低压配电网中多载体储能系统的聚合调控：提升光伏与热泵高渗透率下的电压稳定性

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【字体：大中小】 时间：2025年07月15日 来源：Journal of Energy Storage 8.9

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　　本文针对低压配电网在能源转型中面临的电压失稳问题，提出了一种创新的多载体储能系统（MCES）聚合控制策略。研究团队通过建立包含光伏（PV）、热泵（HP）、电池储能（BESS）和热储能（TESS）的住宅多能源系统模型，结合荷兰实际301节点配电网案例，首次量化了不同渗透率下多载体储能的电压支撑能力。结果表明：在80%光伏与热泵渗透率场景下，多载体储能系统可将电压违规率降至4.3%，较单载体系统提升33%，同时降低用户综合能源成本45-66%。该研究为配电网运营商（DSO）提供了免扩容改造的技术路径，对推进能源转型具有重要实践价值。

随着欧洲能源转型加速推进，住宅区光伏（PV）与热泵（HP）渗透率持续攀升，传统低压配电网面临严峻挑战。荷兰埃因霍温理工大学的研究团队发现：当区域内40%住宅安装热泵时，冬季电压违规率已达8.9%，远超EN50160标准规定的5%限值。更棘手的是，现有解决方案存在明显缺陷——集中式储能成本高昂，而分散式单载体系统在60%渗透率时便失去调节能力。如何在不升级电网的前提下破解高渗透率可再生能源并网难题，成为制约能源转型的关键瓶颈。

为破解这一困局，研究人员构建了包含四层架构的创新解决方案：

物理层：在住宅单元部署光伏-热泵-电池储能-地下热储能（PV-HP-BESS-TESS）多载体系统，其中热泵额定功率10kW，电池容量10kWh/10kW，地下水箱容积4m3
控制层：设计基于电价信号的分时协调策略，设置荷电状态（SoC）约束（BESS：20-90%，TESS：35-65℃）
聚合层：开发电压灵敏度预测模型^V?=-0.000831P_avg²-0.03378P_avg+0.9997
验证层：采用荷兰实际301节点配电网进行冬夏双季验证，时间分辨率15分钟

关键发现

多载体协同优势
- 在80%渗透率场景下，MCES系统将冬季电压违规率控制在4.3%，较单BESS系统（6.75%）降低36%
- TESS通过移峰填谷使热泵耗电峰谷差缩小58%，夜间谷电利用率提升至82%
经济性突破
- 动态电价下MCES使用户综合能源成本下降45-66%（冬季）与34-149%（夏季）
- 热泵与光伏的互补效应使年燃气消耗减少1.2MWh/户
聚合控制效能
- 半聚合模式（场景7）在维持用户自主权同时，将电压越限时间压缩至4.1%
- 全聚合模式（场景6）通过设定P^*功率基准值，完全消除夏季电压越限

创新价值

本研究首次量化验证了多载体储能在高渗透率场景下的电压支撑能力，其创新价值体现在：

提出“住宅单元自调节+区域协同优化”的分层控制架构，破解了隐私保护与电网调控的矛盾
揭示热电气多能耦合规律：TESS每存储1kWh热能可等效提供0.8kWh电网调节容量
建立补偿机制模型，证明当补偿费率>0.12€/kWh时，用户投资回收期可缩短至7年
该成果为配电网运营商提供了免扩容改造的技术路径，已被荷兰Stedin公司纳入2025年电网改造方案。论文发表于《Journal of Energy Storage》第75卷，为能源转型区配电优化提供了重要实践范式。

技术方法精要

研究采用荷兰实际301节点配电网模型，选取114户住宅进行全年仿真（分辨率15分钟）。通过建立电压-功率关系模型^V?=f(P_avg)，结合动态电价机制和EN50160电压标准（0.95-1.05 p.u.），对比评估了8种技术方案：从基础光伏（场景1）到全聚合多载体系统（场景6）。关键模型包括热泵COP=7.9e^{-0.024(T_ret-T_amb)}、BESS退化模型、TESS热损失模型等。

核心结论

多载体储能系统可将光伏/热泵渗透率安全阈值从40%提升至80%
热电气协同使电压调节成本降低42%，较集中式储能更具经济性
半聚合模式在保障用户自主权同时，实现电网安全与经济性的帕累托最优
该研究为高比例可再生能源并网提供了创新解决方案，其分层控制架构已被国际能源署纳入《智能电网技术路线图》。

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