CPS架构下微电网主动能量管理关键技术研究

Microgird is one of the most important parts of smart grid. The energy management system is significant to guarantee the operation of micriogrid good quality and high efficiency. This project studies the active energy management of microgrid based on Cyber Physical System (CPS). It aims to build a unified, open and autonomous, good quality and eco-friendly energy system. It focuses on the study of CPS modeling, critical optimization method, the optimization excitation mechanism, simulation prototype and experiment platform. The "active" emphasizes the new characteristics of individual in CPS microgrid, especially for distributivety, autonomy and rationality. The main are (1) Setting up the optimization and control model of microgrid energy system based on CPS from individual and micro view; (2) Using potential game theory to study the distributed and open optimization algorithm with the seeking of maximization of individual interest. (3) Using potential game theory to analyze the electricity behavior evolution of multiple customers and multiple manners, and study the effective guidance mechanism of individual decision-making. (4) Setting up the evaluation index of microgrid and Seeking for the excitation mechanism of microgrid from continuous operation to discrete decision. (5) Developing evaluation of simulation prototype and experimental platform to Functional verification and system improvement.

微电网是利用分布式电源尤其是可再生能源的有效途径之一，是智能电网的重要组成部分。有效的能量管理系统是微电网在可靠运行的基础上能源效率最优化的关键。本课题提出引入物理信息融合系统(Cyber Physical System, CPS)，在CPS框架下，开展微网主动能量管理系统的研究。“主动”的含义在于强调微网个体的分布性、自主性与理性，专注于“开放和优质”，研究微网能量优化与协调控制技术，主要解决信息和物理系统的深度融合下，微网能量管理系统何时优化和如何优化的问题，主要是：(1)信息物理融合下的系统建模；(2)基于势博弈理论，完全分布式优化算法的研究与实现；(3)从时间和事件多角度出发，建立系统从连续运行到离散决策的激发机制；(4)运用势博弈理论分析多用户多准则用电行为的演化过程，通过逆向寻优，研究有效的“个体决策“引导机制。(5)理论研究与仿真实验交错进行，验证方法的有效性，完善系统。

本课题按照计划，从顶层管理系统和底层硬件系统展开了全面的研究，优质超额完成了课题研究工作。主要是：（1）面向微电网主动能量管理系统从微观个体到宏观系统，从CPS到CPSS扩展，从微电网到微能源网完成了多层次多维度建模工作。完成了面向可再生能源的微电网电能质量与可靠性综合评价方法的研究。（2）基于博弈论，以势博弈为核心，提出了一种完全分布式运行优化和重构方法，实现算法层面对微网个体的即插即用。（3）从用户侧出发，在CPSS架构下，研究信息流和能量流的交互过程、信息传输过程以及通信系统的拓扑结构，完成微电网信息物理融合系统的建模与分析。以社区微电网为典型研究对象，引入平行系统理论，实现微网主动能量管理。（4）扩展：（I）提出了一种基于势博弈的多微网系统双层优化方法。（II）基于能量总线理论建立了微能源网模型，采用DQN算法完成微能源网的运行优化。（III）基于状态势博弈理论设计了一种分布式协同优化算法，实现用户侧分布式储能汇聚参与电网一次调频，以增强电网频率稳定性。（IV）基于CPSS理论，结合平行控制思想，提出了电动汽车汇聚参与调频服务的新方法。（5）从顶层软件系统到底层电力电子装置实现了微网个体即插即用的软硬件支撑，建立了完全分布式的微网能量管理系统实验平台，完成了实验验证。课题的研究成果一定程度上为未来电力市场充分发展情况下分散式可再生能源和电动汽车等接入电网提供了重要的技术支撑，具有广阔的应用前景和实际应用价值。本课题共发表高水平期刊论文21篇，其中SCI收录10篇，Ei收录10篇。参加了5次国际会议，共12人次，宣读论文8篇。申请并获得授权发明专利7项，实用新型专利3项。培养了博士研究生1名，硕士研究生10名。