[论文解读] Integrated Planning of a Solar/Storage Collective

Jesus E. Contreras-Ocaña, Arshpreet Singh+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2020

Smart Grid Energy Management参考文献 29被引用 27

一句话总结

本文提出了一种集成的长期规划与模型预测控制（MPC）框架，适用于法国集体自用制度下的光储能源集体。该框架联合优化系统容量配置、公平的能量分配以及实时运行，以最小化成本与能量错配，实现15名用户之间3–11%的能源盈余，且分配公平。

ABSTRACT

French regulation allows consumers in low-voltage networks to form collectives to produce, share, and consume local energy under the collective self-consumption framework. A natural consequence of collectively-owned generation projects is the need to allocate production among consumers. In long-term plans, production allocation determines each of the consumers' benefits of joining the collective. In the short-term, energy should be dynamically allocated to reflect operation. This paper presents a framework that integrates long and short-term planning of a collective that shares a solar plus energy storage system. In the long-term planning stage, we maximize the collective's welfare and equitably allocate expected energy to each consumer. For operation, we propose a model predictive control algorithm that minimizes short-term costs and allocates energy to each consumer on a 30-minute basis (as required by French regulation). We adjust the energy allotment ex-post operation to reflect the materialization of uncertainty. We present a case study where we showcase the framework for a 15 consumer collective.

研究动机与目标

• 设计一种合作性、财务可持续的框架，适用于法国集体自用制度下的光储能源集体。
• 联合优化长期系统容量配置与公平能量分配，以最大化集体福利并确保投资者盈利。
• 开发一种实时控制与事后结算机制，以最小化计划与实际交付之间的能量错配。
• 通过透明且简单的定价与分配规则，增强消费者与投资者之间的信任与参与度。
• 在现实条件下评估该框架的性能，包括太阳能发电与电网电价的不确定性。

提出的方法

• 为长期规划构建混合整数线性规划（MILP）模型，以确定光伏+储能系统的容量，并在20年周期内最大化集体福利。
• 使用优化模型，根据负荷曲线与系统容量，公平地分配每年预期能量至每位用户。
• 采用具有滚动30分钟时域的模型预测控制（MPC）算法，动态管理电能调度并最小化运行成本。
• 引入事后结算算法，基于实际发电与用电情况调整能量分配，以减少错配。
• 在MPC中采用加权目标函数，平衡运行成本最小化与计划能量分配偏差。
• 对控制与结算问题均采用凸优化，确保快速可靠的计算（每次迭代约0.006秒与0.005秒）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在法国法规下，15名用户的光储能源集体的最优系统容量是多少，才能最大化长期集体福利？
• RQ2 何种电价范围可确保在集体自用模式下，投资者与消费者均实现财务可持续性？
• RQ3 如何在满足30分钟报告要求的前提下，对异质性用户实现全年公平的能量分配？
• RQ4 所提出的MPC与结算框架相较于其他控制策略，在最小化计划与实际交付之间能量错配方面表现如何？
• RQ5 当太阳能发电超出预期时，该框架在多大程度上仍能维持公平性与盈余交付？

主要发现

• 所提出的框架确保了集体的财务可持续性，在悲观情形下，光伏+储能能源价格范围为0.10–0.13 EUR/kWh，具有可行性。
• 即使投资者获得净收益的50%，消费者仍相比电网电力实现3–5%的节省，体现出强烈的财务激励。
• 所有用户全年获得的能量均不少于承诺值，总盈余达276 ± 2 kWh（占总负荷的2%以上），源于光伏发电量比预期高出6%。
• MPC与事后结算算法将年末错配控制在各用户+3%至+11%之间，优于其他方法所显示的最高达1.2 MWh的亏空。
• 在悲观情景下（无电网出口补偿），系统仍达到帕累托最优，表明集体投资仍具优势。
• 该框架维持了公平分配：在所提方法下，无用户获得少于承诺的能量，而其他方法则导致最高达15%的亏空。