上海交通大学张衡、张沈习 等：Stackelberg博弈在电力市场中的应用研究综述

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可再生能源并网常态化、储能投资商业化、需求侧管理多样化、多能互补成熟化等在电力系统源、网、荷侧引入的利益主体不断增多，而受自身规模、所处市场地位不同造成了决策次序的差异性。此类问题可以采用具有主从递阶结构的Stackelberg博弈进行描述，受到了国内外学者的广泛关注。通过总结现有研究成果，明确未来亟需解决的关键问题和挑战，能为处于不同决策次序的利益主体参与电力市场竞争提供理论依据和方法指导。

作者介绍

张衡

1991年出生，通信作者，上海交通大学电气工程系助理研究员。长期从事电力与能源系统优化规划研究工作，主持上海市科技扬帆计划、产学研等多项课题。发表SCI/EI论文30余篇，获上海市科技进步一等奖1项。

张沈习

1988年出生，上海交通大学电气工程系副研究员、博士生导师。长期从事电力与能源系统优化规划研究工作，主持国家自然科学基金（面上项目、青年基金、联合基金重点项目子课题）、上海市扬帆计划项目、产学研项目等10余项。第一/通讯作者发表SCI期刊论文16篇、EI期刊论文22篇，其中1篇入选领跑者F5000。获省部级科技进步奖2项。

程浩忠

1962年出生，上海交通大学电气工程系教授（特聘、二级）、博士生导师，中国电机工程学会会士，IET Fellow。长期从事电力系统规划、综合能源系统规划、电压稳定等领域的研究工作。主持了国家自然科学基金重点项目、国家973计划、国家863计划、国家重点研发计划等重要项目。发表论文500余篇，多篇论文入选中国百篇最具影响国内学术论文、领跑者F5000等。第一完成人获国家级科技奖励1次、省部级科技奖励10次。

研究背景

《中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见》的下发，拉开了我国新一轮电改序幕。借助人工智能、区块链、大数据等新技术提供的支撑平台，电力市场准入门槛进一步降低。除了传统燃料电厂和电网公司外，可再生能源发电商、储能设备运营商、负荷聚合商、需求侧管理资源供应商、增量配电网投资商等大量参与者也逐渐进入市场。

随着“源-网-荷”侧的市场参与者种类和数量大幅增加，电力市场由传统寡头垄断逐渐向充分竞争过渡，参与者面临的决策问题越发复杂，除面临同类产品竞争外，还要考虑决策次序带来的影响。

参与者受自身规模、市场地位等制约，在决策次序上具有显著差异性，体现在两个方面：

①市场地位不同，如发电商以自身利益最大进行报价，独立调度机构（Independent System Operator, ISO）以最大化社会效益进行市场出清，发电商优先决策，ISO在观察到发电商策略后再做决策；

②处于同一地位的参与者由于生产规模不同引起决策的次序问题，如大型发电集团参与竞价，而小规模发电商只能被动接受电价做出决策。次序决策在电力市场中普遍存在，而随着能源互联网发展，市场参与者进一步增多，次序决策问题越发复杂，模型结构和求解方法都亟待在现有研究基础上进一步改进以适应新型电力系统中电力市场的需求。

论文所解决的问题及意义

本文介绍了Stackelberg 博弈的理论框架，综述了其在电力市场方面的应用，并总结了博弈模型对等转换技巧及求解方法。最后，结合当前电网发展趋势，从未来高比例可再生能源电力系统市场出清、非市场主要参与者的收益、收益与风险的衡量、综合能源投资/竞价交易、含不确定因素的Stackelberg博弈问题建模与求解五个方面总结了仍然存在的关键问题。该文为处于不同决策位置的利益主体参与电力市场竞争提供了参考。

论文方法及创新点

针对电力市场环境下电力系统投资、交易等环节中普遍存在的次序决策问题，本文以具有主从递阶结构的Stackelberg博弈理论为切入点，综述了其在电力市场中的应用情况。首先，阐述了Stackelberg博弈理论的数学结构，并根据主/从问题中博弈者的数量进行了分类；然后，梳理了Stackelberg博弈在电力市场中的典型应用，总结了模型对等转换技巧，归纳了各类求解方法及其优缺点；最后，提炼了Stackelberg 博弈理论在电力市场应用中仍然存在的关键问题。

结论

随着电力市场改革逐步加深及现代信息技术快速发展，市场参与者的规模差异性大且数量急剧增加，典型如发电商、分布式能源电站投资商、负荷聚合商、甚至电动汽车、商业楼宇等都可作为利益主体参与到需求侧管理、系统调峰等市场中。然而，基于市场参与者的体量和规模特征，并不是所有参与者都拥有同样的市场地位和决策能力，有些参与者是直接影响市场出清，而有些则是被动接受市场出清。

因此，基于上述市场特征，利用具有主从递阶结构的Stackelberg 博弈研究电力市场环境下的规划、竞价、优化运行等具有先天优势，且符合电力市场结构与运行机理。

本文系统地阐述了Stackelberg 博弈的基本理论及在电力系统中的典型应用，结合实际电力市场的复杂性及其发展趋势，总结了未来亟需解决的几个关键问题。希望本文工作能为复杂环境下具有不同市场地位的各方利益主体构建博弈策略提供参考。

引用本文

张衡, 张沈习, 程浩忠, 张希鹏, 谷青发. Stackelberg博弈在电力市场中的应用研究综述[J]. 电工技术学报, 2022, 37(13): 3250-3262. Zhang Heng, Zhang Shenxi, Cheng Haozhong, Zhang Xipeng, Gu Qingfa. A State-of-the-Art Review on Stackelberg Game and Its Applications in Power Market. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(13): 3250-3262.

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