基于多目標優(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 徐子涵

基于多目標優(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 徐子涵

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

電能交易；多目標優(yōu)化；微電網(wǎng)

1.引言

新能源的發(fā)展推動了微電網(wǎng)的建設，電力體制的深化改革又推動了電力市場的發(fā)展。本文以電力市場為背景，重點討論了交易平臺參與下的多微電網(wǎng)電能交易的相關問題，通過建立微電網(wǎng)運行的多目標優(yōu)化模型，并使用NSGA-II算法求解，對日前電能交易的博弈過程進行了初步的模擬。

文獻[1,2]討論了當前環(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)中關注的重點，尤其近些年來，棄風棄光現(xiàn)象嚴重，造成了極大的資源浪費。文獻[3,4]提出了微電網(wǎng)在電力市場中的運行方式，多個微電網(wǎng)如何相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)利益最大化。文獻[5]在討論相關問題的算例時，在考慮多個微電網(wǎng)的基礎上增加了服務平臺。

本文研究了電力市場環(huán)境下多微電網(wǎng)在電能交易平臺參與下的電能交易問題。首先對微電網(wǎng)中新能源發(fā)電機進行了詳細的建模；進而建立了單個微電網(wǎng)并網(wǎng)運行的優(yōu)化模型；在此基礎上又對交易平臺參與下的微電網(wǎng)間的交互過程進行研究，建立了微電網(wǎng)-交易平臺運行成本最低的多目標優(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對多目標優(yōu)化問題進行求解，并與單個微電網(wǎng)并網(wǎng)運行優(yōu)化結(jié)果進行了對比和分析。

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)。一般來說，配電網(wǎng)下會連接有多個微電網(wǎng)，并由交易平臺對各微電網(wǎng)進行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)。微電網(wǎng)下設微電網(wǎng)調(diào)度中心，對微電網(wǎng)所負責區(qū)域內(nèi)發(fā)電、用電進行統(tǒng)一的管理；微電網(wǎng)間以及微電網(wǎng)-交易平臺間通過專用的局域網(wǎng)構(gòu)建成通信系統(tǒng)。

針對微電網(wǎng)的不同運行模式，調(diào)度中心應在保證用戶供電的基礎上最大程度的降低運行成本，提高運行收益。對于微電網(wǎng)的孤網(wǎng)運行模式，調(diào)度中心應積極配置微電網(wǎng)內(nèi)的各種發(fā)電資源、儲能資源，盡量減少棄電和切負荷情況的出現(xiàn)，調(diào)動用戶參與需求側(cè)相應；在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式下，調(diào)度中心應根據(jù)實時電價合理的在微電網(wǎng)、配電網(wǎng)間進行電能的買賣，在缺電時優(yōu)先購買電價較低的電能，在電價較高的時出售富余的電能。

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 交易平臺建模

交易平臺對于各微電網(wǎng)之間的電能交易與調(diào)控起著不可替代的作用，交易平臺應能夠充分調(diào)動各微電網(wǎng)，首先實現(xiàn)本地電能資源的互補；進一步，當微網(wǎng)群整體電能不足時，交易平臺應能夠及時和配電網(wǎng)進行交易，保證微網(wǎng)群內(nèi)負荷正常的電能供應。由于分時電價的作用，電能在各子微電網(wǎng)、配電網(wǎng)間的買賣價格會產(chǎn)生差價，因此交易平臺將通過電能買賣的差價獲利。因此，平臺運行的成本優(yōu)化目標函數(shù)如下：

交易平臺運行模型的約束條件為：

即電能交易應滿足實時平衡的條件。

3.2 含多微電網(wǎng)及交易平臺的多目標優(yōu)化建模

在實際情況中，微電網(wǎng)常會以成千上萬個微電網(wǎng)群的方式連入配電網(wǎng)并網(wǎng)運行。本文同時考慮了多個微電網(wǎng)通過交易平臺與配電網(wǎng)進行電能交易的情況，建立了含多微電網(wǎng)及交易平臺的多目標優(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優(yōu)化問題的常用求解算法，由Srinivas和Deb于2000年在NSGA的基礎上提出的，該算法引用了快速非支配排序算法，計算復雜度大幅降低；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，設置了三個微電網(wǎng)，對比其在兩種運行模式下的收益情況。兩種運行模式分別為：(1)各微電網(wǎng)單獨并網(wǎng)運行，各自對其成本函數(shù)進行優(yōu)化，計算各自的運行成本；(2)多微電網(wǎng)及交易平臺參與的電能交易的博弈模式：三個微電網(wǎng)及交易平臺同時參與電能交易，各自以自身成本最低為目標，同時彼此之間又存在著電能平衡及交易電量的約束關系。計算博弈模式下各部分的成本情況。

4.1 測試系統(tǒng)概況

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

表1 各微電網(wǎng)裝機情況

此外，算例中使用分時電價，微網(wǎng)和用戶間的電價機制如圖2(a)所示，微網(wǎng)和配網(wǎng)交易電價如圖2(b)和(c)所示。對于微網(wǎng)和交易平臺間的交易電價，交易平臺從微網(wǎng)買電價格比微網(wǎng)向用戶賣電價格每度電高出0.02分，交易平臺向微網(wǎng)賣電價格和配網(wǎng)價格一致；交易平臺從配網(wǎng)購電價格如圖2(d)所示。

圖2 電價機制

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

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

圖3給出了三個微電網(wǎng)一天中不同時段各部分電能分布情況。根據(jù)計算結(jié)果，微網(wǎng)1，2，3的成本分別為19.82元，-411.41元和-386.42元。負數(shù)表明微網(wǎng)獲利。每個微網(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荷情況，造成了資源的浪費，又無法解決供需不對等的情況。

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

通過多目標優(yōu)化求解，可以得到該問題的帕累托前沿，進而得出微電網(wǎng)1-3以及交易平臺的成本范圍，分別為：[-269.25, -129.96],[-280.95, -150.58], [-234.427, -130.053]以及[-0.31, 0.55]。相比單獨運行模式，該模式下各微網(wǎng)的切負荷情況都有所降低，不同電能資源實現(xiàn)了較好的互補，即各微網(wǎng)通過電能交易使得運營情況得到改善。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。多主體的競爭與博弈使得各部分收益趨于較為均衡的狀態(tài)，避免了個別微電網(wǎng)收益過高和過低的極端情況。此外，交易平臺在電能交易過程中主要承擔著服務性角色，通過多目標優(yōu)化，也最大程度上降低了交易中心的運行成本。因此，多微電網(wǎng)及交易平臺參與的博弈過程使結(jié)果具有更大的優(yōu)異性與現(xiàn)實性，真正實現(xiàn)了風光互補，減少了電能資源的浪費。

5.結(jié)論

電力市場與電能交易將微電網(wǎng)、交易平臺和配電網(wǎng)三者融為一體，是解決當前風力發(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背景下，單個微電網(wǎng)并網(wǎng)運行的成本優(yōu)化問題，以及含交易平臺的多個微電網(wǎng)電能交易的博弈問題。通過設計算例，得出在電能交易中，多微電網(wǎng)間的相互博弈有利于實現(xiàn)風光資源互補，降低電能的浪費，同時避免個別微電網(wǎng)收益較高或過低的極端狀況。因此，引入電能交易的競爭與博弈，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。

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