本文是一篇电气工程论文，本研究通过算例分析表明所建立的模型可以有效实现微网间电能共享和收益的合理分配，并验证了其对降低微网运行成本和碳排放量的有效性。
1 绪论
1.1 选题的研究背景及意义
能源是经济发展的基石，是现代社会的血液。近百年来，世界能源行业的飞速发展，为人类社会的繁荣提供持续不断的动力。在此期间，以煤炭为主的传统化石能源在一次能源生产中始终占据相当大的比例[1]。在2000年到2009年期间，我国煤炭生产在一次能源生产结构中的比重呈现上升态势，从2000年的占比72.9%持续增长到2009年的占比76.8%；在2010年到2022年期间，我国煤炭生产在一次能源生产结构中的比重呈现逐渐下降态势，从2010年的占比76.2%持续降低到2022年的占比69.2%[2, 3]。从煤炭生产在一次能源生产中的占比可以得到：在中国能源生产结构中，传统化石能源仍占据主导地位。煤炭的大量开采和加工，不仅可能诱发地震、造成地质塌陷，还会在燃烧过程中，使大量的COX、SOX、NOX进入大气，导致全球变暖和危险疾病，包括疟疾、慢性阻塞性肺病和肺癌，不利于能源和人类社会的可持续发展[4]。
同时，我国国家主席习近平于2020年在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，明确提出：面对全球绿色低碳转型的大方向，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和[5]。为了完整、准确、全面贯彻新发展理念，解决资源环境约束突出问题，实现中华民族永续发展，中共中央国务院在2021年发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，明确指出要大力发展风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等非化石能源，加快构建绿色、低碳、环保、安全、高效的新型能源体系，严格控制能耗和二氧化碳的排放，并明确指出化石能源消费占比限制目标，到2025年，化石能源消费占比不能超过80%，到2030年，化石能源消费占比不能超过75%，到2060年，化石能源消费占比不能超过20%。2020年，我国全社会二氧化碳排放总量的42.5%来自于电力行业，全国煤电装机容量占总装机容量的52%[6, 7]。因此，电力行业低碳转型，构建清洁绿色能源体系是实现“双碳”目标的必经之路。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 需求响应研究现状
为了应对2000年到2001年间的加州电力危机，美国政府及电力运营商在早期的电力需求侧管理基础上首次提出需求响应的概念，并且在2005年，美国能源部发布了《需求响应和能效白皮书》，强调了需求响应在提高电力系统可靠性中的重要作用。美国作为最早开始研究需求响应的国家，得益于完善的机制设计、激励措施和与电力市场建设的协调，目前在电力需求侧管理方面的研究处于领先地位。欧盟关于需求响应的研究紧随其后，于2012年颁布《能源效率指令》，明确消费者可以参与市场交易，为需求响应资源参与电力平衡市场提供公平的环境。日本在2014年提出《第四次能源基本计划》，计划指出要通过用户侧需求管理，实现电力稳定供给。而我国相关方面的研究虽然起步较晚，但市场规模庞大，前景可观，目前已基本形成较为成熟的需求响应市场，如2017年11月在江苏省国家电网公司投运的负荷柔性调度需求响应友好互动平台创下了单次响应量352万千瓦的世界纪录。同时，我国在2022年提出的《“十四五”现代能源体系规划》指出，力争在2025年，电力需求响应资源要达到全国负荷3~5%。
目前对需求响应的研究已较为成熟，主要分为两类，一类是激励型需求响应，是指售电商在特定时段内向用户侧发出削减或转移负荷的请求，通过现金补偿、税费减免等激励措施给予用户奖励；另一类是电价型需求响应，是指售电商通过调整实时电价，使用户根据价格信号自发调整用电行为[24, 25]。激励型需求响应和电价型需求响应虽然在实施方式、响应速度上存在一定差异，但都能起到调整负荷、削峰填谷的作用。文献[26]针对智能电网环境下的用户需求响应展开深入分析和总结，指出当下实施需求响应存在的问题和应对方法，通过分析国内外学者的相关研究成果，为我国智能用电和需求响应的发展提供借鉴和参考；文献[27]通过分别考虑基于分时电价和激励的需求响应对配电网的影响，验证了需求响应的实施会提高配电网的供电可靠性这一理论；文献[28]从规划、运行、控制、评价这四个方面对高比例新能源电力系统中需求响应的问题进行总结，并对高比例新能源背景下需求响应的应用及保障措施提出进一步建议。
2 综合能源微网的基本架构及建模
2.2 综合能源微网架构分析
本文构建的综合能源微电网架构如图2-1所示，由以下四部分构成。
（1）源，是指微网的能量来源。其中电能供应方面以清洁能源为主，CHP机组为辅。热能供应方面以CHP机组为主，燃气锅炉为辅。所连接的外部能源包括主电网和气网，主电网与微网之间可以进行电能的双向交换，根据电力需求和供应情况进行动态调整，实现能源的高效利用；气网为CHP机组和燃气锅炉提供天然气。
（2）网，是指微网内的供电网络。由变电站、配电站、电力线路和其他供电设施共同组成，负责将发电设备产生的电能输送到负荷设备，以实现微网系统的平衡和稳定运行。
（3）储，是指微网内的储能装置。其不仅可以有效应对分布式能源的随机性和波动性，还能起到调峰的作用，有助于提高微网的稳定性和可靠性。
（4）荷，是指微网的负荷。其中包含热负荷和电负荷，热负荷主要有工业生产中使用的蒸汽和生活生产中使用的热水；电负荷主要包括常规负荷和以电动汽车为代表的柔性负荷。
在供能设备中，CHP机组运行时燃烧天然气产生电能、热能以及大量的CO2。为了减小CHP机组的碳排放量，保证微网的低碳绿色运行，将碳捕集设备和电转气装置加入微网内与CHP机组协同运行。
2.3 综合能源微网各设备模型
2.3.1 光伏发电系统 光伏发电技术可以将太阳能直接转换为直流电能，是一种绿色能源技术。光伏发电系统主要由光伏列阵和电力电子电路组成。光伏列阵是光伏发电系统中的核心部分，由多个光伏电池串并联组成，光伏电池的发电原理是光生伏特效应，当太阳光照射在光伏电池中的硅基等半导体材料上，光子与半导体材料中的原子相互作用，使原子从半导体中逸出，外接电路后即可形成电流。电力电子电路主要包含逆变电路和升压电路，逆变电路负责将光伏列阵产生的直流电转化为交流电，升压电路负责抬高交流电电压，使其便于传输或使用。
图2-2为光伏发电系统的原理图，phI为光生电流，sR为光伏电池的等效电阻，U为单个光伏电池的输出电压，由于单个光伏电池输出电压较小，故需要多个电池进行串并联组成光伏列阵。
3 考虑需求响应的综合能源微网优化运行 ................... 23
3.1 引言 ............................... 23
3.2 分时电价时段划分优化........................... 23
4 基于纳什谈判的多微网系统P2P电能共享优化运行 ...................... 41
4.1 引言 ............................. 41
4.2 多微网系统P2P电能共享架构设计 ........................... 41
5 总结与展望.................................. 60
5.1 总结 ............................................... 60
5.2 展望 ................................. 61
4 基于纳什谈判的多微网系统P2P电能共享优化运行
4.2 多微网系统P2P电能共享架构设计
本章所研究的多微网系统系统如图4-1所示。其中，每个微网的供能设备以清洁能源为主，CHP机组为辅，各微网均配置了储能装置，网内负荷包括热负荷和电负荷。同时，各微网之间以及与主网之间可以通过通信网络交互电能盈缺信息，微网间通过P2P联络线传递电能，并需要向配电运营商（Distribution System Operator, DSO）支付一定上网费。
本章主要研究多微网系统内部电能共享的互联运行策略，目的是为了提高各微网的运行经济性和进一步消纳分布式能源。多微网系统P2P电能交易方式描述如下：
（1）各微网首先通过需求响应调节内部各单元运行方式，内部调整结束后，根据自身电能盈缺情况再参与P2P电能共享；
（2）当某微网出现电能缺额时，首先通过购买多微网系统内其他微网成员盈余的电能来填补电力缺口；若某微网出现电能盈余时，也首先通过向缺电的微网成员传输电能来解决；如果P2P交易结束后，仍无法满足电能购售需求，最后与主网交互解决；
（3）为了防止出现大规模弃风弃光的现象，以消纳清洁能源为最优先级，在P2P电能交易过程中，优先传输来自于分布式能源的电能；
（4）各微网可以根据自身运行情况，对P2P交互的电能进行价格的协商，当多微网系统所有成员达成共识后，才会进行电能交易结算。
5 总结与展望
5.1 总结
多个微网通过P2P联络线可以组成多微网系统，其既能与外界主网进行交互，也能在内部互联协同运行。多微网系统不仅具有单微网的功能，还弥补了单微网例如调节性能差、规模限制等不足。在微网内考虑需求响应，通过对负荷分布的调整，提高了清洁能源的消纳水平以及微网的经济性。同时电动汽车作为典型的柔性负荷，其数量的激增对微网安全、经济运行带来极大挑战。基于此，本文主要对需求响应、含电动汽车的多微网系统经济绿色运行展开研究，主要工作及结论如下：
（1）介绍综合能源微网基本组成单元，在分析风力发电、光
