考慮需求響應(yīng)的多微網(wǎng)P2P能源交易低碳運(yùn)行策略

趙杰,王聰,李冠冠,吳斌,李娜,彭克

(1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司,石家莊市 050000;2. 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,山東省淄博市 255000;3. 國網(wǎng)河北省電力有限公司正定縣供電分公司,石家莊市 050800)

0 引 言

受氣候變化和化石燃料消費(fèi)持續(xù)增長的影響,國家提出“雙碳”目標(biāo),倡導(dǎo)發(fā)展光伏、風(fēng)電等清潔能源。與傳統(tǒng)火電機(jī)組不同,可再生能源發(fā)電規(guī)模較小,通常與儲(chǔ)能單元、負(fù)載等構(gòu)成微電網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)新能源的有效利用[1-2]。然而,可再生能源的隨機(jī)性和負(fù)荷需求的波動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)出現(xiàn)間歇性的能源短缺或過剩。為避免上述不確定性對配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響,鼓勵(lì)配電區(qū)域內(nèi)多個(gè)微電網(wǎng)之間能源共享,在保證供需平衡的基礎(chǔ)上促進(jìn)新能源的就地消納[3-4]。在配電側(cè)上網(wǎng)電價(jià)的引導(dǎo)下,多微網(wǎng)之間進(jìn)行端對端(peer to peer,P2P)能源交易,形成了一個(gè)小規(guī)模的互聯(lián)微網(wǎng)能源市場[5]。考慮到微電網(wǎng)之間的能源交換和利益交互,需要設(shè)計(jì)合理的交易機(jī)制以提升區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[6]。

基于博弈論的能源交易機(jī)制有助于研究和分析P2P能源交易中多微網(wǎng)之間的運(yùn)行優(yōu)化策略[7-8]。通常,根據(jù)參與主體間的交互方式,基于博弈論的研究可分為兩類:非合作博弈和合作博弈[9]。在非合作博弈中,買賣雙方就交易價(jià)格和交易電量進(jìn)行談判,并最終實(shí)現(xiàn)價(jià)格出清和供需匹配[10-11]。文獻(xiàn)[12]將買賣雙方的談判過程描述為Stackelberg博弈過程,通過參與個(gè)體的競爭博弈實(shí)現(xiàn)市場出清。然而,盡管參與者在非合作博弈中能夠得到納什均衡解,但是由于每個(gè)參與者只降低自己的成本,其博弈過程通常是利己決策過程,參與者之間呈完全對抗關(guān)系,缺乏對整體利益的考慮[13]。為兼顧個(gè)體利益與整體利益,基于合作博弈的能源交易模式能夠促使參與者聯(lián)合達(dá)成一個(gè)具有約束力的協(xié)議,促使參與者參與能源共享,以提升合作收益或降低合作聯(lián)盟的總成本[14]。

合作博弈論主要研究多參與者合作所產(chǎn)生收益的分配[15]。常見的合作收益分配方法主要包括核仁法[16]、Shapley值法[17]和納什議價(jià)理論[18]等。針對智慧能源社區(qū)中大規(guī)模產(chǎn)消者的協(xié)同運(yùn)行問題,文獻(xiàn)[16]利用核仁法實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)消者之間的合作收益分配。文獻(xiàn)[17]將合作博弈與能源管理相結(jié)合,利用Shapley值法實(shí)現(xiàn)合作收益的分享,以激勵(lì)產(chǎn)消者參與能源共享。然而,上述2種方法需要遍歷所有可能的合作聯(lián)盟,其復(fù)雜度較高,且聯(lián)盟博弈只能保證聯(lián)盟內(nèi)部總成本最小,而不能保證整體收益的優(yōu)化[19]。此外,基于核仁法和Shapley值的收益分配方式與社會(huì)福利貢獻(xiàn)呈現(xiàn)弱相關(guān)性,難以體現(xiàn)公平性原則[20]。為此,文獻(xiàn)[20]采用納什議價(jià)理論激勵(lì)用戶參與P2P交易并實(shí)現(xiàn)利益分配。針對多微網(wǎng)之間的互聯(lián)互濟(jì),基于納什議價(jià)的激勵(lì)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了多微網(wǎng)之間的能源共享[18]和多主體之間的能源管理[21]。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[22]將潮流約束加入到系統(tǒng)運(yùn)行中,以提升其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。然而,上述研究忽略了用戶側(cè)需求響應(yīng)對P2P能源交易的影響。

為提升新能源消納能力,需求響應(yīng)參與電力系統(tǒng)調(diào)度有助于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)控,減少發(fā)電側(cè)的頻繁調(diào)度[23]。文獻(xiàn)[24]提出基于負(fù)荷準(zhǔn)線的需求響應(yīng),通過負(fù)荷整形提升新能源消納。計(jì)及電熱綜合需求響應(yīng),文獻(xiàn)[25]提出了雙層優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)共享儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置,并利用納什議價(jià)方法實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)利益分配。然而,上述研究是在忽略微網(wǎng)之間能源交易量的基礎(chǔ)上將合作收益平均分配給每個(gè)參與者,這無疑會(huì)導(dǎo)致收益分配的公平性問題[26]。為此,文獻(xiàn)[27]采用廣義納什議價(jià)機(jī)制鼓勵(lì)多微網(wǎng)之間的合作并根據(jù)微電網(wǎng)間的能源交易量分配其合作收益。計(jì)及潮流約束,文獻(xiàn)[28]基于廣義納什議價(jià)理論實(shí)現(xiàn)了工業(yè)用戶的儲(chǔ)能配置。上述研究表明,基于廣義納什議價(jià)的P2P能源交易有助于實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)之間的能源共享和利益分配從而保證配電側(cè)的低碳運(yùn)行,然而“雙碳”目標(biāo)的提出對碳排放提出了更高的要求。

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo),許多專家學(xué)者提出了碳稅、碳配額和碳交易等與碳排放相關(guān)的有效機(jī)制。文獻(xiàn)[29]在考慮運(yùn)行約束和碳排放上限約束的基礎(chǔ)上給出了多微網(wǎng)的日前和日內(nèi)最優(yōu)能源管理策略?？紤]到多微網(wǎng)的互聯(lián)互濟(jì)問題,文獻(xiàn)[30]基于納什議價(jià)理論分析了碳交易機(jī)制下多微網(wǎng)合作運(yùn)行對降低碳排放的積極作用。在上述研究的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[31]設(shè)計(jì)了多微網(wǎng)P2P電碳耦合交易市場,將碳交易耦合到P2P能源交易中,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與低碳效益的融合。然而,上述研究都是將P2P能源交易中的合作收益平均分配到每個(gè)微網(wǎng)中,這無疑會(huì)導(dǎo)致利益公平分配問題。為此,文獻(xiàn)[32]將非對稱議價(jià)方法引入到計(jì)及碳排放的多微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化策略中,以保證收益分配的公平性。然而,上述研究主要側(cè)重于研究經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題,忽略了多微網(wǎng)在配電側(cè)運(yùn)行過程中的網(wǎng)絡(luò)約束問題。此外,部分研究考慮了儲(chǔ)能對P2P能源交易的影響,但是忽略了儲(chǔ)能充放電過程中碳排放量的計(jì)算。

綜上所述,現(xiàn)有研究尚未完全實(shí)現(xiàn)電碳耦合下的P2P能源交易。為此,本文在上述研究的基礎(chǔ)上所做工作如下:在P2P能源交易方面,本文構(gòu)建基于廣義納什議價(jià)理論的多微網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化模型,激勵(lì)多微網(wǎng)參與能源交易并實(shí)現(xiàn)合作收益分配;在P2P能源交易過程中,考慮微電網(wǎng)需求響應(yīng)和碳排放對P2P能源交易量和交易費(fèi)用的影響;在網(wǎng)絡(luò)約束方面,將交流潮流約束加入到P2P能源交易模型中以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性;在碳交易方面,實(shí)現(xiàn)電碳耦合建模,并在模型中考慮儲(chǔ)能充放電對碳排放費(fèi)用的影響。

1 多微網(wǎng)P2P能源交易框架

在配電網(wǎng)的支撐下,由M個(gè)互聯(lián)互濟(jì)的微電網(wǎng)構(gòu)成多微網(wǎng)P2P能源交易網(wǎng)絡(luò)M′={1,…,M}。多微網(wǎng)P2P能源交易結(jié)構(gòu)如圖1所示,每個(gè)微電網(wǎng)i∈M′由新能源發(fā)電、儲(chǔ)能以及負(fù)載組成。在日前調(diào)度中,將其運(yùn)行周期分為T=24個(gè)等效時(shí)段,即:T′={1,…,T}。在24 h的調(diào)度周期內(nèi),微電網(wǎng)根據(jù)新能源發(fā)電和負(fù)載的預(yù)測值對其內(nèi)部的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行管理。由于每個(gè)微網(wǎng)內(nèi)部的新能源發(fā)電量和負(fù)荷不同,若微電網(wǎng)內(nèi)部存在多余電能,可以通過P2P能源交易將其共享至其他微電網(wǎng),減少對配電網(wǎng)的電能需求。

圖1 多微網(wǎng)P2P能源交易結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of P2P energy trading among multiple microgrids

為激勵(lì)多微網(wǎng)內(nèi)部的能源共享,基于廣義納什議價(jià)理論構(gòu)建多微網(wǎng)P2P能源交易模型,鼓勵(lì)多微網(wǎng)之間的能源共享,并將其合作收益按照其能源共享量進(jìn)行合理分配。在配電網(wǎng)的支撐下,電能在P2P能源交易中由一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)節(jié)點(diǎn),且其傳輸過程可以描述為交流潮流約束,以保證電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。此外,考慮到配電側(cè)的低碳運(yùn)行需求,將儲(chǔ)能的充放電、多微網(wǎng)的用電量等碳排放過程加入到能源優(yōu)化模型中,實(shí)現(xiàn)能源交易過程的碳排放計(jì)量。

2 系統(tǒng)模型

在上網(wǎng)電價(jià)的指導(dǎo)下,微電網(wǎng)為維持供需平衡,對內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)能調(diào)度,對外參與相鄰微電網(wǎng)之間的能源交易。因此,微電網(wǎng)的目標(biāo)函數(shù)是使運(yùn)營成本和碳排放費(fèi)用最小化。此外,該模型還引入了最優(yōu)潮流約束,分析了不同P2P能源交易場景對節(jié)點(diǎn)電壓的影響,以提升模型的實(shí)用性?？紤]到多微網(wǎng)的P2P能源交易問題,分別構(gòu)建微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行和合作時(shí)的模型,并利用廣義納什議價(jià)理論實(shí)現(xiàn)合作收益分配。

2.1 微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的費(fèi)用模型

2.1.1 約束條件

1)與配電網(wǎng)交易約束。如前所述,在參與配電側(cè)能源交易時(shí),微電網(wǎng)作為一個(gè)能夠生產(chǎn)和消耗能源的個(gè)體,具有雙向功率流動(dòng)特性。因此,考慮到物理?xiàng)l件或者合同要求,微電網(wǎng)在參與能源交易時(shí)需要滿足傳輸功率邊界約束:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

3)功率平衡約束。在t時(shí)刻,微電網(wǎng)i內(nèi)部的功率平衡約束為:

(8)

4)潮流約束?？紤]配電側(cè)的輻射狀網(wǎng)絡(luò)圖g(M′,ε),其中該電力網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)節(jié)點(diǎn)、ε?N×N條支路構(gòu)成。M個(gè)微電網(wǎng)分布于網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上M′?N,且配網(wǎng)作為外部電源接入,維持終端的供需平衡。

考慮輻射狀網(wǎng)絡(luò)中潮流約束的非凸特性,文獻(xiàn)[33]利用相角松弛和二階錐松弛后得到易于處理的二階錐規(guī)劃約束。由于支路有功和無功功率Pi,j、Qi,j遠(yuǎn)大于支路潮流方程中的二次項(xiàng)。因此,忽略二次項(xiàng)后,考慮時(shí)間節(jié)點(diǎn)t的支路線性交流潮流模型為:

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

Uj,t=Ui,t-2(Pi,j,tri,j+Qi,j,txi,j)

(17)

(18)

5)碳排放量。為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和用戶用電行為對碳排放量的影響,采用總碳排放量Ei實(shí)現(xiàn)對用戶行為中碳排放的計(jì)量。碳排放量與用戶充放電行為以及用電量行為成正比,其表達(dá)式為:

(19)

式中:γes為儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電時(shí)的碳排放率,其取值為0.083 kg/kW;γgrid為微電網(wǎng)負(fù)載用電的碳排放率,其取值為0.202 kg/kW[29]。

6)需求響應(yīng)約束。為提升用戶側(cè)的調(diào)度能力,采用可轉(zhuǎn)移負(fù)荷響應(yīng)上網(wǎng)電價(jià),其約束為:

(20)

(21)

2.1.2 目標(biāo)函數(shù)

(22)

(23)

(24)

(25)

2.2 多微網(wǎng)P2P能源交易的費(fèi)用模型

為提升新能源利用效率、規(guī)避其發(fā)電不確定性對配電側(cè)能源管理的不利影響,微電網(wǎng)在獨(dú)立運(yùn)行的基礎(chǔ)上參與多微網(wǎng)P2P能源交易。當(dāng)微電網(wǎng)i的新能源發(fā)電充足時(shí)優(yōu)先滿足內(nèi)部儲(chǔ)能充電和售電給微電網(wǎng)j,在促進(jìn)能源共享和新能源就地消納的同時(shí)減少余電上網(wǎng)對配電網(wǎng)的擾動(dòng),則目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為:

(26)

(27)

(28)

(29)

不同于微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行,在P2P能源交易中需要考慮多微網(wǎng)的能源共享,因此其功率平衡約束為:

(30)

(31)

(32)

2.3 基于廣義納什議價(jià)的P2P能源交易

每個(gè)微電網(wǎng)具有不同的新能源發(fā)電量和本地負(fù)荷功率分布,互聯(lián)的微電網(wǎng)通過P2P交易實(shí)現(xiàn)能源共享?；诩{什議價(jià)的能源交易有助于激勵(lì)微電網(wǎng)之間的合作共贏,以提升多微網(wǎng)的整體收益。在滿足個(gè)體理性、帕累托最優(yōu)性、線性變換的獨(dú)立性、對稱性等公理的情況下,納什議價(jià)博弈得到了公平的帕累托最優(yōu)解和納什議價(jià)解[34-35]。

在納什議價(jià)解中,參與主體的合作收益被平均分配而未考慮每個(gè)參與主體在合作中的貢獻(xiàn)[36]。為進(jìn)一步激勵(lì)微電網(wǎng)參與P2P能源交易,本節(jié)采用基于廣義納什議價(jià)理論的P2P能源交易模型描述微電網(wǎng)的能源交易過程。該理論忽略了對稱性公理,利用議價(jià)權(quán)力表征參與主體在合作中的貢獻(xiàn),并根據(jù)議價(jià)權(quán)力實(shí)現(xiàn)合作收益的公平分配?；趶V義納什議價(jià)博弈的P2P能源交易模型為:

(33)

(34)

(35)

(36)

2.4 議價(jià)模型求解

基于廣義納什議價(jià)博弈的能源交易模型是一個(gè)冪函數(shù),對問題的直接求解具有一定的挑戰(zhàn)性。多微網(wǎng)P2P交易模型分解結(jié)構(gòu)如圖2所示。相對于直接求解P2P能源交易問題,多微網(wǎng)P2P交易模型將多微網(wǎng)P2P能源交易問題分解為2個(gè)易于處理的子問題:運(yùn)行費(fèi)用最小化問題(P1)和議價(jià)問題(P2)。首先,求解微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行和合作模式下的最小化運(yùn)行費(fèi)用問題,獲得每個(gè)微電網(wǎng)的最優(yōu)運(yùn)營策略。其次,根據(jù)微電網(wǎng)最優(yōu)運(yùn)行策略計(jì)算其貢獻(xiàn)量,并利用議價(jià)權(quán)力αi進(jìn)行表征。最后,在上述分解和變換的基礎(chǔ)上,根據(jù)每個(gè)微電網(wǎng)的貢獻(xiàn)量實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)之間合作收益的分配。

圖2 多微網(wǎng)P2P交易模型分解結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Flow chart of the decomposition of P2P energy trading among multiple microgrids

(37)

(38)

上述議價(jià)模型為線性規(guī)劃模型,利用Gurobi等商業(yè)求解器即可實(shí)現(xiàn)模型求解。

3 算例分析

以IEEE-33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例,對包含3個(gè)微電網(wǎng)的算例進(jìn)行分析。3個(gè)微電網(wǎng)分別通過節(jié)點(diǎn)11、23、29節(jié)點(diǎn)與配網(wǎng)相連,每個(gè)微電網(wǎng)內(nèi)部分別裝有光伏/風(fēng)力發(fā)電裝置、蓄電池和負(fù)載,仿真模擬都是基于Intel Core i7的計(jì)算機(jī),利用Python環(huán)境進(jìn)行編程,并通過Gurobi實(shí)現(xiàn)求解[37]。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

發(fā)電和負(fù)載的預(yù)測值如圖3所示,微電網(wǎng)1和微電網(wǎng)2配備有光伏發(fā)電,微電網(wǎng)3中為風(fēng)力發(fā)電,其相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的詳細(xì)信息請參見文獻(xiàn)[29,38],其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置為:cCar=0.12元/kg、cLoad=0.012元/kW。每個(gè)微電網(wǎng)的負(fù)載量各異,在能源優(yōu)化過程中,優(yōu)先利用新能源發(fā)電滿足微電網(wǎng)的負(fù)載需求。微電網(wǎng)與配電網(wǎng)24 h的購售電電價(jià)如圖4所示,其向配電網(wǎng)的售電電價(jià)小于購電電價(jià),以鼓勵(lì)微電網(wǎng)新能源的就地消納。

圖3 新能源發(fā)電和負(fù)載預(yù)測值Fig.3 Predictive value of renewable generations and loads

圖4 微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的交易電價(jià)Fig.4 Transaction power price between microgrids and distribution network

3.2 算例結(jié)果

為分析需求響應(yīng)和碳排放費(fèi)用對多微網(wǎng)P2P能源交易的影響,本文設(shè)置以下4種仿真場景:

場景1：多微網(wǎng)參與P2P能源交易;

場景2：考慮碳排放的P2P能源交易;

場景3：考慮需求響應(yīng)的P2P能源交易;

場景4：考慮需求響應(yīng)和碳排放的P2P能源交易。

3.2.1 多微網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用

各微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行/參與P2P能源交易的運(yùn)行費(fèi)用如表1所示,負(fù)值表示微電網(wǎng)售電時(shí)所獲得的收益。在獨(dú)立運(yùn)行時(shí),微電網(wǎng)與配電網(wǎng)進(jìn)行能源交互,并利用儲(chǔ)能充放電進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移。場景1中,當(dāng)微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí),其3個(gè)微電網(wǎng)的總運(yùn)行費(fèi)用為516.90元。為實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部的新能源消納,多微網(wǎng)參與P2P能源交易,微電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)了新能源發(fā)電的共享,以降低對配電網(wǎng)的擾動(dòng)。在此基礎(chǔ)上,基于廣義納什議價(jià)的P2P能源交易機(jī)制實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)合作收益的分配。在合作模式下,其總運(yùn)行成本降低5.84%。

表1 多微網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用Table 1 Operation cost of multiple microgrids 元

考慮微電網(wǎng)充放電和電能交易對碳排放的影響,場景2將碳排放費(fèi)用加入微電網(wǎng)的目標(biāo)函數(shù)中,通過電能與碳排放系數(shù)計(jì)算得到每個(gè)微電網(wǎng)的碳排放量,并計(jì)算其排放費(fèi)用。受碳排放費(fèi)用的影響,微電網(wǎng)1和微電網(wǎng)2在獨(dú)立運(yùn)行時(shí)其運(yùn)行費(fèi)用增加?？紤]到儲(chǔ)能的碳排放率低于微電網(wǎng)購售電時(shí)的碳排放率,因此微電網(wǎng)3通過增加儲(chǔ)能充放電以提升其運(yùn)行收益。當(dāng)多微網(wǎng)參與P2P能源交易時(shí),微電網(wǎng)之間的能源共享提升了新能源的利用效率,降低了儲(chǔ)能充放電量和配電網(wǎng)的購售電量,其參與P2P能源交易時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用相對于獨(dú)立運(yùn)行時(shí)降低5.57%。

在場景3中,微電網(wǎng)根據(jù)上網(wǎng)電價(jià)調(diào)整可轉(zhuǎn)移負(fù)荷,配合儲(chǔ)能的充放電決策,實(shí)現(xiàn)新能源利用效率的提升。由表1可知,相對于場景1的運(yùn)行費(fèi)用,場景3在考慮需求響應(yīng)時(shí),其獨(dú)立運(yùn)行和參與P2P能源交易時(shí)的費(fèi)用分別下降了18.37%和19.34%。多微網(wǎng)P2P能源交易的總運(yùn)行成本相對于獨(dú)立運(yùn)行時(shí)降低6.96%,即考慮需求響應(yīng)下的P2P能源交易提升了多微網(wǎng)的可調(diào)節(jié)性能。

場景4在考慮微電網(wǎng)需求響應(yīng)的基礎(chǔ)上加入了碳排放費(fèi)用。由表1可知,考慮需求響應(yīng)和碳排放時(shí)的多微網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用比只考慮需求響應(yīng)時(shí)的費(fèi)用有所增加,這與場景2中的結(jié)果類似。然而,加入需求響應(yīng)后,微電網(wǎng)通過可轉(zhuǎn)移負(fù)載和儲(chǔ)能的充放電提升新能源的利用效率。相對于場景1和2,場景4下的運(yùn)行費(fèi)用有所下降。

3.2.2 多微網(wǎng)需求響應(yīng)

考慮需求響應(yīng)對多微網(wǎng)能源管理的影響,本文對比分析了微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行和參與P2P能源交易時(shí)各個(gè)微電網(wǎng)的需求響應(yīng)情況。以不考慮需求響應(yīng)時(shí)的負(fù)載預(yù)測值作為基準(zhǔn),各微電網(wǎng)需求響應(yīng)結(jié)果如圖5所示。

圖5 多微網(wǎng)需求響應(yīng)Fig.5 Demand response of multiple microgrids

在獨(dú)立運(yùn)行時(shí),考慮需求響應(yīng)的能源管理有助于微電網(wǎng)根據(jù)上網(wǎng)電價(jià)進(jìn)行削峰填谷,將10:00—14:00和18:00—21:00電價(jià)高峰時(shí)刻的負(fù)載需求轉(zhuǎn)移至01:00—06:00和21:00—24:00,以減少多微網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用。

在多微網(wǎng)P2P能源交易中,當(dāng)新能源發(fā)電量充足時(shí),多微網(wǎng)增加負(fù)荷消耗以減少新能源匱乏時(shí)的負(fù)載需求。相對于獨(dú)立運(yùn)行,微電網(wǎng)1在場景3和場景4的16:00時(shí)增加電力需求,并在22:00時(shí)維持預(yù)測值,以維持多微網(wǎng)整體的供需平衡。同理,15:00時(shí)新能源發(fā)電充足,微電網(wǎng)3增加負(fù)荷用電量以提升新能源消納。22:00時(shí)新能源發(fā)電量難以滿足3個(gè)微電網(wǎng)的負(fù)載需求,微電網(wǎng)3通過減少負(fù)荷消耗、能源共享和需求響應(yīng)有助于降低多微網(wǎng)的購電需求。由于微電網(wǎng)2的負(fù)載量較小,其參與P2P能源交易與否不影響需求響應(yīng)結(jié)果。

3.2.3 儲(chǔ)能調(diào)度

不同場景下多微網(wǎng)中儲(chǔ)能充放電的結(jié)果如圖6所示,圖中負(fù)值表示儲(chǔ)能充電、正值表示儲(chǔ)能放電。由圖6可知,3個(gè)微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能裝置在低電價(jià)時(shí)充電,在高電價(jià)時(shí)放電,以降低多微網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用。

圖6 儲(chǔ)能調(diào)度結(jié)果Fig.6 Results of energy storage scheduling

由圖6(a)可知,相對于微電網(wǎng)的獨(dú)立運(yùn)行,多微網(wǎng)P2P能源交易時(shí),每個(gè)微電網(wǎng)的儲(chǔ)能充放電深度受交易電價(jià)和其他微電網(wǎng)需求的影響。在新能源發(fā)電充足時(shí)進(jìn)行充電并在負(fù)荷高峰時(shí)刻放電,配合P2P能源交易降低多微網(wǎng)對配電網(wǎng)的能源需求。

考慮儲(chǔ)能充放電對碳排放的影響,其調(diào)度結(jié)果如圖6(b)所示。由于儲(chǔ)能頻繁充放電會(huì)增加其碳排放量進(jìn)而增加多微網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用,因此,當(dāng)考慮充放電的碳排放費(fèi)用以后,不論微電網(wǎng)是否參與P2P能源交易,其儲(chǔ)能調(diào)度結(jié)果一致。

考慮需求響應(yīng)下的微電網(wǎng)儲(chǔ)能調(diào)度結(jié)果如圖6(c)所示。由圖6(c)可知,考慮需求響應(yīng)后,微電網(wǎng)通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移降低了對儲(chǔ)能充放電的需求,使得微電網(wǎng)1和微電網(wǎng)3的儲(chǔ)能充放電深度有所下降,以降低儲(chǔ)能充放電損耗,進(jìn)而降低運(yùn)行費(fèi)用。

考慮需求響應(yīng)和碳排放對微電網(wǎng)調(diào)度的影響,其調(diào)度結(jié)果如圖6(d)所示。由于儲(chǔ)能碳排放率低于向配電網(wǎng)購電時(shí)的碳排放率,因此,通過增加儲(chǔ)能充放電深度和需求響應(yīng)調(diào)度減少與配電網(wǎng)的交互,以降低多微網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用。受此影響,3個(gè)微電網(wǎng)的儲(chǔ)能充放電深度增加,通過新能源消納和需求響應(yīng)降低對配電網(wǎng)的能源需求。

3.2.4 微電網(wǎng)之間的P2P能源交易量

多微網(wǎng)參與P2P能源交易時(shí),微電網(wǎng)之間的能源交易量如圖7所示,正值表示微電網(wǎng)i向其他微電網(wǎng)j購電,反之表示微電網(wǎng)i向其他微電網(wǎng)j售電。相對于多微網(wǎng)P2P能源交易,微電網(wǎng)在考慮需求響應(yīng)時(shí),通過可轉(zhuǎn)移負(fù)荷降低了對其他微電網(wǎng)的能源需求。微電網(wǎng)在考慮需求響應(yīng)后,利用新能源發(fā)電和儲(chǔ)能充放電提升了能源自給率,降低了P2P能源交易量。此外,盡管考慮碳排放量會(huì)影響儲(chǔ)能充放電和多微網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用,但是不會(huì)影響多微網(wǎng)P2P能源交易決策。

圖7 多微網(wǎng)P2P能源交易量Fig.7 P2P energy transaction among multiple microgrids

3.2.5 節(jié)點(diǎn)電壓分布

伴隨著多微網(wǎng)P2P能源交易,配電網(wǎng)各時(shí)段的潮流亦發(fā)生變化。以與微電網(wǎng)1、2、3相連的11、23、29節(jié)點(diǎn)為例,其節(jié)點(diǎn)電壓如圖8所示。由圖8可知,雖然電壓隨著仿真場景的變化出現(xiàn)波動(dòng),但是其波動(dòng)范圍滿足電壓的上下限約束。由于微電網(wǎng)1的負(fù)載需求最大,其電壓波動(dòng)也最大,在某些時(shí)刻高達(dá)1.000 6 pu或低至0.993 1 pu。反之,微電網(wǎng)2的負(fù)載需求最小,其電壓波動(dòng)較為平緩。

圖8 多微網(wǎng)所在節(jié)點(diǎn)電壓Fig.8 Voltage of node connected with multiple microgrids

相對于只考慮多微網(wǎng)P2P能源交易,加入需求響應(yīng)后,其節(jié)點(diǎn)電壓在不同時(shí)段波動(dòng)較大,即微電網(wǎng)通過調(diào)節(jié)其需求響應(yīng)滿足多微網(wǎng)整體的能源需求。由于微電網(wǎng)3中新能源發(fā)電量較大,為滿足多微網(wǎng)整體需求,其電壓波動(dòng)性也較大。此外,碳排放費(fèi)用的加入雖然影響了多微網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用,但其對運(yùn)行決策的影響較弱。

4 結(jié) 論

多微網(wǎng)P2P能源交易是促進(jìn)新能源就地消納和能源消費(fèi)低碳轉(zhuǎn)型的有效途徑。本文針對多微網(wǎng)P2P能源交易問題采用廣義納什議價(jià)機(jī)制實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)合作收益最大化。在能源交易過程中,將潮流約束加入P2P能源交易模型,以提升模型的實(shí)用性。在此基礎(chǔ)上,綜合考慮了微電網(wǎng)需求響應(yīng)和碳排放對多微網(wǎng)運(yùn)行策略和運(yùn)行費(fèi)用的影響。仿真分析表明,考慮碳排放和需求響應(yīng)的運(yùn)行優(yōu)化策略有助于微電網(wǎng)根據(jù)上網(wǎng)電價(jià)和新能源發(fā)電量調(diào)整負(fù)荷需求。微電網(wǎng)的需求響應(yīng)會(huì)影響購售電、充放電以及多微網(wǎng)之間的最優(yōu)決策,進(jìn)而影響配電網(wǎng)的電壓分布?；趶V義納什議價(jià)的多微網(wǎng)P2P能源交易機(jī)制實(shí)現(xiàn)了多微網(wǎng)之間的合作收益分配。通過考慮儲(chǔ)能充放電和配網(wǎng)購售電核算碳排放量為合理量化碳排放費(fèi)用提供了有效途徑。