一種用于光伏集成工業園區的點對點需求側偏差管理方法
《Renewable Energy》：A Peer-to-Peer Demand Side Deviation Management Method for Photovoltaic Integrated Industrial Parks
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時間：2026年03月02日
來源：Renewable Energy 9.1
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需求響應偏差管理框架提出兩階段協同優化策略，通過混合整數二階錐規劃確定柔性負載分階段響應及儲能補償方案，結合ADMM算法實現實時偏差交易，有效降低工業園區高可再生能源滲透下的偏差懲罰。
潘思勉|楊永寶|徐青山
東南大學電氣工程學院，中國南京211189
摘要
需求響應（DR）的清算和結算機制對工業負荷的經濟激勵有顯著影響，尤其是在可再生能源滲透率較高的情況下，由于發電側的靈活性不足，導致偏差懲罰更加嚴格。為了解決由此產生的經濟損失和參與度降低的問題，本文提出了一種針對工業園區內靈活負荷和儲能系統（ESSs）的兩階段P2P偏差管理框架。首先，考慮到靈活負荷的固有響應延遲、速度和功率，將DR軌跡劃分為部分響應階段和完全響應階段，從而能夠準確建模需求側的不確定性和偏差。其次，基于這種響應階段建模，使用混合整數二階錐規劃（MISOCP）制定了一項日前偏差優化策略。該策略共同確定了響應階段的持續時間、偏差方向以及ESS的充放電計劃，以減少預期偏差并增強負荷之間的互補效應，同時為實時校正保留足夠的靈活性。第三，在日前DR計劃的基礎上，基于交替方向乘子法（ADMM）開發了一種實時P2P偏差補償模型，該模型協調負荷之間的互補偏差匹配和剩余偏差的ESS補償，同時平衡配電網損耗和ESS的盈利能力。在光伏滲透率為58%的工業園區進行的案例研究表明，所提出的方法有效減少了DR偏差懲罰，并提高了負荷和ESS的收益。
引言
需求響應（DR）已成為維持電力平衡的關鍵技術，特別是在中國追求碳中和目標的過程中。特別是基于激勵的DR計劃在可再生能源（RE）高度滲透的主動配電網中發揮著重要作用，提供了成本效益和運營靈活性等優勢[1]。然而，諸如DR偏差和不確定性等挑戰阻礙了需求側靈活性的充分利用[2]。這些偏差的嚴重性進一步加劇了動態負荷特性，包括響應速度慢和延遲時間長[3]。為了解決這些問題，電力系統運營商通常會結算偏差并實施經濟懲罰規則[4]，旨在將靈活性不足的負荷排除在DR之外。盡管如此，這樣的懲罰往往減少了來自DR計劃（如RE消費服務）的預期激勵[5]。作為需求側管理的重要組成部分，工業園區由于多能源耦合的復雜性和生產計劃的不確定性，面臨更高的偏差懲罰風險[6]。因此，工業負荷管理者需要設計調度和交易策略，在當前DR結算機制下最小化偏差懲罰風險，同時支持可再生能源的整合。
為了在當前的DR結算機制下最小化偏差懲罰風險，以往的研究主要集中在儲能系統（ESSs）上，因為它們具有快速的響應時間和雙向調節能力。當與靈活負荷協調時，ESSs可以有效平衡經濟效益并減輕需求響應的不確定性[7]。在參考文獻[8]中，ESSs被用作瞬態功率供應商，以克服可轉移負荷引起的突然需求波動和頻率下降問題。然而，大多數關于DR偏差的研究主要集中在功率不確定性上，而忽略了動態負荷特性，這往往導致過于保守的優化結果。相應地，參考文獻[9]探討了多能源系統中動態負荷跟蹤的上升時間和超調，調整ESS和熱泵容量以優化跟蹤精度。同樣，參考文獻[10]研究了水泥和造紙行業負荷的離散功率特性，通過ESS補償實現精確和連續的DR。盡管有這些進展，但僅依賴ESSs來補償DR偏差可能會嚴重擾亂它們的充放電計劃，從而減少ESS本身的峰谷套利利潤[11]。
值得注意的是，異構靈活負荷在DR偏差互補性方面也具有巨大潛力。共同優化具有不同響應特性的負荷可以有效地、經濟地減少DR偏差[12]。然而，簡化的可中斷[13]或可轉移[14] DR模型經常忽略非線性特性，從而限制了這種互補性的探索。為了解決這個問題，一些研究使用了細粒度時間[15]或采用了更精細的DR模型[16]，但通常計算速度較慢且可擴展性較差。
為了揭示異構負荷之間的偏差互補機制，有必要不僅通過靜態響應功率，還通過動態特性（如響應延遲時間和調節速度）來描述基于激勵的DR[17]、[18]。已經提出了幾種管理這些動態特性的方法，可以分為三類：負荷控制[19]、聚合[20]和輔助服務[21]。第一種通常用于緊急情況，可能會顯著影響參與者的滿意度。第二種涉及虛擬電廠或負荷聚合器來匯集多樣化的靈活性，但常常面臨內部功率流和數據隱私問題。例如，參考文獻[22]、[23]表明，共同優化多種類型的靈活資源可以緩解由通信、計算和用戶行為引起的時間延遲問題。此外，參考文獻[24]研究了分時（TOU）定價機制，以管理可中斷負荷組的響應時間。
盡管上述研究考慮了負荷動態，但它們尚未有效地將其整合到DR偏差管理中。因此，有必要提出一種創新的DR框架，將負荷動態特性納入偏差管理中，從而降低懲罰風險。此外，由于動態特性代表了敏感的用戶數據，該框架應采用P2P交易機制，并依賴分布式優化方法，而不是集中式私人信息收集[25]。關于DR的P2P交易的研究已經相對成熟。例如，參考文獻[26]研究了微電網中源、負荷和ESS之間的P2P能源共享應用，而參考文獻[27]建立了多能源靈活性互補性的P2P交易場景。因此，P2P交易提供了一種實用且有效的方法來管理偏差，實現精確的需求響應并保護用戶隱私。
表I清晰地比較了本研究與現有DR文獻。它強調了以往研究在很大程度上忽略了由負荷動態特性引起的DR偏差的詳細基礎。實際上，動態因素（如延遲時間和調節速度）與靜態響應功率的結合共同決定了完整DR過程中部分響應階段和完全響應階段的長度，而這些階段的變化進一步影響了偏差的幅度和方向。此外，在高滲透率RE整合的情況下，精確的需求響應變得越來越重要。然而，當前的研究很少將多負荷互補性與ESS補償結合起來以實現精確的DR。重要的是，需要P2P偏差管理，因為傳統的集中式調度和直接負荷控制方法不適合工業園區。
為了克服上述差距，本文提出了一種針對工業園區的P2P偏差管理方法。本文的貢獻總結如下：
1)提出了一種針對可再生能源集成工業園區的P2P偏差管理框架，通過日前優化和實時匹配協調正負偏差互補性和ESS補償，從而減少偏差懲罰。
2)通過分析響應延遲、調節速度和DR功率的耦合影響，揭示了DR偏差的二階錐形成，并進一步引入了DR的動態兩階段表示，即部分響應階段和完全響應階段。
3)基于混合整數二階錐規劃（MISOCP）開發了一種日前偏差優化模型，動態調整部分響應階段和完全響應階段的持續時間，并優化偏差方向，以提高DR的成本效益。
4)提出了一種基于交替方向乘子法（ADMM）的實時P2P偏差匹配方法，該方法在平衡配電網損耗和ESS充放電盈利能力的同時，補償實時偏差。
本文的其余部分組織如下。第2節介紹了工業園區P2P偏差交易的基本框架。第3節介紹了日前DR偏差優化方法。第4節詳細介紹了實時P2P偏差匹配方法。第5節包括案例研究以及相應的結果和討論。最后，第6節提供了關鍵結論。
章節片段
P2P偏差管理框架
為了減少工業園區層面的DR偏差懲罰，本節提出了一種兩階段偏差管理框架。該框架適用于工業園區中異構負荷和ESSs共同參與日前基于激勵的DR的情況。如圖1(a)-(c)所示，第一階段整合了三種機制，包括部分響應階段和完全響應階段的優化、負荷偏差互補潛力的增強以及ESS偏差補償邊際的改進
日前偏差優化
本節介紹了一種基于MISOCP算法的日前DR偏差優化方法。首先，利用動態DR特性將DR周期劃分為兩個階段：部分響應和完全響應。通過這種時間劃分，使用二階錐松弛開發了DR偏差模型和ESS補償模型。然后，提出了一種日前偏差優化方法，以優化ESS的充放電計劃和DR指令，以最小化預期偏差
實時P2P偏差匹配
基于第3節的日前偏差優化，本節提出了一種工業園區的實時P2P偏差匹配方法，其中實時DR偏差通過雙邊匹配能量和價格在節點之間進行交易。具體來說，負荷節點之間的偏差互補性和ESS節點提供的偏差補償以分散的方式協調，以最大化整體社會福利，而不依賴于集中式市場清算。
案例設置
本節在修改后的IEEE-33節點配電網（代表工業園區）上驗證了所提出的偏差管理方法。如圖4所示，每個節點都配備了一個不同的工業負荷和屋頂光伏裝置。該園區包括具有顯著不同DR特性的異構負荷類型，其中節點5、10、17和26代表可轉移的電機驅動設備；節點3和18是熱負荷；節點29是一個電動汽車充電站；節點32是
結論
本文提出了一種針對可再生能源集成工業園區中基于激勵的DR的新穎P2P偏差管理方法。通過結合兩個動態特性（響應延遲和調節速度）和兩個靜態變量（預響應狀態和響應功率），DR過程被劃分為部分響應階段和完全響應階段，提高了偏差建模的準確性。在此基礎上，日前偏差優化算法調整了偏差的幅度和方向
CRediT作者貢獻聲明
楊永寶：撰寫 – 審稿與編輯。徐青山：項目管理、資金獲取。潘思勉：撰寫 – 原始草稿
利益沖突聲明
? 作者聲明他們沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文報告的工作。
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