一种基于合作博弈的服务多用户的共享储能优化充放电策略的制作方法

1.本发明涉及电力储能优化调度方法，尤其涉及一种基于合作博弈的服务多用户的共享储能优化充放电策略。


背景技术：

2.目前国内的用电工业大户大多采用两部制电价，即基本电价和电度电价。所谓基本电价是指按用户用电容量计算的电价，所谓电度电价是指按用户用电度数计算的电价。两部制电力用户的基本电费可以自愿选择按变压器容量、合同最大需量、实际最大需量缴纳。
3.随着未来用电成本的提高，工业用户通过配置储能节约成本的意愿大大加强。现有的用户侧储能大多采用“合同能源管理”模式，安装于用户电表内，服务于单个用户，基本上只能通过峰谷价差获利，存在收益模式单一、投资回收期长等问题。


技术实现要素：

4.本发明就是针对上述问题，提出一种基于合作博弈的服务多用户的共享储能优化充放电策略，用以解决上述问题。
5.为达到上述技术目的，本发明采用了一种基于合作博弈的服务多用户的共享储能优化充放电策略，包括合作博弈模型的建立、共享储能优化充放电策略、联盟稳定性分析以及收益分配策略四个组成部分；
6.所述合作博弈属于特征函数博弈，特征函数博弈问题为一个二元组g＝《n， v》，其中n＝{1,2,
…
,n}是博弈参与者编号的集合；v：p0(n)
→
r为合作博弈的特征函数，对于n的任一子集v(c)表示c中所有参与者形成的联盟总收益。p0(n)表示编号集合n的所有子集构成的集合；
7.所述共享储能优化充放电策略的目标函数为：v(c)＝i
cap
+i
qua
；式中： v(c)-联盟c的特征函数，i
cap-节省用户容量电费收益，i
qua-节省用户电量电费收益。
8.作为本发明之优选，所述合作博弈模型的建立包括：参与者集合、支付以及特征函数三部分，其中，在参与者集合部分，工业用户、共享储能为该博弈的参与者，假设有n个工业用户，用u1、u2，
…
un表示，共享储能用b表示，则可表示为：n＝{u1，u2，
…
，un，b}；
9.所述支付是基于全寿命周期的理念，设计参与者支付，将其定义为参与者的全寿命周期收入与全寿命周期费用之差。假定至少有一个用户和储能构成联盟；
10.所述特征函数以v表示，特征函数v为每一个联盟赋予联盟价值，记作v(c)，联盟价值为联盟中成员合作创造的额外收益，即该联盟中所有成员合作创造的总支付与该联盟中成员各自为政的支付和之差：联盟中成员各自为政的支付和之差：式中，v(c)-联盟中成员合作创造的额外收益，i
c-联盟c 的支付，i
i-参与者i的支付，对任何仅有一个参与者的联盟，其联盟价值为零。
11.作为本发明之进一步优选，所述共享储能优化充放电策略还包括一约束条件，所述约束条件具体包括：
12.(1)充放电功率约束：假设储能最大充放电功率等于其额定功率，则在充放电过程中，满足：
13.式中：pc(t)、pd(t)-示t时段电池储能充电功率和放电功率；
14.p
n-储能系统额定功率。
15.(2)荷电状态约束：假设充电起始荷电状态为10％，充电结束荷电状态为 100％，放电结束时荷电状态和充电起始荷电状态相等， soc(t)＝soc(t-1)+ηc×
pc(t)-pd(t)/ηd，式中，soc(t)和soc(t-1)分别为t时段、 t-1时段电池储能的荷电状态，ηc和ηd分别为电池储能的充电效率和放电效率，pc(t)和pd(t)表示t时段电池储能充电功率和放电功率。
16.作为本发明之更进一步优选，所述联盟稳定性分析是指假设一个超可加性博弈g＝《n，v》在总联盟结构下的分配向量x＝(x1，x2，
…
，xn)是稳定的，其满足如下3类约束：
17.(1)整体理性约束：∑
i∈n
xi＝v(n)
18.(2)个体理性约束：∑
i∈c
xi≥v(c)，
19.(3)非负性约束xi≥0。
20.作为本发明之更进一步优选，所述收益分配策略用shapley值表示，所述shapley值是基于参与者边际贡献的分配策略，参与者i的shapley 值定义如下：
21.式中：-成员i从总体利益v(n)所分得的利益，n-加入联盟的用户数量，s-不同成员组成不同的联盟，记为s，s是n的子集；，n-博弈参与者编号的集合，n＝{1，2，
…
，n}；|s|-表示联盟s所包含的成员数， v(s)-表示s中所有参与者形成的联盟的总收益，s\{i}-表示从集合s中删除元素i后的集合。
22.本发明的基于合作博弈的服务多用户的共享储能优化充放电策略将工业用户和共享储能采用合作方式组成联盟，在两部制电价体系下，基于对用户负荷曲线的预测，提出共享储能优化充放电策略和基于参与者边际贡献的分配策略，通过最大化联盟支付和对联盟支付的适当分配来实现个体利益最大化。
附图说明
图1所示为本发明中某省2个工业用户典型日负荷曲线图。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
24.实施例：
25.一种基于合作博弈的服务多用户的共享储能优化充放电策略，包括合作博弈模型的建立、共享储能优化充放电策略、联盟稳定性分析以及收益分配策略四个组成部分；
26.在本发明中，所提到的合作博弈属于特征函数博弈，特征函数博弈问题为一个二元组g＝《n，v》，其中n＝{1,2,
…
,n}是博弈参与者编号的集合；v： p0(n)
→
r为合作博弈的
特征函数，对于n的任一子集v(c)表示c中所有参与者形成的联盟总收益。p0(n)表示编号集合n的所有子集构成的集合；
27.在本发明中，所提到的共享储能优化充放电策略的目标函数为： v(c)＝i
cap
+i
qua
；式中：v(c)—联盟c的特征函数，i
cap
—节省用户容量电费收益，i
qua
—节省用户电量电费收益。
28.在本发明的实施例中，优选的合作博弈模型的建立包括：参与者集合、支付以及特征函数三部分，其中，在参与者集合部分，工业用户、共享储能为该博弈的参与者，假设有n个工业用户，用u1、u2，
…
un表示，共享储能用b表示，则可表示为：n＝{u1，u2，
…
，un，b}；
29.本发明的共享储能优化充放电策略的合作基础是：储能可以为用户带来多重价值，包括减少变压器容量投资(新投产用户)、减少基本电费、减少电量电费、增加需求响应补偿、降低用电损耗、提高供电可靠性以及提高电能质量等。目前价值主要由前2部分构成：储能的削峰填谷减小了用户的最大需量，也就相应地减少了用户每月所交纳基本电费；在分时电价机制下，通过储能系统在低谷电价时段充电，高峰电价时段放电，实现能量套利，减少用户电量电费。储能和多个用户采用合作方式组成联盟，通过共享的方式为多个用户节省电费支出，使得联盟参与方都获益，按约定的比例对收益分成。
30.本发明的共享储能优化充放电策略中，支付是基于全寿命周期的理念，设计参与者支付，将其定义为参与者的全寿命周期收入与全寿命周期费用之差。假定至少有一个用户和储能构成联盟；在本发明中，支付包括联盟的支付、用户的支付以及共享储能的支付。
31.其中，联盟的支付主要是考虑节省用户容量电费i
cap
、节省用户电量电费i
qua
、需求响应收益i
res
三种收益，辅助服务收益i
aux
(参与辅助服务和能量套利冲突，由于目前辅助服务补偿较低)暂不考虑。
32.在本发明的实施例中，联盟的支付可表示为i
tol
＝i
cap
+i
qua
+i
res-c
inv-c
om
33.式中：i
tol-联盟总支付，i
cap-节省用户容量电费收益，i
qua-节省用户电量电费收益，i
res-需求响应收益，c
inv-折算的年平均投资费用，c
om
‑ꢀ
年运行维护费用。
34.在本发明的实施例中，联盟的支付具体包含如下5部分：
35.(1)节省用户容量电费收益i
cap
36.做如下假设：用户都按实际最大需量缴纳容量电费，各工业用户需量电费收费标准相同，共享储能和各用户按相同的比例对节省的容量电费收益进行分成。
37.可表示为：
38.i
icap
＝12
×ees
×
(p
imax-p
′
imax
)
39.式中：i
cap-节省用户容量电费收益，i
icap-用户i通过参与联盟节省的容量电费，n-加入联盟的用户数量，e
es-按最大需量收取的基本电价，元/(kva
·
月)，p
imax-不加入联盟情况下，用户i实际最大需量；p
′
imax
‑ꢀ
加入联盟情况下，用户i实际最大需量。
40.(2)节省用户电量电费收益i
qua
41.做如下假设：用户实行两部制电价，在某个时刻充电价格、放电价格相同，共享储能和各用户按相同的比例对节省的电量电费收益进行分成。
42.可表示为：
43.i
iqua
＝n
run
×
(ef×wfi-ec×wci
)
44.w
fi
＝w
ci
×
η
45.式中：i
qua-节省用户电量电费收益，n-加入联盟的用户数量，i
iqua
‑ꢀ
用户i通过参与联盟节省的电量电费，n
run-储能系统年平均运行天数，ef‑ꢀ
年平均放电电价，元/kwh，w
fi-储能服务于用户i的平均日放电电量， kwh，e
c-年平均充电电价，元/kwh，w
ci-储能服务于用户i的平均日充电电量，kwh，η-储能系统综合效率。
46.(3)需求响应收益i
res
47.当需求响应补偿费用较高时，共享储能可通过改变运行方式(比如由的“两充两放”改为“一充一放”)参与需求响应获取补贴收入，但此时会减少一部分能量套利收益。
48.可表示为：
49.式中：i
res-储能系统参与需求响应获得的收益，n
p-一年内储能参与削峰需求响应次数，p
b-储能系统功率容量，k
p-削峰需求响应补贴系数，r
p
‑‑ꢀ
削峰需求响应单位容量补贴价格，n
v-一年内储能参与填谷需求响应次数； k
v-填谷需求响应补贴系数，r
v-填谷需求响应单位容量补贴价格。
50.(4)投资费用c
binv
51.可表示为：
52.式中：c
binv
—储能系统年投资费用，sb—储能系统电量容量，ub—储能系统单位投资费用，r—基准收益率，n—储能系统寿命。
53.(5)运行维护费用c
bom
54.c
bom
＝sb×kp
55.式中：c
bom
—储能系统年运行维护费用，sb—储能系统电量容量；
56.k
p
—单位容量年运行维护成本系数，元/kw。
57.在本发明的实施例中，用户的支付可以理解为工业用户i的净收益，其包括：节省的容量电费分成收益i
icap
、节省的电量电费分成收益i
iqua
等，用户在共享储能上的支出为0，因此，工业用户i的支付可表示为：
58.ii＝k
icap
×icap
+k
iqua
×iqua
59.式中：ii—用户i减少的总电费支出，k
icap
—用户i在容量电费节省收益上的分成比例，i
cap
—节省用户容量电费收益，k
iqua
—用户i在电量电费节省收益上的分成比例，i
qua
—节省用户电量电费收益。
60.在本发明的实施例中，共享储能的支付包含节省用户容量电费的分成收益i
bcap
以及节省用户电量电费的分成收益i
bqua
。
61.其中，节省用户容量电费的分成收益i
bcap
做如下假设：用户都按实际最大需量缴纳容量电费，各工业用户单位需量电费相同，共享储能和各用户按相同的比例对节省的容量电费收益进行分成。
62.可表示为：i
bcap
＝k
bcap
×icap
63.式中：i
bcap
—储能节省用户容量电费的分成收益，k
bcap
—储能在容量电费节省收益上的分成比例，k
icap
+k
bcap
＝1，i
cap
—节省用户容量电费收益。
64.其中，节省用户电量电费的分成收益i
bqua
65.可表示为：i
bqua
＝k
bqua
×iqua
66.式中：i
bqua
—储能节省用户电量电费的分成收益，k
bqua
—共享储能在电量电费节省收益上的分成比例，k
iqua
+k
bqua
＝1，i
qua
—节省用户电量电费收益。
67.在本发明的实施例中，需求响应收益i
res
、投资费用c
inv
、运行维护费用c
om
由共享储能单独承担。
68.在本发明的实施例中，特征函数以v表示，特征函数v为每一个联盟赋予联盟价值，记作v(c)，联盟价值为联盟中成员合作创造的额外收益，即该联盟中所有成员合作创造的总支付与该联盟中成员各自为政的支付和之差：式中，v(c)—联盟中成员合作创造的额外收益，ic—联盟c的支付，ii—参与者i的支付，对任何仅有一个参与者的联盟，其联盟价值为零。
69.在本发明的实施例中，共享储能优化充放电策略中，削峰需求响应一般发生在夏季7、8月份用电高峰时段，填谷需求响应一般发生在春节、五一、十一等用电低谷时段。常规情况下(没有需求响应时)，共享储能通过能量套利服务于用户，同时也减少了用户的最大需量，节省的容量电费收益和节省的电量电费收益按约定在联盟用户之间分享；有需求响应且需求响应补偿收益大于常规情况下的电费收益时，改变充放电策略(如由“两充两放”改为“一充一放”)，以牺牲部分电费收益换取需求响应收益。
70.共享储能优化充放电策略中的目标函数是以联盟特征函数最大化为目标，可表示为：v(c)＝i
cap
+i
qua
71.式中：v(c)—联盟c的特征函数，i
cap
—节省用户容量电费收益；i
qua
—节省用户电量电费收益。
72.在本发明的实施例中，共享储能优化充放电策略还包括一约束条件，约束条件具体包括：
73.(1)充放电功率约束：假设储能最大充放电功率等于其额定功率，则在充放电过程中，满足：
74.式中：pc(t)、pd(t)-示t时段电池储能充电功率和放电功率；
75.p
n-储能系统额定功率。
76.(2)荷电状态约束：假设充电起始荷电状态为10％，充电结束荷电状态为 100％，放电结束时荷电状态和充电起始荷电状态相等，可表示如下： soc(t)＝soc(t-1)+ηc×
pc(t)-pd(t)/ηd，式中，soc(t)和soc(t-1)分别为t时段、 t-1时段电池储能的荷电状态，ηc和ηd分别为电池储能的充电效率和放电效率，pc(t)和pd(t)表示t时段电池储能充电功率和放电功率。
77.在本发明的实施例中，用户和共享储能通过达成具有约束力的协议构成总联盟的前提是满足整体理性和个体理性条件。这里的整体理性指的是联盟的整体利益大于参与者个体单独行动时的收益之和；这里的个体理性指的是联盟的每个成员分配所得的利益均大于其单独行动时的收益。即使满足这整体理性、个体理性两个条件，若不满足特征函数博弈稳定分配的条件，联盟就处于不稳定状态，参与者有动力离开当前联盟。
78.在本发明的实施例中，联盟稳定性分析是指假设一个超可加性博弈 g＝《n，v》在总联盟结构下的分配向量x＝(x1，x2，
…
，xn)是稳定的，其满足如下3类约束：
79.(1)整体理性约束：∑
i∈n
xi＝v(n)
80.(2)个体理性约束：∑
i∈c
xi≥v(c)，
81.(3)非负性约束xi≥0。
82.在本发明的实施例中，所提到的收益分配策略用shapley值表示，shapley值是基于参与者边际贡献的分配策略，参与者i的shapley值定义如下：
83.式中：—成员i从总体利益v(n)所分得的利益，n—加入联盟的用户数量，s—不同成员组成不同的联盟，记为s，s是n的子集；，n—博弈参与者编号的集合，n＝{1，2，
…
，n}；|s|—表示联盟s所包含的成员数， v(s)—表示s中所有参与者形成的联盟的总收益，s\{i}—表示从集合s中删除元素i后的集合。
84.下面以某省10kv大工业用电用户作为例子，来对上述算例进行进一步的详细说明。
85.某省10kv大工业用户采用“两部制”电价，最大需量电价为40元/千瓦
·
月，峰谷电价如表1所示，峰谷价差最大为0.8048元/kwh：
86.表1某省最新的峰谷电价
[0087][0088]
假设用户a、用户b某年最大负荷日负荷曲线如下图所示，各月最大需量见图1：
[0089]
图1某省2个工业用户典型日负荷曲线
[0090]
表2用户a、用户b各月最大需量
[0091]
[0092][0093]
储能电站相关参数如下：储能容量为150kw/333kwh，充放电深度90％，系统充放电效率88％，年衰减2％，储能系统初始投资为60万元(1800元/kwh)，年运行维护成本占初始投资的2％，系统寿命10年，正常情况下采用“两充两放”充放电策略，年运行天数330天，每年参与需求响应为10次，平均补偿价格为4元/kwh，平均时长为1小时。
[0094]
接下来分析单个用户(用户a或用户b)单独和储能组成联盟、多个用户(用户a和用户b)共同和储能组成联盟情况下，各方支付情况见如下。
[0095]
(1)用户a与储能组成联盟
[0096]
节省的容量电费、电量电费储能和用户a按8：2分成。对用户来说，用户年收益为40050万元；对储能电站来说，年净收益为65496万，投资回收期为5～6年左右。
[0097]
表2单个用户和储能组成的联盟支付情况
[0098][0099][0100]
(2)用户a、b与储能组成联盟
[0101]
对储能和用户来说，节省的容量电费按5：5、电量电费a按8：2分成，为计算方便，假设a、b两个用户分成相同。对用户来说，用户年收益为44325 万元；对储能电站来说，年净收益为70896万，投资回收期为4～5年左右。
[0102]
表3多个用户和储能组成的联盟支付情况
[0103][0104]
从以上具体案例分析可知，单个用户和储能组成联盟之后，用户年收益为40050万元，两个用户和储能组成联盟后，用户收益提高到44325万元；对储能来说，单个用户和储能组成联盟之后，储能电站收益为65496万元，两个用户和储能组成联盟之后，储能电站收益提高到70896万元，投资回收期节省1年左右。
[0105]
每个用户各月的最大需量一般不是发生在同一天，多个用户和储能组成联盟后可实现容量复用，参加的用户越多，节省的最大需量电费收益就越大。通过合理的分配策略，联盟各方的收益都有所提高。
[0106]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。