Устойчивое управление мультиэнергетическими системами при кооперативных и некоперативных стратегиях

Почему важно делиться локальной чистой энергией

По мере того как все больше домов и предприятий устанавливают солнечные панели на крышах, аккумуляторы и небольшие ветровые турбины, наши электроэнергетические сети незаметно меняются. Вместо однонаправленного потока электроэнергии от нескольких крупных станций теперь тысячи мелких «микрогридов» могут вырабатывать, хранить и обмениваться энергией. В этом исследовании рассматривается, как такие микрогриды могут взаимодействовать с местной сетью умнее и справедливее — снижая затраты, уменьшая потери энергии и обеспечивая надежное электроснабжение, особенно с учётом потребности в отоплении зданий.

От однонаправленной подачи к двустороннему району-рынку

Традиционно один локальный оператор — диспетчер распределительной сети (DSO) — покупает электроэнергию на оптовом рынке и продаёт её потребителям. В рассматриваемой модели этот DSO по-прежнему выступает посредником, но теперь имеет дело с микрогридами на основе возобновляемых источников, а не с пассивными потребителями. Каждый микрогрид объединяет солнечные панели, ветровые турбины, малые двигатели, топливные элементы, аккумуляторы и локальные отопительные установки, которые обслуживают кластер зданий. DSO также может производить тепло и электричество с помощью установок совмещённой выработки тепла и электроэнергии (CHP), котлов и тепловых накопителей, а затем продавать и электричество, и тепло микрогридам. Основной вопрос в том, как устанавливать цены и организовывать энергетические обмены так, чтобы коммунальная компания получала доход, а микрогриды снижали свои расходы?

Когда микрогриды договариваются вместе

Большинство ранних моделей предполагают, что каждый микрогрид ведёт переговоры с DSO по отдельности. Это оставляет много власти у DSO: он назначает разные цены для каждого микрогрида и в основном ориентируется на удовлетворение электрического спроса, оставляя потребности в отоплении на второй план. В этом исследовании авторы переворачивают этот подход, позволяя микрогридам кооперироваться. Когда микрогриды образуют коалицию, они могут сравнивать предложения, торговать энергией между собой и выступать единым покупателем при взаимодействии с DSO. Авторы формулируют математическую «двухуровневую» модель, в которой DSO на верхнем уровне решает, сколько закупать на оптовом рынке и как ценообразовать энергию для микрогридов, а микрогриды на нижнем уровне определяют, как использовать местные генераторы, накопители и возможные сокращения нагрузки, чтобы минимизировать ежедневные издержки.

Включение тепла в пазл чистой энергии

Что выделяет эту структуру, так это то, что она рассматривает тепло и электричество вместе. Здания нуждаются не только в электроэнергии для освещения и приборов, но и в горячей воде и отоплении помещений. Эффективная поставка тепла, в свою очередь, может изменить потребность в электроэнергии от сети. Модель позволяет DSO выбирать, когда запускать котёл, когда использовать установки CHP, производящие и тепло, и электричество, а также когда заряжать или разряжать как электрические, так и тепловые накопители. Координация этих решений с динамическими ценами для микрогридов даёт возможность лучше использовать возобновляемые ресурсы, избегать лишнего потребления топлива и сокращать «необслуживаемую энергию» — периоды, когда спрос не может быть полностью удовлетворён.

Что происходит, когда микрогриды объединяются

Авторы проверили предложенный подход на примере распределительной сети с одним DSO и четырьмя возобновляемыми микрогридами, каждый из которых имеет разный набор солнечных батарей, ветра, топливных элементов и микротурбин, а также индивидуальные профили спроса на электроэнергию и тепло. Сначала они рассматривают некоперативный сценарий, в котором микрогриды могут только покупать у DSO. Затем вводится кооперация, когда микрогриды могут торговать между собой и выступать как единый более крупный покупатель при взаимодействии с DSO. Результаты впечатляют: кооперация сокращает операционные расходы микрогридов примерно на 9 процентов и уменьшает необслуживаемую энергию более чем на треть. Чтобы оставаться конкурентоспособным, DSO вынужден снижать розничные цены по сравнению с некоперативным сценарием, особенно в часы повышенного спроса, когда микрогриды в противном случае могли бы больше полагаться на собственные ресурсы или на энергию соседей.

Устойчивые рынки в условиях изменения цен

Исследование также изучает поведение системы при неопределённости оптовых цен на электроэнергию. Используя набор возможных ценовых сценариев и робастную «худшую» настройку, авторы показывают, что кооперация стабильно приносит выгоду микрогридам, даже когда энергия из большой сети становится дороже. В более жёстких условиях прибыль DSO сокращается, потому что ему приходится больше платить за электроэнергию, но он не может сильно повышать розничные цены без потери клиентов в пользу местной генерации и одноранговой торговли между микрогридами. Это указывает на то, что расширение прав и возможностей локальных энергетических сообществ может сделать систему более гибкой и менее уязвимой к ценовым шокам.

Что это означает для повседневных потребителей энергии

Для неспециалистов вывод прост: когда небольшие системы чистой энергии в районах могут делиться энергией и вести коллективные переговоры, выигрывают почти все, кроме монопольного продавца. Домохозяйства и предприятия получают более низкие счета и меньше отключений; местная энергетическая компания по-прежнему зарабатывает, но должна предлагать более разумные цены; а энергетическая система в целом расходует топливо и оборудование эффективнее, в том числе при отоплении. По мере установки всё большего числа солнечных панелей, аккумуляторов и умных контроллеров, модели вроде представленной в этой статье указывают на будущее, где местная кооперация важна не меньше, чем новое оборудование, для создания более чистой и надёжной энергосети.

Цитирование: Karimi, H. Sustainable operation of multi-energy systems under cooperative and non-cooperative strategies. Sci Rep 16, 6177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36536-9

Ключевые слова: микрогриды, возобновляемая энергия, энергетические рынки, районное теплоснабжение, одноранговая торговля энергией