《Sustainable Energy, Grids and Networks》：Toward sufficient redundancy: Optimizing the PV-BES configuration with collaborative energy programs for resilient residential communities
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居民社区微电网基于冗余与效率平衡的韧性评估研究，提出考虑分布式能源系统（DERs）部署与社区协作节能的韧性量化指标。通过模拟两种不同负荷特征的社区，发现光伏配置达80%并配合P2P能源共享可实现冗余，社区协作负荷管理可降低40%光伏需求。研究为优化DER部署策略与整合协作能源项目提供理论依据。
李莉|张欣怡|袁一鸣|蔡华|张建新|王建军
北京信息科学与技术大学管理科学与工程学院，北京102206，中国
摘要
气候变化引发的极端天气增加了对电力高度依赖的住宅社区发生停电的可能性。虽然鼓励更多家庭安装分布式能源系统（DERs）可以显著提高社区的韧性，但目前研究中仍缺乏关于所需DER容量多少的明确答案。受生态系统韧性理论的启发，本研究从平衡充足冗余性和效率的角度，为住宅社区微电网开发了一种韧性评估指标。通过模拟和比较具有不同负载特征的两个社区的韧性表现，发现配置能够利用80%太阳能发电量的光伏容量并采用点对点能源共享机制，无论社区负载模式或需求水平如何，都能实现足够的冗余性。基于这一原则，社区可以根据当地情况调整家庭级DER容量组合。同时，整合社区协调的负载削减措施可以进一步降低实现足够冗余性所需的光伏容量，例如，在停电期间削减50%的负载可以将所需的光伏覆盖范围减少40%。本文提供了实用建议，以优化住宅社区中的DER配置策略并整合协作能源计划，从而实现足够的冗余性和最高的韧性。
引言
近年来，由于气候变化导致的极端天气（如飓风、洪水和其他自然灾害）对电网的安全可靠运行带来了新的严峻挑战。根据Climate Central的统计数据显示，2000年至2021年间，美国大约83%的重大停电是由天气相关事件引起的[14]。能源部（POE）的数据也显示，近年来严重天气仍然是美国停电的主要原因，2022年有超过800万户家庭受到影响[46]。严重天气引发的停电不仅严重威胁公共健康和安全，还会对其他关键基础设施造成连锁损害，导致数十亿美元的经济损失，甚至人员伤亡、社会混乱和物质损失。
与其他部门相比，居民在停电期间对电力的需求更为迫切，电力短缺已成为人们生活和健康的主要威胁。随着气候变化的加剧，极端高温事件的频率近年来显著增加，许多高温事件已经使气温超过了人类的耐受范围。由于居民越来越依赖电力来适应这些变化，电力短缺甚至可能导致人员死亡。根据世界卫生组织的统计，2000年至2019年间，全球每年约有48.9万人因极端高温而死亡[99]。此外，因寒冷事件导致的死亡人数也大幅增加，例如，美国2022年的寒冷相关死亡率从每百万人4人上升至[19]。对欧洲854个城市的预测显示，温度相关死亡率可能增加50%，这可能导致2015年至2099年间累计死亡人数超过200万[54]。
因此，如何在停电时迅速恢复居民的电力供应，维持基本或关键负载，从而提高住宅社区的能源韧性，已成为许多当前研究的重点[34]、[37]、[73]、[89]。可以采取的措施包括增加备用能源来源、鼓励居民参与能源自给自足实践或灵活改变能源使用方式[34]。其中，鼓励居民在社区内独立安装分布式能源资源（DERs）系统（如光伏阵列（PV）和电池储能（BES）尤为受欢迎，因为这不仅可以提高居民的可再生能源利用率[3]，还能在停电期间提高家庭的能源自给自足能力，而无需居民大幅改变生活方式[34]。
除了部署DERs外，社区还可以开展能源自给自足实践并参与协作能源计划来提高韧性。这是因为DERs将居民从传统的能源消费者转变为生产者和消费者（即既消费又生产能源的人）[24]。在这种角色中，居民可以将多余的电力与社区内的其他家庭共享[62]，从而在停电期间提高整个社区的能源自给自足能力。此外，正如Kuang等人[46]所证明的，家庭通常愿意在灾难期间牺牲部分能源需求，以优先满足关键负载并保持能源活动的可接受水平，这意味着通过协调的需求侧负载削减也可以提高社区的韧性。
然而，现有研究往往侧重于最大化家庭部署DERs以提高韧性，而没有解决所需容量多少的问题。由于太阳能发电的间歇性和住宅电力使用的不一致性[52]，如果仅为了在停电期间维持整个社区的负载而规划DERs的规模，可能会因过度容量和不必要的冗余而显著降低正常情况下可再生能源的利用效率。此外，如果能够成功开展点对点（P2P）能源共享和协调的需求侧负载削减等协作能源计划，那么所需家庭DERs的部署规模也可以减少。这就需要确定住宅社区中DERs和协作的最佳覆盖规模，以实现足够的冗余性，同时避免在正常情况下浪费多余的可再生能源。另一个关键问题是确定协作能源计划在多大程度上可以抵消住宅社区中一定数量的DERs部署，而不影响韧性表现。本研究旨在回答上述两个问题。
在本研究中，本地居民社区指的是共享同一低压电力线的家庭，从而实现直接的点对点电力交换（例如通过P2P能源共享），而无需通过变压器或区域边界进行长距离传输。本研究通过提供一条新的路径，为住宅社区韧性规划的研究文献做出了贡献，该路径结合了增加备用能源来源以及参与社区规模的P2P能源共享和能源自给自足实践。更重要的是，我们为规划者和决策者提供了明确的基准，用于配置DERs并整合社区层面的能源协作计划，以提高韧性并确保足够的冗余性。本研究的下半部分将包括：第二部分概述相关文献，第三部分介绍用于从足够冗余性角度评估住宅社区能源韧性的定制方法，第四部分进行实验设计，第五部分展示和讨论本研究的主要发现，第六部分总结研究内容。
家庭能源韧性及其量化
韧性的概念是指抵御或减轻不利事件影响或持续时间的能力，包括准备、吸收、适应和快速从中断中恢复的能力[88]。具体来说，能源系统的韧性是指其对危险事件或趋势的响应能力[38]，强调在极端事件中适应而非失败的能力，即在无法预见的中断情况下仍能运行，并减少
平衡的住宅社区能源韧性指标
从生态系统韧性理论的角度来看，系统的韧性由两个对立的方面组成：效率和冗余性[92]。效率衡量系统在系统内部高效传输资源的的能力，而冗余性则反映了系统通过使用多样化的资源路径来适应环境变化的能力。基于此，可以计算衡量系统有序程度的指标α
基本模拟参数
本研究选择了加利福尼亚州的两个住宅社区，分别包含60户和70户家庭，进行为期一年的（8760小时）模拟。图1显示了这两个社区一年内每户家庭的平均每日电力负载，数据来自Open Energy Data Initiative [65]。在高负载社区，单个家庭的平均每日电力负载在24至60千瓦时之间，平均为36.89千瓦时。本研究中的“每天”是指
LOSH提升
图6显示了在不同P2P能源共享情景下的LOSH结果（表3），假设光伏部署率为30%、50%和80%，每个家庭的光伏容量设置为其平均每日电力需求的1/2。由于情景P2P-1假设社区内的所有家庭仅配备了BES，其LOSH与光伏部署率无关，我们发现春季和冬季的电力供应持续时间比夏季更长
结论
采用DER系统在提高住宅社区的能源韧性方面发挥着重要作用。然而，过高的光伏容量可能导致由于过度发电而降低能源利用率。现有研究很少探讨社区如何从平衡足够冗余性和光伏利用效率的角度确定最佳的光伏覆盖水平[28]、[49]。同时，对于像P2P能源这样的协作能源计划，也缺乏关注
资助
本研究得到了国家自然科学基金 [资助编号 72071077]和北京自然科学基金 [资助编号 9254026]的支持。
CRediT作者贡献声明
王建军： 可视化、概念化。蔡华： 监督、方法论。张建新： 可视化、数据管理。张欣怡： 撰写——初稿、软件、方法论、概念化。袁一鸣： 验证、数据管理。李莉： 撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、调查、概念化。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
本研究没有使用任何生成式人工智能和人工辅助技术来执行关键研究任务。
利益冲突声明
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