基于纳什议价博弈的用户侧共享储能优化配置研究

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鼓励用户侧安装分布式可再生能源发电系统,促使传统用户向兼具电力生产和消费能力的“产消者(生产型消费者)”转变,对实现“碳达峰”和“碳中和”目标具有重要支撑作用。产消者通常采用“自发自用、电网调节”的运营模式,但是由于可再生能源发电具有间歇性和随机性,大规模可再生能源并网会严重影响电网的稳定运行。用户侧储能系统可以提高可再生能源利用率,为分布式可再生能源消纳开辟了新途径。然而,储能设备前期投入费用高、投资回收期长和用户侧储能容量闲置等诸多问题,阻碍了用户侧储能的发展。在此背景下,考虑到不同产消者之间的充电和放电行为可能具有一定的差异性和互补性,本文基于共享经济理念,聚焦于构建用户侧共享储能机制,并对共享储能系统的容量配置进行优化研究,为推动用户侧共享储能的发展提供决策支持,进一步促进可再生能源大规模发展,实现能源低碳转型。本文的主要研究内容如下:(1)提出了用户侧共享储能机制,充分利用了产消者之间互补的充电和放电行为,使得在储能运营商投资实体储能设施的基础上,多个产消者根据自身意愿从储能运营商处购买虚拟电池和逆变器容量,满足存储需求,并实现利益均衡分配。(2)基于储能运营商和产消者之间的博弈关系,建立用户侧共享储能系统两阶段优化配置模型。在第二阶段中,产消者根据可再生能源发电和负荷特性,以个人成本最小化为目标,构建产消者模型,对充放电决策和虚拟储能系统购买决策进行优化,并将充放电信息反馈给储能运营商。在第一阶段中,储能运营商首先整合各个时段所有产消者的充放电行为,在满足所有产消者的存储需求的基础上,以经济效益最大化为目标,确定实体储能系统的最优容量配置以及虚拟储能系统的售卖决策等。(3)构建了基于纳什议价博弈的激励型利润分配模型,形成了储能运营商获取利润、产消者节约成本的互惠共赢局面。首先,提出共享贡献率指标来量化各个参与者的充放电行为对共享储能的贡献。其次,基于该指标和纳什议价理论,建立了可以识别博弈主体贡献的纳什议价模型。再次,利用交替方向乘子法(ADMM算法)对该模型进行分布式求解。最后,以真实社区中3个产消者在4个季节下的典型日数据为例进行算例分析,通过对比共享储能情景和个人投资储能情景的储能容量配置策略和能源系统运行策略发现:在共享储能情景下,实体储能系统的容量配置降低,产消者的虚拟储能系统的利用率提高。可见,产消者可以低于储能系统投资成本的价格享受更灵活的充放电服务,储能运营商则通过实体储能投资容量和虚拟储能售卖容量之间的差距获取利润。在用户侧实施共享储能模式不仅可以提高整体经济效益,还可以提高可再生能源自耗率和自给自足率,证实了本文提出的用户侧共享储能机制的有效性。(4)考虑共享储能系统中可再生能源出力与电力需求的不确定性,提出了基于模糊机会约束的共享储能优化配置模型,分析了不确定因素对共享储能容量配置和社区经济效益的影响,并对不确定因素的模糊程度和置信水平进行了敏感性分析。研究发现:为应对不确定因素的影响,实体储能系统容量配置增加,社区经济效益降低,但从经济性角度考虑,在社区中实施共享储能机制仍是可行的。此外,决策者应该通过调整置信水平和模糊程度来平衡能源系统的经济性和可靠性。
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