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孤岛和并网模式下智能配用电系统能源管理框架研究

胡棉  
【摘要】:作为新一代电力网络,智能电网利用先进的传感、测量、通信、计算机、控制等技术,实现灵活高效、安全可靠、绿色经济的发电、输电、配电、用电等综合目标。智能配用电系统作为坚强智能电网的重要组成部分,在能源发展进程中面临着能源资源有限性、可再生能源发电不确定性、多能流耦合复杂性以及隐私信息安全性等诸多挑战,而制定有效的能源管理与优化调度策略是保证智能配用电系统经济高效运行的关键。鉴于此,本论文分别针对处于孤网运行模式和处于并网运行模式下的智能配用电系统的能源管理与优化调度问题开展研究。主要内容包括:针对一类特殊的处于孤网运行模式下的远洋孤岛微电网的能源管理与优化调度问题,论文提出了长周期能量交易框架。远洋孤岛微电网内有限的能源资源一部分来自于孤岛上的间歇性可再生能源发电,另一部分则通过船舶从大陆周期性地运输燃料和储能电池。远洋孤岛微电网内两类终端用户(战略用户和普通用户)具有不同的能源供应优先级,其中战略用户的能源供应优先级高于普通用户。考虑到远洋海岛天气的突变性和随机性,很难获得可再生能源发电的概率分布情况,因此论文采用了鲁棒优化方法以解决长周期带来的可再生能源发电的高度不确定性问题,设计了分散式两层迭代算法求解由博弈论和倒推法得到的非凸优化问题,有效保护了用户的隐私信息,并最终获得了一个Stackelberg均衡策略使得聚合器利益最大且每个用户用电成本最小。数值仿真验证了所提出的周期性能量交易框架的有效性和优势。与基线周期性能量交易系统和短周期能量交易系统的仿真对比结果表明,分散式周期性能量交易系统在能源供应充足和不充足的情况下,战略用户的能源需求都能被优先满足,因而更加适用于远洋海岛。针对一类特殊的处于孤网运行模式下的远洋孤岛微电网集群的多能源管理与优化调度问题,论文设计了多能源管理调度框架。每个负荷岛上有限的能源资源一部分来自于负荷岛上的间歇性可再生能源发电,另一部分则从多个资源岛通过船舶运输电能和天然气能源资源。论文提出了分层多尺度能源管理策略,其中所有资源岛上的经营者基于原始-对偶次梯度方法,以分布式协同的方式决定他们每天的最优能源供应量;每个负荷岛上的聚合器决定其每天的最优能源需求量以及每小时的最优能源使用量;每个负荷岛上的用户决定其每小时的最优能源消耗量。论文设计了三层日前分布式迭代算法来保护用户的隐私信息,并最终获得了一个纳什均衡策略,实现了所有经营者的总操作成本最小、每个聚合器的利润最大以及每个用户的收益最大。数值仿真验证了所提出的多能源管理框架的有效性和优势。论文从能源供应是否充足、资源岛与负荷岛之间不同距离以及可再生能源发电不同预测精度三个方面进行了仿真对比,结果表明,多能源管理框架在能源供应充足和不充足的情况下均会尽可能满足负荷岛上用户的多能源需求,并且能有效解决远洋孤岛微电网集群中的可变性和不确定性问题。针对一类更普遍的处于并网运行模式下的智能配用电系统的能源管理与优化调度问题,论文提出了实时需求响应框架。智能配用电系统中单个供电方与多个配置有储能系统的居民用户之间进行实时双向交互。论文建立了时间-空间耦合的凸优化模型。基于对偶分解方法,将时间-空间耦合的凸优化问题解耦成了多个独立的子优化问题。论文设计了分布式实时算法,居民用户和供电方分别以分布式的方式求解子问题,以得到每个居民用户和供电方的最优能源管理调度策略,在实现整个社会福利最大化的同时,有效保护了用户的隐私信息。与没有需求响应策略和不考虑储能系统的实时需求响应策略的仿真对比结果表明,所提出的实时需求响应策略不仅能降低用户峰值需求和供电方发电成本,还能节约居民用户电费并增加社会福利。


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