去中心化区域协调能源系统：细胞方法对提升电网稳定性与可再生能源整合的评估研究

《Smart Energy》：Coordinated Energy Systems in Decentralized Districts: Evaluating the Cellular Approach for Improved Grid Stability and Renewable Integration

本文针对去中心化能源系统因缺乏协调导致的电网拥堵和效率低下问题，研究人员以细胞方法（Cellular Approach, CA）为主题，结合两阶段优化框架和代理模型（AMIRIS），对包含28栋建筑的城区案例进行模拟。结果表明，协调运行能显著平衡区域净负荷，将光伏自用电比例提升约40个百分点，并降低电网峰值负荷约20个百分点，为构建更具韧性的社区能源系统提供了重要理论与实践依据。

　　

随着全球能源转型的深入，以德国为代表的许多国家正积极推动可再生能源的发展，尤其是鼓励产消者（prosumer，即同时是能源生产者和消费者）的参与。然而，这股追求个体能源自给自足的浪潮，却在一定程度上挤压了社区能源项目（如能源合作社）的生存空间，后者面临着官僚障碍和资金短缺的困境。更严峻的挑战在于，缺乏协调的分布式能源（如屋顶光伏、小型风机）大规模接入电网，极易引发线路拥堵（congestion），威胁电网稳定运行。德国联邦网络管理局（Bundesnetzagentur）的报告显示，仅在2023年第四季度，就有22%的再调度（redispatch）措施是由于配电层级的瓶颈引起的，这严重阻碍了可再生能源的进一步扩张。为了应对这些挑战，微电网（microgrid）、虚拟电厂（Virtual Power Plant, VPP）和局部能源市场（Local Energy Market, LEM）等协调模式被提出，但它们往往只解决特定维度的问题。有没有一种架构，能够系统性地整合这些优势，实现局部自治与全局协调的平衡？这正是德国生物质研究中心（Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH）的Lukas Richter及其同事们在《Smart Energy》上发表的研究所探索的核心。

为了回答上述问题，研究人员聚焦于一种名为“细胞方法”（Cellular Approach, CA）的能源系统组织框架。该方法将能源网络依据地理或电网特性划分为高度自治的“能源细胞”（energy cells），这些细胞基于辅助性原则（principle of subsidiarity）在分层结构中运行，即优先在本地解决能源平衡问题，再将剩余问题传递给更高层级的系统。这类似于生物体的细胞结构，每个细胞既独立运作，又协同维持整体生命活动。研究团队旨在评估，基于CA的协调能源系统是否能比非协调系统更有效地提升电网稳定性并优化分布式可再生能源资产的利用效率。

研究采用了一种改进和扩展的两阶段优化框架。首先，基于开源框架oemof.solph进行投资优化建模，该方法采用混合整数线性规划（Mixed-Integer Linear Programming, MILP）以成本最小化为目标，为案例区域内的28栋建筑（包括独栋住宅、公寓楼、学校、幼儿园和体育馆）独立选配最优的能源技术组合（如光伏PV、空气源热泵ASHP、 pellet锅炉PB、 pellet热电联产CHP、电储能EES和热储能TES）。考虑到全年小时级模拟的计算复杂性，研究使用时序聚合方法（k-medoids clustering）选取了10个代表性的72小时典型日来降低计算负荷。随后，基于投资决策，分别对非协调和协调两种运行模式进行优化评估。非协调运行采用确定性优化（oemof.solph），假设每个产消者仅基于完美预见信息追求自身成本最小化。协调运行则采用代理模型AMIRIS进行模拟，该模型模拟了基于CA原则的层级结构：每个建筑作为一个细胞，由细胞管理器（Cell Manager, CM）进行内部优化，细胞之间通过一个局部能源市场（LEM）进行电能交易，遵循辅助性原则优先消纳本地能源。值得注意的是，研究还通过算法耦合处理了电热耦合资产（如CHP和ASHP）的运行，使其能够响应电价信号。

4.1. 投资优化

投资优化结果显示，光伏（PV）和热电联产（CHP）是部署最广泛的技术。28栋建筑中有22栋安装了光伏，容量从不足10 kW_peak到超过100 kW_peak不等。CHP也被广泛采用，其容量在不同建筑间差异很大，一些高需求建筑的CHP容量超过50 kW_th。相比之下，混合供热系统（如CHP与ASHP组合）的采用较少，仅有三个建筑采用。热储能（TES）被广泛部署，部分大型建筑的容量超过1000 kWh_th，而电储能（EES）的部署则限于少数案例，容量最高达150 kWh_el。这些异质性的资产选择反映了基于个体建筑特性的优化路径。

4.2. 非协调能源系统

在非协调运行下，建筑层面的关键绩效指标（KPI）显示，大多数建筑的能源自给度（Degree of Autarky, DA）接近100%，表明对电网进口的依赖度很低。然而，自给率（Degree of Self-Sufficiency, DSS）却出现极端值，最高可达3000%，意味着某些建筑的年发电量远超其自身用电量。光伏自用电率（PV Self-Consumption, PVSC）普遍低于50%。对全部建筑净负荷（residual load）进行排序后的年持续时间曲线分析表明，一年中超过一半时间区域的净负荷为负值（即向电网出口电能），且出口峰值远高于进口峰值。这表明非协调运行导致了严重的过度发电和出口依赖。

4.3. 协调能源系统

在协调运行下，建筑层面的KPI发生了显著变化。大多数建筑的能源自给度降至70%以下，自给率和光伏自用电率也普遍降低，表明建筑更依赖于从区域内部或外部获取电能。净负荷持续时间曲线变得更为平缓，峰值出口负荷略有降低，而进口负荷则倾向于更高。协调运行使得区域的电能交换更加平衡。

4.4. 区域层面的比较

4.4.1. 技术系统指标

在区域层面，协调运行显著提升了光伏自用电率（约提高40个百分点），但自给率有所降低。进口比率（Import Ratio）和出口比率（Export Ratio）在协调系统中更高，表明本地产生的电能在区域内得到了更有效的利用，减少了对区域外电网的进出口依赖。区域的净负荷持续时间曲线在协调运行时更为平衡，极端值减少。本地电网变压器利用率（Local Grid Transformer Utilization）的分析显示，协调运行下变压器负荷的中位数更接近零，四分位距（IQR）变窄，极端出口值减少，表明协调运行带来了更稳定的变压器使用模式。然而，电网支持系数（Grid Support Coefficient, GSC）的分析表明，协调系统的平均GSC高于非协调系统，意味着其整体电网支持性行为稍弱，这主要源于进出口电量规模的显著差异以及电价激励机制的差异。

4.4.2. 经济指标

在经济效益方面，协调运行和非协调运行下各建筑的电费和热费成本总体相似，但协调运行下电价通常更低，特别是对于那些依赖外购电的建筑，因为协调运行下局部能源市场的平均清算电价（24.2 ct/kWh）远低于非协调运行下的外购电价（43.0 ct/kWh）。在售电收入方面，非协调运行下的收入略高，因为产消者更倾向于在对其个体有利时向电网售电。

本研究得出结论，基于细胞方法（CA）的协调运行能够显著提升电网稳定性并优化本地可再生能源的利用。具体表现为区域净负荷更趋平衡、电网峰值负荷降低约20个百分点、光伏自用电率大幅提升约40个百分点。这有效缓解了非协调投资和行为对电网基础设施的负面影响。

然而，研究也指出了若干挑战与未来方向。协调运行在提升社区整体效能的同时，会降低个体产消者的光伏自用电率和自给度，因此需要在个体自给与社区协作间找到平衡。虽然协调运行带来了技术系统效益，但对个体产消者的经济优势变化不大，未来需要设计激励其参与协调系统的市场机制和政策。此外，非协调投资导致的产能过剩问题，单靠运行协调只能部分缓解，未来需探索投资与运行协同优化的策略。最后，尽管所采用的MILP优化方法在扩展性上存在挑战，但CA协调机制本身具有良好的可扩展性，适用于更大型区域的研究。

总之，这项研究为构建更具韧性、高效和社区驱动型的能源系统提供了重要的理论和实践依据，强调了在支持性监管框架下，协同优化运行与投资对于成功实现向可再生能源未来转型的关键意义。