考慮外部博弈和內部協同的耦合系統時序隨機生產模擬

任洲洋 程 歡 周桂平 趙苑竹 王 磊

考慮外部博弈和內部協同的耦合系統時序隨機生產模擬

任洲洋1程 歡1周桂平2趙苑竹2王 磊2

（1. 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學電氣工程學院） 重慶 400044 2. 國網遼寧省電力有限公司 沈陽 110006）

火電與可再生能源在同一并網點集成為耦合系統能夠有效促進可再生能源消納。傳統隨機生產模擬方法難以充分考慮外部市場競爭以及內部機組協同對耦合系統運行的影響。為此，提出一種考慮外部博弈和內部協同的耦合系統時序隨機生產模擬方法。首先，基于主從博弈，刻畫耦合系統與其他發電商及電網之間的電量-電價競爭關系，基于合作博弈，建立了反映耦合系統內火電與可再生能源機組合作競爭關系的內部協同模型；然后，建立考慮外部博弈和內部協同嵌套的耦合系統時序隨機生產模擬方法，提出耦合系統的可靠性評估指標以及內部機組經濟收益分配方法；最后，采用中國東北某區域電網的實測數據，驗證了所提方法的有效性和正確性。仿真結果表明，通過外部博弈和內部協同，耦合系統的經濟性和可靠性大幅提升。

耦合系統 內部協同 外部博弈 隨機生產模擬 電力市場

0 引言

近年來，可再生能源大規模并網導致優質消納困難[1-3]。國家發展改革委和國家能源局出臺了關于“風光火儲一體化”的指導意見，強調要充分利用各類能源的互補協調能力，提高可再生能源消納水平[4]。

我國北方電力系統中普遍存在火電與可再生能源在同一并網點實現物理耦合的耦合系統[5]，在提高可再生能源消納水平的同時又能以更加低廉、可控的出力參與電力市場交易，有利于推進可再生能源規模化發展。如何實現電力市場環境下耦合系統經濟性和可靠性的準確評估，對于耦合系統的規劃與運行具有重要的理論研究價值和工程應用前景。

隨機生產模擬是反映電力系統時序運行狀態，評估整體經濟性和可靠性的關鍵基礎工具[6-7]，可有效支撐多電源耦合系統運行、規劃及市場交易等策略制定[8]。近年來，圍繞多電源系統的隨機生產模擬方法，現有文獻開展了大量卓有成效的研究工作[9-15]。其中，文獻[9]考慮不同風電消納策略，建立了風-火聯合外送的互聯系統隨機生產模擬，為互聯系統規劃、運行提供科學的決策依據；文獻[11]結合機組多狀態模型提出含風-光-水-火電力系統的多狀態隨機生產模擬方法，以評估新能源時序特性對常規機組啟停的影響；文獻[12-13]基于有效容量分布法建立了含風-儲多能互補電力系統的時序隨機生產模擬方法，量化評估不同調度策略下多能互補系統的可靠性及新能源消納水平；文獻[14]將系統運行調度策略與隨機生產模擬中各類型機組的加載順序相結合，構建了考慮斷面約束的多能源電力系統時序隨機生產模擬方法，充分保證新能源的優先消納；文獻[15]考慮日前機組組合計劃，基于時序負荷曲線，利用隨機生產模擬方法建立反映風-火發電系統調節能力的運行備用容量與可靠性之間的量化關系。

然而，上述隨機生產模擬方法重點關注系統的時序性和各機組間的相互作用及其對電力系統整體性能的影響。鮮有計及市場競爭環境對多電源耦合系統運行影響的隨機生產模擬方法，難以準確評估市場環境下耦合系統的經濟性和可靠性水平。

在市場環境下，博弈論作為處理多主體問題的有效方法，被廣泛應用于多能源系統耦合的優化運行中。文獻[16]基于合作博弈論分析了風火聯合外送模式，結果表明相較獨立外送，聯合外送更有利于提高系統整體經濟效益；文獻[17]采取合作博弈優化機組運行，并結合Shapley收益分配方法調動虛擬電廠中可再生能源與可控機組協同的積極性；文獻[18]為解決供給側風電消納問題，提出了風火網三方非合作博弈模型。上述研究往往只考慮多主體耦合系統的外部競爭或內部合作的單一利益關系，而本文研究的可再生能源與火電在同點并網的耦合系統實現了物理耦合，在參與市場競爭時，需計及內部機組運行和外部市場競爭的耦合關系，而現有研究忽略了火電與可再生能源耦合系統內部協同和外部博弈的關聯關系，適用性有限，無法充分挖掘耦合系統整體經濟性的提升潛力。

針對傳統方法無法適應市場環境下耦合系統外部博弈和內部協同的耦合關系，且缺乏有效的耦合系統可靠性和經濟性評估方法，本文在深入分析耦合系統內外協同競爭機制的基礎上，提出考慮外部博弈和內部協同的耦合系統時序隨機生產模擬方法。首先，基于主從博弈，刻畫了耦合系統與其他發電商及電網之間的電量-電價競爭關系，建立了反映耦合系統內火電與可再生能源機組協同競爭關系的合作博弈模型；然后，結合時序負荷曲線模擬思想，建立了考慮耦合系統外部博弈和內部協同嵌套的時序隨機生產模擬方法，提出了耦合系統可靠性評估指標以及內部機組經濟收益分配方法；最后，采用中國東北某區域電網的實測數據，驗證了本文方法的有效性。

1 耦合系統的外部博弈和內部協同機制

1.1 耦合系統概念

廣義的耦合系統可理解為電力系統中由不同類型電源集成的復合電能生產主體[19]，如風火打捆、虛擬電廠等。本文研究的耦合系統特指火電與風電、光伏等可再生能源在同點并網，與空間位置分散的風光火打捆發電系統不同，本文所提耦合系統通過在同點并網，可真正實現火電與可再生能源在物理空間上的耦合。因此，本文的耦合系統可作為整體可控的調控對象和運營主體參與電力系統運行，更具有調度優勢。耦合系統示意圖如圖1所示。

式中，L為耦合系統時段合約分解電量。

耦合系統利用結構優勢可充分發揮火電的靈活調節能力平抑風光出力波動，提高可再生能源消納水平及電力系統安全、經濟運行水平。在電力市場中，耦合系統依靠內部火電與可再生能源的協同配合，可實現低成本、低碳運行，并展現出良好的調節性能，能夠大幅提高耦合系統的市場競爭力與經濟效益。因此，需綜合考慮耦合系統的外部市場競爭環境與內部機組協調配合之間的關聯關系，進行耦合系統隨機生產模擬，充分挖掘耦合系統靈活運行的潛能。