在能源互聯(lián)網(wǎng)模式下，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與可再生能源相結(jié)合，能源的開采、配送和利用從傳統(tǒng)的集中式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑姆稚⑹?，未來的電網(wǎng)將成為電力能源共享網(wǎng)絡(luò)。本文提出了基于能源互聯(lián)網(wǎng)民主化、去中心化、智能化、物聯(lián)化等特點(diǎn)的微電網(wǎng)集群優(yōu)化調(diào)度控制模式，并提出了解決分布式單元即插即用的優(yōu)化求解算法。本文提出的模型與算法亦適用于地域分散、虛擬控制中心、靈活組合的虛擬發(fā)電廠、售電商、負(fù)荷聚合商、能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度求解。

1 微電網(wǎng)集群優(yōu)化調(diào)度為什么基于互聯(lián)網(wǎng)靈活通信?

微電網(wǎng)集群是指多個(gè)微電網(wǎng)的集合，微電網(wǎng)集群化運(yùn)行是一種提高分布式電源消納、并使其整體運(yùn)行可調(diào)控的重要解決方式。本文以微電網(wǎng)集群為研究對(duì)象，建立了上層無中心控制模式和下層集中式控制模式相結(jié)合的混合分層優(yōu)化調(diào)度模型，探索了適應(yīng)微電網(wǎng)單元即插即用的優(yōu)化調(diào)度求解算法。其中，微電網(wǎng)集群中的各微電網(wǎng)單元之間沒有電氣連接，僅通過互聯(lián)網(wǎng)通信鏈接集合而成。基于互聯(lián)網(wǎng)靈活通信的微電網(wǎng)集群分布式優(yōu)化調(diào)度優(yōu)點(diǎn)在于：(1)因地制宜，利用已有互聯(lián)網(wǎng)通信資源，避免建立微電網(wǎng)集群控制中心的大量通信建設(shè)投資;(2)控制靈活，支持微電網(wǎng)單元可獨(dú)立運(yùn)行而具有的即插即用特點(diǎn)，不影響整體微電網(wǎng)集群優(yōu)化調(diào)度。本文的模型與算法同樣適用于具有自決策能力的發(fā)用電主體成員所組成的虛擬組織，既可基于靈活通信方式組合為一個(gè)邏輯整體，對(duì)電力市場(chǎng)競(jìng)價(jià)或參與電力調(diào)度，也可支持各成員退出或加入整體組織而不影響優(yōu)化收斂性和求解有效性。

2 如何實(shí)現(xiàn)支持即插即用的分布式優(yōu)化調(diào)度?

傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中，參與優(yōu)化求解的機(jī)組集合確定，通常不會(huì)發(fā)生變化。而微電網(wǎng)的即插即用特性，使得微電網(wǎng)集群優(yōu)化求解過程中，隨時(shí)有可能出現(xiàn)參與的微電網(wǎng)單元增加或減少。因此，傳統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度求解算法很難解決優(yōu)化過程中參與集合變化的問題，這也正是微電網(wǎng)集群分布式調(diào)度難以工程應(yīng)用推廣的原因所在。

分布式優(yōu)化調(diào)度基于分布式優(yōu)化的數(shù)學(xué)理論模型，分布式單元之間的鏈接關(guān)系需滿足雙隨機(jī)矩陣要求才能夠達(dá)到分布式優(yōu)化迭代收斂的結(jié)果。當(dāng)分布式單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)量或鏈接關(guān)系發(fā)生變化，由于破壞了雙隨機(jī)矩陣特性，因此其結(jié)果出現(xiàn)發(fā)散即非收斂狀態(tài)。本文研究發(fā)現(xiàn)，如果在分布式單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)量或鏈接關(guān)系發(fā)生了變化之后，其余分布式單元之間仍然保持雙隨機(jī)矩陣特性的鏈接關(guān)系，而且仍然可以得到優(yōu)化迭代收斂的結(jié)果。

本文研究既考慮微電網(wǎng)集群整體優(yōu)化效果，也考慮微電網(wǎng)單元內(nèi)部?jī)?yōu)化調(diào)度。因此，構(gòu)建混合多層優(yōu)化調(diào)度模型，上層基于互聯(lián)網(wǎng)靈活通信在各微電網(wǎng)單元之間實(shí)現(xiàn)無控制中心的分布式調(diào)度模式，下層在各微電網(wǎng)單元內(nèi)部以集中式控制模式優(yōu)化調(diào)度其中的分布式電源和負(fù)荷。

當(dāng)某微電網(wǎng)退出或加入集群運(yùn)行(即插即用)時(shí)，集群中微電網(wǎng)單元的數(shù)量和連接方式都發(fā)生了變化。為了能夠保持整體優(yōu)化收斂性，本文研究嘗試修正通信鏈接矩陣以保持其雙隨機(jī)特性。仿真結(jié)果表明，該方法有效防止了優(yōu)化結(jié)果發(fā)散，保證了優(yōu)化算法對(duì)控制變量維數(shù)發(fā)生變化時(shí)的有效性，即可以解決具有即插即用特性的微電網(wǎng)集群優(yōu)化問題。

3 混合多層的分布式協(xié)調(diào)優(yōu)化如何求解?

本文提出了修正通信鏈路的改進(jìn)分布式優(yōu)化調(diào)度算法，用于求解混合多層分布式協(xié)調(diào)優(yōu)化，同時(shí)在微電網(wǎng)單元即插即用情況下，也能夠獲得優(yōu)化結(jié)果。本文提出了適應(yīng)控制變量維數(shù)可變性的優(yōu)化收斂解決方法，從而解決了即插即用引起的優(yōu)化不收斂問題，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式下無中心控制的全局優(yōu)化調(diào)度具有重要意義。

1)混合分層優(yōu)化調(diào)度模型

微電網(wǎng)單元通過互聯(lián)網(wǎng)靈活通信方式邏輯上組成為微電網(wǎng)集群，各單元之間的通信拓?fù)浔磉_(dá)為通信拓?fù)滏溄泳仃?，具有通信鏈接的各微電網(wǎng)單元之間交互每一步的優(yōu)化迭代結(jié)果;每一個(gè)微電網(wǎng)單元基于收到的其他微電網(wǎng)單元迭代值更新下一步優(yōu)化迭代結(jié)果，再進(jìn)行交互通信;直至滿足分布式優(yōu)化迭代收斂條件。微電網(wǎng)單元之間的上層優(yōu)化實(shí)現(xiàn)去中心化調(diào)度，以全局調(diào)度總成本最少為優(yōu)化目標(biāo)，以電力交換約束和傳輸線路限制為約束條件。

各微電網(wǎng)單元內(nèi)部按照集中優(yōu)化方式計(jì)算本地優(yōu)化結(jié)果，微電網(wǎng)每一次利用上層迭代結(jié)果修正基層優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行再次優(yōu)化。微電網(wǎng)內(nèi)部的基層優(yōu)化實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)部調(diào)度，以各單元內(nèi)發(fā)電成本最小為目標(biāo)，微電源實(shí)時(shí)發(fā)電能力為約束條件。

2) 適用于即插即用的優(yōu)化求解算法

靈活的通信方式是能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用基礎(chǔ)，基于能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式的微電網(wǎng)集群利用靈活的通信方式將地理分散的各微電網(wǎng)單元組織為一個(gè)邏輯整體。微電網(wǎng)單元之間的通信可達(dá)性描述為滿足雙隨機(jī)條件的通信拓?fù)滏溄泳仃?，此時(shí)可保證全局優(yōu)化的收斂性。微電網(wǎng)單元即插即用運(yùn)行時(shí)，控制變量維數(shù)發(fā)生改變，通信拓?fù)滏溄泳仃嚨碾p隨機(jī)性條件被破壞，全局優(yōu)化不能收斂。本文提出了按照即插即用改變通信拓?fù)滏溄泳仃嚨姆椒?，使之一直保持雙隨機(jī)性特征，從而獲得控制變量維數(shù)可變時(shí)的全局收斂性。

4 優(yōu)化效果如何?

在仿真中，本文建立了由9個(gè)微電網(wǎng)組成的集群并設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)間互聯(lián)網(wǎng)通信拓?fù)?。在本文?gòu)建的混合多層優(yōu)化模型基礎(chǔ)上，其優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。如果采用傳統(tǒng)優(yōu)化算法，當(dāng)某個(gè)微電網(wǎng)進(jìn)入獨(dú)立運(yùn)行模式或脫離集群(Plug-out)，即控制變量維數(shù)發(fā)生改變，優(yōu)化迭代出現(xiàn)斷崖式下跌，不能獲得結(jié)果，如圖3所示。采用本文提出修正鏈接矩陣的改進(jìn)分布式優(yōu)化算法，當(dāng)某個(gè)微電網(wǎng)退出時(shí)，集群中現(xiàn)有各微電網(wǎng)仍然可以維持迭代計(jì)算穩(wěn)定性，獲得優(yōu)化結(jié)果，如圖4所示。同理，當(dāng)有微電網(wǎng)單元加入集群時(shí)(Plug-in)，各個(gè)成員也可以通過協(xié)調(diào)優(yōu)化重新分配出力以達(dá)到整體成本最小，如圖5所示。