前言
随着国家现代能源绿色低碳优化发展与新型电力系统建设的快速推进，可再生能源发电的重要性进一步凸显。当下中国电力转型正处于从简单的可再生能源替代迈向更复杂的综合能源系统（integrated energy system，IES）的关键拐点，相比于传统多种能源系统的独立运行，综合能源系统能实现多种能源间的优势互补，能流互济，在提高配电网能源利用率、改善系统运行灵活性以及减少环境污染等方面发挥了显著作用。目前针对含碳捕集与P2G综合能源系统的运行优化研究主要为对系统整体进行优化，较少考虑系统中各运营主体的合作模式与合作前提，由于在实际场景中，单独投资P2G设备或碳捕集设备收益较低，因此往往需构建合作联盟以充分发挥P2G设备消纳可再生能源的能力与碳捕集设备的减排特性，并对其创造的收益做出合理分配。
IES结构和电转气模型
IES系统结构
如下图所示，将某区域综合能源系统分为以下3个主体，分别为可再生能源供应商（renewable energy supplier，RES）、碳捕集电厂（carbon capture power plant，CCPP）以及燃气热电厂（gas-fired thermal power plant，GTPP）。可再生能源供应商包含有风电机组、光伏电站和锂电池储能；碳捕集电厂包括电转气设备、碳捕集及封存（carbon capture and storage，CCS）设备；燃气热电厂包括热电联产机组（combined heat and power，CHP）、燃气锅炉（gas boiler，GB）、P2G设备以及热储能；系统中负荷包括电负荷、热负荷。
电转气模型
P2G是电化学储能的重要方式，可将富余电能转化为气能，其运行通常分为2个阶段，第1阶段为电解水制取H2，第2阶段为H2与CO2重整制取CH4。本文充分考虑P2G与锂电池的互补特性，使其共同构成综合能源系统电化学储能单元，利用锂电池实现电能的短期储存并平抑电网功率波动，利用 P2G 设备实现电能与气能的灵活转换，避免锂电池“过充过放”的同时利用天然气网络实现能源的长时间储存与远距离运输，其数学模型和运行约束为：
碳捕集电厂模型
合作博弈下多主体IES运行模式
现实当中，可再生能源供应商、碳捕集电厂、燃气热电厂通常属于不同利益主体，在传统非合作运营模式中：电能供应商直接以上网电价向电网售电，而P2G、碳捕集设备则以工业电价向电网购电进行天然气生产与CO2捕集；而在合作联盟中，根据国家能源局发布的《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》，其交易模式为：可再生能源供应商与电力用户进行电力直接交易；电网企业承担分布式发电的电力输送并配合有关电力交易机构组织分布式发电市场化交易，按政府核定的标准收取“过网费”。在合作模式中，可再生能源发电供应商以约定价格向碳捕集设备和P2G设备售电，并承担过网费。
合作联盟构成
在一定的规则约束下，各决策人依靠所掌握的信息，选择各自策略，以实现利益最大化或风险成本最小化的过程即博弈。在本文所提综合能源系统中，将多个决策者组成一个联盟，并按某种分配原则，在联盟内部成员间重新配置资源、分配收益，可使系统能源配置更加灵活合理，产生合作剩余，因此，本文采用合作博弈理论来探究各综合能源主体间的合作方式。
合作博弈存在的2个基本条件：
1）群体理性条件：即对联盟而言，合作后联盟整体收益大于每个成员单独经营时的收益之和。
2）个体理性条件：即对联盟内部而言，每个成员都能获得不少于不加入联盟时所获的收益。
联盟合作原则：
1）当可再生能源供应商参与合作联盟时，除向电网售电外，其还可以协议电价向碳捕集装置与电转气设备直接售电，并支付过网费。
2）当碳捕集电厂参与合作联盟时，除向电网购电外，可向可再生能源供应商直接购电满足碳捕集设备能耗需求，购电决策与分时电价相关，同时其捕获的 CO2 可向 CCS 设备出售。
3）燃气热电厂参与合作联盟时，除向电网购电外，可向可再生能源供应商直接购电满足 P2G 设备能耗需求，购电决策与分时电价相关。
4）若未参与联盟，则各主体间不可存在电能传输行为，且由于燃气热电厂在系统内对供热形成垄断，故不考虑其售热收益，仅考虑其运营成本。
可行性分析
当系统形成合作联盟时，RES通过协议售电模式向CCPP与GTPP售电，储能成本及弃电惩罚成本减少，系统整体用电量及弃电消纳能力提升，从而系统整体收益提升；CCPP中碳捕集设备购电单位成本减少，出力提升，从而CO2排放量减少，碳交易收益提升，同时，其还可通过向P2G设备出售其制气原料CO2，碳封存成本减少；GTPP中，P2G设备购电单位成本减少，天然气生产量增加，从而拉动CHP机组与燃气轮机出力，同时减少系统购气成本。综上，系统整体收益增加，但由于系统内部收益归属存在争议，因此采用Shapley分配模型对合作剩余进行合理分配。
程序介绍
首先构建IES框架，针对电转气（P2G）、碳捕集、燃气轮机、热储能等设备进行建模；其次考虑系统内各主体之间存在协同合作的可能，将系统内各运营主体分为三方构建合作联盟，阐述能源互补提高整体收益的原理；最后建立基于合作博弈的IES协同优化调度模型，利用Shapley值法对合作剩余按贡献进行分配。该文通过某综合能源系统实例仿真分析，验证了所提出的策略能有效减少各合作主体的运行成本及合作联盟的运行总成本，促进联盟内多主体开展合作，有效提升系统内风电消纳能力，减少系统碳排放量。程序中算例丰富，注释清晰，干货满满，创新性和可扩展性很高，足以撑起一篇高水平论文！下面对程序做简要介绍！
程序适用平台：Matlab+Yalmip+Cplex
参考文献：《基于合作博弈的综合能源系统电-热-气协同优化运行策略》-太阳能学报
程序结果
部分程序
%% 风光模型C=[C,0<=P_wt<=S_w];C=[C,0<=P_pv<=S_p];%% P2G设备运行模型C=[C,P_H2==nita_H2*P_P2G]; %电解槽产生氢气功率C=[C,P_H2total==P_H2+P_h2dis-P_h2cha];%% 甲烷反应器运行模型C=[C,P_MRg==nita_ch4*P_MRh]; %电解槽产生氢气功率C=[C,0<=P_MRg<=250];%% 储氢罐模型C = [C, H_h2dis + H_h2cha <= 1];C = [C, 0 <= P_h2cha <=H_h2cha*50];C = [C, 0 <= P_h2dis<= H_h2dis*50];%% CHP运行约束C=[C,P_CHPe==P_CHPg*CHP_e];C=[C,P_CHPh==P_CHPg*CHP_h];C=[C,Q_co2out==P_CHPg*alpha_co2];C=[C,0<=P_CHPg<=600];%% 燃气锅炉约束C=[C,Q_CB==K_gas*nita_CB*V_CB];C=[C,0<=Q_CB<=800];%% 功率平衡约束C=[C,0<=P_be<=1000];C=[C,0<=P_bg<=1000];%电功率平衡C=[C,load_e==P_wt+P_pv+P_CHPe+P_be];%热功率平衡C=[C,load_h==P_CHPh+Q_CB];%气功率平衡C=[C,load_g+P_CHPg+V_CB==P_MRg+P_bg];%氢功率平衡C=[C,load_H+P_MRh==P_H2+P_h2dis-P_h2cha];%% 目标函数Fe=sum((load_e).*C_e);Fh=sum(0.65*load_h);Fg=sum(load_g.*C_g);CDE=sum(P_CHPe*c_chp+pw*(P_wt+P_pv));CQ=sum(beta1*(S_w-P_wt)+beta2*(S_p-P_pv));Cbe=sum(C_e.*P_be);Cbg=sum(C_g.*P_bg);Cnet=sum(alpha_net*(load_e).^2+beta_net*(load_e));Cco2=0.5*sum((Q_co2out+0.92*P_be));Ftotal=Fe+Fh+Fg-(CDE+CQ+Cbe+Cnet+Cbg);
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