基于工程博弈论的电力系统能源三重困境协调研究

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Reconciling Energy Trilemma in Power Systems: A Perspective from Engineering Game Theory

为解决电力系统低碳转型中能源安全、经济性和环境可持续性难以兼顾的"能源三重困境"问题，研究人员开展了基于工程博弈论的协调机制研究。通过构建三目标优化模型，结合多面体投影算法解析权衡空间，并采用纳什议价准则确定公平折衷方案。研究表明，在可再生能源占比2/3的系统中，63.7%的火电机组应改造为碳捕集机组，储能容量配置约为可再生能源装机的4.3%，为高比例新能源电力系统规划提供了新范式。

　　

随着全球气候变暖问题日益严峻，电力系统低碳转型已成为实现碳中和目标的关键路径。然而，这一转型过程面临着严峻的挑战：大规模可再生能源并网带来波动性问题，威胁系统运行安全；碳捕集设备的加装虽然能有效降低碳排放，但会显著增加能耗和投资成本；储能装置可以平抑新能源波动，却因高昂造价制约其规模化应用。这些矛盾构成了电力系统著名的"能源三重困境"——如何在保障能源安全、维护能源公平和促进环境可持续性这三个相互制约的目标间找到平衡点，成为学术界和工业界共同关注的焦点。

传统研究方法如随机优化、鲁棒优化等虽能处理单一目标优化，但难以有效协调三重目标间的复杂权衡关系。加权求和法等常规多目标优化方法需要人为设定权重系数，结果易受主观因素影响。针对这一难题，清华大学的研究团队在《CSEE Journal of Power and Energy Systems》上发表了一项创新性研究，提出了基于工程博弈论的解决方案。

本研究采用了多学科交叉的技术方法体系：首先建立了量化能源三重困境的指标体系，其中能源安全以虚拟可平移负荷的最大调节范围Δp_max^d为表征，能源 equity 涵盖碳捕集改造和储能投资运行成本，环境可持续性以CO₂排放总量衡量。进而构建了三目标线性规划模型，采用定制化多面体投影算法将高维可行域投影至三维目标空间，最后运用纳什议价博弈理论在帕累托前沿上确定公平均衡解。该方法避免了人为参数设定，保证了解的惟一性和公平性。

系统配置与建模

研究构建了包含可再生能源电站、传统火电机组、碳捕集电厂、储能设备和可调节负荷的综合能源系统模型。其中，碳捕集电厂的运行特性通过三个独立变量描述：机组毛功率p_t^g、净注入功率p_t^N和净碳排放E_t^N，其能量平衡关系体现了碳捕集过程对系统运行的复杂影响。

三重困境指标量化

能源安全指数I^se定义为负荷调节能力与基准负荷的比值，反映系统维持功率平衡的"成本"；能源公平指数I^eq包含改造成本和运行成本，体现代价可承受性；环境可持续性指数I^ec为碳排放总量，表征生态影响。这三个量纲各异的指标通过多目标优化框架统一分析。

权衡空间解析

通过定制化多面体投影算法，将高维可行域投影至三维目标空间，获得完整的权衡关系多面体。算法采用在线顶点枚举技术，通过迭代添加切割平面逐步逼近真实投影集，有效解决了传统傅里叶-莫茨金消除法的组合爆炸问题。

纳什议价均衡

在三维权衡空间中，以各目标最差点为分歧点，构建纳什乘积函数V_N=(I_w^se-I^se)(I_w^eq-I^eq)(I_w^ec-I^ec)，通过最大化该函数求得公平均衡解。该解具有帕累托最优性、尺度不变性和公平性三大特性。

研究结果表明，在可再生能源占比达65%的测试系统中，单一目标优化方案存在明显缺陷：单独优化能源安全时(I^se=0)，虽能确保系统运行安全，但经济成本增加至5.43×10⁵美元，碳排放达0.596×10⁴tCO₂；单独优化经济性时，虽成本最低(4.19×10⁵美元)，但安全性和环保性指标均达最差水平；单独优化环境目标时，碳排放最低(0.207×10⁴tCO₂)，但经济成本最高(7.05×10⁵美元)。

相比之下，纳什议价均衡解在三个维度上取得了良好平衡：能源安全指数I^se=0.063，能源公平指数I^eq=4.99×10⁵美元，环境可持续性指数I^ec=0.378×10⁴tCO₂。对应的系统配置为：63.7%的火电机组改造为碳捕集机组，储能容量配置为最大可安装容量的65.2%，约占可再生能源装机容量的4.3%。这一配置既保证了系统运行灵活性，又控制了改造成本，同时实现了显著的碳减排效果。

敏感性分析揭示了技术成本变化对均衡解的影响规律：当储能成本从200美元/kW降至120美元/kW时，系统更倾向于通过扩大储能容量(从65.2%增至75.3%)来整合可再生能源，碳捕集改造比例相应降低(从63.7%降至51.4%)；而当碳捕系统改造成本从500美元/kW降至300美元/kW时，改造比例显著提高(从63.7%升至71.7%)，储能配置需求相应减少。这种此消彼长的关系体现了不同技术路线间的内在权衡机制。

该研究通过工程博弈论框架成功解决了电力系统能源三重困境的协调问题，提出的方法论具有重要的理论价值和应用前景。几何化的权衡空间分析方法直观展示了多目标间的复杂关系，纳什议价准则为缺乏明确碳价政策场景下的低碳转型提供了决策依据。研究结果对2030-2040年期间的电力系统规划具有指导意义，为高比例可再生能源系统的技术路线选择提供了量化参考。未来工作可进一步考虑电网拓扑约束、多时间尺度协调等复杂因素，提升方法的工程适用性。