需求侧响应环境下的区域微网群互动机制与规划设计研究

Today, the maturing and broader applications of microgrid call for more advanced smart grid technologies to better respond customers' needs from the power market. This research focuses on a better understanding on the interactions between microgrids clusters and electricity demands, and introduces effective optimal operation and planning techniques for multi-microgrids based upon the new learning, to support the developments of microgrid cluster zones in future green energy cities and towns. Based on the operating characteristics of microgrids, this project integrates game theory and metamodel-based global optimization technique to support optimal grid operation and produce optimal grid design; propose new demand response interaction framework and strategy for different types of microgrid clusters; and develop interactive microgrid cluster calculation methods and simulation tools for simulating the interaction process using CPU/GPU synergetic parallel computing. The feasibility and effectiveness of the new theory and techniques will be verified using simulations and experiments. The new techniques and software platform introduced in this project will provide the theoretical and technical foundation for future microgrid cluster design, operation and commercialization, and offer guidelines for future microgrid cluster and smart gird developments.

随着微网技术的成熟及示范推广，其作为智能电网的一部分参与智能电网需求侧响应和电力市场是未来必然的趋势。本项目是在此背景下，面向未来绿色能源城市中的区域微网群，致力于研究在智能电网需求侧响应框架下，微网群内部及其与电网间的互动机制，并探索在该机制下微网群的最优运行和规划设计方法。针对需求侧响应环境下的微网群特点，充分利用博弈论、Metamodel全局优化等技术与需求侧响应研究相互交叉结合开展研究，解决在智能电网需求侧响应框架下微网群互动机制和规划设计的关键科学问题。提出适合不同类型微网群的需求侧响应互动机制框架和策略，完成对互动平衡求解及互动过程完整、快速的CPU/GPU并行模拟计算方法，建立一套考虑需求侧响应的、有效地最优规划设计方法，形成规划设计工具，并通过丰富的仿真和实验手段进行验证。通过本项目研究的成果和所建立的相关实验测试平台，开发区域微网群的优化设计、运行及推广奠定理论和技术。

随着智能电网的发展，微网已逐渐向大规模商业建设运营的方向发展。电力市场环境下，目前大规模多微网发展主要面临两方面问题：多微网参与市场的互动机制以及互动环境下的微网规划设计。因此亟待提出可行的互动机制，以有效处理多微网与上层市场，以及多微网内部的复杂交互关系，实现广域范围内的协同设计。针对上述问题，项目开展了四方面研究工作，并取得了相应成果如下：.1）采用实时电价机制来激励微网参与需求响应，以最大化微网净收益为优化目标，建立了微网系统参与基于电价的需求响应优化运行模型，分析了实时电价、荷电状态和机组比例三种因素对微网响应能力的影响。.2）针对微网群和电网的互动机制，提出了多微网通过聚合代理方式作为整体参与实时平衡市场竞价，并设计了多微网-微网聚合代理-电网两层市场互动机制：在上层竞价市场，以方差作为竞价风险测度，基于Markowitz投资组合理论建立均值-方差模型提升聚合代理竞价策略的稳健性；在下层多微网内部市场，通过分散式计算与二分搜索方法快速确定内部价格，同时实现微网个体与聚合代理的效益最优；.3）考虑多微网之间存在复杂的竞争与合作关系，基于合作博弈理论设计多微网间的互动机制，提出了多微网以联盟形式实现协同运行，以最大限度优化资源配置，并改善微网与系统整体的运行经济性；为保障多微网联盟的稳定性，基于合作博弈中的核理论提出了公平的联盟运行成本分摊方案，并针对问题呈现的组合爆炸特征，提出采用双层规划方法有效求取Nash-Harsanyi解作为最优方案。.4）在规划方面，详细考虑微网间互动，提出了基于双层优化的微电网群规划模型，上层优化为分布式电源、储能的容量规划模型，下层优化为微网群互动优化快速模拟，上层采用基于Metamodel元模型的黑箱算法求解‘黑盒’规划问题，两层交互迭代，确保快速搜索到最优规划设计方案.本项目工作涵盖微网系统在不同接入规模的互动机制与规划设计，可为未来能源互联网框架下的多微网规划、运行及推广奠定初步的理论基础。