基于混合博弈的多微电网双层协调优化调度

基于混合博弈的多微电网双层协调优化调度

康瑞云 王孝超

国网新疆电力有限公司昌吉供电公司 新疆 昌吉 831100

摘要：交直流混合微电网中，绝大部分负载通过可控变流器与母线连接，这些负载由于受到闭环控制，消耗功率不受输入电压变化的影响，可视为恒功率负载。恒功率负载功率恒定，当输入电压增大，负载电流会随之减小，呈现负阻抗特性。恒功率负载在扰动时呈现的负阻抗特性，相当于系统中加入了正反馈，会放大扰动信号，引起不稳定，甚至导致整个系统无法正常工作。

关键词：混合博弈；多微电网双层；协调优化调度

引言

对于所有权不同的MG经济运行问题，主要考虑MMGS与配电网的电能交易以及MMGS内部的电能交易，采用合作博弈或Stackelberg博弈策略分析双方之间的交互过程。而将微电网聚合商MA（MicrogridAggregator）加入配电网投资模型已成为一种新兴商业模型，通过MA与配电网运营商的耦合决策作用实现不同利益主体的双赢。为此，将MA作为配电网和MMGS的中间商，使其参与MMGS优化调度的决策，合理维持MG交易平台秩序，MA自身则通过价格差赚取利润。建立基于混合博弈的MMGS双层协调优化调度模型：上层与下层间采用基于Stackelberg的主从博弈，保证MA与MMGS的利益双赢；下层各MG间采用合作博弈以提高能量互济水平以及实现收益的合理分配。

1 MG合作模型

由于缺电MG从MA的购电价格要大于余电MG向MA的售电价格，假如形成联盟，即t时刻余、缺电MG间有电力交互，则余电MG以更低的价格售电给缺电MG，因此，相对于与MA直接交易减少的成本就是联盟的“合作剩余”，该“合作剩余”即为联盟整体获得的更高收益。合作博弈中的联盟和分配满足：联盟s整体收益不小于各MG单独运营时的收益之和；联盟s中每个MG分配到的收益大于单独运营时所得收益。在合作博弈中联盟成员间交换信息，必须强制执行所达成的协议。合作博弈可以产生“合作剩余”来提高合作利益，而“合作剩余”如何分配，则取决于博弈各方的制度设计以及力量对比。

2多微电网的体系架构

在SoS架构下，多个子系统能够通过某些一致的目的组成一个新系统，并在新系统下共同运行，以实现比子系统单独运行更好的功能。在系统中，资源D可以为所有子系统共享，而资源B、E和F只能或只需要被多个子系统共享，其余的资源不参与共享。这便是典型的SoS架构，通过此架构可以衍生出多种特性。多微电网SoS架构为双层架构，为了保证各子微电网具有独立性，上层为多微电网能量管理系统（energymanagementsystem，EMS），用于汇总各子微电网提交的余电和缺电信息，作为全局调度的依据，下层为子微电网控制中心（microgridcontrolcenter，MGCC），用于管理自身的微电源，并与EMS进行交互，实现功率互济以及能量使用最大化。因此，多微电网系统的能量管理应分为以下2个阶段：①每个子微电网应在满足本地负荷的前提下，实现自身的优化运行；②多微电网EMS应通过汇总各子微电网能量互济的信息，协调子微电网之间的功率交互，实现全局的运行优化。

3带恒功率负载的交直流混合微电网 系统

考虑恒功率负载动态性能对交直流混合微电网系统大信号稳定性的影响，根据储能单元充、放电模式分别将整个系统等效为dq旋转坐标系下的直流系统，建立了混合势函数模型，进行了稳定性分析，得出了系统大信号稳定性判据，并进行了仿真验证。所得到的大信号稳定性判据给出了直流侧稳压电容、交流侧滤波电感、互联变流器电流内环控制参数kip、电压外环控制参数kvp与系统能带恒功率负载功率最大值的关系。当储能单元由充电模式变为放电模式时，交直流混合微电网系统所能带恒功率负载功率最大值显著增加。由判据可知，适当增大母线电容Cdc的值、适当减小Ls的值、适当减小互联变流器电压外环比例系数kvp皆能够增强系统的稳定性。判据直观地反映了影响系统大信号稳定性的因素，给交直流混合微电网系统互联变流器参数设计提供了依据。

4多微网二次调频控制

微电网之间通过背靠背变流器互联，便于在各自的电压频率水平下实现理想运行，但是，各个微电网之间的功率平衡以及频率的稳定必须得到保障。对多个直流微电网的拓扑结构进行了研究，提出采用分散自律的架构实现集群控制。提出多微网并/离网的切换控制策略。采用联络线控制策略参与多微网调节与协调控制。通过多个采用下垂控制的调频电源参与调频，使频率波动稳定在一定范围内。将主从博弈论应用到多微网的优化调度上，解决了多微网运行的经济问题。基于上述分析，采用下垂控制的逆变电源虽然模仿了同步发电机的下垂调频特性，但不具备转子惯量和阻尼，因此调频时产生波动较大，对系统稳定产生威胁采用改进的VSG控制取代传统下垂控制，有效抑制了二次调频过程时的频率和能量波动，有利于多微网系统的可靠运行。针对多微网的频率调整问题提出了基于VSG的二次调频控制策略，由MGCC统一计算各微电网的有功功率调节总量，再根据各调频电源的容量合理分配功率调节量。在频率二次调整中，采用改进的VSG技术取代下垂控制。研究表明，采用上述控制策略能够完成微电网相互支援，有效平稳地完成频率调整，抑制有功功率波动。

5内部故障情况下的韧性指标对比

在极端情况发生时，多微电网系统内可能会出现局部故障。为了进一步研究系统内部故障对韧性的影响，使4.1节算例中微电网M2和M4的柴油发电机组于19：00—21：00停止工作，其他条件不变，观察在分布式电源故障情况下系统韧性的变化。因为外部故障持续时间为8h，所以在系统内部故障与外部故障一起发生的情况下，即算例的12：00—21：00期间，系统的韧性会出现严重下降。但在故障发生期间，所提方法在保证系统供电最大化上仍优于传统经济性的调度方法。同时，由于柴油发电机组的爬坡率约束和内部故障期间储能的加速消耗，系统在内部故障结束后也无法第一时间使柴油发电机组和储能立即恢复故障前的运行状态，所以采用滚动优化方法能够考虑到分布式电源在不同时段的状态，提高计算准确性。

6混联微网系统的稳定行运行

动态单元间交互作用也是影响混联微网系统稳定性的重要原因： BIC双向控制会导致混联微网中交流和直流子微网的下垂特性相互影响；发现DC/DC换流器和AC/DC换流器的阻抗不匹配会导致孤网运行微网谐振失稳。微网中快速响应的换流器和较慢响应的发电机间交互作用，可能导致微网的低频振荡失稳，通过将混联微网根据动态特性的快慢拆解为两个子系统，证明具有快速动态特性的换流器与较慢动态特性的机电振荡单元间交互作用引起会引起混联系统失稳。采用阻抗法分析了混联微网系统中有功功率控制导致的换流器间动态交互作用，发现电源换流器个数增多导致输出阻抗降低可能使系统失稳。并联恒功率负荷间动态交互作用，会降低微网系统的稳定裕度。直流微网内线路参数改变引起的模式排斥现象可能导致微网高频失稳，而交流微网中电源间存在的强动态交互作用可能导致微网系统低频失稳。

结束语

将混合博弈应用于不同利益主体的MA与MMGS交互模型中，结合粒子群优化算法和CPLEX软件，分别对博弈参与者MMGS成本最小化与MA收益最大化的问题进行迭代求解，并证明了混合博弈均衡解的存在性。最后，结合具体仿真算例及对比分析验证了所提模型及算法的有效性。仿真结果表明，采用所提基于混合博弈的双层优化调度模型不仅能提高MA和MMGS利润，实现每个MG的利益最优，而且还可以充分利用MMGS资源，避免因资源闲置带来的经济损失。仅采用风电、光伏和负荷的预测数据，而没有考虑其不确定性对调度计划的影响，这将是下一步的研究重点。

参考文献

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