的利益诉求使得传统的集中式优化方法难以应用，需要一种能够协调各个主体利益的合作运行机制。

二、纳什谈判理论及其在多主体能源系统中的应用

纳什谈判理论是一种博弈论的经典理论，用于分析两个或多个理性个体在相互合作的情况下如何达成协议以分配合作所得收益。其核心思想是找到一个帕累托最优的合作解，使得所有参与者的收益都不能在不损害其他参与者利益的前提下得到进一步提高。纳什谈判解满足四个重要公理：

帕累托最优性 (Pareto Optimality):
任何其他合作方案都不可能在不降低至少一个参与者收益的情况下提高其他参与者的收益。
对称性 (Symmetry):
如果所有参与者在谈判中的地位相同，则他们应该获得相同的收益。
独立于不相关方案 (Independence of Irrelevant Alternatives):
如果在最初的谈判方案集合中选择了一个合作方案，并且从谈判方案集合中移除了一些不包含该方案的备选方案，则选择结果不应该改变。
线性不变性 (Independence of Linear Transformations):
如果参与者的收益函数进行线性变换，则谈判结果应该保持不变。

将纳什谈判理论应用于风-光-氢多主体能源系统合作运行中，可以有效协调各个主体的利益，实现系统的协同优化。具体步骤包括：

确定参与主体和谈判变量： 识别系统中的所有参与主体，例如风电场、光伏电站、电解槽、燃料电池等，并确定各个主体可以控制的变量，例如风电场的出力、光伏电站的发电功率、电解槽的运行状态、燃料电池的发电功率等。
建立各个主体的收益函数： 基于各个主体的运行成本、收益以及约束条件，建立各自的收益函数。例如，风电场的收益函数可以包括售电收入和补贴，光伏电站的收益函数可以包括自发自用收入和售电收入，电解槽的收益函数可以包括制氢收入和运行成本，燃料电池的收益函数可以包括发电收入和氢气消耗成本。
确定谈判域和失效点： 谈判域指的是所有参与主体能够接受的合作方案集合，失效点指的是所有参与主体都不进行合作时的收益。失效点通常是各个主体独立运行时能够获得的最低收益。
构建纳什谈判模型： 基于各个主体的收益函数、谈判域和失效点，构建纳什谈判模型。纳什谈判模型的目标是最大化所有参与者收益的乘积，即：

max (U1 - d1) * (U2 - d2) * ... * (Un - dn)

其中，Ui 表示第 i 个参与者的收益，di 表示第 i 个参与者的失效点收益，n 表示参与者的数量。
求解纳什谈判模型： 可以采用优化算法求解纳什谈判模型，例如遗传算法、粒子群算法、内点法等。求解结果将给出各个主体 optimal 的运行策略，从而实现系统的协同优化。

三、基于纳什谈判理论的风-光-氢多主体能源系统合作运行策略

基于纳什谈判理论的风-光-氢多主体能源系统合作运行策略的核心在于实现各个主体之间的收益共享和风险共担。具体的合作运行策略可以根据系统的具体配置和运行目标进行调整。以下列出几种可能的合作运行策略：

电量交易策略： 各个主体之间进行电量交易，例如风电场和光伏电站可以将富余的电能出售给电解槽，电解槽可以将富余的氢气出售给燃料电池。电量交易的价格可以通过纳什谈判确定，以确保各个主体都能获得合理的收益。
联合运行策略： 各个主体联合运行，共同优化系统的整体运行，例如风电场、光伏电站和燃料电池可以根据负荷需求协调出力，电解槽可以根据风/光电的出力情况动态调整运行状态。联合运行的目标是最大化系统的整体收益，并将收益分配给各个主体。收益分配的比例可以通过纳什谈判确定。
风险分担策略： 各个主体共同承担系统的运行风险，例如风电场和光伏电站的出力波动可能会影响电解槽和燃料电池的运行，各个主体可以通过签订合同约定，共同承担风险带来的损失。风险分担的比例可以通过纳什谈判确定。

四、应用案例分析

假设一个风-光-氢多主体能源系统由一个风电场、一个光伏电站和一个氢能系统组成。风电场的目标是最大化售电收入，光伏电站的目标是最大化自发自用和售电收入，氢能系统（包括电解槽和燃料电池）的目标是最大化制氢和发电收入。

模型建立：
- 风电场:
  定义售电功率为 Pw, 售电价格为 Pp，收益函数为 Uw = Pp * Pw。
- 光伏电站:
  定义自发自用功率为 Ppv_self, 售电功率为 Ppv_grid, 自发自用价格为 Ppv_self_price, 售电价格为 Ppv_grid_price, 收益函数为 Upv = Ppv_self_price * Ppv_self + Ppv_grid_price * Ppv_grid。
- 氢能系统:
  定义电解槽耗电量为 Pe, 电解槽运行成本为 Ce, 制氢量为 H2, 氢气销售价格为 Hp, 燃料电池发电功率为 Pf, 燃料电池售电价格为 Pp, 燃料电池氢气消耗量为 H2_consume, 收益函数为 Uh = Hp * H2 + Pp * Pf - Ce * Pe - H2_consume_cost。
谈判域和失效点:
- 确定各个主体独立运行时的收益作为失效点。
- 确定各个主体能够接受的功率范围、价格范围等作为谈判域的约束条件。
纳什谈判模型:
- 构建纳什谈判模型： max (Uw - dw) * (Upv - dpv) * (Uh - dh)，其中 dw, dpv, dh 分别为风电场、光伏电站、氢能系统的失效点收益。
模型求解:
- 采用粒子群算法求解纳什谈判模型，得到各个主体的最优运行策略，包括风电场的售电功率、光伏电站的自发自用和售电功率、电解槽的耗电量和制氢量、燃料电池的发电功率等。