以光伏主导的多能系统时空投标：基于情景的Stackelberg–Nash博弈建模

为何更智能的能源交易至关重要

随着太阳能电池板从屋顶扩展到整个社区，我们的能源系统变得更清洁，但也更难以管理。日照随天气起伏而变化，而家庭、工业和交通在每个时刻都期望可靠的电力、热能以及日益增长的氢燃料供应。本文探讨了众多独立能源参与者——每个都拥有自己的光伏、蓄电池和转换设备——如何在电力、氢能与供热市场间协调交易，以确保供电稳定、成本降低并把浪费降到最低。

从单向电网走向多方参与的能源系统

传统电力系统以少数大型电厂向被动消费者单向输送电力为基础。如今，无数较小的主体——如建筑业主、社区和企业——拥有光伏、蓄电池以及将电力转化为氢或热能的设备。这些主体不仅消费，还能生产与交易。作者关注这种新的“多能”世界，在这里某一领域（如电力）的决策会波及其他领域（如氢供给或区域供热）。他们认为，假定单一中心规划者并掌握完美信息的既有规划工具，在许多自利参与者同时在不确定的日照与价格环境下多市场投标时，已不再足够。

让参与者在公平的博弈中运作

为捕捉这种复杂性，研究将互动建模为多个参与者与市场运营者之间的博弈。每个参与者可以出售电力、氢与热，或使用蓄电池、电解槽与锅炉等设备在这些能量形式间转换。同时，独立系统运营商必须确保物理网络的安全与平衡。作者采用称为Stackelberg–Nash博弈的结构：运营商充当领导者，执行电网和市场规则；参与者作为跟随者，通过选择最大化自身利润的投标作出回应。由于太阳和需求存在不确定性，参与者并非为单一未来做计划，而是为一组随时间展开的可能情景制定策略。

为多种可能的未来制定计划

模型不是依赖单一预测，而是使用情景树来表示不确定性——该树描述了当天内太阳出力、需求与价格的多种可能路径。每个参与者设计跨时段和各分支的投标策略，决定在各市场上提供多少、何时给蓄电池充放电，以及何时将电力转换为氢或热。框架包含对浪费光伏能量、转换低效以及未能按承诺交付的惩罚。这鼓励参与者明智使用其灵活资产，在追求利润机会的同时平滑光伏出力的波动。

众多灵活参与者互动时的结果

作者在一个标准基准配电网络上测试了他们的框架，该网络由多个不同类型的参与者组成。有些拥有大型光伏与蓄电系统；另一些则在氢或热能力上更强。仿真显示，当参与者能够在市场与时间尺度上转移能量时，他们对光伏波动和价格冲击的韧性增强。利润更稳健、被拒绝的投标更少、能源浪费也降低。拥有平衡资产组合——将储能与转换设备相结合的参与者——在套利方面表现尤为突出，有助于稳定价格并在能源部门之间发挥桥梁作用。与此同时，整体系统为应对不确定性所需的昂贵备用容量减少，而可靠性得到保持甚至提高。

对未来能源市场的启示

对非专业读者而言，主要结论是：智能的协调规则与灵活技术可以把可变光伏作为优势来利用。通过将投标视为不确定性下的结构化博弈，该框架展示了众多独立参与者如何在电力、氢与热领域既竞争又合作。当市场设计承认转换与储能机制时，系统能更充分利用可再生能源、减少对备用的支出，并更公平地在参与者之间分配经济收益。简言之，论文指向了这样一种未来市场设计：以光伏为主的多能系统不仅在技术上可行，而且高效、公平且具鲁棒性。

引用: Qiao, H., Wen, S., Zhang, Y. et al. Spatiotemporal bidding for multi-energy systems with photovoltaic dominance: a scenario-based Stackelberg–Nash game formulation. Sci Rep 16, 14362 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41892-7

关键词: 多能市场, 光伏并网, 战略性投标, 氢能与热能耦合, 能源存储灵活性