[论文解读] The Value of Distributed Energy Resources for Heterogeneous Residential Consumers

Siddharth Patel, Rasouli, Mohammad+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2017

Smart Grid Energy Management参考文献 26被引用 5

一句话总结

本文利用美国加州北部的真实小时级智能电表数据，量化了分布式能源资源（DERs）——特别是屋顶太阳能光伏和电池储能——对异质性住宅用户的价值。研究显示，节省费用因家庭行为而异，家庭间协调可使成本降低10%–15%，而改进预测仅带来边际收益，协调服务的采纳阈值在群体内达到35%–55%时达到峰值。

ABSTRACT

The presence of behind-the-meter rooftop photovoltaics and storage in the residential sector is poised to increase significantly. Here we quantify in detail the value of these technologies to consumers and service providers. We characterize the heterogeneity in household electricity cost savings under time-varying prices due to consumption behavior differences. Different pricing policies significantly alter how households fare with respect to one another. Furthermore, household savings in absolute terms are not strongly correlated with savings normalized by PV and storage system size. We characterize the financial value of improved forecasting capabilities for a household, finding that it is a relatively small fraction of a household's cost savings. Coordination services that combine the resources available at all households can reduce costs by an additional 10% to 15% of the original total cost. Surprisingly, coordination service providers will not encourage adoption beyond 35-55% within a group. We present a simple model that explains the value of coordination and its relationship to the pricing of distribution services.

研究动机与目标

• 评估在真实电力定价条件下，屋顶光伏和电池储能对异质性住宅用户财务价值的大小。
• 量化家庭用电异质性对分布式能源资源（DER）采纳后电费节省的影响。
• 评估聚合家庭间分布式能源资源的协调服务的价值。
• 估算改进预测对家庭分布式能源运行的增量价值。
• 识别协调服务效能开始下降的采纳阈值。

提出的方法

• 使用加州北部的小时级住宅用电量大规模数据集，为每个家庭建模净零光伏与储能系统（1 kWh/kWp）。
• 应用线性规划模型，在分时电价（TOU）和动态定价下，假设用户采取成本最小化行为，以优化每日电费节省。
• 建立协调服务模型，将家庭间的储能进行聚合，将整个群体视为单一实体，通过共享储能和发电资源最小化总成本。
• 引入预测误差模型，误差服从正态分布并按变异系数（CV）缩放，以评估改进预测的价值。
• 计算三个关键指标：VCA（协调优势价值）、VCI（协调信息价值），并比较前向、反向和随机采纳模式。
• 采用净负荷公式：$\textbf{n}_G = \textbf{l}_G - \eta_I \textbf{e}_G$，其中$\eta_I$为逆变器效率，用于建模家庭聚合净负荷。

实验结果

研究问题

• RQ1 家庭用电异质性如何影响屋顶光伏与储能采纳的财务价值？
• RQ2 通过家庭间分布式能源资源的协调，可实现的额外成本降低幅度有多大？
• RQ3 在分布式能源运行背景下，改进预测对单个家庭的附加价值有多大？
• RQ4 协调服务价值开始减弱的采纳水平是多少？
• RQ5 不同定价政策（如分时电价、动态电价）如何影响家庭间节省费用的分布？

主要发现

• 由于用电模式差异，家庭电费节省在DER应用中差异显著，绝对节省额与系统规模之间无强相关性。
• 家庭间协调分布式能源可使总电费成本比单独优化降低10%–15%。
• 改进预测对家庭而言价值相对较小，仅贡献总节省的一小部分。
• 协调服务提供商在群体内采纳率超过35%–55%后，不再具备激励推广的动力，表明存在饱和点。
• 在分时电价下，协调价值最为显著，且取决于采纳模式和共享机制。
• 采纳顺序（前向、反向、随机）显著影响协调价值，其中前向采纳模式带来的VCA最高。