考虑能源共享和利益分配的社区能源系统分布式协同优化

《Renewable Energy》：Distributed coordinated optimization of the community energy system considering energy sharing and benefit allocation

　　

刘琦|谭宇轩|顾月清|王冠雄|刘文杰|潘崇超

北京科技大学能源与环境工程学院，北京，100083，中国

摘要

随着可再生能源渗透率的持续增加，社区能源消费者逐渐演变为既能生产又能消费能源的产消者。然而，可再生能源的间歇性导致供需失衡，削弱了系统的经济效益。为了提高本地可再生能源的利用效率并改善经济效率，本研究提出了一种分布式协调优化策略，该策略整合了灵活性资源管理、能源共享和利益分配。首先，建立了灵活性资源的数学模型。其次，开发了一个混合式的集中式-分散式能源共享框架，并使用分布式顺序算法进行求解，以确保计算的可扩展性和用户隐私，同时最大化集体利益。该框架使社区运营成本在夏季降低了39.66%，在冬季降低了22.28%。最后，为了确保能源共享利益的公平分配，设计了一种启发式分配方案。该方案借鉴了Vickrey-Clarke-Groves机制，评估用户的边际贡献，并在战略互动中激励用户如实报告成本参数。结果表明，总利益的55.15%分配给了产消者，44.85%分配给了消费者，实现了用户满意度，并突显了所提模型的显著优势。本研究旨在为构建高效且公平的社区能源系统提供指导。

引言

随着可再生能源的快速发展，其固有的间歇性和变异性导致了发电与消费的不匹配。再加上传统电网在接纳分布式能源资源（DER）方面的局限性，这导致了频繁的电力削减。相关研究探讨了短期水电-光伏互补风险以及高渗透率可再生能源整合的更广泛技术挑战。特别是在分布式光伏（PV）广泛部署的情况下，居民用户正从单纯的消费者转变为既能消费又能发电的产消者，加剧了电网的双向功率流动负担。目前，维持电网稳定主要依赖于部署储能系统，这显著增加了整体系统成本。在这种背景下，可再生能源社区（REC）通过集成系统优化和基于谈判的管理策略实现了协调的剩余能源管理。从更广泛的角度来看，系统综述提供了转型见解，并概述了点对点（P2P）系统的挑战，而布鲁克林微电网案例研究为这类协作平台提供了实际验证。因此，有效管理产消者和发展高效的REC对于推进向低碳、分散式能源系统的转型至关重要。

灵活性资源是指能够实时调节功率的可控能源资产，对于实现这些目标至关重要。在供应方面，灵活性资源建模主要包括边界模型、白盒模型、灰盒模型和黑盒模型。灰盒模型在保持关键物理过程的同时简化了计算。值得注意的是，Alabi等人将光伏电池的电参数纳入了他们的模型。对于需求侧的灵活性资源，白盒模型和灰盒模型占主导地位。Hassid提出了一个经典的灰盒模型——等效热阻-电容（RC）模型。RC模型仍被广泛用于描述需求侧的灵活性，本研究将其作为需求响应建模的基础。尽管对灵活性资源进行了大量研究，但仍存在一个关键问题：灵活性管理和能源共享往往被分离，忽略了在社区背景下用户侧需求响应和能源存储的集成调度。

为了实现协调的能源利用，已经开发了各种共享框架，从集中式优化到自主的P2P交易不等。虽然集中式调节有助于提高全球系统效率，但P2P机制通常更受青睐，因为它能保护用户自主权。然而，在复杂电网约束下，P2P交易的可持续性仍然是一个重大障碍。为了解决这个问题，吴等人引入了一种混合博弈论定价模型，该模型结合了动态网络费用，以提高市场公平性。这样的协调框架提供了在技术性能和参与者隐私之间取得平衡的稳健解决方案。尽管如此，现有的协调框架仍不足以有效重塑社区供需格局，在源负载不确定性下无法充分利用本地可再生能源。

在利益分配方面，博弈论为确保激励兼容性和维持合作稳定性提供了严格的基础。尽管Shapley值因其公平性原则而广受认可，但其在大规模社区中的应用往往受到指数级计算需求的限制。作为替代方案，Abedrabboh等人采用了重心推定集（CIS）值来实现线性复杂度的稳定联盟形成。然而，许多现有的利益分配方案忽视了异质用户之间的公平性，严重削弱了长期参与度和整个社区的可持续性。为了平衡效率和公平性，本研究基于Vickrey-Clarke-Groves（VCG）机制开发了一种启发式分配方案。通过量化边际贡献，该方案确保了公平的奖励，同时激励了参与者的真实行为。

为了解决这些限制，本文提出了一个整合灵活性管理、能源共享和公平利益分配的模型。主要创新点包括：

(1)

我们为供应侧单元和需求侧灵活负载开发了综合模型，使用可扩展的灰盒RC模型来提高热负荷的适应性。

(2)

提出了一个将能源共享与灵活性资源相结合的模型，以考虑源负载不确定性，并从经济、环境和可靠性维度评估性能。

(3)

我们设计了一种基于VCG机制的方案，以确保异质用户之间的公平性。通过量化边际贡献，该方案激励了用户的真实参与，并增强了社区系统的可持续性。

章节摘录

社区灵活性资源建模

本研究提出了一个混合式的集中式-分散式社区能源共享框架（图1），包括三个主要组成部分：住宅能源系统（建筑物）、社区电网系统（蓝线和黑线）以及社区能源管理系统（CEMS）。住宅能源系统包括光伏单元、分布式能源存储、灵活负载和非灵活负载，以及家庭能源管理系统（HEMS）。具体来说，蓝线代表电力流动：

社区能源共享模型

在第2节的基础上，本节开发了一个社区能源共享模型，详细说明了目标函数、约束条件和评估指标，并概述了解决算法框架。

社区能源系统运营优化案例研究

本研究建立了一个包含20个用户的社区能源共享模型，其中包括10个配备DER的产消者和10个纯消费者。每个产消者都配置了一个标准化的光伏单元（安装面积为10平方米）和一个储能系统（额定容量为2千瓦时）。用户负载剖面使用了来自挪威一个住宅社区的实时数据，最大可转移负载限制为每个时间步长的基线的15%，这是需求响应研究中的标准假设。

结论

本研究提高了社区能源系统的经济性能和本地可再生能源的利用效率。核心贡献在于对各种灵活社区资源进行了建模，并创新地将它们与能源共享机制相结合。我们提出了一个通过分布式顺序算法求解的集中式分散式社区能源共享框架。此外，改进的基于VCG机制的利益分配方案利用边际贡献视角进行了激励。

CRediT作者贡献声明

潘崇超：撰写——审稿与编辑，项目管理。刘文杰：撰写——审稿与编辑，资金获取。顾月清：可视化，调查。王冠雄：撰写——审稿与编辑，初稿撰写。刘琦：撰写——初稿撰写，软件，方法论。谭宇轩：数据整理，概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52508100）的支持。