基于交替方向乘子法的大规模多能耦合系统优化问题研究

In order to alleviate the environmental pollution and improve utilization efficiency of energy, integrated energy system has become the major direction of energy structure adjustment in China. The synergistic utilization of multi-energy can promote the energy consumption and achieve the optimal allocation of energy resources. In multi-energy subsystems, such as cooling, heating, electricity and fuel system, we decompose the multi-energy coupling optimization problem into low dimensional subsystem problems and design a decentralized synergistic optimization algorithm based on alternating direction method of multipliers (ADMM) to solve them, considering the characteristics of multi-time scale, dynamic coupling, distribution of subsystems, information privacy and so on, as well as the superior decentralized characteristics and convergence of ADMM.

为缓解环境污染，提高用能效率，综合能源系统已成为我国能源结构调整的重大方向，多能源的协同利用可提高能源消纳能力，实现能源资源的优化配置。针对多能耦合系统的分散式多目标协同优化问题，本课题将分析冷、热、电、燃料管网等的多类型能源子系统间的耦合机理及跨时间尺度特性，并对其进行建模，设计动态仿真架构。以整个综合能源系统运行费用最低和能耗最少为目标，考虑子系统局部约束和各子系统之间的耦合约束，该优化问题为动态非线性目标函数不可分的耦合优化问题。基于各子系统分布性、信息私密性等特性，以及交替方向乘子法（ADMM）优越的分散式特性和收敛性等，本课题将研究基于ADMM的算法，以实现资源的优化配置。

伴随着经济社会的高速发展，能源消耗速度急剧加快，能源供应已成为制约人类社会可持续发展的关键因素。传统的能源系统运行规划局限于冷、热、电、燃料管网等单一能源形式系统内部的研究，无法发挥他们之间的互补优势和协同效益。而多能源协同运行，可发挥不同种类能源系统的优势，丰富可再生能源的消纳途径，扩大其消纳空间。同时对多能系统进行统筹考虑也可在更大范围内实现资源优化配置，进而可提高能源利用率和经济效率。因此针对多能系统综合利用的研究将成为一个涉及能源、控制、优化等领域炙手可热的发展方向。.本项目主要研究多能耦合系统的协同优化问题，分析了能源间的跨时间尺度特点和耦合特性，并以整个综合能源系统运行费用最低为目标，其中考虑了用户的耗能满意度方程，计及了能量平衡约束和个体的本地约束。该问题建模为了一个多目标受耦合约束的凸优化问题，并引入了交替方向乘子算法（ADMM）对其进行分布式求解。由于该能源系统的拓扑结构建模为了一个无向图，即每个个体只能和其邻居进行通讯，因此，本项目在ADMM算法中引入了一致性算法得到了最优的能源价格方案，所有个体可基于该价格分别同时更新自己的最优策略。本项目证明了通过利用所提算法，系统能收敛到最优的能源配置策略。并以热电联产机组（CHP）为例，验证了所提模型和算法的可行性。.并且，本项目在ADMM算法上进行了进一步拓展和创新，使其适用于解决不可分目标函数且带耦合约束的分散式优化问题，并将配电网中电动汽车充电问题作为应用场景，通过设计基于ADMM的分层优化算法，使每个电动汽车可自主更新自己的最优充电策略，并满足配电网的馈线电压约束。该分层优化算法也可拓展应用到多能耦合系统的资源配置问题中。本项目研究结果已在Springer Nature发表学术专著1本，在国内外学术期刊和会议上共发表论文5篇。本项目所研究的内容为解决综合能源系统优化调度问题提供了新的思路。