优化配水系统中表后太阳能配置：管网布局与电价结构的协同影响机制研究

本研究针对配水系统(WDS)中表后太阳能(BTM)利用效率低、能源供需不匹配等问题，通过对比分析带/无高位水箱的管网配置及零/固定/动态电价结构对BTM光伏系统设计的影响，发现高位水箱配置可提升光伏利用率并降低全生命周期成本(TLCC)，而动态电价会导致系统规模缩小但TLCC增加。成果为水-能耦合系统优化提供了重要决策依据。

　　

随着全球城市化进程加速，配水系统(WDS)的能耗问题日益凸显。作为城市命脉的WDS，其运行能耗中约60%来自水泵作业，不仅推高运营成本，更因依赖化石能源加剧温室气体排放。尽管太阳能光伏(PV)技术为减排提供新思路，但太阳能的间歇性与用水需求峰谷错位，导致表后(BTM)光伏系统常面临"有电不用、要电没有"的窘境。更棘手的是，各国电价政策差异显著：澳大利亚等国的动态电价市场甚至会出现负电价，这意味着水厂在光伏发电高峰时可能需付费售电。这些矛盾使得BTM光伏在WDS中的应用陷入"装少了不够用，装多了浪费钱"的两难境地。

针对这一系列挑战，研究人员开展了一项开创性研究。通过构建包含高位水箱与直供系统的双案例对比模型，结合零、固定、动态三种电价结构，首次系统揭示了管网配置与电价政策的协同作用机制。研究发现，传统认知中"水箱=冗余设施"的观点需要修正——配备高位水箱的WDS虽然需要更大规模的光伏系统（Koondrook案例中增加23%），但通过"光伏充足时抽水储能、不足时重力供水"的智能调度策略，反而使太阳能利用率提升17%，全生命周期成本(TLCC)降低12%。这颠覆了"系统越小越经济"的固有思维。

研究采用多目标优化框架，整合EPANET水力模型与光伏出力模型，以TLCC最小化和光伏自耗率最大化为目标函数。关键技术包括：1)基于澳大利亚能源市场运营商(AEMO)历史数据的动态电价模拟；2)考虑水箱储能特性的混合整数非线性规划；3)针对NET1基准网络的对比验证。案例数据来源于真实城市管网(Koondrook)和经典理论管网(NET1)。

Impact on optimal pump operations
泵站运行模式分析显示，高位水箱使92%的泵作业集中在光伏出力高峰时段（10:00-15:00），而直供系统因需实时满足需求，仅能匹配56%的太阳能曲线。动态电价下出现反直觉现象：当电价跌至负值时，优化算法主动关闭部分光伏阵列，导致NET1系统规模缩减31%。

Conclusions
研究证实：1)高位水箱作为"水力电池"，可提升光伏自耗率19-25%；2)固定上网电价虽增加收益但对系统规模影响有限（<5%）；3)动态电价会导致"规模缩减悖论"——小系统反而增加TLCC 8-15%。这些发现为《巴黎协定》框架下的水行业碳中和提供了实操路径，特别指导了维多利亚州"Water for Victoria"计划中再生能源配置策略。

该成果的突破性在于首次量化了基础设施物理特性与能源政策的交互效应。正如作者Wu Wenyan指出："选择水箱不是倒退，而是为可再生能源集成支付的必要对价。"研究为发展中国家在老旧管网改造中平衡短期成本与长期低碳目标提供了定量工具，其方法论可扩展至风电、储能等多能互补系统。未来研究可进一步探索气候变异对水-能耦合系统鲁棒性的影响。