建筑集群中共享光伏储能配置与点对点交易的双层框架

《Applied Energy》：A bilevel framework for shared PV-storage configuration and P2P trading in the building cluster

　　

摘要

建筑集群中的共享光伏（PV）-储能规划必须协调物理定容、点对点（P2P）交易、电网可行性以及参与者层面的收益可接受性。本文提出了一种参与约束型规划-配置与交易-分配（PCTA）框架，用于共享光伏-储能规划。规划-运行层在光伏-负荷场景、共享储能运行、退化成本、基于规则的P2P清算以及配电网络限制下最大化期望社区福利。分配层通过贡献加权不对称纳什谈判（ANB）分配合作福利，以独立光伏-储能运行作为经济分歧基准。采用五栋建筑年度校园案例和20用户混合使用压力案例进行验证。在校园案例中，PCTA-ANB相较于独立光伏-储能运行将年度净现金流提高了20.75×103元/年，并安装了144.21 kWh/74.38 kW的共享储能。电网取电和送电分别减少21.20%和20.35%。纯福利分配使体育馆E的收益比其独立基准低13.02×103元，而ANB为所有参与者恢复了正的个人理性边际。联盟筛选识别出七个潜在偏离联盟，表明收益可接受性与联盟稳定性需要分别验证。在20用户压力案例中，铜板调度导致变压器和线路负载率达181.82%；嵌入馈线约束消除了越限，代价为成本增加3.32%和光伏发电削减0.431 GWh/年。电动汽车充电、车网互动运行、大功率负荷以及参与可用性测试表明，灵活性价值和储能容量取决于资源位置、网络约束和活跃参与者构成。

引言

建筑集群正在成为低碳转型的活跃参与者，因为分布式光伏（PV）发电、柔性需求和本地能源交换可以在单体建筑与电网之间的空间尺度上进行协调[1]、[2]。然而，光伏发电与建筑需求之间的时间不匹配，以及屋顶资源和负荷分布的空间异质性，限制了本地可再生能源的利用并增加了对柔性资源的需求[3]、[4]。

储能系统（ESS）为缓解光伏-负荷不匹配和提高本地可再生能源消费提供了一种有效选择[5]、[6]、[7]。储能系统与分布式光伏的协调可以平滑可再生能源波动、减少高峰时段的购电量并增强建筑能源系统的灵活性[8]、[9]、[10]、[11]。近期研究还从双层优化角度探讨了多能源存储的规划与运行[12]，以及从演化博弈角度探讨了定价驱动的柔性资源参与[13]。根据现有研究，通过优化社区级储能系统，可以平衡经济-环境-灵活性相关成果[14]、[15]、[16]。然而，独立部署的储能系统往往面临高资本成本、低利用率和冗余容量投资的问题，尤其当用户负荷分布异构且投资意愿有限时。

因此，共享储能系统（SESS）作为独立储能的经济高效替代方案，日益受到关注。通过聚合多个用户的储能需求，SESS可以通过协调充放电减少冗余投资并提高储能利用率。本地能源社区和基于产消者的共享储能模式表明，储能共享可以提高运行效率、降低用户侧成本并增强本地灵活性[17]、[18]。Talihati等人[19]进一步证明，在具有可控负荷的居民社区中，储能共享可以同时提高运行效率和盈利能力，凸显了协调用户参与在共享储能商业模式中的价值。与此同时，点对点（P2P）能源交易使邻近产消者之间可以交换多余的光伏发电，从而提高分布式光伏和共享储能的经济价值。

现有的共享光伏-储能规划研究大致可分为三个方向。第一个方向关注储能容量配置和协调运行。这些研究表明，通过利用用户负荷分布的多样性，共享储能可以提高可再生能源自消费率并减少冗余容量投资[18]、[19]、[20]、[21]。然而，其中许多研究从总体福利或总成本的角度优化容量，同时假设所有用户都愿意加入大联盟。这种配置在社区层面可能高效，但如果某些个体参与者的合作收益低于其独立替代方案，则可能对他们不可接受。

第二个方向研究P2P交易和本地市场机制[22]、[23]。基于拍卖、定价和博弈的机制已被提出用于协调本地供需。这些机制可以提高分布式光伏的本地利用率，但其中许多将P2P交换视为无约束的能源交易。在实际的建筑集群中，用户通过配电馈线和变压器连接。电压限制、线路热极限、变压器容量和网络损耗可能影响可行的交易量和经济成果。因此，铜板表示可能会高估本地能源交易的收益。尽管配电网络建模不是本文的核心创新，但纳入网络可行性对于提高建筑集群中P2P交易的工程真实性是必要的。

第三个方向研究合作收益分配。由于经济成果对个体用户至关重要，公平稳定的收益分配对于维持多代理参与SESS运行是必要的。对称纳什谈判（SNB）、Shapley值分配、比例分配和不对称纳什谈判（ANB）已被用于在异构代理之间分配合作剩余[24]、[25]。ANB之所以具有吸引力，是因为它可以根据用户贡献、储能利用率或市场参与度分配不同的谈判权重。例如，Lv等人[26]将ANB应用于一个跨系统协作问题，其中异构参与者具有不同的贡献水平和谈判能力。然而，在许多现有框架中，收益分配是在物理规划和运行问题已经求解之后进行的。在这类事后分配方案中，分歧点或独立基准仅影响最终的收益分配，而不影响光伏-储能容量本身。

现代混合使用社区还可能包含电动汽车充电和大功率计算或实验室负荷。受管充电和车网互动可以提供额外的灵活性，但其效果取决于连接位置和时序可用性[27]、[28]、[29]。大功率设施也可能改变峰值需求、本地光伏利用率和馈线负载，而其需求中只有一部分通常可以转移[30]、[31]、[32]。由于这些资源不是本研究的核心建模重点，它们没有作为额外的设备级模块引入核心PCTA公式。相反，其影响在扩展案例研究中通过场景特定的负荷分布和灵活性假设来检验。

电动汽车灵活性还取决于注册后的运行响应可用性。电动汽车用户可能仍然是能源社区的成员，但因出行需求、隐私顾虑或激励不足而暂时拒绝协调充电。基于激励的机制可以引导电动汽车充电向可再生能源发电较高的时段[33]，表明实际灵活性不仅取决于技术可用性，还取决于激励接受度。在当前的PCTA框架中，运行无响应可以在不改变核心公式的情况下，通过减少场景依赖的受管G2V/V2G灵活性包络线，并将所需充电能量中不可用的部分保留为不受控需求来表示。修正后的分布进入现有的节点平衡、馈线约束、共享储能规划、P2P清算和基于贡献的分配。当前数值参与测试针对事前注册可用性，而非行为校准的时变响应概率。

换电是另一种新兴的电动汽车能源供应选项。换电站（BSS）汇集备用电池，并可以部分独立于单辆车的驻留时间来调度其充电[34]，从而提供类似储能的灵活性。近期研究主要在公共车队和城市能源环境中考察换电站的运行[34]、[35]。其更广泛的应用仍然是技术和应用特定的，因为资本需求、电池兼容性、库存、服务需求和行业标准化影响其可行性。在PCTA框架内，换电站可以在其连接节点表示为带有充电功率、效率、最小服务库存、随机换电需求以及允许情况下的放电限制的聚合电池库存/柔性负荷模块。此类资源可能实质性改变最优固定储能容量和P2P交易量，但不需要不同的规划-分配架构。

个人理性也需要谨慎解释。收益不低于独立替代方案是合作的必要经济条件，但不足以预测实际注册。感知公平性、隐私、合同复杂性、风险态度和运行便利性也可能影响参与[36]、[37]。因此，本研究中的威胁点被解释为经济分歧基准，而非行为保证。参与不确定性仅通过扩展压力测试中参与者集合的外生变化来检验；这些测试不声称是行为校准的预测。

为解决上述问题，本文开发了一种参与约束型规划-配置与交易-分配（PCTA）框架，用于共享光伏-储能规划和P2P交易。规划-运行层在光伏-负荷场景、共享储能约束、退化成本和配电网络可行性下最大化期望社区福利。分配层通过贡献加权ANB分配由此产生的合作福利，并将由此产生的收益与独立基准进行验证。分歧点定义了参与可行性边界。它们不一定在每种情况下都改变物理配置：当参与阈值不具约束力时，ANB仅改变分配；当阈值变为约束或活跃参与者集合发生变化时，所选的光伏和储能配置也可能改变。

所提出的框架在集合、参数和约束的层面具有通用性，而数值验证则依赖于具体案例。五栋建筑大学集群作为详细的主要案例予以保留，因为它允许全年随机规划、替代分配规则和显式的联盟价值重新优化。独立的20用户混合使用系统作为工程可转移性和压力测试使用。它包含分布式电动汽车充电、数据中心型和研究实验室负荷、受约束的辐射状馈线和参与可用性场景。较大的案例用于验证规划-运行模块及其边界条件；不声称构成对全部合作联盟的20用户完整枚举。

本文的主要贡献总结如下：

1）参与约束型共享光伏-储能规划PCTA框架。该公式协调了长期光伏和共享储能规划、场景依赖运行、基于规则的P2P清算和合作收益分配。独立收益作为分配可行性阈值被嵌入。本文明确识别了该阈值可以影响物理容量的条件，并将该条件与谈判仅改变收益分配的情况区分开来。

2）合作分配和稳定性验证层。贡献加权ANB用于在建筑用户和SESO之间分配合作剩余。结果与对称纳什谈判、比例分配和Shapley值进行比较。报告个人理性边际、核心成员筛选和参与者退出诊断，以区分收益可接受性与联盟稳定性。

3）不确定性感知的网络感知规划模型。纳入了场景依赖的光伏发电和建筑需求、共享储能退化成本、变压器限制和线性化辐射状馈线表示。P2P机制被表述为具有事后交易理性性和预算平衡的透明双边匹配规则，但不声称策略无操纵性或一般市场均衡。

4）扩展工程压力验证。包含分布式电动汽车充电、大功率负荷、受约束辐射状馈线和替代参与者集合的20用户混合使用案例，用于检验网络激活、灵活性替代、可扩展性和联盟构成的敏感性。

章节摘要

能源共享建筑集群系统架构

所研究的系统是由多个建筑产消者、分布式光伏（PV）系统、第三方共享储能系统运营商（SESO）、P2P交易平台以及连接上级电网的配电变压器组成的建筑集群。每栋建筑可以消费其本地光伏发电，通过P2P平台与其他建筑交换多余的光伏电量，从SESO租赁共享储能容量，并与上级电网交换电量。

建筑集群的光伏和负荷不确定性模型

建筑用户i的光伏输出功率??PV??,??可表示为：

??PV??,???(??)=??PV?????PV???????,???(??)?[1???PV???(????,???(??)???std)]，??∈Ω，???∈?，??∈??

其中????????表示光伏系统的综合转换效率；??PV??是用户i的光伏板有效面积；????,??表示太阳辐照度；??PV??是温度功率系数；????,??表示光伏板的实际温度；??std是标准测试温度，本文设为25 °C。优化时域为完整一年。

底层规划-运行优化

底层问题确定建筑集群的光伏-储能配置及相应的运行调度方案。基于第3节开发的物理、经济和市场约束模型，底层优化协调光伏安装、共享储能容量、储能租赁、P2P交易、储能充放电以及电网交换。其目标是在光伏-负荷不确定性和网络可行性下最大化年度社区期望福利。

案例研究

本节使用两个互补的验证层级。第一个是具有全年8760小时时域和五个光伏-负荷场景的五栋建筑校园详细案例。

该测试案例用于评估完整的PCTA协调过程，包括物理规划、双边P2P清算、替代收益分配规则、个体理性边际、严格联盟价值再优化以及退出诊断。第二个测试案例为一个20用户混合用能代表性的周尺度压力测试，用于在极端场景下验证框架的鲁棒性和收益分配的合理性。

**结论**

本文提出了一种参与约束下的规划-配置与交易分配（PCTA）双层框架，用于建筑集群中的共享光伏储能规划和P2P交易。该框架在光伏负荷不确定性、电池退化成本和配电网可行性约束下，协调光伏安装、共享储能容量配置、储能调度、P2P交易、电网交换以及合作收益分配。各参与者的独立光伏储能收益通过双层优化计算，PCTA框架在此基础上实现整体社会效益最大化，同时确保各参与者的收益不低于其独立运行的基准水平。仿真结果表明，PCTA框架在多种场景下均能有效提高系统整体收益、降低电网交互成本，并保障各参与者的合作稳定性。

**资助**

本研究由国家自然科学基金（资助编号：U22B20112）资助。

**CRediT作者贡献声明**

Le Bu：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，可视化，验证，方法学，数据管理，概念构思。

Xingying Chen：论文撰写——审阅与编辑，监督指导，资源获取，项目管理，方法学，研究经费获取，形式化分析，数据管理，概念构思。

Kun Yu：论文撰写——审阅与编辑，监督指导，项目管理，方法学，研究经费获取，概念构思。

Yubo Yuan：论文撰写——审阅与编辑，监督指导，资源获取。

**利益冲突声明**

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的经济利益/个人关系：Xingying Chen报告获得了国家自然科学基金的经费支持。若存在其他作者，则声明没有其他已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

**作者信息**

Le Bu | Xingying Chen | Kun Yu | Yubo Yuan | Bo Wang | Jun Shen

南京，江苏，中国，河海大学电气与动力工程学院