基于可调功率和温室气体信用额度的并网多微电网的能源管理

《Renewable Energy》：Energy management of grid-interconnected multi-microgrids based on adjustable power and greenhouse gas credits

本文提出一种三层次智能电网能量管理系统（EMS），集成点对点电力交易策略和可调整功率概念，通过碳信用机制实现多微网（IMMG）系统温室气体排放最小化，并通过比较分析验证其有效性。

　　本研究提出了一种创新的分层能源管理系统（EMS），旨在降低与电网互联的多微网（IMMG）系统的运行温室气体（GHG）排放。该系统采用了一种基于点对点能源交易策略（ETS）的优化方法，构建了三个层级的控制架构：微网（MGs）、电网以及社区电力分配代理（CPDAs）。通过引入“可调功率”（AP）的概念，系统能够更有效地利用可控分布式发电（CDG）设备的未充分利用容量，同时结合“GHG信用”机制，借鉴欧洲国家流行的碳市场模式，为GHG排放提供补偿或激励。此外，该研究还探讨了基于竞价的哈密顿分配方法，用于在ETS之后公平地结算GHG信用，以应对动态的GHG市场环境。通过对两种替代方法的比较研究，验证了该方法在促进环境可持续性和改善网络脱碳方面的有效性和可扩展性。研究还对两种近期广泛采用的ETS方法进行了实现，并通过比较分析进一步突显了该新型ETS集成EMS方法的优越性能。

在当今全球能源转型的大背景下，传统电力系统网络正在向更加智能、灵活的方向发展。随着可再生能源和储能系统的广泛应用，微网（MG）网络逐渐成为实现能源高效管理的重要组成部分。微网通常由多种能源资源，如可再生能源发电（RES）、微型燃气轮机（MT）、燃料电池（FC）以及电池储能系统（BESS）组成，旨在满足局部区域的电力需求。然而，随着微网数量的增加，单一微网的管理能力逐渐受到限制，因此需要将多个微网与主电网以及社区电力分配代理（CPDAs）进行互联，形成多微网系统（IMMG）。这种系统能够在自主或并网模式下运行，以应对不同场景下的电力需求变化。

在IMMG系统的运行中，控制架构的选择至关重要。目前，常见的控制方式包括集中式、分布式、分层式等。然而，分布式控制在电网互联的IMMG系统中存在一定的局限性，因为它无法在没有市场交易信息的情况下实现高效的运行，可能导致系统运行的不协调和不稳定。相比之下，分层控制架构因其能够平衡快速响应的源侧和需求侧控制器与协调的全局决策，被广泛认为是更优的选择。这种架构通常包括三个层级：源侧、需求侧以及全局协调层，每一层都有其特定的优化目标和决策机制。在这一框架下，IMMG系统通常由一个非营利性的第三方机构——IMMG运营商（IMMGO）进行管理，以确保系统的稳定性和经济性。

为了进一步提升IMMG系统的环境效益，本研究引入了“可调功率”这一概念。该概念最早由作者在文献[8]中提出，用于优化微网调度过程中可控分布式发电设备（CDG）的未充分利用容量。随后，该概念被重新应用于电网互联的IMMG测试系统的EMS开发中，以实现整体运行成本的最小化。在这一过程中，多智能体（MA）之间的可靠通信网络起到了关键作用，使得各微网能够共享信息并协调优化。然而，尽管已有研究在经济优化方面取得了显著成果，但对于如何通过点对点（P2P）能源交易策略有效减少GHG排放的研究仍显不足。因此，本研究在现有基础上进一步拓展，将GHG信用机制与P2P ETS相结合，以实现更全面的环境优化目标。

在欧洲国家，GHG排放的减少已成为一项重要的政策目标。欧洲联盟（EU）碳排放交易体系（EU ETS）是全球最大的碳市场之一，通过设定排放上限并允许企业之间交易碳信用，鼓励减少温室气体排放。该体系的运行机制是，企业可以在不超过排放上限的情况下，通过购买或出售碳信用来调整自身的排放水平。这种机制不仅有助于实现减排目标，还能够促进清洁能源的投资和发展。在本研究中，作者借鉴了EU ETS的思路，提出了一个基于GHG信用的P2P ETS模型，用于在IMMG系统中实现更高效的排放管理。该模型不需要依赖传统的市场清算机制，而是通过引入GHG信用的结算方式，实现更灵活的交易模式。

在这一模型中，GHG信用的分配和结算采用了基于竞价的哈密顿分配方法。该方法能够确保在不同微网之间进行公平的能源交易，同时考虑到GHG市场的动态变化。通过这种方式，系统能够在满足电力需求的同时，最大限度地减少GHG排放。此外，该研究还对社区电池储能系统（CBESS）在自主（AN）和从属（SS）模式下的运行效果进行了敏感性分析，以评估CPDAs对ETS的影响，并识别出最适合IMMG系统的运行模式。

为了验证该方法的有效性，本研究与两种近期广泛采用的EMS方法进行了比较分析。这两种方法分别来自文献[17]和[29]，它们在不同的控制架构和优化目标下进行了尝试。通过在相同的IMMG测试系统上实施这些方法，并采用相同的参数设置，研究确保了比较的公平性。结果表明，所提出的基于GHG信用和可调功率的ETS集成EMS方法在环境效益和经济性方面均表现出色，特别是在减少GHG排放和提升系统稳定性方面具有明显优势。

本研究的主要贡献包括以下几个方面：首先，首次将“可调功率”概念应用于电网互联的IMMG系统，以实现GHG排放的最小化；其次，提出了基于GHG信用的P2P ETS模型，避免了传统市场清算机制的局限性；第三，引入了基于竞价的哈密顿分配方法，用于公平地结算GHG信用，以适应动态的GHG市场环境；第四，通过与现有EMS方法的比较分析，验证了该方法的优越性；最后，对CPDAs在ETS中的作用进行了评估，并通过敏感性分析确定了CBESS的最佳运行模式。

在实际应用中，GHG信用的结算需要考虑到多个因素，包括市场供需关系、政策调控以及各微网之间的协调机制。基于竞价的哈密顿分配方法能够在这些因素之间找到平衡点，使得GHG信用的分配既公平又高效。此外，该方法还能够适应不同规模的IMMG系统，为未来更大规模的能源网络提供参考。通过将GHG信用机制与现有的EMS框架相结合，本研究为实现环境可持续性和能源系统优化提供了一种新的思路。

本研究的测试系统由四个与电网互联的微网组成，每个微网都配备了CPDAs。系统运行时间为24小时，涵盖了多种能源资源和负荷需求的变化。通过分析各微网的负荷需求、可再生能源发电量以及电网的单位GHG排放信号，研究能够更准确地评估系统的运行性能。同时，通过比较不同EMS方法在相同测试系统上的表现，研究进一步验证了所提出方法的有效性。结果显示，该方法不仅能够显著减少GHG排放，还能够在保证系统稳定性的前提下，提高能源利用效率和经济性。

在环境可持续性的推动下，能源管理系统的优化目标已经从单纯的经济性扩展到包括环境影响在内的多目标优化。然而，现有的EMS方法在处理GHG排放问题时，往往局限于经济成本的最小化，而忽视了其他重要的环境指标。本研究通过引入GHG信用机制，将环境因素纳入到能源交易策略中，为实现多目标优化提供了一种新的解决方案。此外，研究还强调了CPDAs在协调各微网之间能源交易中的重要作用，指出它们能够有效提升系统的整体效率和稳定性。

随着全球对气候变化问题的关注不断加深，减少温室气体排放已成为各国政府和企业的重要任务。在这一背景下，IMMG系统作为实现低碳能源转型的重要平台，其优化策略需要更加全面和系统的考虑。本研究提出的基于GHG信用和可调功率的ETS集成EMS方法，不仅能够有效降低系统的GHG排放，还能够提升能源交易的公平性和透明度。通过将环境因素与经济因素相结合，该方法为构建更加可持续的能源网络提供了理论支持和实践指导。

在未来的能源系统发展中，IMMG系统的优化将面临更多挑战，包括能源供需的不确定性、市场机制的复杂性以及政策法规的不断变化。因此，研究需要不断探索新的方法和技术，以应对这些挑战。本研究通过引入GHG信用机制和可调功率概念，为IMMG系统的优化提供了一种创新的思路。同时，基于竞价的哈密顿分配方法也为GHG信用的结算提供了一个可行的解决方案。这些方法不仅能够提升IMMG系统的运行效率，还能够促进清洁能源的发展和应用，为实现碳中和目标做出贡献。

此外，本研究还对社区电池储能系统（CBESS）在不同运行模式下的表现进行了评估。CBESS作为IMMG系统中的重要组成部分，能够有效调节电力供需，提升系统的灵活性和稳定性。通过将CBESS运行在自主（AN）和从属（SS）模式下，研究分析了其对ETS的影响，并得出了最优的运行模式。这一分析不仅有助于优化CBESS的使用，还能够为其他储能设备的配置和管理提供参考。

总之，本研究提出的ETS集成EMS方法为IMMG系统的优化提供了一种全新的视角。通过结合GHG信用机制和可调功率概念，该方法能够在满足电力需求的同时，最大限度地减少GHG排放，提升系统的环境效益和经济性。同时，基于竞价的哈密顿分配方法为GHG信用的结算提供了公平和高效的解决方案。这些创新点不仅能够推动IMMG系统的可持续发展，还能够为未来的能源管理提供重要的理论支持和实践指导。