考虑电能交互的冷热电区域多微网系统双层多场景协同优化配置附Matlab代码

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🔥 内容介绍

一、引言

随着分布式能源（光伏、风电、燃气轮机）与综合能源服务的快速发展，冷热电区域多微网系统（Regional Multi-Microgrid with Cooling, Heating and Power，RMMG-CHP）成为提升能源利用效率、促进新能源消纳的重要载体。该系统由多个含冷热电联产（CCHP）、储能、新能源的微网组成，通过电能交互实现区域内能源互补 —— 当某微网新能源出力过剩时，可将多余电能输送至负荷缺口微网；当系统整体电能不足时，可从外部大电网购电，或通过微网间电能互济减少外购电依赖。

然而，RMMG-CHP 系统的优化配置面临三大核心挑战：一是多场景不确定性（如负荷波动、新能源出力随机性、电价时段变化），单一场景配置易导致资源浪费或供需失衡；二是 “配置 - 运行” 耦合性，设备容量配置直接决定运行经济性，需协同考虑；三是电能交互协同性，微网间电能传输效率、交互策略会影响整体系统收益。

本文提出 “双层多场景协同优化配置模型”：上层以 “最小化系统全生命周期成本” 为目标，优化各微网内 CCHP、储能、新能源的容量配置；下层以 “最小化单日运行成本” 为目标，在多场景下优化微网间电能交互策略与设备运行状态。通过双层迭代与多场景遍历，实现 RMMG-CHP 系统的经济、高效、可靠配置。

二、系统架构与多场景定义

（一）冷热电区域多微网系统架构

1. 微网单元（MG1~MGn）：每个微网含光伏（PV）、风电（WT）、CCHP 机组（燃气轮机 + 余热溴化锂机组）、电储能（ESS）、电制冷机、燃气锅炉，可独立满足自身冷、热、电负荷，同时具备与其他微网及大电网的电能交互能力（通过区域配电网连接，输电效率取 0.92~0.95）。

1. 区域电能交互层：负责微网间电能调度，制定 “余电上网”“缺电购电” 的交互价格（基于大电网分时电价浮动，峰时上浮 10%、谷时下浮 15%），并计量各微网的电能交互量。

1. 大电网接口：作为系统备用电源，当区域内总电能不足时从大电网购电，总电能过剩时向大电网售电（售电价格为购电价格的 0.8 倍，参考国内并网政策）。

（二）多场景定义与生成

针对 RMMG-CHP 系统的不确定性，选取 3 类关键场景，采用 “K-means 聚类 + 场景缩减” 方法生成典型场景（保留场景概率≥5% 的场景）：

1. 负荷场景：分为居民负荷主导（如 MG1）、商业负荷主导（如 MG2）、工业负荷主导（如 MG3），考虑日负荷峰谷差（居民峰谷比 1:0.3，商业 1:0.4，工业 1:0.6），生成 3 类典型日负荷曲线。

1. 新能源出力场景：基于历史气象数据，生成光伏出力（晴、多云、阴雨，出力峰值分别为额定功率的 95%、60%、20%）与风电出力（大风、中风、小风，出力峰值分别为额定功率的 90%、50%、15%），组合为 5 类典型新能源场景。

1. 电价场景：参考大电网分时电价政策，分为尖峰（10:00-12:00、18:00-21:00，1.2 元 /kWh）、高峰（8:00-10:00、12:00-18:00，0.8 元 /kWh）、平段（6:00-8:00、21:00-23:00，0.5 元 /kWh）、低谷（23:00-6:00，0.3 元 /kWh），生成 2 类电价波动场景（基准电价、电价上浮 10%）。

最终共生成 3×5×2=30 类典型场景，场景概率之和为 1，覆盖系统主要运行工况。

三、双层多场景协同优化模型构建

四、模型优势与应用展望

（一）模型优势

1. 协同性强：通过双层迭代耦合 “配置 - 运行”，避免上层盲目配置导致下层运行低效；电能交互实现微网间能源互补，提升整体经济性。

1. 鲁棒性高：多场景覆盖负荷、新能源、电价不确定性，配置结果可适应不同运行工况，避免单一场景的局限性。

1. 实用性广：模型可推广至含更多微网、更多能源类型（如地源热泵、氢能储能）的系统，只需调整设备参数与场景类型。

（二）应用展望

1. 多能源交互扩展：未来可加入冷、热能源交互（如微网间蒸汽、冷水输送），构建 “电 - 冷 - 热” 多能交互网络，进一步提升能源利用效率。

1. 不确定性量化优化：采用鲁棒优化方法替代场景枚举，量化不确定性的影响程度，提升模型对极端场景的适应性。

1. 市场化机制融入：引入微网间电能交易竞价机制（如区块链去中心化交易），优化交互电价制定，激发微网参与电能交互的积极性。

五、结论

本文提出的考虑电能交互的冷热电区域多微网系统双层多场景协同优化配置模型，通过上层设备容量优化与下层运行策略优化的迭代，结合多场景不确定性分析，实现了系统全生命周期成本最小化与运行经济性最优：

1. 电能交互使区域内新能源消纳率提升至 92%，全生命周期成本降低 16%~18%；

1. 多场景配置避免了单一场景的局限性，模型鲁棒性显著优于传统配置方法；

1. 冷热电协同运行使能源利用效率达 82%，为综合能源系统的优化配置提供了可行方案。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 朱金猛.冷热电联供型微网中微电源的优化配置研究[D].北方工业大学,2016.

[2] 徐青山,李淋,蔡霁霖,等.考虑电能交互的冷热电多微网系统日前优化经济调度[J].电力系统自动化, 2018, 042(021):36-44.

[3] 林顺富,刘持涛,李东东,等.考虑电能交互的冷热电区域多微网系统双层多场景协同优化配置[J].中国电机工程学报, 2020(5):13.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.190275.

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