在互联互通的本地电力-热力市场中，可再生能源综合能源枢纽的竞争：一种基于双层社会福利的不确定性分析方法

《Journal of Energy Storage》：Renewable integrated energy hubs competition in interconnected local electricity-heat market: A bilevel social welfare-based approach under uncertainty

　　阿米尔·莫拉迪|贾瓦德·萨利希|米亚德雷扎·沙菲-卡赫
伊朗大不里士，阿扎尔巴伊詹沙希德马达尼大学电气工程系

摘要
本文提出了一种双层优化框架，用于模拟在相互连接的本地电力与热力市场中多个可再生能源集成能源中心之间的竞争关系。上层问题聚焦于各能源中心通过竞价策略实现战略利润最大化，而下层问题则通过社会福利最大化来分配可用资源。每个能源中心包含多种组成部分，如热电联产装置、热泵、锅炉、可再生能源系统以及电能和热能存储系统。这些能源中心作为本地市场参与者，致力于在满足自身能源需求的同时实现利润最大化。本文还开发了一种基于场景的方法，以便在价格和负荷存在极大不确定性时做出稳健决策。所构建的双层模型可通过各种KKT变换及迭代方法求解。最后，通过大量案例研究，分析了可再生能源整合、储能能力提升、不同竞争情景、不确定性水平以及电网约束对能源中心运营和市场表现的影响。研究结果表明，与非战略性参与相比，能源中心在本地市场中的战略性参与能为它们带来更高利润。然而，这种战略行为会引发“无序定价现象”，导致整体社会福利略低于完全竞争的基准情况。该框架为政策制定者、市场设计者以及能源中心运营商提供了宝贵见解，有助于构建高效且可持续的本地能源系统。

引言与研究动机
随着向可持续能源基础设施的转型，分布式能源资源以及多载体能源系统的出现成为可能。近年来，能够收集并整合多种能源载体的能源中心受到了广泛关注[1]。这类能源中心具备将一种能量形式转换为另一种形式、储存能量并传输能量的功能，从而提升了现代能源生态系统的灵活性与效率。

术语表
ζh,t,se,buy：电力买入的二元变量，要求非负值
ζh,t,se,sell：电力卖出的二元变量，要求非负值
h：能源中心指标
ζh,t,sh,buy：热量买入的二元变量，要求非负值
ζh,t,sh,sell：热量卖出的二元变量，要求非负值
st：时间指标
vh,h',t,se,vh,h',t,sh：电力/热量流量容量约束的二元变量
s：场景指标
parameterse,h：能源载体指标
ηhCHP,e,ηhCHP,h：热电联产装置的电能/热能转换效率
Variables：相关变量
COPh：热泵的性能系数
Ph,t,sCHP,e,Ph,t,sCHP,h：热电联产装置的电能/热能产出参数

研究方法
本研究采用双层优化方法，深入分析可再生能源集成能源中心在竞争性相互连接的本地电力-热力市场中的战略互动机制。该方法将能源中心作为上层决策主体，其战略竞价决策作为上层问题，而市场出清机制则作为下层问题，旨在实现整体社会福利最大化。为应对市场中存在的各类不确定性，研究采用了相应的解决方案。

解决方法
在此部分，我们介绍了两种用于解决第2节中提出的双层优化问题的总体策略。由于该问题极为复杂，需选择合适的策略。为此，我们同时采用了传统的基于KKT的变换技术以及嵌入式迭代算法，这两种方法在实施难度、运行时间、精确度及其他系统性能方面各有优势。

案例研究
为全面评估所提出的双层优化框架，并了解能源中心之间战略竞争的实际影响，我们设计并实施了多组详细案例研究。这些研究系统分析了可再生能源整合、储能能力提升、市场竞争情景、不确定性变化以及电网约束等因素对能源中心性能及本地市场结果的影响。下文将详细介绍每项案例研究的内容，包括研究结果与讨论。

结果与讨论
本节对第4节中设计的各项案例研究的结果进行了分析与解读。重点研究了战略选择、可再生能源应用、储能改进、不确定性因素以及不同市场互动对能源中心及市场效率、盈利能力及稳定性的影响。同时，我们还通过与现有模型的比较，证明了本方法的优点。

结论与未来工作
本文提出并验证了一种全面的双层优化框架，用于模拟相互连接的本地电力-热力市场中可再生能源集成能源中心的竞争行为。该框架通过明确体现战略性、以利润为导向的能源中心与以社会福利最大化为目标的中央市场运营商之间的层级决策关系，为分析复杂的 Markt动态提供了实用的工具。研究结果为理解本地能源市场的运作机制提供了若干重要见解。

作者贡献说明
阿米尔·莫拉迪：负责原文撰写、软件使用及资料收集工作。
贾瓦德·萨利希：负责模型验证、研究指导、方法设计及数据整理工作。
米亚德雷扎·沙菲-卡赫：负责文章润色、研究调查及定量分析工作。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。