[论文解读] Hierarchical Interactive Architecture based on Coalition Formation for Neighborhood System Decision Making

Jaber Valinejad, Mousa Marzband+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 20被引用 8

一句话总结

本文提出一种基于联盟形成的双层分层架构，用于在电力池市场中优化家庭微电网（H-MG）的决策。通过将H-MG建模为战略参与者，通过双层规划与市场出清机制形成联盟以最大化集体利润，该方法实现了纳什均衡，并通过需求响应与最优分布式能源（DER）调度降低了能源成本，同时提升了个体与群体的盈利能力。

ABSTRACT

In recent years, significant efforts for improving the technical and the economic performance of smart grids have been applied with the presence of different players making decisions in these grids. This paper proposes a bi-level hierarchical structure for designing and planning distributed energy resources in home microgrids (H-MGs). Such a small-scale grid inside the market environment permits energy exchange among distributed energy resources and home microgrids through a pool market. In this paper, each home microgrid's planner maximizes the performance of distributed energy resources while exchanging energy with other H-MGs. The problem is formulated as a high-level problem decomposed into a set of low-level market clearing problems. The global optimal performance in terms of energy cost is met for a market structure (H-MGs, consumers, and retailers) at a Nash optimum point for the formulated scheduling game considering local and general constraints on the spot market. In general, the upper-level structure is based on H-MG generation competition for maximizing their individual and/or group income in the process of forming coalition with other H-MGs. In addition, the functionality of the lower-level of the hierarchical structure is governed by a market clearing based on the price response method by all the DERs enabling H-MGs to change the spot market strategic behavior. Prices are obtained as dual variables of power balance equations. This paper will investigate a set of bilevel games, including nonlinear programming problems solved through a complementary problem method. Using the binary theory, the bilevel hierarchical structure will be replanned using a nonlinear problem. Results prove that the proposed structure can increase the players's profit.

研究动机与目标

• 设计一种在市场条件下用于家庭微电网（H-MG）中分布式能源资源（DERs）的双层决策框架。
• 使H-MG能够通过能源交易战略性地形成联盟，以最大化个体与集体收入。
• 将H-MG与零售商之间的互动建模为双层博弈，确保市场出清价格由功率平衡约束导出。
• 整合需求响应与储能动态，以增强H-MG运行的灵活性与成本效率。
• 在调度博弈中实现纳什均衡，确保去中心化决策的稳定性与最优性。

提出的方法

• 上层问题通过战略性投标与电能交换，建模H-MG联盟的形成，以最大化群体与个体利润。
• 下层问题采用价格响应型市场出清机制，市场出清价格（MCP）作为功率平衡方程的对偶变量推导得出。
• 采用非线性规划构建双层优化框架，下层问题通过互补问题法求解。
• 应用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件，将双层问题转化为带均衡约束的单层数学规划（MPEC）。
• 使用互补约束建模边界违反与变量关系，确保DER与储能系统的可行性。
• 模型整合了多种DER——热电联产（CHP）、电热泵（EHP）、储能（ES）、风力发电机（WT）、电锅炉（EB）、地源热泵（GB）、太阳能热电联产（STP）——以及热能与电能存储系统，同时支持需求响应负荷转移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在去中心化市场环境中，H-MG如何通过联盟形成提升其集体与个体的经济绩效？
• RQ2 H-MG应采用何种最优投标策略，以在遵守技术与运行约束的前提下最大化利润？
• RQ3 需求响应与储能的整合如何影响市场出清结果与系统整体成本效率？
• RQ4 双层分层架构是否能在不确定性与市场动态下实现能源调度的纳什均衡？
• RQ5 对偶变量（市场出清价格）在通过价格信号协调去中心化H-MG决策中发挥何种作用？

主要发现

• 所提出的双层架构在能源调度博弈中实现了纳什均衡，确保了H-MG之间的战略稳定性。
• H-MG之间的联盟形成相较于独立运行，显著降低了整体能源成本。
• 需求响应与储能的整合提升了系统灵活性，使系统能更好地响应市场价格信号，实现更优的成本节约。
• 市场出清价格（MCP）被准确地作为功率平衡约束的对偶变量推导得出，确保了价格响应性与市场效率。
• 通过互补问题与KKT条件的使用，实现了双层优化问题的精确求解，验证了模型的可行性与最优性。
• 数值结果证实，所提出的结构显著提升了个体与联盟的利润，证明了在去中心化微电网系统中战略性合作的有效性。