基于多目標(biāo)優(yōu)化的多微電網(wǎng)電能交易建模與仿真

江蘇省常州市第一中學(xué) 徐子涵

基于多目標(biāo)優(yōu)化的多微電網(wǎng)電能交易建模與仿真

江蘇省常州市第一中學(xué) 徐子涵

本文建立了含電能交易平臺(tái)的多微電網(wǎng)電能交易的基本框架，首先對(duì)單個(gè)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式下參與電能交易的收益情況進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)而建立了含多微電網(wǎng)及交易平臺(tái)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并使用含精英策略的NSGA-II算法進(jìn)行求解，從而研究多個(gè)微電網(wǎng)參與市場(chǎng)博弈后的收益情況。通過對(duì)比可以看出，在多微電網(wǎng)及電能交易平臺(tái)的參與下，各微電網(wǎng)收益更加均衡，彼此之間形成了風(fēng)光互補(bǔ)的局面，使新能源的利用率得到了大幅的提高。

電能交易；多目標(biāo)優(yōu)化；微電網(wǎng)

1.引言

新能源的發(fā)展推動(dòng)了微電網(wǎng)的建設(shè)，電力體制的深化改革又推動(dòng)了電力市場(chǎng)的發(fā)展。本文以電力市場(chǎng)為背景，重點(diǎn)討論了交易平臺(tái)參與下的多微電網(wǎng)電能交易的相關(guān)問題，通過建立微電網(wǎng)運(yùn)行的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并使用NSGA-II算法求解，對(duì)日前電能交易的博弈過程進(jìn)行了初步的模擬。

文獻(xiàn)[1,2]討論了當(dāng)前環(huán)境下微電網(wǎng)發(fā)展中存在的一些問題。微電網(wǎng)中的分布式電源出力的不確定性和消納問題已成為目前電力系統(tǒng)中關(guān)注的重點(diǎn)，尤其近些年來(lái)，棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，造成了極大的資源浪費(fèi)。文獻(xiàn)[3,4]提出了微電網(wǎng)在電力市場(chǎng)中的運(yùn)行方式，多個(gè)微電網(wǎng)如何相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)利益最大化。文獻(xiàn)[5]在討論相關(guān)問題的算例時(shí)，在考慮多個(gè)微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加了服務(wù)平臺(tái)。

本文研究了電力市場(chǎng)環(huán)境下多微電網(wǎng)在電能交易平臺(tái)參與下的電能交易問題。首先對(duì)微電網(wǎng)中新能源發(fā)電機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的建模；進(jìn)而建立了單個(gè)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化模型；在此基礎(chǔ)上又對(duì)交易平臺(tái)參與下的微電網(wǎng)間的交互過程進(jìn)行研究，建立了微電網(wǎng)-交易平臺(tái)運(yùn)行成本最低的多目標(biāo)優(yōu)化模型。最后，本文使用了帶精英策略的非支配排序遺傳算法NSGA-II對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，并與單個(gè)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和分析。

2.多微電網(wǎng)電能交易框架

圖1所示給出了多微電網(wǎng)參與的電能交易的框架結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，配電網(wǎng)下會(huì)連接有多個(gè)微電網(wǎng)，并由交易平臺(tái)對(duì)各微電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)。微電網(wǎng)下設(shè)微電網(wǎng)調(diào)度中心，對(duì)微電網(wǎng)所負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)發(fā)電、用電進(jìn)行統(tǒng)一的管理；微電網(wǎng)間以及微電網(wǎng)-交易平臺(tái)間通過專用的局域網(wǎng)構(gòu)建成通信系統(tǒng)。

針對(duì)微電網(wǎng)的不同運(yùn)行模式，調(diào)度中心應(yīng)在保證用戶供電的基礎(chǔ)上最大程度的降低運(yùn)行成本，提高運(yùn)行收益。對(duì)于微電網(wǎng)的孤網(wǎng)運(yùn)行模式，調(diào)度中心應(yīng)積極配置微電網(wǎng)內(nèi)的各種發(fā)電資源、儲(chǔ)能資源，盡量減少棄電和切負(fù)荷情況的出現(xiàn)，調(diào)動(dòng)用戶參與需求側(cè)相應(yīng)；在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式下，調(diào)度中心應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)合理的在微電網(wǎng)、配電網(wǎng)間進(jìn)行電能的買賣，在缺電時(shí)優(yōu)先購(gòu)買電價(jià)較低的電能，在電價(jià)較高的時(shí)出售富余的電能。

圖1 微網(wǎng)交易物理架構(gòu)及通信系統(tǒng)

3.多微電網(wǎng)日前交易模型

3.1 交易平臺(tái)建模

交易平臺(tái)對(duì)于各微電網(wǎng)之間的電能交易與調(diào)控起著不可替代的作用，交易平臺(tái)應(yīng)能夠充分調(diào)動(dòng)各微電網(wǎng)，首先實(shí)現(xiàn)本地電能資源的互補(bǔ)；進(jìn)一步，當(dāng)微網(wǎng)群整體電能不足時(shí)，交易平臺(tái)應(yīng)能夠及時(shí)和配電網(wǎng)進(jìn)行交易，保證微網(wǎng)群內(nèi)負(fù)荷正常的電能供應(yīng)。由于分時(shí)電價(jià)的作用，電能在各子微電網(wǎng)、配電網(wǎng)間的買賣價(jià)格會(huì)產(chǎn)生差價(jià)，因此交易平臺(tái)將通過電能買賣的差價(jià)獲利。因此，平臺(tái)運(yùn)行的成本優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：

交易平臺(tái)運(yùn)行模型的約束條件為：

即電能交易應(yīng)滿足實(shí)時(shí)平衡的條件。

3.2 含多微電網(wǎng)及交易平臺(tái)的多目標(biāo)優(yōu)化建模

在實(shí)際情況中，微電網(wǎng)常會(huì)以成千上萬(wàn)個(gè)微電網(wǎng)群的方式連入配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。本文同時(shí)考慮了多個(gè)微電網(wǎng)通過交易平臺(tái)與配電網(wǎng)進(jìn)行電能交易的情況，建立了含多微電網(wǎng)及交易平臺(tái)的多目標(biāo)優(yōu)化模型。

其中：

其中：

4.NSGA-II算法及算例

NSGA-II是基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化問題的常用求解算法，由Srinivas和Deb于2000年在NSGA的基礎(chǔ)上提出的，該算法引用了快速非支配排序算法，計(jì)算復(fù)雜度大幅降低；引入了精英策略，減少了優(yōu)秀種群丟失的可能

本文算例中，設(shè)置了三個(gè)微電網(wǎng)，對(duì)比其在兩種運(yùn)行模式下的收益情況。兩種運(yùn)行模式分別為：(1)各微電網(wǎng)單獨(dú)并網(wǎng)運(yùn)行，各自對(duì)其成本函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算各自的運(yùn)行成本；(2)多微電網(wǎng)及交易平臺(tái)參與的電能交易的博弈模式：三個(gè)微電網(wǎng)及交易平臺(tái)同時(shí)參與電能交易，各自以自身成本最低為目標(biāo)，同時(shí)彼此之間又存在著電能平衡及交易電量的約束關(guān)系。計(jì)算博弈模式下各部分的成本情況。

4.1 測(cè)試系統(tǒng)概況

本文中算例使用三個(gè)微電網(wǎng)，其中，微電網(wǎng)1僅配備風(fēng)力發(fā)電機(jī)，微電網(wǎng)2、3僅配備光伏發(fā)電裝置。每個(gè)微電網(wǎng)都配備鉛酸蓄電池（型號(hào)Hoppecke 10 OPzS 1000），微電網(wǎng)的具體裝機(jī)情況如表1所示：

表1 各微電網(wǎng)裝機(jī)情況

此外，算例中使用分時(shí)電價(jià)，微網(wǎng)和用戶間的電價(jià)機(jī)制如圖2(a)所示，微網(wǎng)和配網(wǎng)交易電價(jià)如圖2(b)和(c)所示。對(duì)于微網(wǎng)和交易平臺(tái)間的交易電價(jià)，交易平臺(tái)從微網(wǎng)買電價(jià)格比微網(wǎng)向用戶賣電價(jià)格每度電高出0.02分，交易平臺(tái)向微網(wǎng)賣電價(jià)格和配網(wǎng)價(jià)格一致；交易平臺(tái)從配網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格如圖2(d)所示。

圖2 電價(jià)機(jī)制

4.2 單一微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果

圖3 單一微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果

圖3給出了三個(gè)微電網(wǎng)一天中不同時(shí)段各部分電能分布情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，微網(wǎng)1，2，3的成本分別為19.82元，-411.41元和-386.42元。負(fù)數(shù)表明微網(wǎng)獲利。每個(gè)微網(wǎng)由于自然條件和分布式電源類型不同，其發(fā)電特性也存在著較大的差異，相比之下，微網(wǎng)1與微網(wǎng)2、3收益差距巨大。此外，各微網(wǎng)都存在著明顯的棄電與切負(fù)荷情況，造成了資源的浪費(fèi)，又無(wú)法解決供需不對(duì)等的情況。

4.3 多微電網(wǎng)及交易平臺(tái)參與的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

通過多目標(biāo)優(yōu)化求解，可以得到該問題的帕累托前沿，進(jìn)而得出微電網(wǎng)1-3以及交易平臺(tái)的成本范圍，分別為：[-269.25, -129.96],[-280.95, -150.58], [-234.427, -130.053]以及[-0.31, 0.55]。相比單獨(dú)運(yùn)行模式，該模式下各微網(wǎng)的切負(fù)荷情況都有所降低，不同電能資源實(shí)現(xiàn)了較好的互補(bǔ)，即各微網(wǎng)通過電能交易使得運(yùn)營(yíng)情況得到改善。原本因大量棄電而收益較低的微網(wǎng)1，在多目標(biāo)優(yōu)化模式下通過向其它微網(wǎng)售電大幅提高了收益。多主體的競(jìng)爭(zhēng)與博弈使得各部分收益趨于較為均衡的狀態(tài)，避免了個(gè)別微電網(wǎng)收益過高和過低的極端情況。此外，交易平臺(tái)在電能交易過程中主要承擔(dān)著服務(wù)性角色，通過多目標(biāo)優(yōu)化，也最大程度上降低了交易中心的運(yùn)行成本。因此，多微電網(wǎng)及交易平臺(tái)參與的博弈過程使結(jié)果具有更大的優(yōu)異性與現(xiàn)實(shí)性，真正實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)，減少了電能資源的浪費(fèi)。

5.結(jié)論

電力市場(chǎng)與電能交易將微電網(wǎng)、交易平臺(tái)和配電網(wǎng)三者融為一體，是解決當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電消納問題的有效方式。本文研究了電力市場(chǎng)背景下，單個(gè)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的成本優(yōu)化問題，以及含交易平臺(tái)的多個(gè)微電網(wǎng)電能交易的博弈問題。通過設(shè)計(jì)算例，得出在電能交易中，多微電網(wǎng)間的相互博弈有利于實(shí)現(xiàn)風(fēng)光資源互補(bǔ)，降低電能的浪費(fèi)，同時(shí)避免個(gè)別微電網(wǎng)收益較高或過低的極端狀況。因此，引入電能交易的競(jìng)爭(zhēng)與博弈，既有利于提高電能的利用率，也有利于保證各參與主體得到最大的公平。

[1]王成山,李鵬.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(2):10-14.

[2]劉國(guó)敬,曹遠(yuǎn)志,吳福保,等.分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)[J].農(nóng)村電氣化,2010(10):38-39.

[3]陳鵬.基于微電網(wǎng)的電力市場(chǎng)交易及其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[D].北京交通大學(xué),2011.

[4]丁鵬,劉輝.考慮經(jīng)濟(jì)調(diào)度的微電網(wǎng)規(guī)劃模型[J].華北電力技術(shù),2013(12):64-67.

[5]趙敏,沈沉,劉鋒,等.基于博弈論的多微電網(wǎng)系統(tǒng)交易模式研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(4):848-857.