基于大规模分布式微储能的智能电网辅助服务：架构与算法

This project focuses on exploiting the fast responding ability of massive distributed micro energy storages for ancillary service of smart grid, in order to address the issue of safe operation of the grid under fast variations of both generation and demand. The key idea is to introduce aggregators who aggregate spare capacity of micro energy storages from end users and sell to utility company, then the utility company can use the capacity in real time. The research involves three types of entities, i.e., end user, aggregator and utility company, two markets, i.e., end user procurement market and grid service market, two temporal scales, i.e., prior trading and real time operation, and two spatial scales, i.e., local and networks. The research emphasizes the design of overall system framework and business model, and the optimization of prior trading decisions and real time operations of controllable devices. The output of this research is helpful to address two scientific questions: the stable operation of grids under deep penetration of massive uncertain generations and demands, and the economic value and marketization of massive energy storages.

本项目旨在利用大规模分布式微储能的快速响应能力为智能电网提供辅助服务，确保源荷快速变化时电网稳定。基本思路是引入中介商采购终端用户的闲散微储能容量资源，整合后出售给电网公司按需实时调用。项目将重点研究终端用户、中介商和电网公司这三类实体的最优决策，包括：设计合理的系统架构和商业模式；优化各实体在市场的事先交易、对可控设备的实时操作。在技术层面，涉及终端采购和辅助服务两层市场、事先交易和实时操作两个阶段、节点和网络两个空间尺度，还将研究储能荷电状态的随机性和总能量限制对优化的影响。本项目的特色在于：提出的系统架构和最优决策命题，符合电力行业的规范和规律；完整解决了终端用户、中介商和电网公司的最优决策命题。研究有助于回答两个科学问题：不确定源荷深入渗透下的电网稳定运行问题、大规模储能设备的经济价值与市场化问题；契合我国大力发展新能源、积极探索电力市场改革的宏观战略，具有重要的理论和应用价值。

随着不确定性源荷的深入渗透，源荷的快速变化对电网的稳定性提出了诸多挑战。如何确保电网安全稳定地运行，成为电力行业的研究重点。由于大规模分布式微储能设备具有快速响应能力，这些微储能容量资源能够为智能电网提供辅助服务。我们考虑引入中介商采购终端用户的闲散微储能容量资源，整合后出售给电网公司按需实时调用。基于本思想，我们以大规模分布式微储能为智能电网提供辅助服务为应用场景，开展了以下研究：1）研究了终端用户的最优备用管理问题。建立了以电动汽车为微储能设备，电动汽车车主为终端用户，聚合器为中介商参与备用市场的系统架构。提出了一种双层模型来刻画聚合器与电动汽车车主之间的互动关系。上层，聚合器聚合电动汽车车主提供的备用容量并在备用市场竞价；在下层，电动汽车车主根据聚合器发布的备用价格来决定最优的充放电及备用容量。提出了一种精确算法，并证明了算法的有限收敛性。2）研究了不确定环境下对微储能及可控设备的最优事先调度与实时操作问题。考虑了由于交通的随机性导致的电动汽车与电网之间连接的不确定性。在前述双层模型的基础上增加一层刻画在满足交通任务的能量消耗前提下的最坏情况的连接性。提出了一种基于采样的算法，并给出了算法的收敛性证明。3）研究了中介商的最优市场交易策略以及多中介商博弈。建立了考虑分布式可再生能源的不确定性情况下的P2P联合能源、备用市场机制。通过通用分布建模可再生能源的不确定性，并通过机会约束的优化方法确定需要的备用。基于一致性ADMM理论提出了一个完全去中心化的P2P市场机制。通过仿真实验验证了提出市场机制的收敛性、公平性与可扩展性。4）研究了三相配电系统的相位不平衡问题。提出了一种由插电式电动汽车实现的相位平衡方案。通过引入相位平衡报酬作为财务激励，插电式电动汽车所有者被鼓励协助分配系统运营商减少相位不平衡。仿真结果验证了所提出的方案，并表明插电式电动汽车车主和配电系统运营商都将获得经济效益。