非协调控制策略下公用馈线中光伏与储能集成的技术经济评估

《Results in Engineering》：Techno-Economic Assessment of Solar and Storage Integration in Utility Feeders Under Non-Coordinated Control Strategies

　　

缓解气候变化需要用可再生能源替代化石燃料。分布式能源资源（Distributed Energy Resources, DERs），特别是光伏（Photovoltaic, PV）系统与电池储能系统（Battery Energy Storage Systems, BESSs），在这一转型中发挥着关键作用，但会显著影响配电网的电压分布、损耗与峰值需求。研究人员针对三种非协调控制策略，在完整公用电网尺度上提出了一种综合的概率性技术经济评估框架，量化光伏—储能部署影响。基于真实运行数据的蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟区分了住宅、商业与农村三类馈线（feeder），量化了其对电压调节、损耗削减与峰值需求缓解的影响。研究结果表明，光伏—储能集成持续增强电网效率，住宅馈线峰值削减最高达12%，电压稳定性获得显著改善。在经济层面，联合运行在25年周期内产生可观节约，但利润波动性随光伏渗透率升高而增大。所提出的随机框架在不确定性下联合评估技术与财务结果，凸显了馈线构成与控制策略在优化DER性能中的重要性。本工作的创新点在于构建了全公用尺度的概率性技术经济评估框架，在不确定性下评估实用BESS控制策略表现；区别于既往聚焦孤立馈线或确定性假设的研究，蒙特卡洛方法捕捉了季节变异与不确定性，为技术与财务结果提供稳健估计；此外，研究人员指出消费者激励作为增强电压支撑的互补机制具有潜力，虽未在模拟中显式建模，但代表未来研究的有前景方向。

研究背景方面，全球应对气候变化的行动日益紧迫，化石燃料仍占全球供应80%以上，联合国可持续发展目标7（SDG 7）推动可靠、可持续且可负担的能源普及。在此背景下，风电与太阳能等可再生能源装机大幅增长，其中光伏（PV）近数十年全球装机增长约700%。与PV并列，电池储能系统（BESS）与电动汽车（EV）等分布式能源资源（DER）快速扩张，但各自带来挑战：PV出力依赖天气波动，BESS运行增加协调复杂度却提升系统灵活性与可靠性。在住宅网络晚高峰（18:00—23:00）时段，BESS可存储日间PV盈余并在夜间放电，从而降低峰值负荷、防止过载并延长设备寿命；PV与BESS靠近负荷中心布置还可降低网损，但高PV渗透可能引发电压越限损伤用户设备，BESS则通过吸收日间过剩发电与补偿夜间压降缓解该问题。既有文献多聚焦孤立馈线、确定性假设或需通信基础设施的协调控制，忽视全网尺度下非协调控制策略的概率性技术经济联合评估。为此，研究人员在《Results in Engineering》发表本研究，构建全网尺度蒙特卡洛框架，评估三种实用非协调BESS控制策略在PV协同下的技术与经济表现。

关键技术方法方面，研究人员以某完整公用配电网络为对象，按住宅、商业、农村三类馈线分类，采用基于真实运行数据的蒙特卡洛模拟捕捉PV出力、负荷需求与DER选址的时空变异；设定三种非协调控制策略——基于小时调度（Strategy 1，8:00—16:00充电、17:00—23:00放电）、带SoC=100%约束的小时调度（Strategy 2）、基于发电减负荷净值的调度（Strategy 3，P^ch(i,h)=P_PV^dc(i,h)?P_D(i,h)）；以电压偏差ΔV_p、峰值负荷变化ΔP_D^p、网损变化ΔP_L^p为技术指标，并以电压越限赔偿现值CP_c^p、峰荷延缓扩容收益现值CP_e^p、网损节约现值CP_L^p构成综合经济指标CP_t^p，进行25年周期折现分析。

研究结果方面，第2节问题建模中，研究人员给出三种非协调控制策略的数学描述，并推导电压调节（含ANEEL越限惩罚系数?3/100与Cu=0.064 US/kWh）、峰值削减（边际扩容成本Ce=146.78US/kW）、功率损耗（R_ijI_ij²·10^?3）的经济化公式，明确技术指标由BESS充放电与配电网潮流交互自然涌现而非显式优化目标。第3节概率评估方法论中，研究人员通过蒙特卡洛采样生成多情景年序列，按馈线类型聚合统计量与置信区间。第4节案例与输入数据表明，研究采用真实公用网拓扑与历史负荷/辐照数据，设定多档PV渗透率。第5节结果与关键发现显示：住宅馈线在Strategy 1—3下峰值削减最高达12%，电压稳定改善明显；商业馈线因日间负荷与PV曲线匹配度不同，收益居中；农村馈线线路阻抗大，BESS就地放电对电压支撑贡献突出但峰荷绝对值低；经济层面25年联合运行净收益为正，但利润方差随PV渗透升高而扩大，Strategy 2因强制满充在晚峰放电更可控，Strategy 3净值调度在PV过剩日吸收最强但SoC波动大。第6节结论指出，非协调控制无需通信基础设施即可在全网尺度交付技术与经济效益，馈线构成决定收益结构，消费者激励可作为未来补充机制。

讨论与结论翻译部分，研究人员总结：本工作填补了既有文献缺乏可扩展框架的空白，该框架能在不确定性下联合评估完整公用配电网络中实用PV—BESS运行的技术与经济影响；所提框架对基于优化与协调控制的研究形成补充，因其量化了无需集中通信或调度基础设施即可实施的控制策略的预期收益、风险及馈线依赖效应；三种非协调策略中，基于小时调度、SoC满充约束与发电—负荷差值调度分别体现时间规则、状态约束与净负荷平衡逻辑，在住宅馈线峰值削减可达12%、全馈线电压与网损改善、25年经济节约显著但利润波动随PV渗透上升；馈线类型（住宅、商业、农村）调制技术指示器与财务结果，消费者导向激励是大规模部署的实际路径；未来研究可显式建模消费者行为与激励契约，并将框架拓展至协调控制对比与电力市场耦合。