基于电-碳交互与Nash-Stackelberg-Nash博弈的多能源系统协同运行鲁棒优化框架研究

本文推荐研究人员针对偏远地区微电网能源供应不稳定、成本高等问题，开展集成光伏(PV)、电池储能系统(BESS)和应急发电机的多能源系统协同优化研究。通过建立分布鲁棒机会约束模型，结合Nash-Stackelberg-Nash博弈策略，实现了峰谷调节、负荷转移和成本优化，显著提升系统经济性与可靠性，为可再生能源社区(REC)建设提供重要技术支撑。

　　

在多瑙河三角洲等偏远地区，电力供应面临严峻挑战：地理环境复杂导致电网覆盖不足，柴油发电机供电成本高昂且污染严重，可再生能源的间歇性又给电网稳定带来巨大压力。这些地区虽然拥有丰富的风光资源，但缺乏有效的能源管理系统，导致可再生能源利用率低、运营成本高、供电可靠性难以保障。随着全球能源转型进程加速，如何构建经济高效、稳定可靠的可再生能源微电网系统，成为亟待解决的关键问题。

针对这一挑战，发表于《Renewable Energy》的研究团队开发了一套创新的微电网协同运行框架。该研究以罗马尼亚多瑙河三角洲地区为典型案例，构建了包含光伏系统(PV)、电池储能系统(BESS)、应急发电机和上游电网的多能源微电网系统，通过电-碳交互机制和博弈论方法，实现了系统运行的整体优化。

研究人员采用多技术融合的研究方法：首先基于Python、MariaDB和Grafana构建仿真环境，集成历史负荷数据、实时气象信息和设备运行参数；其次运用Nash-Stackelberg-Nash博弈模型优化多方利益主体决策；再通过分布鲁棒机会约束编程处理可再生能源不确定性；最后利用Ignition SCADA系统实现实时监控与数据采集，确保算法在实际系统中的可实施性。

2.1. Microgrid configuration

研究设计了典型的可再生能源社区(REC)配置方案，系统包含1MWp光伏电站、750kWh电池储能系统、柴油应急发电机以及与上游电网的连接接口。系统支持并网和孤岛两种运行模式，能够根据实际情况灵活切换，确保关键负荷的持续供电。控制核心采用Ignition supervisory control and data acquisition (SCADA)系统，实现分布式能源的协同管理和能量流优化控制。

2.2. Simulation environment

通过构建高精度仿真环境，研究人员模拟了多种运行场景。仿真基于当地实际气象数据、负荷曲线和设备特性，涵盖了负荷需求在1.1-2.5MW范围内的波动情况。电池储能系统的充放电行为采用90%效率模型，电网交互则考虑了实时电价机制，使仿真结果更加贴近实际运营条件。

3. Mathematical modelling

研究建立了完整的数学模型，以总供电成本最小化为目标函数，综合考虑光伏发电成本、BESS使用成本（包括充放电和退化成本）以及发电机运行成本。约束条件包括能量平衡约束、BESS运行限制（SOC_min≤SOC(t)≤SOC_max）、发电机出力限制和光伏发电能力约束，确保系统运行的可行性和可靠性。

3.4.4. Reliability

为提高系统可靠性，研究引入了概率可靠性约束，要求满足负荷需求的概率不低于设定阈值（如0.95或0.99）。通过蒙特卡洛模拟或随机优化技术，评估光伏出力、储能放电和发电机出力的不确定性，确保系统在各种条件下都能可靠运行。同时还设置了最小备用容量约束、BESS最低电量约束和发电机最小运行时间约束等多重保障机制。

3.4.5. Examples of energy management strategy-based constraints

研究提出了多种能量管理策略，包括最大化可再生能源使用、BESS充放电优化策略、最小化应急发电机使用以及夜间低需求期能量守恒策略。这些策略通过数学约束形式实现，如优先使用光伏发电、在电价高峰时段放电、仅在必要时启动发电机等，显著提升系统经济性和环保性。

4. Case study results

通过五个典型场景的仿真分析，研究验证了所提框架的有效性。场景一（正常运行）显示PV系统可降低16%的能源成本；场景二（PV离线）凸显了对上游电网的依赖；场景三（低负荷高发电）展示了BESS的储能潜力；场景四（峰谷调节）证明BESS可进一步降低成本；场景五（孤岛运行）体现了系统在紧急情况下的 resilience (韧性)。结果表明，即使配置适中的BESS（750kWh存储，250kWh充放电能力），也能实现10-15%的成本节约。

4.6. Scenario discussion

不同场景的对比分析揭示了微电网在各种运行状态下的适应能力和局限性。虽然依赖分布式能源带来一定不确定性，但储能系统的优化使用显著提升了能源安全性和经济性。研究表明，通过合理的容量配置和运行策略，微电网能够有效平衡供需矛盾，降低对传统电网的依赖。

研究结论强调，微电网是未来能源系统转型的关键技术，尽管存在初始投资高、技术复杂等挑战，但其在提高能源独立性、增强系统韧性和促进可持续发展方面的优势显著。随着技术进步和成本下降，微电网将在偏远地区供电、灾难应急和可再生能源消纳等领域发挥越来越重要的作用。

未来的研究方向包括开发更大容量的储能系统、集成负荷转移与需求响应策略、开展实地试验验证以及引入机器学习和预测算法进一步提升系统性能。这些改进将使微电网更好地适应多样化应用场景，为全球能源转型提供有力支撑。