【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

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🔥 内容介绍

在能源结构转型与低碳发展的大趋势下，综合能源系统（Integrated Energy System，IES）通过整合电力、热力、天然气等多种能源形式，实现能源的高效利用与协同互补。然而，电、热、气子系统之间存在复杂的耦合关系，且各利益主体目标存在差异，这给系统的协同优化运行带来挑战。基于合作博弈的优化策略，为解决综合能源系统电 - 热 - 气协同优化运行问题提供了新的思路和方法。

一、综合能源系统电 - 热 - 气协同优化运行的必要性与挑战

（一）必要性

综合能源系统打破了传统能源系统相对独立运行的模式，电、热、气等能源形式通过设备耦合实现能量的相互转换与传递。例如，燃气轮机可将天然气转换为电能和热能，电锅炉能将电能转化为热能。这种协同运行模式不仅提高了能源综合利用率，还能降低系统运行成本与碳排放，满足用户多样化的能源需求，对推动能源可持续发展意义重大。

（二）面临的挑战

一方面，电、热、气系统运行特性与时间尺度存在差异。电力系统响应速度快，对实时平衡要求高；热力系统惯性大，调节相对缓慢；天然气系统传输存在延迟。这些差异导致各子系统在协同优化时难以同步。另一方面，综合能源系统中涉及多个利益主体，如电力运营商、热力公司、燃气供应商等，他们的利益诉求各不相同，在优化运行时容易出现冲突，难以实现整体最优。

二、合作博弈理论基础

（一）合作博弈的定义与特点

合作博弈是指参与者能够达成具有约束力的协议，通过合作实现共同利益最大化的博弈形式。与非合作博弈相比，合作博弈强调参与者之间的合作与协调，通过合理分配合作收益，促使各方共同致力于整体目标的实现。在综合能源系统电 - 热 - 气协同优化中，各子系统可视为博弈参与者，通过签订合作协议，协同规划与运行。

（二）关键概念

1. 联盟：在合作博弈中，参与者通过合作形成的集合称为联盟。在综合能源系统中，电、热、气子系统可组成不同联盟，如电 - 热联盟、热 - 气联盟等，以实现特定的优化目标。

1. 特征函数：用于描述联盟在合作过程中能够获得的收益。对于综合能源系统的某个联盟，其特征函数可基于系统运行成本降低、能源利用效率提升等指标来定义。

1. 收益分配：合作博弈的核心问题之一是如何合理分配合作收益。常见的分配方法有 Shapley 值法、核仁法等，确保各参与者在合作中获得公平且合理的收益，从而提高合作的积极性与稳定性。

三、基于合作博弈的电 - 热 - 气协同优化策略构建

（一）模型建立

1. 目标函数：以综合能源系统运行总成本最小、能源利用效率最高、碳排放最低等为目标，构建多目标优化函数。例如，运行总成本包括电力、热力、天然气采购成本，设备运行与维护成本等；能源利用效率可通过系统整体能量转换效率来衡量。

1. 约束条件：考虑电、热、气系统的物理约束，如电力系统的功率平衡约束、热力系统的热量平衡约束、天然气系统的流量平衡约束；设备运行约束，如燃气轮机、电锅炉等设备的功率上下限、启停时间限制；以及安全约束，如电压、压力等参数需在安全范围内。

（二）基于合作博弈的求解流程

1. 联盟形成：分析电、热、气子系统的优势与需求，确定可能的联盟形式。例如，当电力系统在低谷时段有大量富余电能，而热力系统有供热需求时，可形成电 - 热联盟，利用电锅炉将电能转化为热能。

1. 特征函数计算：针对每个联盟，通过系统运行模拟或数学计算，确定其特征函数，即联盟合作可获得的收益。可采用仿真软件模拟不同运行工况下联盟的运行效果，进而计算收益。

1. 收益分配：运用 Shapley 值法等分配方法，根据各子系统对联盟收益的贡献程度，合理分配合作收益。以确保每个子系统在合作中的收益不低于其单独运行时的收益，提高合作意愿。

1. 优化运行决策：基于收益分配结果，制定电 - 热 - 气系统的协同优化运行方案，确定各设备的运行参数与能源调度计划，实现系统整体最优运行。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

🔗 参考文献

[1] 王鑫.基于主动负荷控制的用户侧微电网能量优化的研究[D].北方工业大学,2016.

[2] 米阳,赵海辉,付起欣,等.考虑风光不确定与碳交易的区域综合能源系统双层博弈优化运行[J].电网技术, 2023, 47(6):2174-2184.DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1859.

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