基于主从博弈的新能源电源参与调频市场的出清模型

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引言

随着全球能源转型的加速，传统的化石能源逐步被清洁的新能源所取代。尤其是在风能和太阳能等可再生能源的快速发展下，电力市场的结构和运行模式发生了深刻的变化。然而，新能源的波动性和间歇性使得电网调度和频率稳定性面临前所未有的挑战。在电力市场中，调频服务作为保持电网频率稳定、保障电力系统可靠运行的关键功能，其重要性愈加突出。

调频市场作为一种灵活的电力市场机制，能够通过市场化手段引导发电资源参与电网的频率调节。传统的火电机组凭借其较强的调节能力在调频市场中占据主导地位。然而，随着新能源比例的不断提升，尤其是风电、光伏等波动性较强的发电形式逐步占据市场主流地位，新能源发电在参与调频市场时面临着一系列技术和市场适应性问题。这些问题不仅影响新能源电源的市场竞争力，也影响整个电力系统的稳定性和安全性。

针对这一问题，本文基于主从博弈理论，提出了一种新能源电源参与调频市场的出清模型。博弈论作为分析多方交互决策行为的重要工具，在电力市场中得到了广泛的应用。通过引入主从博弈模型，能够有效地描述新能源电源与系统调度方之间的互动关系，以及它们在调频市场中的博弈过程。在该模型中，新能源电源作为“从方”，通过参与调频市场的竞标来获得收益；而系统调度方作为“主方”，则通过出清过程确定市场上各类资源的参与情况和价格水平。

本文的核心贡献在于，基于主从博弈理论，构建了新能源电源在调频市场中的参与模型，并进一步分析了调频市场中新能源电源的策略选择与市场出清机制。通过这种建模与分析，能够为新能源电源的市场行为提供理论支持，同时为电网调度提供更加合理的市场设计方案，助力提升新能源发电在调频市场中的竞争力和调节能力。

1　调频性能指标计算

考虑到不同机组提供调频服务的差异，在调频市场的结算中引入调频性能指标。电源机组的频率调节性能指标分为三部分：调节速率指标、响应时间指标。调频性能指标越高的机组提供的调皮服务质量越好，其提供调频服务所获得的利润也越大。

调频性能指标： $k=\sigma _{1}k _{1}+\sigma _{2}k _{2}+\sigma _{3}k _{3}$ ，其中 $\sigma _{1}$ 、 $\sigma _{2}$ 和 $\sigma _{3}$ 是权重系数。

调频市场采用日前阶段报价和实时阶段出清的运行模式。

在日前阶段，各类电源估计第二天的调频容量、调频容量报价和调节里程报价。调频市场根据过去一周电源的中标调频容量和中标调频里程计算中标里程收益因子λ

2. 主从博弈模型建立及求解

在调频市场与各类型电源进行交易的过程中，电源为调频市场提供调频辅助服务并制定相应的价格，调频市场根据自身的需求和利益购买调频辅助服务。在这一过程中，电源希望以更高的价格出售调频服务以获得最大利润，但同时也需要承担定价过高而不被购买的风险。调频市场需要根据实际需求购买调频服务，在满足所购买的调频容量、调频里程大于系统需求时，选择价格低，调频性能好的电源机组。

2.1　上层优化模型

在各电源机组对调频容量、报价等信息进行申报与调频市场中标调频容量、调频里程的过程中，各电源机组通过调整其申报的调频容量、调频容量报价、调频里程报价的方式影响调频市场的购买行为，因此各类型电源机组作为领导者在这一博弈过程中占据主导地位，属于上层优化模型。

对于提供调节容量和调节里程的所有类型的电源机组，主要目标是最大化其总利润。过高的报价可能会减少市场对调频容量的中标，使利润下降。假设各机组提供单位调频容量在中标调频容量不变，调频容量报价、调频里程报价越高，调频性能越好，收益越大。

其中， $k_{g}^{wt}$ 为G风电机组调频性能指标， $R_{g}^{wt}$ 为G风电机组的调频容量， $R_{s,h}^{pv}$ 为第五台风电机组调价里程， $\pi _{c,g}^{wt}$ 为G风电机组申报的调标容量价格， $\pi _{s,h}^{pv}$ 是 g风电机组的调节里程价格， $C _{c,g}^{wt}$ 是为风电机组提供单位调频容量的成本。其他电源类似。