新能源微网多能协同优化及效益均衡机制研究

（1）构建了城市园区新能源微网参与外部能源市场交易的主从博弈运行优化模型。针对城市园区新能源微网作为用户用能代理商，受风光不确定性的影响，面临合同偏差惩罚的问题，分别从内、外部构建了城市园区新能源微网运行优化模型。
（2）构建了考虑农村不同用能场景特征的新型农村新能源微网运行优化模型。针对农村分散式家庭、农村产业园区差异化的用能特性，分别构建了农村家庭清洁能源系统和农村产业清洁能源系统，并引入新型储能聚合商，对新型农村新能源网多能协同系统结构进行了整体设计。
（3）构建了考虑供需双侧不确定性的偏远孤岛新能源微网双层机会约束运行优化模型。针对偏远孤岛新能源微网外部缺少主网备用、内部供需不确定性强等问题，首先，从不确定性处理角度，对偏远孤岛新能源微网开展了供需双侧不确定性分析与建模，构建了包含典型场景生成及机会约束的双层不确定性处理方法。
（4）构建了考虑增量收益、综合贡献及承担风险的新能源微网多合作主体效益分配模型。针对新能源微网多能协同系统复杂化发展趋势，挖掘了多能协同多类型合作主体，分析了多能协同运行优化增量效益。

本书以新能源微网为研究对象，以构建多能协同运行优化模型与效益均衡机制为目标，分析和梳理当前国内外新能源微网的基础概念、典型项目，开展新能源微网系统通用建模，并确立出力特性、能源品类、应用场景等多维典型应用场景，研究不同运行场景下新能源微网差异化运行模式，从而构造面向城市园区、新型农村、偏远孤岛等不同类型新能源微网的多能协同运行优化模型，最z终通过挖掘新能源微网中不同主体的角色定位及功能特性，设计新能源微网多能协同运行效益均衡分配机制，从而为实现新能源微网经济高效优化运行，提高新能源微网能源利用率，增强新能源微网可持续发展能力提供有效的决策依据。

杨莘博，管理学博士，北京工业大学经济与管理学院，讲师。现任北京能源发展研究基地研究员、华北电力大学能源环境经济研究所副所长。以第d一作者身份发表学术论文11篇，包括7篇SCI期刊论文；参与国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、北京哲学社会科学青年项目、北京能源发展研究基地一般项目、中央高校科研基金项目等；合著出版专著1部；担任国际学术期刊《applied energy》《energy》《Journal of Cleaner Production》等多个国内外著名期刊论文评审人。鞠立伟，管理学博士，华北电力大学经济与管理学院，副教授，现任北京能源发展研究基地研究员、华北电力大学能源环境经济研究所副所长，中国优选法统筹法与经济数学研究会统筹分会理事。主持北京哲学社会科学青年项目、北京能源发展研究基地一般项目、中央高校科研基金项目等；以第d一作者身份发表学术论文25篇，包括17篇SCI期刊论文，并获得3项计算机软件著作权和1项发明专利；出版专著1部；获得国家能源局等省部级奖项3项、中国产学研促进会等行业协会奖项5项；担任国际学术期刊《applied energy》《energy》《energy journal》等多个国内外著名期刊论文评审人。谭忠富，华北电力大学教授、博士生导师。1994年于大连理工大学获得博士学位，1996年于哈尔滨工业大学完成博士后工作。现任北京能源发展研究基地首席专家，华北电力大学能源环境经济研究所所长，中国市场学会常务理事，中国电力教育协会电力市场专委会主任，中国电机工程学会动力经济委员会委员，IEEE Senior member，能源系统工程专委会委员，国网长安风险管理公司首席顾问，国际能源经济学会中国分会常务理事；主持过国家自然科学基金（7项），国家社科基金、国家科技支撑计划子项目、教j育y部“新世纪优秀人才”基金、教j育y部博士点基金、北京哲学社会科学规划重点项目、北京哲学社会科学规划项目、北京市“优秀人才”基金、教j育y部人文社科基金、香港大陆联合自然科学基金；获得省部级奖项8项目；出版著作7部。

前言

第1章　概述?1
1.1　研究背景及意义?1
1.1.1　研究背景?1
1.1.2　研究意义?3
1.2　国内外新能源微网发展经验借鉴?4
1.2.1　新能源微网运行优化策略?4
1.2.2　新能源微网效益评估方法?7
1.2.3　新能源微网效益分配机制?9
1.3　总体研究框架?10
1.4　本章小结?14
第2章　新能源微网基础理论、典型项目与通用建模?15
2.1　新能源微网基础理论?15
2.1.1　新能源微网概述?15
2.1.2　新能源微网特征?17
2.1.3　新能源微网类型?18
2.2　国内外新能源微网典型项目?19
2.2.1　国外典型项目?19
2.2.2　国内典型项目?21
2.2.3　典型项目经验总结?24
2.3　新能源微网通用建模?26
2.3.1　能源供能设备?26
2.3.2　能源转换设备?29
2.3.3　能源存储设备?31
2.3.4　能量流动关系?31
2.4　本章小结?32
第3章　新能源微网多能协同配置及典型场景运行模式?34
3.1　引言?34
3.2　新能源微网多能协同多维度配置模式?36
3.2.1　出力特性维度配置模式?36
3.2.2　能源品类维度配置模式?36
3.2.3　应用场景维度配置模式?40
3.3 新能源微网典型应用场景差异化运行模式?54
3.3.1　城市园区新能源微网运行模式?54
3.3.2　新型农村新能源微网运行模式?57
3.3.3　偏远孤岛新能源微网运行模式?59
3.4　本章小结?62
第4章　城市园区新能源微网多能协同运行优化模型?63
4.1　引言?63
4.2　城市园区新能源微网结构及运行边界设定?66
4.2.1　系统结构描述?66
4.2.2　运行边界设定?67
4.3　城市园区新能源微网主从博弈优化模型?70
4.3.1　主从博弈运行优化框架?70
4.3.2　主从博弈运行优化模型?71
4.3.3　模型求解算法?77
4.4　算例分析?80
4.4.1　基础数据?80
4.4.2　情景设置?82
4.4.3　结果分析?84
4.4.4　运行效益分析?91
4.5　本章小结?95
第5章　新型农村新能源微网多能协同运行优化模型?96
5.1　引言?96
5.2　新型农村新能源微网结构及运行边界?99
5.2.1　系统结构描述?99
5.2.2　运行边界设定?103
5.3　新型农村新能源微网鲁棒随机优化模型?104
5.3.1　常规运行优化模型?104
5.3.2　鲁棒随机运行优化模型?107
5.3.3　模型求解算法?109
5.4　算例分析?110
5.4.1　基础数据?110
5.4.2　情景设置?113
5.4.3　结果分析?114
5.5　本章小结?123
第6章　偏远孤岛新能源微网多能协同运行优化模型?124
6.1　引言?124
6.2　偏远孤岛新能源微网结构及运行边界?127
6.2.1　系统结构描述?127
6.2.2　运行边界设定?127
6.3　偏远孤岛新能源微网供需联动优化模型?128
6.3.1　双层运行优化框架?128
6.3.2　供需联动运行优化模型?132
6.3.3　模型求解算法?139
6.4　算例分析?141
6.4.1　基础数据?141
6.4.2　情景设置?144
6.4.3　结果分析?148
6.5　本章小结?158
第7章　新能源微网多能协同运行效益均衡分配模型?160
7.1　引言?160
7.2　新能源微网多能协同主体及增量效益分析?162
7.2.1　多能协同合作主体?162
7.2.2　多能协同主体角色定位?164
7.2.3　多能协同增量效益分析?165
7.3　新能源微网多能协同效益均衡分配模型?166
7.3.1　Shapley值法?166
7.3.2　多因子改进效益分配模型?168
7.3.3　效益分配满意度测算?171
7.4　算例分析?171
7.4.1　基础数据?172
7.4.2　效益分配结果?176
7.4.3　效益分配满意度?182
7.5　本章小结?184
参考文献?186

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表了正式讲话，明确提出碳中和、碳达峰战略目标。新能源微网聚合风、光等可再生新能源、耦合各类分布式供能机组，具有灵活、低碳、清洁、高效等特征，是提高清洁能源消纳、改善能源供应结构，助力碳达峰、碳中和目标实现的关键力量，将迎来较快发展。然而，一方面，当前我国新能源微网建设仍处于示范和试点阶段，面向不同用能场景、不同用户群体的新能源微网基本系统构成、运行模式有待进一步完善和明晰；另一方面，相对于稳定的大电网而言，新能源微网具有系统耦合复杂性、机组出力间歇性、用能负荷多样性等特征，对运行优化提出了更高的要求。因此，如何考虑供需特征，针对不同典型用能场景开展多能协同系统结构设计，经济高效优化运行新能源微网系统，提高新能源微网能源利用率，增强新能源微网可持续发展能力，成了当前新能源微网领域研究的热点。基于此，本书通过介绍新能源微网基础理论、典型项目与通用建模，构造新能源微网多能协同配置与典型场景运行模式，建立面向城市园区、新型农村、偏远孤岛的新能源微网多能协同运行优化模型，提出新能源微网多能协同运行效益均衡分配模型，具体来说：在新能源微网基础理论、典型项目与通用建模方面，首先，明晰了新能源微网概念，指出其是能源互联网的区域实现形式之一，是以更好地消纳新能源、实现绿色低碳经济生产为重要出发点，是强调接入新能源的可再生清洁能源系统，归纳总结了新能源微网的特性，围绕运行方式、服务地区，对新能源微网进行了典型类别划分；其次，从国外和国内两个角度，开展了新能源微网典型项目研究，基于典型实践，总结归纳了当前新能源微网发展经验；最后，从能源供应、能源转换以及能源存储三个维度，构建了新能源微网设备通用建模，分析了能源流动关系。在新能源微网多能协同配置及典型场景运行模式方面，从出力特性、能源品类和应用场景维度设计了新能源微网多能协同配置模式，为考虑场景特征的新能源微网典型应用场景差异化运行模式研究奠定配置模式基础；以城市园区、新型农村和偏远孤岛三个典型应用场景为划分，设计了具有场景区域特征和供需特征的差异化新能源微网差异化运行模式，为后续研究奠定了系统配置和运行模式参考。在城市园区新能源微网多能协同运行优化模型方面，首先，构建了耦合热电气多能源类型的城市园区新能源微网多能协同系统，以综合电热价格型需求响应为依托，设计了城市园区用户参与新能源微网内部优化模型，在此基础上，开展了与外部能源网络的主从博弈分析；其次，以外部能源网络为市场领导者，以城市园区新能源微网运营商为市场跟随者，构建了考虑清洁能源不确定性的城市新能源微网与外部能源网络的主从博弈运行优化模型；然后，针对清洁能源不确定性，构建了包含清洁能源场景生成与删减的不确定性的处理算法，针对主从博弈运行优化模型，构建了基于粒子群算法的均衡解求解算法；最后，选取中国北方某省一工业园区为研究背景，设置了多情景运行优化方案，进行了多情景运行优化研究，研究结果表明：城市园区新能源微网实施内部优化，对园区系统内部而言，能够有效提升内部供需匹配性、提升内部能源消纳量，协同满足更多内部需求，具有较好的经济与环境效益，对外部能源网络而言，受城市园区新能源微网内部系统电、热价格调整的影响，外部能源网络在约束范围内也调整了其售热和售电价，但园区内部受参与外部能源市场交易量降低的影响，园区净收益仍呈现增加趋势。在新型农村新能源微网多能协同运行优化模型方面，首先，面向农村产业和农村生活，构建了耦合生物质、屋顶光伏等具有农村地区特色的分布式农村产业清洁能源系统和分布式农村家庭清洁能源系统，并引入储能聚合商，对农村新能源微网多能协同系统进行整体设计，构建了低碳化量化模型，以量化新能源微网系统对农村地区碳减排作用；其次，充分考虑不同用能场景下投资主体的诉求，以农村产业清洁能源系统收益最大和农村家庭清洁能源系统成本最低，分别构建了不考虑清洁能源不确定性的常规型运行优化模型和考虑清洁能源不确定性的鲁棒随机运行优化模型；最后，选取河南某农村为研究背景，以低碳化水平为重要评估点，设置了多情景运行优化方案，开展多情景优化研究。研究结果表明：所构建的新型农村新能源微网系统能够有效降低农村用能成本，提高农村地区低碳化水平，但对于分布式农村产业清洁能源系统，受供需匹配性不高、夏季日农业灌溉负荷高等因素影响，需充分考虑需求响应，引导用户转移负荷需求，以提高低碳化水平；引入鲁棒随机优化，系统为规避清洁能源出力风险，降低了清洁能源供能，供能商需根据实际情况，合理设置鲁棒系数，避免过度响应，增加用户成本；储能聚合商作为灵活性备用资源，在参与初期，应注重从电价等角度给予一定优惠，提高其盈利水平。在偏远孤岛新能源微网多能协同运行优化模型方面，首先，构建了耦合光热电站等具有偏远地区特色的偏远新能源微网，从供需双侧开展了不确定性分析与建模；其次，构建了上层传递负荷转移方案，下层传递机组优化调度方案的助推“源 ? 荷”充分联动的双层运行优化模型；然后，构建了包含场景生成和随机约束的双层不确定性处理方法和基于改进遗传算法的双层运行优化模型求解算法；最后，选取中国西北某偏远地区为研究背景，设置了多情景运行优化方案，进行了多情景运行优化研究。研究结果表明：所提出的双层不确定性处理模型，能有效降低由清洁能源出力不确定性带来的供能偏差量，提高孤岛新能源微网运行的安全性和供能的有效性，实现“源 ? 荷”双向互动，有效降低切负荷率；通过增加机组装机容量可进一步实现切负荷量的降低，但会在不同程度上增加清洁能源弃能，因此可考虑实施多类型需求响应或增加能源转换机组，提高能源利用率。在新能源微网多能协同合作主体效益分配模型方面，首先，梳理了新能源微网多能协同内部和外部合作主体，分析了多能协同产生的增量效益；其次，在研究多能协同合作主体效益分配角色定位的基础上，基于合作博弈Shapley值法构建了基础合作主体效益分配模型；然后，通过进一步引入两种改进因素：实际风险承担和实际联盟贡献，对基本Shapley值法进行了综合改进；最后，分别基于本书第4～第6章的多能系统运行优化结果作为案例背景，进行了合作主体效益分配。研究结果表明：第7章所建的效益分配模型能够有效应用于新能源微网内部主体、内外部主体等多种合作主体之间的效益分配，提高合作联盟效益分配满意度。本书承蒙国家自然科学基金面上项目“新型电力系统需求侧灵活性资源时空协同优化与动态均衡机制研究（72274060）”、北京市社会科学基金项目“京津冀能源绿色低碳转型的多市场耦合交易体系及政策协同研究（21JCC088）”和中央高校基本科研项目“多能协同微能源网运营优化与利益均衡机制研究（JB2021019）”的资助，特此感谢！