[论文解读] Integrating Distributed Energy Resources: Optimal Prosumer Decisions and Impacts of Net Metering Tariffs

Ahmed S. Alahmed, Lang Tong|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2022

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一句话总结

本文提出了一套分析框架，用于在包容性净电量计费X（NEM-X）费率模式下实现产消者能源消费的最优决策，该模式统一了现有及拟议的净电量计费政策。该框架推导出具有近似闭式解的双阈值最优消费策略，使在随机分布式能源资源（DERs）和动态定价条件下的实际能源管理成为可能，并量化了NEM和上网电价（FiT）设计下的福利、交叉补贴及长期采纳情况。

ABSTRACT

The rapid growth of the behind-the-meter (BTM) distributed generation has led to initiatives to reform the net energy metering (NEM) policies to address pressing concerns of rising electricity bills, fairness of cost allocation, and the long-term growth of distributed energy resources. This article presents an analytical framework for the optimal prosumer consumption decision using an inclusive NEM X tariff model that covers existing and proposed NEM tariff designs. The structure of the optimal consumption policy lends itself to near closed-form optimal solutions suitable for practical energy management systems that are responsive to stochastic BTM generation and dynamic pricing. The short and long-run performance of NEM and feed-in tariffs (FiT) are considered under a sequential rate-setting decision process. Also presented are numerical results that characterize social welfare distributions, cross-subsidies, and long-run solar adoption performance for selected NEM and FiT policy designs.

研究动机与目标

• 解决不断演变的净电量计费（NEM）政策所带来的经济与工程挑战，及其对产消者行为和电网成本回收的影响。
• 开发一个统一的分析模型——NEM-X，以捕捉现有及拟议的NEM费率设计，包括NEM 1.0、2.0、3.0及FiT结构。
• 表征在随机表后计量（BTM）分布式能源资源（DERs）和动态定价条件下的最优产消者消费决策。
• 评估NEM-X和FiT政策在短期和长期对社会福利、交叉补贴及DER采纳动态的影响。
• 为监管机构和能源管理系统提供一个决策框架，以平衡公平性、效率与可持续的DER增长。

提出的方法

• 提出一种包容性NEM-X费率模型，将经典NEM、FiT及净购售电价统一为单一参数化框架。
• 推导出产消者的双阈值最优消费策略，实现本地使用与电网馈送之间能源分配的近似闭式解。
• 应用模型预测控制（MPC）处理表后计量发电的随机性，利用最优策略的结构实现实时决策。
• 引入一种顺序费率设定模型，其中电网费率内生地基于DER采纳水平和盈亏平衡成本约束确定。
• 使用NEM和FiT下产消者剩余的解析表达式，比较不同政策设计下的经济结果。
• 采用系统理论调节器模型，模拟不同NEM-X参数化下的长期福利、交叉补贴及市场潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同的NEM-X费率结构下，特别是进口与出口费率差异化时，产消者的最优消费策略如何变化？
• RQ2 随机表后计量（BTM）发电对NEM-X下最优能源管理策略性能有何影响？
• RQ3 在社会福利分配、交叉补贴及长期DER采纳潜力方面，NEM与FiT政策如何比较？
• RQ4 当电网费率基于采纳水平和成本回收要求内生设定时，NEM-X政策的长期均衡结果是什么？
• RQ5 出口补偿费率的变化（如NEM 2.0与NEM 3.0）如何影响产消者剩余及太阳能采纳的经济可行性？

主要发现

• 在NEM-X下，最优产消者消费策略呈现双阈值结构，可实现近似闭式解，适用于实时能源管理系统的实际应用。
• 在NEM 1.0下，产消者可获得出口电量的全额零售补偿，导致非产消者承担显著的交叉补贴，且随DER渗透率提高而加剧。
• 在NEM 2.0和NEM 3.0政策中降低出口补偿率（π⁻）会显著减少产消者剩余，并减缓长期太阳能采纳，尤其在进口电价较高的情况下更为明显。
• 数值结果表明，当出口率与避免成本对齐时，FiT政策可最大化社会福利并消除交叉补贴，但需对消费者与产消者实施差别定价。
• 模型预测，在NEM 1.0下，通过优化本地消费，峰值负荷可推迟近四个月，从而提升电网可靠性。
• 研究表明，价格差额（π⁺ − π⁻）和分时（TOU）费率参数在决定光储系统账单节省方面起关键作用，更大的差额可增强储能集成的经济激励。