社区微网主动能量管理协同与优化方法研究_侯媛媛.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1548-10 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 社区微网主动能量管理协同与优化方法研究侯媛媛1，曾君1，罗燕2，刘俊峰2（1华南理工大学电力学院，广东省 广州市 510640；2华南理工大学自动化科学与工程学院，广东省 广州市 510640）Research on Collaborative and Optimization Methods of Active Energy Management in Community Microgrid HOU Yuanyuan1,ZENG Jun1,LUO Yan2,LIU Junfeng2(1.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong Province,China;2.School of Automation Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong Province,China)ABSTRACT:Microgrids,as an important component of the new power system construction,play a significant role in the connection between the distributed resources and the power grid and they have become an inevitable way to improve the local consumption of the renewable energy.Taking a community microgrid with multiple renewable energy sources as the object,this paper studies the active energy management and collaborative optimization of the microgrid under multi-agent interest gaming.Firstly,the energy characteristics and demands of the community microgrid are deeply analyzed,and the flexible load and photovoltaic renewable energy are unified to form a generalized user so that the flexible load with the operation of the power supply capacity and the energy storage unit in a coordinated manner.Then,the multi-objective optimization model of the generalized users is established by considering the comfort and economy of the generalized users.Finally,based on the potential game theory,the interactive gaming model between the operators and the generalized users is analyzed and solved.The simulation results show that the proposed method is able to effectively improve the power consumption curve of the flexible load,promote the economy of the power consumption for the users,and increase the local consumption capacity of the renewable energy on the basis of ensuring the autonomy and self-interest of the operators and the users.KEY WORDS:microgrid;generalized users;load satisfaction;potential game;active energy management 摘要：微电网是分布式资源与电网之间的重要桥梁，是提高 基金项目：国家自然科学基金项目(No.62173148，51877085)；广东省自然科学基金项目(2021A1515011347，2022A1515010150)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(NSFC)(No.62173148,51877085);Guangdong Natural Science Foundation(2021A1515011347,2022A1515010150).可再生能源就地消纳的重要途径，是新型电力系统建设的重要组成。该文以多种可再生能源接入的社区微网为对象，研究多主体利益博弈下，微网主动能量管理和协同优化方法。首先，深入分析了社区微网能量特性与需求，提出将柔性负荷和光伏可再生能源统一起来，形成广义用户，让具有供电能力的柔性负荷和储能单元协调运行。然后再将广义用户的舒适度和经济性纳入考虑，建立广义用户的多目标优化模型。最后基于势博弈理论，分析运营商和广义用户的互动博弈模型并进行求解。仿真结果表明，所提出的方法在保证运营商和用户的自主性和自利性的基础上，有效改善柔性负荷用电曲线，提高用户用电的经济性和可再生能源就地消纳能力。关键词：微电网；广义用户；负荷满意度；势博弈；主动能量管理 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1361 0 引言 构建新型电力系统是能源绿色低碳发展这一实现“双碳”目标关键的核心。随着分布式发电技术的成熟，越来越多的社区用户在屋顶装上光伏板，社区用户不再是传统的单一电力消费者，而是逐渐向“产消者”角色转变，风光等可再生能源分布式、海量和多样化接入电网，为电网的运行调度带来了新的挑战。微电网是应用多类型分布式电源有效方法，是分布式电源与电网间的有效桥梁，具有广阔的发展空间和多样化的应用场景1-3。社区微电网是其中主要方式之一，是一个包含系统运营商和多主体用户的具有复杂运行特性的微网组成形式。对于微网的运行优化，早期的研究主要针对经济性或者可靠性单一目标进行优化，达到减少用户电费或者提高用电可靠性的目的4-6，譬如，文献7以提高多微网系统的经济性为寻优目标，构建多微网系统的合作博弈模型，提出了效益妥协算法，解第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1549 决多微网系统的运行优化问题；文献8采用计及光伏发电出力不确定性因素的深度强化学习算法，以微网运行成本最低为寻优目标，提高微网系统的经济性；文献9以微电网运行稳定性为目标，提出了一种基于模型预测控制算法的微电网孤岛运行模式下的储能系统管理方法。随着微电网的需求进一步提升，对于微网能量管理优化问题的研究，不单单是考虑经济性或者可靠性，也会关注用户用电舒适度、环境保护、可再生能源的就地消纳等多个因素，优化目标逐渐向多目标优化转变，譬如，文献10以经济性、环保性和负荷调度等多个因素为目标，采用 NSGA-II 多目标算法，满足微电网调度过程中多方面需求；文献11以电压偏差最小、系统的网损最小和运行效率最高为目标，提出了一种基于小生境进化的多目标免疫算法，解决微电网的运行优化问题。因此，本文将社区微电网全局的经济性、可再生能源的就地消纳、用户个体的经济性和舒适度以及用户的负荷曲线纳入考虑，建立用户的多目标优化模型，并进行求解。随着大量风光分布式能源的接入，以及具有自利性的多个利益主体的产生，使得微电网的高效运行和管理面临巨大的挑战，要求社区微网管理者对多个利益主体进行管理。此外，提高用户参与微网能量管理的积极性可以促进微网协同运行效率，因此，大多数研究从单一对“源侧”的调整逐渐向“需求侧响应”转变，为微电网的发展提供的新的思路和途径，譬如，文献12构建多个综合能源服务商与电力、天然气市场互动的双层博弈模型，提高需求侧经济效益；文献13构建三层博弈架构下的智能电网能量管理模型，计及需求侧响应，提高需求侧用户的参与度。基于上述文献，本文引入“运营商”作为社区微网的管理者，将柔性负荷与风光可再生能源统一起来形成广义用户，考虑社区用户的经济性和舒适度，建立运营商与广义用户的多目标优化函数，达到提高用户的经济性和舒适度的目的，促进可再生能源的就地消纳。传统的集中式优化算法已经难以满足社区微网多个优化目标以及多个利益主体的需求，而博弈论是研究具有斗争或竞争性质现象的数学理论和方法，通过严谨的数学方法在两个或者多个具有竞争性质的决策主体之间找到最优的行为策略14。博弈论在电力系统中的应用很多，文献15构建双层分布式优化模型，两层模型构成主从博弈问题。文献16建立配网与多微网主从博弈模型，配网为领导者，微网为追随者。基于上述文献，在解决具有自主性和自利性的多主体能量管理协同优化问题上，博弈论具有很好的效果，为社区微网能量管理的优化问题提供了新方法。但是大部分的博弈论难以求出纳什均衡解，而势博弈的有限递增属性，保证了纳什均衡解的存在性。因此，本文构建运营商与广义用户的充分互动的博弈模型，并对博弈模型进行求解。综上所述，本文提出社区微网主动能量管理协同与优化方法，本文架构如下：首先分别对运营商与广义用户进行建模，建立运营商和广义用户的多目标优化函数，在此基础上，分析运营商与广义用户的互动博弈模型，采用 gurobi 求解器得到纳什均衡解，最后以一个并网型社区微网为例，验证本文所提方法的可行性。1 社区微电网主动能量管理系统建模 社区微电网包括运营商和广义用户，广义用户自愿与运营商签订柔性负荷调度协议，运营商可以直接调节用户的柔性负荷，满足用户舒适度的需求，并且合理调配资源，提高用户经济性，并且促进分布式可再生能源的消纳。社区微电网如图 1 所示，运营商与用户进行功率交换，用户反馈柔性负荷信息给运营商，运营商合理分配资源，协调用户柔性负荷，使得用户经济性提高。当运营商的可再生能源不足以满足用户需求时，运营商以低价从电网购电。运营商广义用户配网社区微电网电能信息流 图 1 社区微电网示意图 Fig.1 Schematic diagram of community microgrid 社区微网双层架构如图 2 所示，顶层包括运营商和多个广义用户，基于用户的柔性负荷和可在再生能源数据，运营商制定各类负荷以及储能设备的调度计划。底层包括运营商和用户的实体单元以及配网。运营商由公共风力发电机组、公共光伏阵列、公共储能设备、逆变器等实体单元以及能量管理系统构成。能量管理系统对各实体单元进行状态监控、数据采集和信息传输。广义用户由户用光伏阵列、户用储能设备、逆变器、负荷等实体单元构成，通过公共连接点与运营商进行功率交换，与运营商的微电网能量管理系统信息交流，并且受运营商直接控制。1550 侯媛媛等：社区微网主动能量管理协同与优化方法研究 Vol.47