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EnerSys蓄电池将本地灵活性作为非电网替代方案的筛选与评估:立陶宛配电法规下的拓扑、应急与资源可交付性框架

在未对网络侧替代方案和资源可交付性进行筛选前,配电灵活性可能会被高估。本研究开发了一个针对作为非电网替代方案(NWA)的本地灵活性的三阶段评估框架:网络增量性、资源可交付性以及条件经济价值。该框架在IEEE 33节点基准模型上进行了验证,使用了观测到的立陶宛2025年每小时负荷曲线和2026年配电网运营商(DSO)灵活性产品,以及立陶宛国家能源监管委员会(VERT)的背景;它并非实际的立陶宛馈线模型。在第3年的压力点,正常拓扑结构违反了0.95标幺值。分析阈值,但经过筛选的连通径向拓扑空间包含一个合规配置,因此如果等效配置在操作上是允许的,那么在基准状态下,付费灵活性就没有增量价值。相比之下,Zone-C L22 事故在仅进行拓扑筛选后仍不合规,并在 23-24 号母线留下 222.1 kW 的局部剩余需求。在 20% 可控需求限制下,仍需 106.1 kW 的可靠注入,这表明电力支持需求可能对应需求响应、可靠注入或混合组合。经济可行性取决于强化措施中真正可推迟的部分。其贡献在于有序的停止逻辑,该逻辑将电力需求、物理可交付性和可归因的经济价值区分开来。

 

1. 引言

配电网正从主要承担被动基础设施的角色,转向对分布式发电、储能、电动汽车、热泵和响应式需求进行主动协调。这种转变带来了一个兼具技术与经济性的规划问题:局部约束可能仅持续有限小时,而传统的扩容改造却会带来长达数十年的容量。因此,当需求和分布式能源资源(DER)的灵活性能够避免或推迟电网投资、提高现有资产利用率并加速新型低碳资源接入时,其价值将超越短期能源平衡[1,2]. 欧盟的政策导向非常明确。第(EU) 2019/944号指令第32条要求配电系统运营商(DSOs)在能够减少升级或更换电力容量需求的情况下,考虑基于市场的灵活性[3],而能源监管机构合作局(ACER)2025年方法论将国家灵活性需求的评估正式化[4].
规划层面对灵活性的解读比交易层面的解读要求更高。例如,市场平台可能会记录两小时内100千瓦的报价。网络规划者还必须确定该服务在受限位置是否在电气上有效,是否可以通过更低成本的网络动作(如重新配置)来消除限制,该资产是否能维持所需功率达到规定时长,以及该服务是否仍优于其旨在推迟的投资。忽视这些条件中的任何一项,都可能夸大归因于灵活性(flexibility)的非线路替代(NWA)价值。当灵活性被用作需求削减的同义词时,这个问题尤为重要。在配电规划中,灵活性可以通过减少或转移用电、电池放电、可控发电、削减出口、无功功率控制或这些资源的组合来实现;可行技术集的选择取决于电网需求的性质、位置、时间及持续时间[5,6,7,8,9].
立陶宛是一个有用的制度案例,因为其市场架构正从通用灵活性原则转向具体的DSO采购框架。国际能源署(IEA)的《立陶宛2025年回顾》指出,需求侧灵活性和聚合是持续电气化的重要推动因素[10]. AB Energijos skirstymo operatorius (ESO) 目前将灵活性定义为根据配电网需求主动调整用电和/或发电,并要求供应商针对指定的网络位置分别进行竞价 [11]。批准的长期有功功率产品对可用性和激活进行补偿,允许聚合,使用1千瓦粒度,规定15至60分钟的激活时间,允许60分钟至12小时的交付周期,要求24小时恢复,并要求合同产品100%可用 [11]. 立陶宛国家能源监管委员会(VERT)2026年的交易规则进一步要求,必须对每个网络段分别进行经济评估,并将最大采购支出与重建成本以及重建推迟的年数挂钩[12].

1.1. 作为网络规划资源的灵活性

基于灵活性的网络接入协议(NWA)的经济论据是反事实的。相关问题不在于灵活性本身是否有内在价格,而在于如果没有灵活性,会产生怎样的成本、时间延迟和网络性能影响。Pudjianto等人[13]早期研究表明,主动需求管理可以减少由电气化驱动的配电网强化需求。随后对配电系统扩展包规划的综述强调,分布式能源(DERs)、主动网络管理和新市场设计需要能够整合运行与投资决策的规划模型,而非将灵活性视为外生收益[14,15]。Lustenberger等人 [16] 将局部灵活性市场价格反馈与配电网规划联系起来,并证明当灵活性以具有经济吸引力的价格可用时,可以推迟网络强化。
最近的研究深化了这种反事实逻辑。Messias等人[5]将分布式灵活性建模为虚拟容量,并明确将其与传统网络项目进行价值对比。他们随后提出的以福利为导向的采购框架表明,配电网运营商的估值阈值与市场出清结果是相关但不同的概念[17]。Park和Joo[ %%]证明,将储能与光伏或需求响应相结合的非网络资产组合,能够显著改变不同负荷曲线下的所需储能容量。García-Santacruz等人[6] 进一步将技术网络支持需求识别与后续发电和储能技术的经济选择及规模确定区分开来。这些研究明确了一点:技术上规定的灵活性需求尚不构成可实施的网络辅助服务项目。7] go further by separating the identification of the technical network-support need from the subsequent economic selection and sizing of generation and storage technologies. These studies make one point clear: a technically specified flexibility requirement is not yet an implementable NWA project.

1.2. 拓扑、位置与增量性

灵活性价值具有强烈的地域依赖性,因为两个节点上相同的有功功率变化对支路潮流和母线电压的影响可能截然不同。Mehinovic等人[18,19]量化了这种地域效应,并将其纳入局部灵活性市场出清。当配电网运营商(DSO)能够重新配置网络时,这种地域依赖性变得更加复杂。Valarezo等人[20] 共同优化网络投资、配电网重构(DNR)和第三方灵活性,结果表明在需求增长适中的情况下,仅靠重构可能就足够了,而且拓扑结构的变化会改变哪些灵活性服务提供商(FSP)符合条件或有效。2026年的一项后续研究在不同的治理安排下,明确协调了DNR和本地灵活性市场[21]。因此,在保持可避免的次优拓扑结构不变的情况下,为灵活性赋予货币价值,可能会夸大其增量价值。
这一观察结果特别适用于IEEE 33节点基准系统,该系统通常被呈现为放射状馈线,但包含五个常开联络支路。标准支路状态表示法支持替代的放射状配置,近期的重构研究继续重现了著名的减损开断开关集7、9、14、32和37 [22因此,一项使用该基准的、可辩护的NWA研究,在将灵活性需求货币化之前,应当先进行重构筛选。此类筛选的目的并非声称切换总是免费或在操作上可接受的;保护协调、切换限制、故障水平约束和可靠性标准都可能禁止一种技术上可行的拓扑结构。相反,举证责任被反转了:只有在证明低成本的操作替代方案不可用或不足时,付费的灵活性才具有增量性。
正常状态下的重构仅是规划问题的一部分。在支路停电后,服务恢复需要一种新的放射状拓扑结构,在排除故障元件的同时保持连通性和可接受的运行条件。近期的研究将故障后的DNR视为一种自愈或韧性动作,并明确评估了在应急状态下的电压、读档恢复和放射性 [23,24此类文献为NWA估值提供了一个更广泛的筛选规则:付费的灵活性需求只有在连接-放射状电气候选空间被耗尽后才应被评估,而不是在任意选择一个联络开关动作之后。

1.3. 物理可交付性:需求响应并非无限的灵活性

简化灵活性模型的第二个弱点是缺乏资源级可行性约束。如果优化器被允许在没有与实际负荷物理可控部分挂钩的上限的情况下减少节点的净需求,它在数学上请求的需求响应量可能会超过可用量。多出的部分不再是需求削减,而是需要储能或可调度发电提供有功功率注入。这种区别是实质性的而非语义上的:100千瓦的负荷削减资源和100千瓦的电池可能会产生相似的瞬时有功功率缓解,但它们的能量、恢复、基准、可用性、退化、反弹和机会成本约束各不相同[6,7,8].
文献越来越多地认识到需要明确表示这些约束条件。Essayeh等人[8]优化了随机FSP可用性下的采购,而现代配电规划的系统综述强调了DER的技术约束、接入容量、动态运行包络线及相关数据要求[9]。具备注入能力的DER仍受限于特定资源的电网接口、变流器控制和电能质量要求[25,26]。最近可持续性审查指出,激励机制、技术、数据和利益相关者视角的碎片化处理是实现需求灵活性操作的障碍[27]。对于基于储能的NWA服务,仅有功率容量是不够的:电池必须在保持可行荷电状态限制的同时,既提供所需的kW,又提供约束事件期间所需的能量。需求响应同样必须受限于可用的柔性负荷和持续时间。因此,仅报告kW的NWA评估可能会识别出名义上充足但无法提供所需服务的资源。

1.4. 可选的估值后分配上下文

一旦残余灵活性需求通过了网络、资源和经济筛选,任何由此产生的剩余分配就变成了一个单独的治理问题,而不是NWA资格的一部分。夏普里值提供了一个透明的边际贡献基准,并已在能源社区和合作社环境中得到应用[28,29,30,31,32]。然而,在本研究中,合作分配仅作为可选的补充说明保留;它不是研究问题、市场出清规则或所提框架的核心准则。
这种更窄的定位也使本研究区别于Šimkonienė[32]早期以可靠性为重点的应用。后者为合作分配提供了概念先例,而本研究则关注网络增量性、资源可交付性及条件投资价值的有序筛选。

1.5. 研究空白、问题与贡献

当前文献包含日益复杂的NWA规划模型[5,6,7,17]、DNR灵活性协调[20,21]、位置有效性[18,19]、不确定的供应商可用性[8]以及故障后重构[23,24]. 尽管已有若干研究整合了这些要素的子集,但可审计的停机序列仍不够成熟。在将灵活性需求货币化之前,应先筛选网络侧的替代方案。任何保留下来的服务随后应转化为资源可行的功率和能量需求,只有最终可交付的剩余服务才应进入经济评估阶段。
否则,DSO可能会从三个方面高估灵活性价值。首先,它可能在筛选可用拓扑变更之前就计算灵活性需求。其次,即使请求量超过了本地负荷中物理可控部分的份额,它仍可能将净有功功率缓解解释为需求响应。第三,它可能直接将技术要求转化为采购价格,而不区分监管支出限制、投资延迟价值和市场补偿。
我们假设,归因于局部灵活性的数量和经济价值在很大程度上取决于网络侧和资源侧约束的施加顺序:在采购灵活性之前先筛选电气上可行的网络重构,随后再执行资源可交付性约束,将减少甚至在某些运行状态下消除可用于NWA估值的剩余服务。在仍存在剩余服务的情况下,我们进一步预计,在某些受限状态下,优化后的净有功功率缓解量可能会超过局部可控需求,这需要具备注入能力的资源和限制级事件能量充足性,而非仅仅依靠需求响应。本研究探讨了三个问题。RQ1询问网络侧拓扑筛选何时停止NWA评估或留下真正的剩余需求。RQ2询问一旦施加空间选址和资源可交付性约束,该剩余需求会如何变化。研究问题3探讨了在何种条件下,可交付的剩余服务相对于立陶宛监管上限和延迟投资反事实具有可归因价值。
方法论上的贡献在于有序的停止逻辑,而非任何单一的分析要素。首先,在为付费灵活性分配增量价值之前,需对连通-径向的确定性N-1/N-2拓扑空间进行筛选。其次,任何剩余的有功功率需求都被分解为有界需求响应和确定性注入,并在使用储能的情况下进行基于持续时间的能量充裕度评估。第三,仅对技术上合理且物理上可交付的剩余需求进行经济价值评估,同时将监管支出、折现的推迟价值和市场补偿在概念上保持独立。IEEE 33节点基准系统提供了电力测试平台,而立陶宛的数据提供了时间与监管背景;绝对电力输出并未作为ESO馈线系统的估算值呈现。表1本研究相对于近期选定的NWA、重构和资源可交付性研究的定位。
表1。本研究相对于所选NWA文献的位置。

图1总结了三门逻辑。当网络侧动作移除约束时,案例停止;仅当存在电气残余时,才继续进行资源筛选;只有在证明该残余在物理上可交付后,才进行经济评估。可选的价值分配位于核心决策路径之外。
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图1。用于筛选本地灵活性作为非电网替代方案的三门框架。

2. 材料与方法

2.1. 研究设计:一种顺序的三门“物理到价值”框架

该分析设计将基于基准的电气建模与基于经验的时间和监管背景相结合。电气网络采用IEEE 33节点基准,而每小时负荷曲线和灵活性采购框架则源自立陶宛的实际情况。这种分离避免了将基准阻抗、开关状态或节点负荷误认为观测到的ESO馈线数据。因此,本研究是一个方法论与监管相结合的案例:基准测试了停止序列的内部逻辑,而立陶宛的数据和规则则定义了灵活性被解读的时间和制度条件。
图1总结了三个条件门槛。门槛1询问连接式径向电气拓扑是否消除了建模约束;如果消除了,付费灵活性在该状态下就没有增量价值,但需视实际操作的可行性而定。门槛2仅适用于仍然存在的需求,并测试空间有效性、可控需求、确定性注入和能源充足性。门槛3将可交付的剩余服务与投资反事实及监管采购上限进行比较。该序列可防止可避免的网络需求、物理上不可行的资源假设以及缺乏支持的经济价值在评估过程中传播。

2.2. 数据、参数与认知状态

表2根据认识论状态对数值输入进行分类:观测数据、已发布的基准参数、监管参数、情景假设和衍生量。来自欧洲电力传输系统运营商网络(ENTSO-E)的2025年立陶宛小时读档序列仅用于转移观测到的时间读档形状;绝对的国家系统MW值在应用于IEEE 33节点基准前会进行归一化处理,且绝不会被解释为馈线级需求。因此,该基准在采用观测到的立陶宛年度时间剖面的同时,保留了case33bw的电气结构和空间读档分布。4%的年度本地增长轨迹是基础规划压力;3%、5%和6%是主要敏感性分析;8%、10%和12%是扩展区域压力情景。这些均不作为立陶宛国家电力需求的预测,也不作为特定ESO馈线的预测。
表2。输入数据与认识状态。

监管和财务参数与观测及基准输入分开分析。ESO产品要求提供了采购和资源预审背景,而VERT框架提供了监管投资的反事实情况。在无法观测市场价值的情况下,成本输入被明确视为情景假设,而非立陶宛灵活性市场的投标。详细的不确定性、时间分辨率和资源敏感性分析报告于补充材料S1.
该结构提高了透明度和可重复性,并支持将该框架迁移至具有不同网络数据、监管条件或灵活性资源假设的配电系统。

2.3. 立陶宛监管与产品反事实

第40条《立陶宛电力法》允许配电系统运营商(DSO)在配电网络中采购和使用灵活性服务,包括供应侧和需求侧管理、需求响应、聚合、储能和拥塞管理,以及高效网络运行和发展所需的其他服务[137]。在VERT于2026年批准的ESO灵活性交易框架下,经济评估和灵活性采购的最高支出是针对识别出灵活性需求的每个网络段分别确定的[12]。在此使用的符号中,监管上限为: