优化可持续能源社区的HAWKER蓄电池储能：多情景分析

动力问题引发多重全球性应战。欠发达区域现代动力匮乏，导致居民依靠薪柴与农作物残渣等固体燃料。与之相对，发达区域化石燃料消耗巨大，发生大量温室气体排放，直接加重全球气候改变（Egerer等，2024）。图1明晰出现了CO2美国、加拿大、德国、英国、意大利、波兰、马拉维、布隆迪及非洲大陆工业出产和化石燃料燃烧排放的年际改变。这些CO2国家中，美国、英国和加拿大的年排放量相当于多个非洲国家数十年的累积排放。尤其值得注意的是，布隆迪等国的排放量近乎为零。这一鲜明比照CO2凸显出发达国家亟需处理其巨额排放问题——煤炭、石油和燃料费等化石燃料占全球排放总量的近90%。CO2排放量（Lovcha等，2022）。
此外，除了环境影响CO2化石燃料发生的排放物中，欧洲的动力运用深受市场价格影响。该区域对外部动力的高度依靠导致其动力本钱比世界其他区域高出1至2倍(Mariuzzo et al., 2024)。生态体系退化与动力本钱攀升的双重压力，促使许多欧洲国家探求可以替代化石燃料的低碳、经济且可规划化应用的新型动力(Roser, 2024)。因而，以太阳能和风能为代表的可再生动力(RES)已成为这些努力的中心方向。
可再生动力（RES）在全球发电中的重要性日益凸显，出现持续上升趋势（Gil-García等，2024）。例如，全球太阳能发电量从2011年约63,669 GWh激增至2021年的约1,020,439 GWh，增幅近15倍。专家猜测，到2027年太阳能将成为全球发电的首要来历（见图2）。与风电、水电等其他发电方式比较，太阳能光伏（PV）具有更强的习惯性，可装置在修建屋顶、城市空地乃至水体表面。这种习惯性使太阳能光伏板在城市和偏远区域都具有实用价值。此外，太阳能是最丰厚的可再生动力，全球近93%人口所在区域的日均太阳能发电潜力介于3.0至5.0 kWh/kWp之间（Li等，2023）。
尽管太阳能发电具有潜力，但其高度依靠气候条件且主要在白日的日照时段发生能量。这种时刻特性常与家庭用电顶峰（通常出现在夜间）存在错位（Mehta & Tiefenbeck, 2022）。未配备电池储能体系（BESS）的家庭无法有用贮存和利用此类光伏动力。此外，太阳能发电的间歇性导致公共电网往往回绝收购或以极低价格购入此类动力（Nasiri et al., 2023）。这些应战延伸了家庭出资光伏体系的回收期，并造成了光伏装机量增长与"弃光限电"并存的对立现象。动力社区（EC）概念经过完成区域动力同享与消纳，为此供给了具有前景的处理计划。在动力社区结构内，家庭用户可对本地出产的可再生动力进行Trade或同享，然后下降对公网的依靠程度并减少用能本钱（Gomes & Vale, 2024）。因而，许多欧洲国家正经过开展动力社区活跃推动动力Trade与同享，鼓舞民众成为"动力互助者"。
在动力社区（EC）中，多栋修建一起消耗电能（Izadi & Rastegar，2024）。经过为这些修建配备光伏体系，它们可以从单纯的"电力顾客"改变为"电力产消者"——既能消费又能出产电力的实体（Zhou等，2024）。Luthander等（2016）研讨标明，聚合区域所有产消者的供需可使太阳能自发自用率提高15%以上。经过微电网技术，动力社区的运行功率还可进一步提高（Huang等）。(2019年)以及电力买卖模型的施行(Jafari-Marandi等人，2016年)。最优动力社区模型旨在最大化太阳能利用率，一起最小化成员的电力本钱(Gjorgievski，2021年)。电池储能体系(BESS)对动力社区至关重要，它们经过存储白日发生的过剩太阳能并在电力需求顶峰或电价较低时放电来完成峰谷调节；但是，BESS的容量规划及充放电功率直接影响收益。鉴于当时BESS本钱约为221.12美元/千瓦时(Huang等人。2021年)，若独立出资将导致报答周期延伸。集中式BESS出资通常更具本钱效益，且更能匹配产消者的用电需求(Li等人，2023年)。但是，不同集中式BESS出资计划与动力同享形式的本钱效益存在差异，需要针对电力消费形式各异的动力社区制定定制化处理计划。综上所述，必须审慎考量动力社区（EC）规划、太阳能光伏发电潜力、电力负荷（Load）及公共电网电价等要素，以全面理解这些变量对动力社区开展及其内部产消者协作关系的影响。
动力社区（EC）内部的动力同享涉及收集不同用户在不一起段的动力出产与消费数据。这些数据用于判定用户归于动力过剩（Energy Overproduction）仍是动力缺乏（Energy Underproduction）类别。根据此分类，可制定电池储能体系（BESS）充放电战略或可再生动力买卖计划，然后动态优化动力分配并完成经济效益最大化。该范畴研讨可大致划分为三个要害方向：（1）动力社区（EC）研讨，（2）产消者间电力买卖模型开发，（3）动力社区内共建储能形式的探求。
欧盟(EU)经过《清洁动力一揽子计划》(CEP)正式引入了动力社区(EC)的概念(Lowitzsch等,2020)。在该结构下，界说了两类动力社区：公民动力社区(CEC)和可再生动力社区(REC)。公民动力社区是指在特定区域内为发电、供电、消费及点对点(P2P)动力买卖而树立的法人实体，而可再生动力社区则更侧重于与区域消费相关的可再生动力体系(Mussawar等,2024)。据欧盟委员会联合研讨中心计算，欧洲现在至少存在3500个动力社区。（2020年），美国、加拿大和澳大利亚等国也在大力开展动力社区（EC），各自拥有约100个EC项目（US EPA，2015）。学者们对动力社区的树立、开展、应战及社会影响进行了广泛研讨。共识以为，经济要素是动力社区成功树立与开展的要害。Fina等（2019）构建了动力同享模型，经过确认光伏最优装置面积运用户净现值（NPV）最大化。Mamounakis等(2019)着重动力同享与利益分配对动力社区盈利能力至关重要，提出了一种可以完成实时定价的本钱核算模型。Martirano等人(2021)提出了适用于单体修建和大型动力社区的电力同享模型。Mariuzzo等人(2024)指出用户经过参加多个动力社区可获得收益，其混合整数线性规划(MILP)模型证明参加多个动力社区不仅使新用户受益，还有助于下降全体体系本钱。环境方针同样是动力社区开展的中心要素。Terlouw等人(2019)开发了多方针混合整数线性规划模型以最小化运营本钱与CO2排放。该模型被用于比较两种社区储能计划与六种电池技术的结果。实践事例研讨标明，能量套利-峰值削减（EA-PS）计划具有更高的实践可行性。Fleischhacker等人（2019）指出，尽管经济与环境方针可同步优化，但二者常存在冲突，仅存在帕累托最优解。比较之下，Cosic等人（2021）经过混合整数线性规划（MILP）证明，优化动力社区（EC）的经济效益也能明显下降温室气体（GHG）排放。此外，Petrelli等人（2021）着重，EC可经过创造就业机会处理区域开展不平衡问题，尤其在乡村区域缓解动力贫困。Aguilar等人（2024）提出一种结合机器学习概率猜测与鲁棒优化的办法，以提高微电网中可再生动力（RES）的利用率。经过整合电池储能体系（BESS），该办法处理了由能量动摇引起的不确认性问题。优化调度时刻规模可下降调度本钱。在不同情形下平衡经济效益与环境方针仍是动力社区（EC）面临的应战。尽管现有研讨已提出优化经济和环境绩效的模型（Fleischhacker等，2019；Terlouw等，2019），但仍需对跨时段、跨资源条件的动力分配与存储灵敏办理进行体系剖析和处理计划规划。当时模型在平衡经济功率与环境方针方面存在局限性，特别是在具有明显季节性改变和电力需求动摇的场景中尤为突出。
点对点动力同享与电池储能体系（BESS）集成在推动动力社区（EC）开展中具有要害效果（L. Li等人，2024；Rodrigues等人，2020）。Celik等人（2017）运用博弈论与多署理体系（MAS）证明了经过调节用户动力同享行为可明显下降购电本钱。Long等人（2018）提出两阶段聚合操控模型，用以剖析动力社区内部买卖机制，该模型答应用户买卖光伏电力。Sun等人（2020）立异性提出"动力银行体系"概念，将光伏发电量视为可买卖的钱银。Minuto与Lanzini（2022年）提出了三种不同的动力同享机制以分配动力社区净收益。Roberts等（2022年）经过规划差异化电价计划，剖析了电价结构对节能行为的影响，验证了用户收益与本钱分配对经济效益的效果机制。Zhou等（2023年）经过整合供需猜测模型，完成了动力体系供需的动态匹配，推动了该范畴开展。Ren等（2023年）聚集动力买卖价格优化，以提高动力体系经济性能。Wu等（2024年）研讨了光伏体系中多性向参加者（包括出产者、顾客及其互动）之间的买卖关系，为不同参加者供给了战略开展洞见。除根据钱银的买卖外，部分学者探求了零本钱动力分配模型。Fina等人（2019年）探讨了多性向结算形式下动力社区成员间的动力分配战略。Moret与Pinson（2019年）剖析了由体系运营商办理的动力分配战略，旨在下降社区总体动力本钱并提高成员间公正性。Volpe等人（2022年）提出了若干动力分配计划以完成动力自给自足并促进区域动力正向平衡。Gao等（2023年）重点剖析了修建群中单体修建对完成净零能耗方针的奉献差异，经过改善协作博弈模型中的Shapley值计算办法，确认了单体修建的终究动力买卖本钱。这些研讨为促进EC内部点对点（P2P）动力同享供给了理论结构。但是，随着电力市场（EC）的演进和太阳能光伏发电比重的提高，定价机制的多性向特性亟待深化研讨。现行机制规划根据相对安稳的市场环境，在杂乱动态场景中难以保证价格公正合理性。多性向条件下，出产者与顾客的角色行为及市场环境可能发生改变，这凸显了树立具有习惯性的定价机制对保障未来买卖公正性的必要性。
电池储能体系（BESS）同享机制对下降出资规划与提高可再生动力（RES）利用率具有要害效果（Kang等，2023；Rodrigues等，2020）。Tushar等（2016）开发了一种改善的拍卖机制，经过比照剖析动力社区（EC）内BESS所有权同享的处理计划。Pilz与Al-Fagih（2019）构建了微电网中BESS同享与动力买卖的动态模型，着重高质量数据对有用应对这些应战及规范用户行为至关重要。学者们一起着重，在同享电池储能体系（BESS）时需明确用户处于能量过剩仍是缺乏状态的重要性。Mediwaththe等人（2020）提出了同享储能服务商（SES）的概念，经过根据Stackelberg博弈模型的动力买卖结构，证实该形式能在最大化SES服务商收益的一起最小化用户本钱。Rodrigues等人（2020）比较了第三方供给与用户间同享两种BESS所有权形式，发现选用P2P动力同享的BESS计划能完成最高的净现值（NPV）。Zheng等人（2021年）提出了一套整合太阳能与风能资源的同享动力体系（SES）及点对点（P2P）动力同享范式。研讨标明，尽管考虑电池储能体系（BESS）和商业产消者时可能缩短电池寿命，SES仍能提高产消者收益。Zhang等（2022年）提出一种完成BESS同享与P2P动力买卖均衡状态的动力定价与Load调度办法。Ma等（2022年）则构建了双层优化模型，用于可再生动力发电体系中SES的容量装备与运行优化。研讨标明，同享储能体系（SES）可以下降风光弃电率，一起提高利益相关方收益。Chen等（2023）经过构建SES运营商与动力社区（EC）联合规划的两阶段协作博弈模型，有用下降了EC总本钱并提高了SES运营商收入。He等（2024）树立了SES双层买卖优化模型，提出了SES容量同享与定价战略。类似地，Li等（2024）构建了双层优化模型以同步最小化SES运营本钱与EC购电支出，发现SES可明显下降EC全体购电本钱。电池储能体系（BESS）同享对提高可再生动力利用率与下降EC内部本钱具有要害效果。但是现有BESS同享模型多针对单一或简单场景，如安在更杂乱情境下完成BESS最优办理仍是重要研讨方向。在更为杂乱的场景中，例如季节性条件动摇和读档需求改变的情况下，分配机制的优化与改善以保证公正分配仍是值得深化探求的范畴。此外，在长时间BESS运用过程中，怎么平衡经济效益、运用寿命和环境影响，是当时研讨应着力处理的应战。
综上所述，现有文献已在EC、P2P同享及BESS同享范畴提出众多有用模型与战略。但是，多性向场景下的BESS同享模型、P2P买卖定价机制的灵敏性以及公正的本钱分摊办法等应战仍需深化探求。本研讨将聚集以下研讨使命：

• (1)
  怎么优化多性向条件下的BESS同享与办理机制，以完成RES利用率最大化？
• (2)
  怎么规划灵敏的P2P买卖定价机制，使其习惯不同场景下的市场改变，保证买卖的公正性与功率？
• (3)
  怎么经过改善的Shapley值计算办法保证BESS模型在多种性向场景中本钱与收益的公正分配？
• (4)
  EC利益相关者应怎么参加才干最大化其在EC内的收益？

经过探讨这些问题，本研讨旨在为优化不同情境下EC内的BESS模型、动力买卖机制及公正本钱分摊办法供给新见解与处理计划。
本文聚集于开发面向未来EC的BESS体系，引入BESS同享与P2P动力买卖的新场景及模型。作者改善了Shapley值计算办法，保证准确核算EC内每位产消者应承担的本钱。该研讨旨在完成产消者收益最大化的一起，平衡经济与环境方针。本研讨的主要奉献如下：

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  提出的涣散式与集中式电池储能体系建规划划，并经过结合不同的储能同享形式与点对点动力买卖模型，构建了四种潜在的电池储能体系建造与动力买卖场景；
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  根据产消者对电池储能体系运用频率改善了夏普利值计算办法，然后获取各成员的实践边沿奉献；
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  选取具有代表性的四周（每季一周，总计672小时）作为实践动力社区事例（包含九位产消者）的研讨对象，对提出的模型进行个体化深化评估。
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  根据经济与环境混合方针约束，对不同电池储能体系同享与买卖情形的影响进行比照剖析。