微电网群分层调控技术 9787547857571

2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”这一重要宣示为我国应对气候变化、绿色低碳发展提供了方向指引，擘画了宏伟蓝图。
中国要用不到10年时间实现碳达峰，再用30年左右时间实现碳中和，这是个非常艰巨的任务。想要达成这一任务，需要转变能源发展方式，实现能源体系的低碳、脱碳、清洁化。
在碳中和的大背景下，开发利用非化石能源，光伏将成为未来主力发电方式之一。2020年光伏发电装机量累计达253GW，光伏发电2605亿kW·h，全年减少二氧化碳排放1．64亿t。预计到2050年光伏总装机规模将达50亿kW，为全社会提供6万亿kW·h/年的发电量。即推进能源开发清洁替代和能源消费电能替代；实现能源生产清洁主导、能源使用电能主导；能源电力发展与碳脱钩、经济社会发展与碳排放脱钩。
由于我国资源禀赋和用能负荷不均衡，加之新能源的时空不匹配，风光大规模接入电网，其波动性和间歇性给电网带来的影响也被日趋放大。目前，我国电力系统灵活性较差，远不能满足波动性风光电并网规模快速增长的要求。我国灵活调节电源，包括燃油机组、燃气机组以及抽蓄机组占比远低于世界平均水平。特别是新能源富集的三北地区，灵活调节占比不到4%。高比例可再生能源系统运行的可调节资源不足，调频调峰资源明显不足，安全稳定问题凸显。
作为大量清洁能源消纳和能源替代的综合性平台，微电网群综合运用先进的电力电子技术、信息技术和智能管理技术，将大量由分布式能量采集装置、分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型能源节点互联起来，以实现能量双向流动的能量对等交换与网络共享。微电网一般指在一定范围内，面向用户实现能源网架、信息支撑与价值创造的深度融合，促进分布式电源互联与储能、新能源汽车、电能替代负荷等聚合互动，电力生产、分配、消费、存储各环节协同发展的分布式电力系统。微电网群是微电网发展的高级阶段，与传统微电网相比，微电网群是智能电网与信息网高度耦合的网络。一方面，微电网群基于用户的多样化需求及多元主体整体数量多、单体容量小、地域范围大等特点，依托营销电商化、交易自由化、投资市场化等手段，降低系统运行风险与用户用能成本。另一方面，微电网群将实现从集中式能源生产到分布式能源生产消费的转变，通过各层、各区域的智能主体交互，从而达到状态实现能源单元的即插即用、对等互联、协同自治，获取相对合理的收益。
微电网群由许多微网智能主体有机组成，其对等、互联、开放、共享等特性更加突出了智能主体的自治、协同等特质。分层调控是整合微电网群中多智能主体，协调运行状态，从而实现整体较优策略的有效手段。因此，各个体间的调度和控制必须有机配合，以此为目标研究微电网群的分层调控模型和策略，希望得到一些普适规律，从而指导微电网群的优化运行与精确控制，达到能量流与经济流的统一。
以价值驱动为导向的微电网群的分层调控技术是本书的主要研究内容，本书希望形成一套完整的揭示微电网群运行的理论体系与分析流程，完善对微电网群运行的认识，指导其优化运行。同时激发微电网群中智能主体参与互动的积极性，提高盈利水平。
需要说明的是，本书借鉴了国内外电力系统同行的大量经验与观点，参考了很多相关资料和文献，得到了很多启发，书后列出的参考文献仅仅是其中的一部分。
本书在全面总结微电网群在工程技术、商业运营领域国内外研究进展的基础上，也同时介绍了作者承担的国家自然科学基金项目（U1866206，U1766207）、国网总部科技项目（52060018000N）和国家重点研发计划（2021YFB2401200）等有关课题所取得的研究成果。本书所涉及的内容，包括山东大学吕天光教授，国家电网有限公司国调中心郝然，上海交通大学博士研究生周晓倩、姜子卿、殷爽睿、张宇帆、李昭昱、李佳媚、程浩源，硕士研究生黄开艺、张冲、朱天怡、孙子茹、陈旻昱等刻苦研究的成果，在此一并向他们表示感谢。
 本书共10章： 第1章对微电网系统的架构、形态特征、内部资源与主体、管理系统等进行了基本介绍；第2章讨论了微电网的信息采集和数据处理技术，包括物理信息模型、用电行为分析和云边计算；第3章聚焦微电网控制技术，探究了分布式一致性控制方法；第4章介绍了微电网分层控制技术的工程实践；第5章详细阐述了微电网日前分层优化技术；第6章研究了微电网实时优化技术，实现微电网自适应调节；第7章给出了多个微电网分布式协同调度技术；第8章研究了微电网群组合成为虚拟电厂的运行方法；第9章分析了微电网群参与市场交易的报价和竞争策略；第10章结合现有示范工程及高新技术，对区域综合能源系统未来的发展趋势进行了展望。
本书完稿后，虽经多番详细审阅，仍难免有不足之处，加之作者编写水平有限，只能抛砖引玉，恳请广大读者和同仁提出宝贵意见。

艾芊谨识2022年4月于上海

本书介绍了目前能源互联网的几种架构和运行形态，探讨了能源互联网中多网络之间交互的物理模型，并提出了能源互联网信息和物理模型的研究方向。在此基础上提出细胞-组织（Cell-Tissue）视角下的能源互联网形态架构及其特征，并对微网群分布式调控进行了详细的研究。

本书介绍了目前能源互联网的几种架构和运行形态，探讨了能源互联网中多网络之间交互的物理模型，并提出了能源互联网信息和物理模型的研究方向。在此基础上提出细胞-组织（Cell-Tissue）视角下的能源互联网形态架构及其特征，并对微网群分布式调控进行了详细的研究。

吕天光，山东大学教授、博导，哈佛大学博士后、客座研究员，担任多个国际期刊编委。研究方向包括可再生能源并网优化、多微网系统运行与控制等。出版专著1部，发表论文50余篇，授权发明专利5项。曾获中国电力科技创新奖一等奖、中国电力建设企业协会科学技术进步奖二等奖。主持包括中国科协青年人才托举工程在内的多项国家/省部级纵向课题和国家电网横向课题。
艾芊，上海交通大学电气系长聘教授、博士生导师，IEEE高级会员。主要从事可再生能源发电、微电网运行和控制等方面的研究。先后主持或参与了可再生能源相关科研项目数十项，在多微网分层调控、微电网规划设计等方面取得了一系列创新性科技成果，发表论文300余篇，其中SCI/EI论文160篇，授权发明专利13项，出版《分布式发电与智能电网》、《现代电力系统辨识人工智能方法》等7部著作。

第1章微电网概述001
1.1微电网001
1.1.1微电网定义001
1.1.2分布式电源002
1.1.3储能系统004
1.1.4微电网的保护系统006
1.1.5微电网的能量管理系统008
1.1.6微电网容量及电压等级008
1.1.7微电网的运行模式009
1.2多能互补的微电网012
1.2.1典型分布式能源微电网012
1.2.2多能互补微电网的关键技术020
1.2.3多能互补微电网的研究现状023
1.3微电网的结构以及主要技术研究现状026
1.3.1交流微电网027
1.3.2直流微电网030
1.3.3交直流微电网034
1.3.4微电网架构的设计038
1.4微电网群的分层调控研究现状038
1.4.1微电网的控制结构038
1.4.2微电网的分层控制039
1.4.3微电网的调控技术040
1.4.4微电网的分布式协同控制042
1.5微电网国内外技术应用044
1.5.1国外微电网技术应用案例044
1.5.2国内微电网技术应用案例050
参考文献053第2章微电网信息采集和数据处理技术057
2.1微电网物理信息建模057
2.1.1物理信息融合系统概述057
2.1.2微电网物理信息融合建模方法059
2.1.3分布式发电模块CPS建模064
2.1.4微电网CPS建模077
2.1.5微电网CPS模型仿真083
2.2微电网用能行为分析技术097
2.2.1用电信息采集、聚合与特征提取098
2.2.2用电行为模式识别100
2.2.3基于用能行为理解的关联因素分析101
2.3基于云边计算的数据处理技术105
2.3.1云计算106
2.3.2边缘计算109
2.3.3基于云边计算的数据处理技术110
2.4微电网多时间尺度预测技术113
2.4.1负荷预测113
2.4.2可再生能源发电区间预测120
2.4.3可再生能源出力超短期预测127
参考文献129第3章微电网控制技术133
3.1微电网经典控制架构133
3.1.1直流微电网控制架构134
3.1.2交流微电网控制架构139
3.2微电网控制器控制方法141
3.2.1微电网控制策略141
3.2.2微电网元件控制器设计147
3.3基于分布式人工智能（多代理系统）的控制框架153
3.3.1多智能体的概念153
3.3.2多智能体概念图与BDI模型154
3.3.3基于多智能体的分层控制结构156
3.3.4多智能体技术的应用举例158
3.4基于协同论的一致性控制技术164
3.4.1自动发电控制AGC概要164
3.4.2多智能体一致性算法研究现状165
3.4.3基于等微增率的一致性算法166
3.4.4基于多智能体一致性的下垂控制策略168
3.4.5基于多智能体的电压频率一致性多级协同控制策略173
参考文献174第4章微电网分层控制实践176
4.1基于JADE平台的多代理控制技术176
4.1.1JADE简介176
4.1.2FIPA标准简介177
4.1.3JADE结构178
4.1.4JADE配置与主要的包179
4.1.5Agent的创建和启动180
4.1.6Agent通信语言ACL的应用181
4.2基于多能互补的协调控制方案182
4.2.1多能互补与能源互联网182
4.2.2能源互联网的特点183
4.2.3能源路由器、转换器和集线器184
4.3多能互补微电网协调控制器185
4.3.1基于能源集线器的多能互补分层协同控制186
4.3.2协调控制器结构192
4.3.3协调控制器功能设计194
4.4区域协调控制器研发198
4.4.1元件代理模块199
4.4.2微电网代理模块199
4.4.3上级电网代理模块200
4.4.4不同代理模块的通信方式200
4.4.5代理模块的研发与应用200
4.4.6协调控制器的研发实例202
参考文献208第5章微电网日前分层调控技术209
5.1微电网分层调控架构与特性210
5.1.1基于多代理系统的分层架构211
5.1.2基于主从博弈的区域能源互联网分布式能量管理框架214
5.2通信模式222
5.2.1基于多代理系统的分层通信架构223
5.2.2基于能源细胞组织架构的区域能源网通信模式225
5.2.3基于一致性协同的通信模式227
5.3日前分层调控策略228
5.3.1微网层与配网层的多目标控制策略228
5.3.2微网微网层控制运行策略234
5.3.3微网用户层运行控制策略246
5.4案例分析及仿真259
5.4.1欧洲典型微网结构与改进IEEE33节点系统259
5.4.2某地区微能源网拓扑结构263
参考文献276第6章微电网自适应调整技术278
6.1微电网内部设备快速通信模式279
6.1.1通信模式279
6.1.2微电网有线通信架构281
6.1.3微电网无线通信架构282
6.2微电网滚动优化策略283
6.2.1基于多智能体一致性的微电网电压/频率控制283
6.2.2基于自适应下垂控制的微电网分布式经济控制295
6.2.3基于自律分散控制的多区域日内滚动优化调度策略304
6.3微电网实时调整策略312
6.3.1基于多智能体一致性的微电网分层实时优化312
6.3.2双层博弈实时优化调整策略326
参考文献338第7章微电网群分布式协同调度341
7.1微电网群的架构341
7.1.1微电网分层架构342
7.1.2多能互补微电网分层架构343
7.2微电网群的运行模式347
7.2.1多微网的动态合作博弈模型347
7.2.2多微网系统双层博弈模型347
7.2.3群微网与配电网双层演化博弈决策349
7.3微电网群分布式协同调度策略359
7.3.1基于多代理的群微网分层调控框架359
7.3.2基于多代理的分布式调度设计361
7.3.3基于多代理设计的算例验证364
7.3.4结论369
7.4微电网群分布式需求响应策略369
7.4.1分布式需求响应框架设计370
7.4.2需求响应建模和模型在线辨识371
7.4.3基于多代理系的分布式需求响应分层优化设计373
7.4.4考虑全局预设约束的分布式通信和算法375
7.4.5算例分析378
7.4.6结论384
参考文献384第8章虚拟电厂的优化运行388
8.1虚拟电厂的定义388
8.1.1虚拟电厂的组分和类别389
8.1.2虚拟电厂的功能特征391
8.1.3虚拟电厂与微电网的联系394
8.2虚拟电厂关键技术395
8.2.1多代理技术395
8.2.2区块链技术401
8.2.3物联网技术405
8.3虚拟电厂集成优化运行408
8.3.1博弈论与市场规则408
8.3.2虚拟电厂的市场模式414
8.3.3基于主从博弈模型的运行策略417
8.3.4基于纳什谈判模型的运行策略420
参考文献425第9章微电网群的市场交易策略429
9.1微电网群市场分析的现状429
9.1.1考虑配电系统微电网联盟合作运营框架429
9.1.2微电网群经济行为决策432
9.1.3多代理系统在微电网群电力市场中的应用434
9.1.4基于虚拟电厂的微电网群运行交易模式436
9.2微电网群竞争报价策略439
9.2.1非合作博弈模型439
9.2.2基于需求响应的虚拟电厂市场竞价策略440
9.2.3考虑多能互补的多主体双层博弈方式446
9.3合作博弈竞价模式453
9.3.1合作博弈模型概述453
9.3.2基于合作博弈的多虚拟电厂交易方式455
参考文献457第10章未来微电网调控技术的展望460
10.1数据驱动和人工智能技术460
10.1.1数据驱动在微电网中的应用461
10.1.2人工智能在微电网中的应用468
10.2微电网数字孪生与平行系统470
10.2.1微电网数字孪生470
10.2.2平行系统471
参考文献472索引477

本书介绍了目前能源互联网的几种架构和运行形态，探讨了能源互联网中多网络之间交互的物理模型，并提出了能源互联网信息和物理模型的研究方向。在此基础上提出细胞-组织（Cell-Tissue）视角下的能源互联网形态架构及其特征，并对微网群分布式调控进行了详细的研究。

吕天光，山东大学教授、博导，哈佛大学博士后、客座研究员，担任多个国际期刊编委。研究方向包括可再生能源并网优化、多微网系统运行与控制等。出版专著1部，发表论文50余篇，授权发明专利5项。曾获中国电力科技创新奖一等奖、中国电力建设企业协会科学技术进步奖二等奖。主持包括中国科协青年人才托举工程在内的多项国家/省部级纵向课题和国家电网横向课题。
艾芊，上海交通大学电气系长聘教授、博士生导师，IEEE高级会员。主要从事可再生能源发电、微电网运行和控制等方面的研究。先后主持或参与了可再生能源相关科研项目数十项，在多微网分层调控、微电网规划设计等方面取得了一系列创新性科技成果，发表论文300余篇，其中SCI/EI论文160篇，授权发明专利13项，出版《分布式发电与智能电网》、《现代电力系统辨识人工智能方法》等7部著作。