考虑外部博弈和内部协同的耦合系统时序随机生产模拟

任洲洋 程 欢 周桂平 赵苑竹 王 磊

考虑外部博弈和内部协同的耦合系统时序随机生产模拟

任洲洋1程 欢1周桂平2赵苑竹2王 磊2

（1. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学电气工程学院） 重庆 400044 2. 国网辽宁省电力有限公司 沈阳 110006）

火电与可再生能源在同一并网点集成为耦合系统能够有效促进可再生能源消纳。传统随机生产模拟方法难以充分考虑外部市场竞争以及内部机组协同对耦合系统运行的影响。为此，提出一种考虑外部博弈和内部协同的耦合系统时序随机生产模拟方法。首先，基于主从博弈，刻画耦合系统与其他发电商及电网之间的电量-电价竞争关系，基于合作博弈，建立了反映耦合系统内火电与可再生能源机组合作竞争关系的内部协同模型；然后，建立考虑外部博弈和内部协同嵌套的耦合系统时序随机生产模拟方法，提出耦合系统的可靠性评估指标以及内部机组经济收益分配方法；最后，采用中国东北某区域电网的实测数据，验证了所提方法的有效性和正确性。仿真结果表明，通过外部博弈和内部协同，耦合系统的经济性和可靠性大幅提升。

耦合系统 内部协同 外部博弈 随机生产模拟 电力市场

0 引言

近年来，可再生能源大规模并网导致优质消纳困难[1-3]。国家发展改革委和国家能源局出台了关于“风光火储一体化”的指导意见，强调要充分利用各类能源的互补协调能力，提高可再生能源消纳水平[4]。

我国北方电力系统中普遍存在火电与可再生能源在同一并网点实现物理耦合的耦合系统[5]，在提高可再生能源消纳水平的同时又能以更加低廉、可控的出力参与电力市场交易，有利于推进可再生能源规模化发展。如何实现电力市场环境下耦合系统经济性和可靠性的准确评估，对于耦合系统的规划与运行具有重要的理论研究价值和工程应用前景。

随机生产模拟是反映电力系统时序运行状态，评估整体经济性和可靠性的关键基础工具[6-7]，可有效支撑多电源耦合系统运行、规划及市场交易等策略制定[8]。近年来，围绕多电源系统的随机生产模拟方法，现有文献开展了大量卓有成效的研究工作[9-15]。其中，文献[9]考虑不同风电消纳策略，建立了风-火联合外送的互联系统随机生产模拟，为互联系统规划、运行提供科学的决策依据；文献[11]结合机组多状态模型提出含风-光-水-火电力系统的多状态随机生产模拟方法，以评估新能源时序特性对常规机组启停的影响；文献[12-13]基于有效容量分布法建立了含风-储多能互补电力系统的时序随机生产模拟方法，量化评估不同调度策略下多能互补系统的可靠性及新能源消纳水平；文献[14]将系统运行调度策略与随机生产模拟中各类型机组的加载顺序相结合，构建了考虑断面约束的多能源电力系统时序随机生产模拟方法，充分保证新能源的优先消纳；文献[15]考虑日前机组组合计划，基于时序负荷曲线，利用随机生产模拟方法建立反映风-火发电系统调节能力的运行备用容量与可靠性之间的量化关系。

然而，上述随机生产模拟方法重点关注系统的时序性和各机组间的相互作用及其对电力系统整体性能的影响。鲜有计及市场竞争环境对多电源耦合系统运行影响的随机生产模拟方法，难以准确评估市场环境下耦合系统的经济性和可靠性水平。

在市场环境下，博弈论作为处理多主体问题的有效方法，被广泛应用于多能源系统耦合的优化运行中。文献[16]基于合作博弈论分析了风火联合外送模式，结果表明相较独立外送，联合外送更有利于提高系统整体经济效益；文献[17]采取合作博弈优化机组运行，并结合Shapley收益分配方法调动虚拟电厂中可再生能源与可控机组协同的积极性；文献[18]为解决供给侧风电消纳问题，提出了风火网三方非合作博弈模型。上述研究往往只考虑多主体耦合系统的外部竞争或内部合作的单一利益关系，而本文研究的可再生能源与火电在同点并网的耦合系统实现了物理耦合，在参与市场竞争时，需计及内部机组运行和外部市场竞争的耦合关系，而现有研究忽略了火电与可再生能源耦合系统内部协同和外部博弈的关联关系，适用性有限，无法充分挖掘耦合系统整体经济性的提升潜力。

针对传统方法无法适应市场环境下耦合系统外部博弈和内部协同的耦合关系，且缺乏有效的耦合系统可靠性和经济性评估方法，本文在深入分析耦合系统内外协同竞争机制的基础上，提出考虑外部博弈和内部协同的耦合系统时序随机生产模拟方法。首先，基于主从博弈，刻画了耦合系统与其他发电商及电网之间的电量-电价竞争关系，建立了反映耦合系统内火电与可再生能源机组协同竞争关系的合作博弈模型；然后，结合时序负荷曲线模拟思想，建立了考虑耦合系统外部博弈和内部协同嵌套的时序随机生产模拟方法，提出了耦合系统可靠性评估指标以及内部机组经济收益分配方法；最后，采用中国东北某区域电网的实测数据，验证了本文方法的有效性。

1 耦合系统的外部博弈和内部协同机制

1.1 耦合系统概念

广义的耦合系统可理解为电力系统中由不同类型电源集成的复合电能生产主体[19]，如风火打捆、虚拟电厂等。本文研究的耦合系统特指火电与风电、光伏等可再生能源在同点并网，与空间位置分散的风光火打捆发电系统不同，本文所提耦合系统通过在同点并网，可真正实现火电与可再生能源在物理空间上的耦合。因此，本文的耦合系统可作为整体可控的调控对象和运营主体参与电力系统运行，更具有调度优势。耦合系统示意图如图1所示。

式中，L为耦合系统时段合约分解电量。

耦合系统利用结构优势可充分发挥火电的灵活调节能力平抑风光出力波动，提高可再生能源消纳水平及电力系统安全、经济运行水平。在电力市场中，耦合系统依靠内部火电与可再生能源的协同配合，可实现低成本、低碳运行，并展现出良好的调节性能，能够大幅提高耦合系统的市场竞争力与经济效益。因此，需综合考虑耦合系统的外部市场竞争环境与内部机组协调配合之间的关联关系，进行耦合系统随机生产模拟，充分挖掘耦合系统灵活运行的潜能。