考虑公平与脱碳的基于Stackelberg博弈的贡献度度量电力市场机制

《Renewable Energy》：Electricity market mechanism with contribution metric based on Stackelberg game considering fairness and decarbonization

　　

全球向低碳经济的转型需要创新的电力市场机制，以确保在可再生能源集成度日益提高的情况下实现公平与效率。一个主要挑战是通过协调异质参与群体来调和市场公平与脱碳目标。现有研究要么以牺牲传统发电为代价奖励零碳可再生能源发电，要么过度强调传统发电的电网稳定作用，忽视了减排任务。值得注意的是，当前研究缺乏一个系统性的定量框架来评估具有不同发电资产的节点的系统贡献，并将这些评估整合到市场利润和传输损耗分配中。本文提出了一种动态贡献度量（dynamic contribution metric），将具有不同发电资产的节点分为四类，同时评估其电力供应能力和碳排放特征。研究人员将此度量嵌入基于Stackelberg博弈（Stackelberg game）的定价机制中，以确保公平的利润再分配，并将其集成到损耗分配算法中以增强损耗分配的公平性。在增强的IEEE 33节点配电系统上的实证研究表明，所提机制在市场利润分配上实现了不大于1%的差异，同时在损耗分配上实现了80.48%的平均公平指数，优于传统市场设计。此外，系统总碳排放减少了5.14%。

在全球碳中和目标驱动下，电力市场正经历深刻变革，可再生能源（如风能、太阳能）的大规模集成带来了异质参与群体共存的复杂格局。现有研究在协调公平与脱碳方面存在两极：有的偏向可再生能源发电，忽视传统发电的电网稳定作用；有的则过度强调传统发电，忽略减排需求。更关键的是，缺乏一个系统性定量框架来评估不同发电资产节点的系统贡献，并将其整合到市场利润和损耗分配中。为此，研究人员提出了一种基于动态贡献度量的电力市场交易框架，采用Stackelberg博弈定价机制和损耗分配算法，旨在实现传统与可再生能源节点间的公平交易与脱碳目标。该研究基于增强的IEEE 33节点配电系统进行仿真，结果表明：市场利润分配差异不超过1%，损耗分配平均公平指数达80.48%，系统总碳排放降低5.14%。论文发表在《Renewable Energy》。

研究人员采用了三个关键技术方法：首先，动态贡献度量（dynamic contribution metric）计算框架，依据节点能量组合和输出容量特征，将具有不同发电资产的节点划分为四类（如可再生能源主导、传统发电主导、混合型等），并量化其对系统运行的贡献；其次，基于Stackelberg博弈（Stackelberg game）的定价机制，以配电系统运营商（DSO）为领导者、各节点为追随者模拟竞价过程，按贡献度调整交易价格和利润再分配；最后，基于贡献的损耗分配算法，按贡献值比例分配网络有功损耗，提升公平性。仿真实验在增强型IEEE 33节点配电系统上进行，涉及多类型发电节点和电池储能的调度测试。

**4.1 仿真与网络配置**：研究设定了IEEE 33节点辐射型配电网络，根节点连接无限大电网，各节点具备独立负荷和发电能力（包括光伏、风能、传统火电和电池储能），并给定负荷曲线和发电容量参数，用于验证所提机制的有效性。

**4.2 增强利润（Enhanced profits）**：通过嵌入贡献度量的Stackelberg博弈定价机制，节点间交易利润按贡献值再分配，使得市场利润分配差异缩小至不超过1%，消除了传统机制中可再生能源补贴或传统发电劣势导致的极端不公平。

**4.3 促进交易（Facilitated transactions）**：所提机制激励节点间跨时段能量交换，相比传统定价模式，交易量增加，节点售电和购电价格更贴近实际贡献，促进了市场活跃度和资源优化配置。

**4.4 优化电池调度（Optimized battery dispatch）**：在贡献度量指导下，电池储能系统根据节点贡献值和市场信号调整充放电策略，提高了储能利用效率，减少弃风和弃光，同时降低对传统发电的依赖。

**4.5 减少碳排放（Reduced carbon emissions）**：整体系统碳排放降低5.14%，归因于贡献度量引导的利润再分配激励了低碳节点（如可再生能源）参与交易，同时传统节点因公平收益而主动减少不必要出力，实现脱碳目标。

**4.6 效益与损耗分配（Benefit and loss allocation）**：基于贡献的损耗分配算法使损耗分配的公平指数平均达80.48%，优于传统边际损耗系数（MLC）方法，有效避免了补贴造成的有效传输价格差异带来的不公平，确保了不同发电类型节点在损耗成本上的相对公平。

**讨论与结论**：本研究引入的创新电力市场交易框架有效解决了传统市场中传统与可再生能源节点共存时的公平性问题，通过动态贡献度量实现了利润和损耗的公平分配。机制不仅保护了传统发电商的合理利益，也促进了系统碳排放的下降。研究发现，在多次时间间隔内，所提框架均能维持利润分配差异在1%以内，损耗分配公平指数高于80%，验证了其稳健性。论文结论强调，该框架具有实际部署潜力，可为进一步结合实时运行和分布式优化提供基础，推动电力市场向公平与低碳方向转型。翻译研究结论部分：本研究引入了一种创新的电力市场交易框架，旨在有效解决传统电力市场中传统的公平性问题，特别是在传统与可再生能源发电共存的情景下。该框架减轻了对传统发电商利益的不利影响，这种影响历来导致双方不公平的结果。为了最大化传统与可再生能源节点之间的公平，研究人员将动态贡献度量嵌入到基于Stackelberg博弈的定价和损耗分配算法中，实现了利润再分配和损耗责任的合理分摊。仿真结果表明，所提机制在利润分配差异、损耗分配公平指数和碳排放削减方面均优于传统设计，为多类型发电资产共存的电力市场提供了可行的公平交易方案。