【核心复现】基于合作博弈的综合能源系统电-热-气协同优化运行策略附Matlab代码

最新推荐文章于 2025-07-25 16:33:41 发布

matlab科研社

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文章标签：能源 matlab 数据结构

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🔥 内容介绍

摘要： 综合能源系统（Integrated Energy System, IES）作为实现能源高效利用、降低环境污染的重要手段，日益受到重视。电、热、气多种能源的协同优化运行是IES的核心挑战之一。本文旨在对“基于合作博弈的综合能源系统电-热-气协同优化运行策略”这一关键课题进行核心复现，并深入分析其理论基础、模型构建、求解方法以及潜在的优缺点。通过复现典型算例，验证该策略的有效性，并探讨其在实际应用中的改进方向，为IES的未来发展提供参考。

一、引言

随着全球能源危机和环境问题的日益严峻，构建安全、高效、清洁的能源体系已成为全球共识。综合能源系统作为一种能够将多种能源形式进行互补利用的复杂系统，在提高能源利用效率、降低能源成本、减少环境污染等方面具有显著优势。然而，电、热、气等多种能源网络之间存在复杂的耦合关系，如何实现各能源子系统之间的协同优化运行，是构建高效IES的关键所在。

传统的优化方法，如线性规划、混合整数规划等，在处理复杂IES的优化问题时，往往面临计算复杂度高、难以反映各利益主体之间的博弈关系等问题。近年来，合作博弈理论逐渐被引入到IES的优化运行中，通过构建合适的联盟结构和收益分配机制，能够有效协调各能源主体之间的利益，实现整体最优。

本文围绕“基于合作博弈的综合能源系统电-热-气协同优化运行策略”这一主题，旨在复现并深入分析其关键技术。具体而言，本文将重点关注以下几个方面：

合作博弈理论基础：
阐述合作博弈的基本概念、纳什议价解等关键理论，并探讨其在IES协同优化中的应用。
IES电-热-气耦合模型构建：
构建包含电网、热网、气网的IES耦合模型，并考虑各种能源转换设备（如热电联产、燃气轮机、电制冷等）的运行特性。
合作博弈框架下的优化模型：
将合作博弈理论与IES模型相结合，构建考虑联盟形成和收益分配的协同优化模型。
求解算法选择与实现：
选择合适的求解算法（如遗传算法、粒子群算法等），并实现优化模型的求解。
算例复现与分析：
通过复现典型算例，验证该策略的有效性，并分析不同参数对结果的影响。

二、合作博弈理论基础

合作博弈理论是一种研究多个参与者合作以获取共同利益的数学模型。与非合作博弈不同，合作博弈允许参与者形成联盟，并共同制定策略以最大化联盟的整体收益。在IES中，各能源主体（如电网、热网、气网运营者）可以被视为合作博弈的参与者，通过形成联盟，实现能源的互补利用，提高整体的运行效率。

合作博弈中的关键概念包括：

联盟：
参与者组成的集合，记为S。
特征函数：
描述每个联盟能够获得的收益，记为v(S)。特征函数的设计是合作博弈的关键，它直接影响联盟的形成和收益分配。
核心：
一种稳定的收益分配方案，能够保证没有联盟可以通过脱离整体联盟获得更高的收益。
夏普利值：
一种基于边际贡献的收益分配方案，公平地考虑了每个参与者对整体联盟的贡献。
纳什议价解：
一种基于参与者议价能力的收益分配方案，能够反映参与者之间的相对实力。

在IES协同优化中，选择合适的特征函数和收益分配方案至关重要。常见的特征函数包括：

联盟成本节约：
联盟成员通过合作降低的运行成本。
联盟收益增加：
联盟成员通过合作获得的额外收益（如提高可再生能源消纳能力）。

常见的收益分配方案包括：

等比例分配：
所有联盟成员按照相同比例分享联盟收益。
成本分摊：
联盟成员按照其对联盟成本的贡献分摊成本。
夏普利值分配：
按照每个成员的边际贡献分配联盟收益。
纳什议价解分配：
按照成员的议价能力分配联盟收益。

三、IES电-热-气耦合模型构建

为了实现电-热-气协同优化，需要构建能够准确描述各能源网络之间耦合关系的数学模型。该模型应包括以下几个关键组成部分：

电网模型：
描述电网的潮流分布、节点电压、线路容量等约束，并考虑发电机组的运行特性（如发电成本、出力范围等）。常用的电网模型包括直流潮流模型和交流潮流模型。
热网模型：
描述热网的热力平衡、节点温度、管道压力等约束，并考虑热源（如热电联产、燃气锅炉等）和热用户的需求。常用的热网模型包括水力模型和热力模型。
气网模型：
描述气网的气体压力、管道流量等约束，并考虑气源和气用户的需求。常用的气网模型包括线性化气网模型和非线性气网模型。
能源转换设备模型：
描述各种能源转换设备（如热电联产、燃气轮机、电制冷等）的输入输出关系，并考虑其运行效率和容量限制。
能量平衡约束：
保证每个节点的能量平衡，即流入节点的能量等于流出节点的能量。

构建IES模型时，需要考虑模型的精度和计算复杂度之间的平衡。对于大规模IES，可以采用线性化或简化模型，以降低计算复杂度。

四、合作博弈框架下的优化模型

在构建了IES的电-热-气耦合模型后，可以将合作博弈理论引入到优化模型中。合作博弈框架下的优化模型通常包括以下几个关键步骤：

联盟结构确定：
确定IES中可能的联盟结构。例如，可以将电网、热网、气网分别视为一个参与者，并考虑不同的联盟组合（如电网-热网联盟、电网-气网联盟、电网-热网-气网联盟等）。
特征函数计算：
计算每个联盟的特征函数值，即联盟能够获得的收益。这通常需要求解不同联盟下的优化问题，例如，在电网-热网联盟下，优化电网和热网的运行，以最小化联盟的运行成本或最大化联盟的收益。
收益分配：
选择合适的收益分配方案，将联盟的收益分配给联盟成员。常用的收益分配方案包括夏普利值分配和纳什议价解分配。
优化求解：
利用求解算法（如遗传算法、粒子群算法等）求解优化模型，得到IES的电-热-气协同优化运行策略。