水風光多能互補聯合運行增益分配研究

陳述，趙金凡，陳云*，習俊博，周露，崔潔

(1.三峽大學水利與環境學院，宜昌 443002；2.三峽大學經濟與管理學院，宜昌 443002)

隨著電力系統的日益擴大、化石能源的儲量逐漸減少，以風電、光伏為主的可再生能源受到廣泛關注并迅速發展。然而，單一新能源發電難以實現高效、穩定、可靠的電力輸出目標[1-2]。為維持電力系統安全穩定和供需均衡，融合能源間的互補特性，保證各利益主體間堅實合作和穩定聯盟是不可忽視的重要問題，而合理分配各主體獲得的收益是實現有效聯盟的關鍵[3-4]。因此，開展多能互補系統收益分配研究，具有重大現實意義。

多能互補運行是未來電力系統發展的必然趨勢，中外眾多學者已開展了大量研究。文獻[5]首次提出水電和風電聯合運行的模式，論證了聯合運行的可行性。文獻[6]利用電源之間的互補特性，提出將新能源和常規電源打捆調度，以達到電力系統安全穩定運行。文獻[7]針對風電和光電出力的不確定性，直接并網會對電網的安全穩定運行產生較大沖擊。水力發電具有快速響應、調節性良好和輸出功率穩定等特點，已成為互補能源的首選。文獻[8]根據水光火出力的互補特性和配比，建立了衡量多能發電系統互補出力特性的效果指標。文獻[9]為提高風光水發電系統的經濟效益，基于決策變量和影響因子屬性集，構建了誤差反向傳播算法(back propagation，BP)人工神經網絡模型提取調度規則。文獻[10]為解決能源系統調度中可再生能源機組出力和負荷不確定性問題，建立多能源微網調度優化模型。文獻[11]基于多種能源協調運營、發電成本、上網電價及輔助服務收益，構建包含風電、光伏和抽水蓄能電站收益的多目標函數，以降低市場運營風險，獲得較好的收益。

現有研究主要從多能互補運行、優化配置、經濟調度等方面展開研究，對于水風光多能互補聯合運行利益分配方面研究較少。因此，選擇公平、合理的利益分配方法是保證各利益主體間堅實合作是不可忽視的問題，是實現各發電企業利益最大化有利途徑。鑒于此，現基于合作博弈理論，對水風光多能互補聯合運行進行博弈分析，構建水風光多能互補增益函數和電站收益函數，結合多能互補發電系統的運行特點，利用互補系數對聯合發電互補性進行評價，分析不同分配策略下聯盟的增益分配值和分配策略的吸引力，并選擇最優分配策略對聯盟增益進行分配以實現參與主體經濟效益最大化。從而提升風電、光電企業效益，保證各主體利益分配均衡。

1 水風光多能互補運行博弈分析

在水風光多能互補聯合運行中，水電站、風電場和光伏電站作為三家不同利益主體運營管理，參與主體都希望通過博弈行為使自身收益最大[12]。在博弈論中，非合作博弈適用于競爭狀態下不考慮其他參與主體時各自策略的制定。而合作博弈偏向于合作過程中，考慮所有人利益情況下整體或聯盟的收益分配，在電力行業中的輸配電競價、系統費用分攤、增益分配等領域應用廣泛。

1.1 博弈要素分析

在多能互補博弈過程中，合作博弈的基本要素是構成合作博弈的先決條件，即博弈主體、結構、原則等。本文研究中將水電、風電和光電發電企業作為參與主體，分別用符號W、F、G表示，則參與主體集合為{W,F,G}，在三方博弈中共有五種聯盟結構，如表1所示。

表1 水風光多能互補聯合運行博弈聯盟結構

1.2 博弈結構分析

基于合作博弈理論體系，根據水電、風電、光電等新能源發電特性和電力體制改革，水風光多能互補聯合運行博弈過程如圖1所示。

圖1 水風光多能互補博弈過程圖

利用水電的調節作用克服風電與光電出力存在的間歇性和不穩定的缺點，促進光電、風電的消納，以保證水風光多能互補的供電質量[13]。并通過聯盟形式向市場供電，以保證風電和光電安全并網。當風電和光電獲得發電空間后提高了經濟收益，適當補償水電。

1.3 多能互補增益

多能互補增益主要是指水風光多能互補聯合運行時的發電效益較電站獨立運行時發電效益的增量收益[14-16]。同時，電站在進行多能互補運行過程中也伴隨著獨立運行，具體多能互補增益和電站收益如下。

(1)多能互補電站增益。多能互補運行的增益為

(1)

(2)電站收益。水電站、風電場和光伏電站在參與多能互補運行系統后各電站的經濟收益包括兩部分，即參與聯盟的收益和部分時段獨立運行時收益。

B(i)=B0(i)+δi

(2)

式(2)中：B(i)為電站i最終所得發電收益值；B0(i)為電站i獨立運行時的收益；δi為總增益的分配值。

1.4 多能互補增益分配原則

多能互補主體聯盟在進行增益分配時，必須遵循公平、合理、高效的原則和要求。

(1)公平性：在聯盟中，參與主體i分配到的收益與主體聯盟中的貢獻成正比，即參與主體i對聯盟φ的邊際貢獻為π(i)=v(φ)-v(φ/i)。

(3)高效性：聯盟中各主體分配到的增益總和應等于聯盟合作的增量效益。

2 互補性評價指標

多能互補性指標是聯合發電系統運行特性的評估基礎，是對電站互補程度的判斷，互補性越高，則聯合運行發電系統的并網運行對電網和自身越有利。本文采用互補系數法對水風光多能互補運行的互補程度進行量化[17]。

互補系數法[18]是指在某時間段內，用來量化評估多能互補聯合運行系統發電功率的互補程度。

(3)

(4)

3 多能互補增益分配策略

在多能互補增益分配中，不合理的分配策略會導致一些參與主體有脫離聯盟的動機，同時，大聯盟會存在被子聯盟代替的可能性。因此，采用三種典型分配策略計算水風光多能互補聯合運行合作博弈的增益分配情況，通過動態規劃(dynamic programming，DP)指標定量描述參與主體對分配策略的接受程度，并選擇合理、有效的分配方法，保證分配的可行性。

3.1 等分策略

等分策略即聯盟中參與主體平均分配到聯盟增量的方法，即

(5)

式(5)中：在水風光多能互補聯盟中，x(W)為水電站獲得的增量分配；x(F)為風電場獲得的增量分配；x(G)為光伏電站獲得的增量分配；v({W,F,G})為聯盟總增益。

3.2 按容分配策略

按容分配策略是指參與主體i分配的收益v(i)與大聯盟后的容量成正比。如水電站的收益分配為

(6)

式(6)中：CW、CF、CG分別為參與聯盟水電站、風電場和光伏電站的裝機容量;同理可得風電場和光伏電站的分配值x(F)、x(G)。

3.3 Shapley值分配策略

Shapley值分配策略根據參與主體對聯盟的邊際貢獻分配收益，過程清晰，易于理解，因此優先考慮利用 Shapley值分配策略對增益在聯盟中進行分配。

根據參與主體i對聯盟的平均邊際貢獻決定所獲得的收益，貢獻越大獲得收益越高[20-21]，即

[v(φ)-v(φi)]

(7)

式(7)中：xi為參與主體i獲得的增益分配值;|φ|為聯盟中的參與主體數目。

水電站的增益分配為

(8)

式(8)中：x(W)為水電站的收益分配值；v(W)、v(F)、v(G)分別為水、風、光各電站獨立運行收益；v(W,F)為水、風聯盟的收益；v(W,G)為水、光聯盟的收益；v(F,G)為風和光聯盟的收益；v(W,F,G)為大聯盟的收益。同理可得，風電場、光伏電站的收益分配值v(F)和v(G)，即得分配向量x={v(W),v(F),v(G)}。

3.4 分配策略傾向程度分析

分配策略傾向分析主要通過DP指標來定量描述參與主體i對不同分配策略的傾向程度。一般而言，分配策略下的DP指標數值越小，參與主體i接受該方法的可能性越高[22]，即

(9)

4 算例分析

4.1 研究區概況

青海省清潔能源豐富，是多能互補試驗的最佳選擇之地，青海海南藏族自治州有水電站、風電場和光伏電站三家不同利益主體運營管理，分別為水電站W、風電場F和光伏電站G，三家企業決定聯合實行互補運行。具體技術信息如表2所示。

表2 水風光多能互補電站基本技術信息

4.2 聯盟經濟效益情況

根據該地區電站的基本技術信息情況，選取該地區典型日進行計算，得出不同聯盟方式下的互補系數，如表3所示。

表3 不同聯盟方式下的發電系統互補系數

由表3可知，在聯盟結構中，風光聯盟的互補系數最高，則表明風光互補的程度較低，互補效果不佳，聯盟不穩定。而水風光大聯盟的互補系數是所有聯盟中數值最小值，表明大聯盟互補性能最好，互補效果最佳，則在互補博弈聯盟過程中，選擇水風光大聯盟優于其他聯盟。

在水風光多能互補聯合運行中，合作博弈前后收益變化情況是分析參與主體是否參與聯盟的決定因素。本文研究中主要計算了參與主體在博弈前后的收益、發電量以及單位電量收益變化情況，具體如表4所示。

從表4中可知，聯盟收益情況均滿足博弈的個體理性和整體理性。針對水、風、光三種能源實行多能互補聯合運行后產生的收益問題，可以看出合作博弈均存在凈增收益。三方聯盟優于兩方聯盟優于各電站各自為政，且在大聯盟中，單位電量收益提高最為明顯，由0.038 元/(kW·h)提高到了0.105 元/(kW·h)。

表4 不同聯盟結構下電站的互補運行發電收益

計算水風光多能互補系統博弈的特征函數與邊際貢獻，如表5所示，其中，空集0為參與主體集合N的子集，記v(i)=0，參與主體i各自為政的聯盟價值也為零，表示沒有任何參與主體i可以靠自身而獲得高收益。

表5 不同聯盟方式下特征函數與邊際貢獻

4.3 增益分析

在水風光多能互補聯合運行中，通過計算等分策略、按容分配策略和Shapley值分配策略三種分配策略下水電站、風電場和光伏電站的增益分配值和DP指標，如圖3所示。

如圖2所示，在等分策略中，參與主體是平分聯盟所獲得的利益，忽略了各主體在聯盟中的貢獻，不符合實際情況。根據水電站、風電場和光伏電站的裝機容量和發電量等信息和不同聯盟下邊際貢獻可知，水電站在多能互補發電系統中為最大，具有主導地位，且貢獻最大，一般優先選擇水電站增益分配額最大的方案。在Shapley值分配策略中，各電站在發電增益中的邊際貢獻值進行分配，水電站在聯盟增益中的貢獻最大，分得增益最多，風電場次之，光伏電站則分的最少，故選擇Shapley值分配策略更符合實際情況。

圖2 不同分配策略下互補電站收益分配圖

如圖3(a)中，在等分策略中，水電站的DP值高于1，表明對于水電站而言，水電站拒絕接受等分法分配方案。風電場和光伏電站的增益分配額均高于按容分配法且低于等分策略，水電站發電量占比多能互補發電系統中為最大，具有主導地位，貢獻最大，故優先選擇水電站增益分配額最大的方案。

根據分配策略傾向程度指標DP值可知，當DP值越小，參與主體對這種分配策略的傾向程度越高，更愿意參與聯盟。通過圖3(b)中線性趨勢可知，在三種分配策略下，光伏電站都傾向于參與聯盟且接受均程度高于風電場、水電站，即電站接受多能互補聯盟的傾向程度為：光伏電站>風電場>水電站。

圖3 不同分配策略下互補電站DP指標

5 結論

分析了水風光多能互補聯合運行進行博弈分析，構建水風光多能互補增益函數，并利用互補系數對聯合發電互補性進行評價。同時，分析了不同分配策略下聯盟的增益分配值和分配策略的吸引力，選擇了最優分配策略對聯盟增益進行分配以實現參與主體經濟效益最大化。通過實例研究了水風光多能互補運行增益分配問題，得出以下結論。

(1)通過互補系數可知，水風光多能互補大聯盟互補性能最好，互補效果最佳，互補性優于其他聯盟結構。同時合作博弈使聯盟總收益增加，三方聯盟優于兩方聯盟優于各電站各自為政，且單位電量收益明顯提高。

(2)在三種增益分配策略中，Shapley值法按各電站在發電增益中的邊際貢獻值進行分配，水電站在聯盟增益中的貢獻最大，分得增益最多，風電場次之，光伏電站則分的最少。

(3)根據互補電站DP指標值和趨勢圖中可知，在不同分配策略下，光伏電站都傾向于參與聯盟且接受程度均高于風電場、水電站，即電站接受多能互補聯盟的傾向程度為：光伏電站>風電場>水電站。

在研究水風光多能互補聯合運行增益分配的過程中，沒有考慮輸電上網遠距離輸送等外部因素的影響，僅從電站收益角度對多能互補運行模式的收益進行探討。因此，考慮遠距離輸電情景下水風光多能互補運行增益研究將為下一步研究方向。