基于博弈论的微电网能源优化调度算法的研究

摘要

环境污染、能源短缺威胁着人类社会的健康发展，节能减排、低碳经济成为当今世界经济发展的大方向。在当前新一代信息技术如火如荼发展的时期，微电网作为新一代信息技术与电力网的交叉新领域，被业界广泛认为是一个市场前景广阔、技术水平先进的新兴产业。微电网理论技术的进步，有利于促进信息技术领域、电力领域在理论、技术与产业等方面的快速发展。 本文主要研究了微电网的能源消耗调度、需求响应管理以及能源交易问题。针对现有的微电网中能源优化调度方法存在的不足之处，将电能、天然气、热能、冷能等多种能源资源考虑进入微电网模型中，基于非合作博弈、斯塔克尔伯格博弈与双层博弈等多种博弈方法构建了新的能源优化调度模型。本文的主要贡献如下： 首先，基于非合作博弈构建了一个居民区微电网中的家庭电能消耗调度模型。居民区微电网中的家庭用户通过调整其可调节电能负荷以减少其用电成本。我们给出了该博弈模型中纳什均衡的证明，以及一种能达到该均衡的电能消耗调度算法。仿真结果表明该博弈方法可降低家庭用户大约41%的电能消耗成本。 然后，在电能消耗调度模型的基础上，将天然气这种能源资源引入到微电网模型中，构建了一个基于非合作博弈的含有电能、天然气两种能源资源的能源互联微电网中的双能源消耗调度模型。能源互联微电网中的用户通过调节其电能和天然气的使用量以最小化他们的能源成本。我们证明了该博弈模型中纳什均衡的唯一性，并给出了一种能达到该均衡的双能源消耗调度算法。仿真结果表明该博弈方法能降低用户大约43%的电能消耗成本和40%的天然气消耗成本。 其次，在电能消耗调度以及双能源消耗调度模型的基础上，将冷能与热能这两种能源资源引入到微电网模型中，构建了一个基于斯塔克尔伯格博弈的含有电能、天然气、冷能、热能四种能源资源的居民智能微电网中的多能源需求响应管理模型。能源供给商作为领导者，调整其能源价格，而居民智能能源枢纽作为跟随者，根据能源价格调整其能源消耗量。我们证明了该博弈模型中斯坦克伯格均衡的唯一性，以及给出了一种能达到斯坦克伯格均衡的需求响应管理算法。仿真结果表明该博弈方法可以有效地提高了多种能源资源的利用效率以及能源供给商的能源收益，并降低了居民用户的能源消耗成本。 再次，在微电网内部电能消耗调度、双能源消耗调度以及多能源需求响应管理模型的基础上，将微电网之间的能源交易也考虑进入微电网模型中，构建了一个基于双层博弈的工业区微电网中的多能源交易模型。在第一层工业区微电网内部工业用户之间建立了一个非合作博弈模型。工业用户通过调整其能源消耗量以降低其能源消耗成本。在第二层工业区微电网之间建立了一个斯坦克伯格博弈模型。工业区微电网能源买家和卖家通过调整其能源买卖的策略来优化其多能源交易的效益。我们给出了工业区微电网内部博弈模型中纳什均衡以及工业区微电网之间博弈模型中斯塔克尔伯格均衡的证明，并给出了一种能达到纳什均衡的能源消耗调度算法以及一种能达到斯塔克尔伯格均衡的多能源交易算法。仿真结果表明该博弈方法能有效地降低了工业用户的能源消耗成本，并提高了工业区微电网参与多能源交易的效益以及可再生能源资源的利用率。 最后，对本文的微电网能源优化调度研究进行了总结，并对今后的相关研究工作进行了展望。

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