[论文解读] Optimal Storage and Solar Capacity of a Residential Household under Net Metering and Time-of-Use Pricing

K. Victor Sam Moses Babu, Pratyush Chakraborty+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2022

Smart Grid Energy Management被引用 4

一句话总结

本文提出了一种分析框架，用于在分时电价（ToU）的净计量制度下，联合优化住宅家庭的太阳能光伏（PV）和电池储能容量。基于美国奥斯汀市的真实数据，推导出最优储能容量（36.96 kWh）和太阳能容量（最高达5 kWp），结果显示包括资本成本在内的总成本降低25.56%，在最优太阳能投资下最高可节省41.7%。

ABSTRACT

Incentive programs and ongoing reduction in costs are driving joint installation of solar PV panels and storage systems in residential households. There is a need for optimal investment decisions to reduce the electricity consumption costs of the households further. In this paper, we first develop analytical expression of storage investment decision and then of solar investment decision for a household which is under net metering billing mechanism with time of use pricing condition. Using real data of a residential household in Austin, TX, USA, we study how the investment decisions would provide benefit for a period of one year. Results show significant profit when using storage devices and solar panels optimally for the system. It is important to note that though our approach can help significantly to take investment decisions, the solution will still be sub-optimal for somebody who needs optimal investment jointly on both storage and solar systems.

研究动机与目标

• 确定在分时电价（ToU）的净计量制度下，住宅家庭的最优电池储能容量。
• 分析在结合最优储能的前提下，太阳能光伏容量对电费节约的影响。
• 评估在真实负荷与辐照度数据条件下，联合投资太阳能与储能所实现的成本节约。
• 识别在分别优化储能与太阳能而非联合优化时产生的次优结果。

提出的方法

• 使用核密度估计法建模日最大负荷的累积分布，以确定最优储能容量。
• 基于预期电能流动和分时电价差异，推导最优储能容量 $B^0$ 的解析表达式。
• 利用2016年奥斯汀市（德克萨斯州）的月度负荷与辐照度数据，评估不同太阳能光伏容量（最高5 kWp）下的成本节约。
• 计算包含资本成本在内的年度总成本，并比较有无储能与太阳能投资情况下的节约效果。
• 通过为期366天的分步模拟，计算不同配置下的月度电费。
• 利用预期电能流动与电价差异，确定储能与太阳能的最优投资阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在分时电价（ToU）的净计量制度下，住宅家庭的最优电池储能容量是多少？
• RQ2 当与最优储能配对时，太阳能光伏容量的变化如何影响成本节约？
• RQ3 通过联合优化太阳能与储能，包括资本成本在内，可实现的总成本降低是多少？
• RQ4 与联合优化相比，分步优化储能与太阳能在成本效率方面有何差异？
• RQ5 峰值负荷分布对确定最优储能容量有何影响？

主要发现

• 最优电池储能容量为36.96 kWh，由日最大负荷分布的第96.5百分位数确定。
• 在最优储能条件下，家庭年电费降低25.56%，包括资本成本在内节省1,027.99美元。
• 每增加0.5 kW的太阳能光伏容量（最高至5 kWp），可额外节省134美元，当太阳能容量达到5 kWp时，总节省达2,363.82美元。
• 在最优储能与30 kWp太阳能（尽管超出典型屋顶面积）条件下，年总成本从无太阳能、无储能时的4,021.49美元降至1,657.67美元。
• 联合优化太阳能与储能的效果优于分步优化——例如，在30 kWp太阳能条件下，采用24.4 kWh储能时成本降至1,612.78美元，低于36.96 kWh储能时的1,657.67美元。
• 当同时联合优化太阳能与储能时，该方法提供次优解，表明联合优化模型仍有改进空间。