一種基于非合作博弈的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于非合作博弈的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法，包括以下步驟：S1：分別構建家庭用電費用模型和儲能電池儲能成本模型；S2：構建包含用電費用和儲能成本以及其他用戶用電行為的非合作博弈模型；S3：通過求解非合作博弈模型最優(yōu)解得到家庭最優(yōu)的用電策略以及電池容量的最優(yōu)配置。本發(fā)明將非合作博弈思想引入到用戶需求側管理系統(tǒng)當中，根據(jù)非合作博弈思想將用戶用電費用和儲能電池損耗費用轉化為非合作博弈模型，通過求解非合作博弈模型，即尋找納什均衡解，獲得用戶最優(yōu)的用電策略和儲能電池最優(yōu)容量，運用非合作博弈思想建模的同時考慮了對儲能電池容量的優(yōu)化，從而使得每個用戶一天的費用達到最小。
【專利說明】
一種基于非合作博弈的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法，特別是涉及一種基于非合作博弈 的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法。
【背景技術】
[0002] 隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，需求側管理系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)終端已經(jīng)成為了國內(nèi)外學者 的研究熱點。需求側管理系統(tǒng)可以幫助用戶減少用電費用，轉移負荷從而降低電網(wǎng)PAR，平 衡電力需求與供給，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定。隨著新能源發(fā)電技術的發(fā)展，分布式發(fā)電系統(tǒng)（如 太陽能發(fā)電系統(tǒng))被引入了普通家庭中，需求側管理系統(tǒng)的作用也變的越來越重要。鑒于新 能源發(fā)電具有間歇性和不穩(wěn)定性，因此通常都需要配備儲能電池，而電池容量大小對于用 戶費用有著重要的影響，容量過大容易造成存儲空間的浪費并且用戶需要支付更多的損耗 費用，容量過小存儲的電量太少，用戶需要向電網(wǎng)支付更多的電費購買電能。鑒于此，需求 側管理系統(tǒng)不僅需要優(yōu)化用戶的用電策略還要優(yōu)化儲能電池的容量，從而使得用戶費用達 到最小化。
[0003] 目前，國內(nèi)外研究學者用了很多不同的方法對需求側管理系統(tǒng)進行了研究，其中 基于博弈論思想的建模方法近年來被廣泛運用在該領域。基于非合作博弈的用戶模型最大 特點在于用戶優(yōu)化自己策略時還將其他用戶的策略考慮在內(nèi)，從而根據(jù)其他用戶的策略制 定出對自己最有利的策略。目前有很多文章運用博弈論思想將儲能系統(tǒng)考慮到需求側當 中，通過管理儲能系統(tǒng)來優(yōu)化用戶的用電策略，但是鮮有文章運用非合作博弈思想建模時 考慮了對儲能電池容量的優(yōu)化。
[0004] 由此可見，當前尚未有通過運用非合作博弈思想建模優(yōu)化用戶的用電策略和儲能 電池容量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供一種運用非合作博弈思想建模的同時考慮了對儲 能電池容量的優(yōu)化的基于非合作博弈的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法。
[0006] 技術方案:為達到此目的，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0007] 本發(fā)明所述的基于非合作博弈的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法，包括以下步 驟：
[0008] S1:分別構建家庭用電費用模型和儲能電池儲能成本模型；
[0009] S2:構建包含用電費用和儲能成本以及其他用戶用電行為的非合作博弈模型；
[0010] S3:通過求解非合作博弈模型最優(yōu)解得到家庭最優(yōu)的用電策略以及電池容量的最 優(yōu)配置。
[0011] 進一步，所述步驟S1中的家庭用電費用模型的構建包括以下步驟：
[0012] S1.1:設博弈模型中共有# ={1.，.塒個用戶，一天被分為九={1·.·//}個時段，用 戶η在h時段從電網(wǎng)購得的電量為xf，l彡η彡N，1彡h彡H，則所有用戶在h時段從電網(wǎng)購得的 電量Xh為：
[0013]
U )
[0014] 31.2:計算11時段電價口11〇(1〇:
[0015] ph(Xh)=ahXh+bh (2)
[0016] 其中ah和bh均為固定參數(shù)且ah>0，bh>0;
[0017] S1.3:根據(jù)式(2)，計算用戶η在一天內(nèi)需要向電網(wǎng)支付的費用
[0018]
[0019]
[0020] 進一步，所述步驟S1中的儲能電池儲能成本模型的構建包括以下步驟：
[0021] S1.4:用戶η配有容量為的儲能電池，計算用戶η在一天內(nèi)的電池損耗費用CT:
[0022]
(4)
[0023] 式(4)中，α和β均為固定參數(shù)且α>〇，β>〇;
[0024] S1.5:計算用戶η配有的儲能電池在h時段的存儲電量狀態(tài)
[0025]
(5)
[0026] 式(5)中，f為用戶η配有的儲能電池在h+Ι時段的存儲電量狀態(tài)，jtAh時段光 伏發(fā)電裝置向用戶η配有的儲能電池充電的充電量，為用戶η配有的儲能電池在h時段 的放電量，ru為充電效率，ndis為放電效率；
[0027] 不等式約束為：
[0028]
(6)
[0029] 式(6)中，Βα為儲能電池最大充電功率，Bdis為儲能電池最大放電功率，g為0或1， ^ 表示電池處于充電模式，以=〇表示電池處于閑置狀態(tài)，?.為〇或=1表示電池處 于放電模式，〇也表示電池處于閑置狀態(tài)，D0D為放電深度。
[0030] 進一步，設博弈模型中共有= 個用戶，一天被分為九=|1…丨個時段， 用戶η在h時段從電網(wǎng)購得的電量為，1 <η<Ν，1 ，所述步驟S2中的非合作博弈模型 如式(7)所示：
[0031]
(7)
[0032] 式（7)中，x" =L<，'"，4，."jf」，x-n=[xi，… ，Χη-1，Χη+1·"，XN] 〇
[0033] 進一步，通過求解式（7)在可行域內(nèi)的最小值，尋找非合作博弈模型的納什均衡 解，得出家庭最優(yōu)的用電策略以及電池容量的最優(yōu)配置，如式(8)所示：
[0034]
[0035] 有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:本發(fā)明將非合作博弈思想引入 到用戶需求側管理系統(tǒng)當中，根據(jù)非合作博弈思想將用戶用電費用和儲能電池損耗費用轉 化為非合作博弈模型，通過求解非合作博弈模型，即尋找納什均衡解，獲得用戶最優(yōu)的用電 策略和儲能電池最優(yōu)容量，運用非合作博弈思想建模的同時考慮了對儲能電池容量的優(yōu) 化，從而使得每個用戶一天的費用達到最小。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明的非合作博弈的場景圖；
[0037] 圖2為本發(fā)明的求解納什均衡解的流程圖；
[0038] 圖3為本發(fā)明的【具體實施方式】中用戶一天總體費用與儲能電池容量之間的關系 圖；
[0039] 圖4為本發(fā)明的【具體實施方式】中用戶在最優(yōu)電池容量情況下一天的用電策略；
[0040] 圖5為本發(fā)明的【具體實施方式】中的未優(yōu)化、沒有儲能電池時的優(yōu)化以及有儲能電 池時的優(yōu)化這三種情況下5個用戶的一天總體費用。
【具體實施方式】
[0041] 下面結合【具體實施方式】對本發(fā)明的技術方案作進一步的介紹。
[0042] 本發(fā)明公開了一種基于非合作博弈的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法。本發(fā)明 涉及的博弈場景如圖1所示，每個家庭都配備了智能電表，用來負責電價和用戶需求等信息 的傳遞。每個家庭都有可轉移負荷和不可轉移負荷，可轉移負荷受需求側管理系統(tǒng)的控制， 可以在一定較長時間段內(nèi)的任何時間使用。每個家庭都裝有光伏發(fā)電裝置，白天光伏電板 工作時間內(nèi)為用戶的負荷提供電能以及為儲能電池充電，儲能電池在晚上用電高峰期為用 戶提供電能。用戶在需求側管理系統(tǒng)的控制下，根據(jù)其他用戶用電情況，優(yōu)化用電策略和儲 能電池容量。在本發(fā)明的博弈場景中，電價不僅與用電時間段有關還與所有用戶從電網(wǎng)購 電量有關，因此用戶通過調(diào)節(jié)自身的用電策略，避開電網(wǎng)的用電高峰期，從而降低購電成 本。另外，用戶配置的儲能電池容量對用戶的費用也有著重要的影響，通過優(yōu)化用戶的電池 容量從而實現(xiàn)電池的利益最大化。
[0043]本發(fā)明包括以下步驟：
[0044] S1:分別構建家庭用電費用模型和儲能電池儲能成本模型；
[0045] 步驟S1包括以下步驟：
[0046] 31.1:設博弈模型中共有.廠=丨1-'.\^個用戶，一天被分為沢=卜-//丨個時段，用 戶η在h時段從電網(wǎng)購得的電量為xf，l<n<N，l<h<H，則所有用戶在h時段從電網(wǎng)購得的 電量Xh為：
[0047]
(1.)
[0048] 31.2:計算11時段電價?11(父11):
[0049] ph(Xh) =ahXh+bh (2)
[0050] 其中ah和bh均為固定參數(shù)且ah>0，bh>0;
[0051] S1.3:根據(jù)式(2)，計算用戶η在一天內(nèi)需要向電網(wǎng)支付的費用C^x",X)，也即構 建家庭用電費用模型：
[0052]
[0053]
[0054] S1.4:用戶η配有容量為er的儲能電池，計算用戶η在一天內(nèi)的電池損耗費用Cf， 也即構建儲能電池儲能成本模型：
[0055]
(4)
[0056] 式(4)中，α和β均為固定參數(shù)且α>〇，β>〇;
[0057] S1.5:計算用戶η配有的儲能電池在h時段的存儲電量狀態(tài)
[0058]
(5)
[0059] 式(5)中，<+1為用戶η配有的儲能電池在h+Ι時段的存儲電量狀態(tài)，尤"為h時段光 伏發(fā)電裝置向用戶η配有的儲能電池充電的充電量，為用戶η配有的儲能電池在h時段 的放電量，TU為充電效率，ndis為放電效率；
[0060] 不等式約束為：
[0061 ]
<6)
[0062] 式(6)中，Bch為儲能電池最大充電功率，Bdis為儲能電池最大放電功率，:?為0或1， G = 1表示電池處于充電模式，K = 〇表示電池處于閑置狀態(tài)，為0或1 = 1表示電池處 于放電模式，= 〇也表示電池處于閑置狀態(tài)，D0D為放電深度。
[0063] S2:構建包含用電費用和儲能成本以及其他用戶用電行為的非合作博弈模型，如 式(7)所示：
[0064]
(7)
[0065] 式(7)中，X* =[<，…xf] ，x-n= [XI，…，Χη-1，Χη+1.·_，XN] 〇
[0066] S3:通過求解式(7)在可行域內(nèi)的最小值，尋找非合作博弈模型的納什均衡解，得 出家庭最優(yōu)的用電策略以及電池容量的最優(yōu)配置，如式(8)所示：
[0067]
[0068] 如圖2所示，非合作博弈模型的納什均衡解的具體求解步驟為：
[0069 ] 1)將用戶的儲能電池容量進行初始化，并令T = 0，T表示迭代次數(shù)；
[0070] 2)將用戶的用電策略進行初始化；
[0071] 3)根據(jù)式(8)，從用戶1開始，用戶逐個優(yōu)化自身的用電策略使得每天費用最少，當 用戶優(yōu)化完后將自己最新用電策略告知其他用戶，其他用戶根據(jù)前面用戶優(yōu)化結果來優(yōu)化 自己的用電策略，直到所有用戶都優(yōu)化完畢；
[0072] 4)返回步驟2)，直到?jīng)]有用戶再改變自身的用電策略；
[0073] 5)根據(jù)當前用戶電池容量和用電策略，計算用戶綜合費用Cn(T);判斷| |Cn(T)_Cn (T-l)| |彡ε;如果滿足條件則優(yōu)化結束，否則更新儲能電池容量，T = T+1，返回步驟2)。
[0074] 本【具體實施方式】中，圖1的博弈場景中有5個用戶和一個微型電網(wǎng)，對用戶的日用 電策略和儲能電池容量進行優(yōu)化。場景中5個用戶分別有3種可轉移負荷(洗衣機、洗碗機和 電動車)和3種不可轉移負荷（照明、冰箱和電視），5個用戶各自電器日耗電量、電價參數(shù)以 及儲能電池相關參數(shù)如表1和表2所示。
[0075] 表1用戶電器日耗電量
[0076]
[0077]表2電價模型及儲能電池參數(shù)
[0078]
[0079]
[0080] 根據(jù)表1和表2中數(shù)據(jù)以及圖2求解納什均衡解步驟，經(jīng)過計算可得圖3-圖5,圖3 為用戶一天總體費用與儲能電池容量之間的關系圖，從圖3中可以看出當儲能電池為 3.3kWh時，用戶的費用最低；圖4為用戶在最優(yōu)電池容量情況下，用戶一天的用電安排，從圖 4中可以看出用戶白天電器所耗電量均由光伏組件提供，在晚上用電高峰期儲能電池向用 戶提供電能，從而減少了用電費用；圖5為用戶分別在未優(yōu)化、沒有儲能電池時的優(yōu)化以及 有儲能電池時的優(yōu)化這三種情況下5個用戶的一天總體費用，從圖5中可以看出，當用戶在 第三種情況下，用戶的費用達到最小，從而證明了該博弈模型的有效性。
【主權項】
1. 一種基于非合作博弈的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法，其特征在于:包括W下 步驟： S1:分別構建家庭用電費用模型和儲能電池儲能成本模型； S2:構建包含用電費用和儲能成本W(wǎng)及其他用戶用電行為的非合作博弈模型； S3:通過求解非合作博弈模型最優(yōu)解得到家庭最優(yōu)的用電策略W及電池容量的最優(yōu)配 置。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于非合作博弈的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法，其特 征在于:所述步驟S1中的家庭用電費用模型的構建包括W下步驟： 81.1:設博弈模型中共有八^ = 〇~~)個用戶，一天被分為^ = ^[1~//}個時段，用戶11在 h時段從電網(wǎng)購得的電量為，1，1，則所有用戶在h時段從電網(wǎng)購得的電量Xh 為：(1) S1.2:計算h時段電價化(抽）： Ph (抽）二曰hXh+bh ( 2 ) 其中ah和bh均為固定參數(shù)且ah>0，bh>0; S1.3:根據(jù)式(2)，計算用戶η在一天內(nèi)需要向電網(wǎng)支付的費用巧3. 根據(jù)權利要求2所述的基于非合作博弈的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法，其特 征在于:所述步驟S1中的儲能電池儲能成本模型的構建包括W下步驟： S1.4:用戶η配有容量為εΓ的儲能電池，計算用戶η在一天內(nèi)的電池損耗費用Cff ;(4) 式(4)中，α和β均為固定參數(shù)且α>〇，β>〇; S1.5:計算用戶η配有的儲能電池在h時段的存儲電量狀態(tài)皆；C5) 式(5)中，詩4為用戶η配有的儲能電池在h+1時段的存儲電量狀態(tài)，乂,,,為h時段光伏發(fā) 電裝置向用戶η配有的儲能電池充電的充電量，Jt/,,為用戶η配有的儲能電池在h時段的放 電量，rich為充電效率，ridis為放電效率； 不等式約束為：式(6)中，Bch為儲能電池最大充電功率，Bdis為儲能電池最大放電功率，禱為ο或1，磅=1 表示電池處于充電模式，喊=0表示電池處于閑置狀態(tài)，為0或1:毯=1表示電池處于放 電模式，= 0也表示電池處于閑置狀態(tài)，DOD為放電深度。4. 根據(jù)權利要求3所述的基于非合作博弈的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法，其特 征在于:設博弈模型中共有/1^^={1~斯}個用戶，一天被分為化=片-.巧}個時段，用戶11在}1 時段從電網(wǎng)購得的電量為-:<'，l《n《N，l《h《H，所述步驟S2中的非合作博弈模型如式(7) 所示：5. 根據(jù)權利要求4所述的基于非合作博弈的家庭用電和儲能電池容量優(yōu)化方法，其特 征在于:通過求解式(7)在可行域內(nèi)的最小值，尋找非合作博弈模型的納什均衡解，得出家 庭最優(yōu)的用電策略W及電池容量的最優(yōu)配置，如式(8)所示：
【文檔編號】G06Q10/04GK105976066SQ201610340180
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】高丙團, 劉曉峰, 馬婷婷, 湯奕
【申請人】東南大學