中国农村分布式可再生能源就地消纳的市场机制研究
作者及机构
本研究由清华大学四川能源互联网研究院的Zuyu Li与通讯作者Lang Gao*共同完成，发表于2025年的期刊《Sustainable Energy, Grids and Networks》（卷44，文章编号101930）。
学术背景
研究领域与背景
该研究聚焦于电力系统与能源经济交叉领域，针对中国农村分布式可再生能源（Distributed Renewable Energy Resources, DRER）的消纳难题。在中国“双碳”目标下，分布式光伏（Distributed Photovoltaics, DPV）在农村地区快速推广，但农村电网因变压器容量规划不足、光伏装机集中导致反向过载（reverse overload）、电能质量偏差及并网容量受限等问题。尽管变压器升级是根本解决方案，但其成本高、周期长，因此亟需通过市场驱动的灵活性机制实现就地消纳。
研究目标
研究旨在设计三种市场机制——价格驱动响应（Price-Driven-Response, PDR）、显式响应（Explicit-Response, ER）和混合响应（Mixed-Response, MR），以协调农村地区发用电行为，并通过案例模拟验证其有效性。
研究流程与方法
问题分析与机制设计
- 现状调研：基于中国农村电网数据（如山东、河南等光伏高渗透率省份），分析反向过载的时空分布特征，指出农村用电负荷与光伏发电曲线的相位不匹配是核心矛盾。
- 机制框架：
- PDR模型：通过实时电价信号激励用户侧设备（如电热水器）自动调整用电时段。
- ER模型：引入灵活性服务商（Power Management Service Provider, PMSP）聚合用户资源，以合同形式响应电网需求。
- MR模型：结合PDR与ER，通过双重控制系统实现互补响应。
案例模拟与验证
- 研究对象：选取中国西南某省一农村台区（变压器容量100 kVA，137户低压用户，46户DPV用户，总装机230 kVA）。
- 数据来源：NASA太阳辐射数据、台区历史负荷记录（2022–2024年）、设备渗透率统计（如电热水器54%、空调6%）。
- 仿真方法：
- 建立数学模型（如PDR模型的目标函数为最小化反向功率超限），考虑辐射、温度对光伏输出的影响（公式：(Gt^i = G{stc} \cdot (Rt/R{stc})[1+\mu(Kt-K{stc})])）。
- 模拟用户响应行为（如电价每降低0.02元激活5%负荷），评估三种模型对反向过载小时数的削减效果。
经济性评估
- 构建成本-收益框架（公式1-2），量化电网升级延迟收益（B1+B2）、用户停电损失减少（B4）与PMSP服务成本（C1–C5）。
主要结果
过载改善效果
- PDR模型：年反向过载小时数减少37.7%（从486 h降至303 h），用户电费平均降低5.2%。
- ER模型：过载削减37.2%，但需支付PMSP响应费用（年约1.7万元）。
- MR模型：综合效果最佳（过载减少38.1%），但管理复杂度高。
关键发现
- 物理资源限制：用户侧灵活性不足（如空调渗透率仅6%）导致过载无法完全消除，需配套储能或扩展资源池。
- 负载迁移效应：响应行为可能引发后续时段过载（如午后响应导致夜间负荷反弹），需通过MR模型动态补充。
结论与价值
科学价值
- 提出首个针对中国农村DRER的市场机制框架，填补分布式电网层级交易设计的理论空白。
- 验证市场机制可延缓电网升级投资，为高比例可再生能源系统提供制度创新样本。
应用价值
- 中国农村屋顶光伏潜力达20亿千瓦（当前装机仅4%），本研究机制可释放2.5万亿千瓦时清洁能源潜力（相当于全国用电量的25%）。
- 建议优先在智能化程度高、灵活性潜力大的区域试点PDR/ER模型，动态调整定价与成本分摊机制。
研究亮点
- 创新性机制设计：首次将欧洲社区储能模式（如德国“Sonnencommunity”）本土化，适应中国农村电网特点。
- 多维度评估：结合技术效果（过载削减率）与经济性（用户成本、PMSP收益），提出“选择性推广”路径。
- 政策启示：呼吁建立配电网层级的阻塞定价标准，推动“源-网-荷”协同规划。
其他有价值内容
- 研究指出，现有绿色电力交易体系（如绿电现货市场）未渗透至配网层级，导致分布式资源价值无法充分体现。
- 附录中提供了ER模型响应交易平台的订单簿示例（如表4），为后续实践提供操作模板。
（全文约2000字）