在合作与非合作策略下多能源系统的可持续运行

为何共享本地清洁电力至关重要

随着越来越多的家庭和企业安装屋顶太阳能、电池和小型风力机，我们的电网正在悄然改变。电力不再只是从少数大型电厂单向流动，如今成千上万的“小型微电网”可以生产、存储并交易能源。本研究考察这些微电网如何与本地公用事业以更智能、更公平的方式协作——降低成本、减少能源浪费并保持供电稳定，尤其在建筑物也需要供热的情况下。

由单向供电走向双向的社区市场

传统上，单一的本地运营者——称为配电系统运营商（DSO）——从大型批发市场购电，再向客户出售。在本文所研究的情景中，DSO 仍然担当中间人，但现在面对的不是被动的消费者，而是基于可再生能源的微电网。每个微电网将太阳能板、风力机、小型发动机、燃料电池、电池和本地供热设备捆绑在一起，为一组建筑提供服务。DSO 也可以使用热电联产装置、锅炉和热能储存来生产电力和热量，然后将二者卖给微电网。核心问题是：如何设置价格和能量交易，使得公用事业获利而微电网能降低成本？

允许微电网联合议价

大多数早期模型假设每个微电网单独与 DSO 谈判。这让大量决策权掌握在 DSO 手中：它为每个微电网制定不同价格，并主要关注满足电力需求，而把供热需求置于次要位置。本研究通过允许微电网合作来颠覆这一思路。当微电网形成联盟时，它们可以互相比较报价、在彼此之间交易能源，并在与 DSO 交涉时展示统一立场。作者构建了一个数学上的“二级”模型，其中上层的 DSO 决定从批发市场购入多少电力以及如何为微电网定价，而下层的微电网则决定如何使用其本地发电机、储能单元和可能的削减负荷措施以最小化日常成本。

将供热纳入清洁能源拼图

该框架的独特之处在于将热能和电力一并考虑。建筑不仅需要照明和电器的电力，还需要热水和空间供热。有效地提供热能会反过来改变对电网电力的需求。该模型允许 DSO 选择何时运行锅炉、何时启用既产热又发电的热电联产装置，以及何时对电力和热能储存进行充放电。通过将这些选择与面向微电网的实时价格协调，系统可以更好地利用可再生能源、避免不必要的燃料消耗，并减少“未供应能量”——即无法完全满足需求的时段。

微电网联手时会发生什么

作者在一个示例配电网络上测试了他们的方法，该网络包含一个 DSO 和四个可再生微电网，每个微电网在太阳能、风能、燃料电池和微型燃气轮机的组合及其电力和热量需求模式上各不相同。首先他们检验非合作情形，微电网只能从 DSO 购买电力；然后允许合作，使微电网可以相互交易并在与 DSO 交涉时扮演单一、更大型买方的角色。结果令人瞩目：合作将微电网的运行成本约降低了 9%，并将未供应能量减少了超过三分之一。为了保持竞争力，DSO 被迫降低其零售价格，与非合作情形相比在高需求时段尤其明显——在这些时段微电网本可更多依赖自身资源或邻居的供给。

价格变化下的弹性市场

研究还探讨了在批发电价不确定时系统如何运行。通过使用一系列可能的价格情景和稳健的“最坏情况”设定，作者表明即便当来自更大电网的电力变得更昂贵时，合作仍持续为微电网带来好处。在更严峻的条件下，DSO 的利润会缩小，因为它必须为电力支付更高费用，但又无法将零售价格大幅提高以免失去客户给本地发电和微电网间的点对点交易。这表明赋能本地能源社区可以使整体系统更灵活、对价格冲击更不敏感。

这对日常能源用户意味着什么

对非专业读者来说，结论很直接：当社区内的小型清洁能源系统被允许共享能源并联合议价时，除了垄断卖方外，其他各方通常都会受益。家庭和企业可以看到更低的账单和更少的停电；本地公用事业仍能盈利，但必须提供更合理的价格；整个能源系统在包括供热在内的燃料和设备使用上更高效。随着更多太阳能板、电池和智能控制的安装，像本文所示的模型指向这样一个未来：本地合作与新硬件一样，对构建更清洁、更可靠的电网至关重要。

引用: 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

关键词: 微电网, 可再生能源, 能源市场, 区域供热, 点对点能源交易