基于非合作博弈的风-光-氢微电网容量优化配置.docx

新疆大学电气工程学院 希望?阿不都瓦依提， 吕海鹏， 晁勤：基于非合作博弈的风-光-氢微电网容量优化配置 本文摘要 ?多分布式电源参与的混合微电网容量优化配置是微电网设计的一个重要环节，文中针对风电场、光伏电站和制氢-储氢-发电一体化微电网系统的容量配置问题进行研究。首先，系统设立了风电、光伏和制氢-储氢-发电系统3个投资方，并以各投资方收益最大化为优化目标，建立基于非合作博弈的风-光-氢微电网容量优化配置模型; 然后，考虑各博弈参与者的投资成本、运维成本、购售电成本、弃风弃光惩罚费用和负荷中断惩罚费用等经济因素，利用粒子群算法对各博弈参与者的容量配置进行单独优化，确定各博弈参与者收益最大化的Nash均衡点; 最后，采用新疆某地区典型月的风速和光照强度数据对微电网容量配置进行算例分析。结果表明该模型能够在月综合成本相对较低的前提下保证供电的可靠性，实现了微电网系统容量的合理配置。 基于非合作博弈的风-光-氢微电网容量优化配置 希望·阿不都瓦依提,?吕海鹏,?晁勤? ? 新疆大学电气工程学院 引言 ?为顺应国际能源转型大势，我国将在“十四五”期间加快建设风电、光伏等新能源产业，推动能源清洁低碳、安全高效利用，提升新能源消纳和存储能力。近些年随着风电、光伏的渗透率不断提高，推进其消纳和高效利用面临着巨大挑战。而制氢-储氢-发电系统因其清洁高效的优势已经成为部分发达国家解决该问题的有效方案。 ?氢能作为一种理想的清洁能源，具备大容量、高密度、低排放，对环境无污染等优点，且制氢设备使用寿命长，原料获取简单，氢气储存和运输都较为方便，为风电、光伏的大规模开发、利用和消纳提供了一种新的优选方案。以风、光、氢等多能源互补发电的微电网系统容量配置和能量管理成为了研究热点。相关文献针对风机联合制氢-储氢-发电系统的最优容量配置，建立了以风-氢互补系统的安装成本和负荷缺电率最低、输出功率波动率最小为目标的多目标优化模型; 相关文献在风-光-氢耦合系统中加入了蓄电池，以减小波动功率对电解池效率和寿命的影响，同时考虑了动态电价对储能电池和制氢单元容量配置的影响; 相关文献通过为风电场配置储氢系统和超级电容来平抑风电波动功率; 相关文献通过引入电池-氢储混合储能系统解决了单一电池储能系统容量小的问题，实现了风电场的柔性并网。 ?上述文献对于多能源互补微电网系统容量优化配置的研究都只考虑微电网单一利益主体，但随着大量“增量配网”试点的投资运营，在进行微电网容量配置和能量管理时必须考虑各投资方的利益需求。博弈论作为一种解决此类问题的有效途径，通过寻找Nash均衡点来达到各博弈参与者的利益最大化。相关文献以各博弈参与者的日运行成本最低为优化目标，建立了多能量枢纽之间的非合作博弈模型，降低了各能量枢纽的运行成本，提高了系统调度的灵活性; 相关文献为了减小系统故障时切负荷所造成的影响，以各负荷用户作为博弈参与者，建立了多负荷用户的非合作博弈模型，实现了系统功率缺额时切负荷策略的自动优化计算。总体而言，博弈论在风-光-氢混合微电网容量优化配置方面的文献和成果还较少，亟待深入研究。 ?基于此，文中分别以风电场、光伏电站和制氢-储氢-发电系统作为博弈参与者构建经济模型，以各博弈参与者的收益最大化为优化目标，提出了基于非合作博弈的风-光-氢微电网容量优化配置模型，并利用粒子群算法对模型进行求解。最后通过算例仿真验证了所提模型能够提高微电网运行的经济性和可靠性。  1.?多能源微电网系统结构 ?与传统化学电池储能相比，氢储在多个方面具有良好的性能：(1) 氢气的能量密度比常规蓄电池的平均能量密度高; (2) 能量转换设备中质子交换膜的使用寿命要高于蓄电池的电解液; (3) 蓄电池存在自放电的问题，只能作为短期储能的介质; (4) 氢气为清洁能源，对环境无污染，且其存储和运输十分方便。文中构建的风-光-氢微电网系统如图 1所示，由电解槽(electrolysis cell, EC)、储氢罐(hydrogen storage tank, HST)、燃料电池(fuel cell, FC)、风电场、光伏电站和微电网调度中心等组成。当风电、光伏出力大于负荷需求时，通过EC将多余的电能转换为氢气进行存储; 在风电、光伏出力不足或负荷处于高峰期时通过FC将氢气转换成电能进行补充。 图 1? 微电网能源架构? 2. 微电网数学模型 2.1 风力发电 ?风电的输出功率主要与风速相关，而风速的变化服从威布尔分布，其概率密度函数f(v)为： 式中：v为风速;?k为形状参数;?c为比例参数。 由此可推出风电的输出功率模型为： 式中：Pr为风电机组的总装机容量;?vin为切入风速;?vout为切出风速;?vr为额定风速。 2.2 光伏发电 ?光照强度在一定时段内认为服从Beta分布，其概率密度