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一、研究作者、机构与发表信息

本文作者为Xinrui Liu、Ming Li、Rui Wang、Junbo Feng、Chaoyu Dong和Qiuye Sun。其中，Xinrui Liu为通讯作者，其电子邮箱为liuxinrui@ise.neu.edu.cn。主要研究机构包括中国沈阳东北大学信息科学与工程学院（College of Information Science and Engineering, Northeastern University），以及新加坡南洋理工大学能源研究院（Energy Research Institute, Nanyang Technological University）。该研究发表于国际学术期刊《Energy》第309卷，文献编号为132984，于2024年9月4日在线发表。

二、研究背景与目的

在“碳达峰”与“碳中和”国家战略目标背景下，配电网面临大规模分布式能源接入带来的运行与管理挑战。虚拟电厂（Virtual Power Plant, VPP）作为聚合分布式能源和灵活资源调度的有效手段，已成为研究热点。随着VPP调控技术的不断成熟以及多元能源设备的广泛接入，VPP资源在时间与空间上具有互补性。相比各VPP独立运行，多虚拟电厂（Multi-Virtual Power Plants, MVPP）的协调优化能更经济地平衡各参与主体利益，提升调度灵活性并降低运行风险。然而，已有研究多聚焦于VPP之间的电力交易，较少考虑多能源交易以及用户侧参与的合作关系。此外，电转气（Power to Gas, P2G）过程中的氢能中间利用价值尚未被充分挖掘，尤其是与碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）机组协同运行时，天然气掺氢技术的减碳潜力未被系统研究。为此，本文旨在建立MVPP与负荷聚合商（Load Aggregator, LA）之间的双边合作博弈交易框架，同时构建包含天然气掺氢的多能源协同VPP模型，以探索系统低碳运行能力。

三、研究流程与建模方法

本研究首先构建了MVPP与LA之间的能源交易与运行框架。供给侧包含多个VPP运营商，需求侧则由LA聚合工业、商业和居民三类用户。VPP内部集成CCS电厂、热电联产（Combined Heat and Power, CHP）机组、燃气锅炉（Gas Boiler, GB）、风电（Wind Turbine, WT）、光伏（Photovoltaic, PV）、两阶段P2G、氢储能系统（Hydrogen Storage System, HSS）及电储能系统（Electrical Storage System, ESS）等设备。其中，CHP与GB均采用天然气掺氢燃烧技术，掺氢比例设定在10%至20%之间。CCS电厂模型考虑了固定能耗与运行能耗，并通过富液罐与贫液罐实现二氧化碳的捕集与存储。两阶段P2G模型分为电制氢（Power to Hydrogen, P2H）与氢制气（Hydrogen to Gas, H2G）两个环节，前者将富余电力转化为氢气，后者则将氢气与二氧化碳反应生成甲烷，实现碳的循环利用。

在博弈建模方面，本文基于合作博弈理论建立VPP运营商与LA之间的纳什讨价还价（Nash Bargaining）模型。VPP运营商的目标为最大化自身收益，包括向用户售能收益、与其他VPP交易收益扣除各类运行成本、购能成本、碳交易成本及网损费用。LA则代表用户最大化综合效益，包含用户用能效用、用能满意度损失及购能成本三部分。由于原始博弈模型为非凸非线性问题，作者将其等价分解为两个子问题：社会效益最大化子问题（SP1）与收益分配子问题（SP2）。SP1求解最优能源交易量，SP2求解最优交易价格。采用交替方向乘子法（Alternating Direction Method of Multipliers, ADMM）对子问题进行分布式求解，各参与主体仅交换有限交易信息，从而保护隐私。

四、主要研究结果与分析

为验证所提模型的有效性，本文选取中国北方某典型能源消费区域三个地理位置相邻的园区级VPP作为案例。其中VPP1配置风电，VPP2和VPP3配置光伏。设计了四个对比案例：案例1为本文所提合作运行且含掺氢模型；案例2为各VPP独立运行且含掺氢；案例3为合作运行但不含掺氢；案例4为合作运行但不包含VPP与LA之间的交易博弈。

结果显示，ADMM算法在SP1中经过25次迭代收敛至10⁻²以下，计算时间为551秒；SP2在32次迭代内收敛至10⁻³以下，计算时间为345秒，表明算法具有良好的收敛性与计算效率。在运行成本方面，与独立运行相比，MVPP合作运行使各VPP收益分别提升3.00%、6.11%和6.29%，总收益增加6685元。不含掺氢的案例3总收益比案例1减少2691元，其中碳交易成本增加2437元，说明CCS与掺氢协同可显著降低碳排放并提升系统经济性。在用户综合效益方面，案例1比案例3降低总成本2969元，用户用能效用提升8.97%，满意度提升5.83%。尽管案例4的总成本比案例1低637元，但案例1的用户用能效用与满意度分别提高34.05%和17.21%，表明通过LA参与交易博弈能显著改善用户侧综合体验。在能源交易结果上，VPP1在夜间风力富余时向VPP2与VPP3出售多余电力，白天光伏出力高峰期则反向购电，实现了多能互补与跨时段协同。

五、研究结论与价值

本文得出以下结论：基于合作博弈的MVPP与LA双边交易框架能有效提升用户综合效益并促进MVPP内部能量互补；天然气掺氢比例越高，MVPP合作运行下的系统低碳性能越好；所提分布式ADMM求解方法能在保护参与主体隐私的前提下实现高效收敛。在科学价值方面，本文首次将VPP间交易与VPP-LA交易纳入统一合作博弈框架，拓展了多主体能源交易理论。在应用价值方面，文中构建的CCS与两阶段P2G耦合模型，结合天然气掺氢与阶梯式碳交易机制，为园区级综合能源系统的低碳运行提供了可操作的优化方案。特别是通过LA聚合用户侧需求响应资源，在提升用能效用与满意度的同时，实现了供给侧与需求侧的共赢。

六、研究亮点

本文的研究亮点主要体现在以下三方面：其一，建立了VPP之间以及VPP与LA之间的双边能源合作交易框架，克服了传统斯塔克尔伯格（Stackelberg）博弈中用户侧被动响应的局限性，实现了供需双方的平等合作地位。其二，将CCS、两阶段P2G与天然气掺氢技术融合，构建了碳捕集—氢能制取—氢能储存—天然气掺氢燃烧的完整链条，充分挖掘了氢能在中间阶段的利用价值。其三，针对非凸非线性博弈问题，提出了基于ADMM的分布式求解算法，将原始问题分解为社会效益最大化与收益分配两个子问题顺序求解，在保障参与主体信息隐私的同时实现了全局协调优化。

七、其他有价值内容

本文还具体给出了各类设备的详细数学模型及约束条件，包括CHP与GB的掺氢比例计算式、CCS电厂能耗与碳处理量关系式、两阶段P2G的氢甲烷转化效率及储能系统充放电约束等。此外，文中引入了阶梯式碳交易机制，根据实际碳排放量与免费碳排放额的差值，设计不同价格区间的碳交易成本计算方式，强化了碳排放的经济约束。这些模型与方法可为相关领域研究者提供详细的建模参考。