考虑多主体电力负荷不确定性的工业园区共享储能配置与运行策略

潘倩华 林健全 孙伟卿

摘  要： 工業园区是未来智能电网建设的重点领域之一，但是其电力需求主体多样，光伏、风电及负荷功率不确定性较大，易对园区供电系统运行的安全性造成威胁，同时也影响用户用电经济性。合理配置储能系统可以有效缓解以上问题，但是以目前的技术经济性，储能设备投资成本高，回报周期长，难以有效吸引投资。本文考虑储能系统的多重价值，以储能综合效益最优为目标，建立优化共享储能配置与运行策略的二层规划模型。考虑园区内光伏的不确定性，上层规划模型以全寿命周期内静态综合经济效益最优为目标求解共享储能配置容量，下层运行模型以共享储能收益最大化为目标求解其最优运行策略。采用鲁棒优化算法求解上述不确定性模型，通过上下层模型之间的迭代计算确定共享储能的最优配置和运行策略。最后，以上海某园区为例进行仿真分析，结果表明，合理配置共享储能能够平抑多主体电力负荷需求的不确定性，有效提高清洁能源利用率，并在储能与多主体用户之间形成共赢。

关键词： 共享储能;配置与运行;二层规划;鲁棒优化

中图分类号： TP29    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.054

本文著录格式：潘倩华，林健全，孙伟卿. 考虑多主体电力负荷不确定性的工业园区共享储能配置与运行策略[J]. 软件，2020，41（07）：260-263+296

Configuration and Operation Strategy of Shared Energy Storage ConsideringMulti-body Power Load Uncertainty in Industrial Parks

PAN Qian-hua， LIN Jian-quan， SUN Wei-qing

（University of Shanghai for Science and Technology， Department of Electrical Engineering， Yangpu District， Shanghai 200093， China）

【Abstract】： Industrial park is one of the key areas for smart grid construction in the future. However， the uncertainty of photovoltaic， wind and load power poses threats to system operation safety， and also affects users economy. Energy storage system can effectively alleviate the above problems， but the investment cost of energy storage equipment is high. This paper considers the multiple values of energy storage systems， and aims to establish a two-layer planning model for shared energy storage configuration and operation strategy with the goal of optimal energy storage efficiency. The upper layer planning model solves the shared energy storage configuration capacity with the goal of the static comprehensive life cycle cost， and the lower layer operation model aims to maximize the shared energy storage revenue. Robust optimization algorithm is used to solve the above uncertainty model， and the optimal configuration and operation strategy of shared energy storage are determined by iterative calculation between the upper and lower layers. Finally， a simulation analysis of an industrial park in Shanghai shows that all the algorithm and models are efficient. Through the rational configuration of shared energy storage， the uncertainty of power load can be stabilized， the utilization of renewable energies can be improved， and a win-win solution can be realized between energy storage and multi-body loads.

【Key words】： Shared energy storage; Configuration and operation; Two-tier planning; Robust optimization

0  引言

近年来，随着经济水平的快速发展，以工业园区^[1]为载体的工业化是推动城镇经济发展的有效途径，在我国各地工业园区有如雨后春笋般的建立起来。工业园区聚集了多种电力用能主体，区域內用能负荷总量大，随着工业园区在国内的迅速建设与发展，工业园区未来智能电网^[2]建设的重要领域之一。但是工业园区电力能源使用情况多变，每日的高峰用电与低谷用电量相差较大;

能源结构复杂，园区内已有光伏，风电等无法完全消纳，同时增加了园区内电力系统的不稳定性和用户的用电成本。

目前较好的解决方式是通过引入储能系统来实现削峰填谷和不连续性清洁能源的消纳。最主要的储能方式是通过建立水电站或大坝抽水蓄，但这种方式在大部分工业园区很难实现储能。用户自行独立购买储能设备，考虑到目前的技术经济性，储能设备投资成本高，回报周期长，难以有效吸引投资。所以本文就经济效益考虑使用共享储能模式^[3]，通过高放低充实现储能收益，同时储能装置可以和园区内其他已有清洁能源用户实现共享，能够及时有效的消纳园区内多余的风力，光伏等不连续性能源^[4]。

本文重点阐述了工业园区共享储能配置与运行的二层规划^[5]，并分析了园区内存在的不确定性问题，基于园区用电日负荷曲线，采用随机优化算法^[6]和上下层模型迭代达到利益最大化，并结合实际算例验证了共享储能的可行性和优势。

1  共享储能装置的成本效益模型分析

1.1  成本模型

（1）初期投资成本

1.2  效益模型

（1）减少用户购电费用中的电量电费

用户利用储能装置的削峰填谷作用，减少其购电费用中的电量电费为：

2  基于二层规划的储能优化配置模型

2.1  上层模型

上层规划模型以实现用户侧储能装置全寿命周期内的静态经济综合效益最大化为目标，该综合效益包括两个部分：一个是储能装置的全寿命周期成本;一个是其在寿命周期内所产生的总效益。其数学模型为

2.2  下层模型

（1）规划模型

（2）约束条件

1）充放电容量约束

储能装置每次的充放电容量应小于其额定容量，且每天内总的充放电总容量均应大于0。为了保证电池的使用寿命尽可能的长，应使每日的放电容量近似等于充电容量。

2）时序约束

为了简化计算并体现储能的经济价值，将储能的放电时间段限定在高峰电价时间段内; 将储能的充电时间段限定在低谷电价时间段内，下一次的充放电起始时刻应晚于本次充放电的终止时刻。

3）SOC约束

蓄电池储能装置的荷电状态（state of charge，SOC）即其剩余容量与完全充满电状态的容量之比，取值范围为0～1，用符号表示。蓄电池储能装置的过充过放均会降低其使用寿命，所以应将其限定在一个合理的范围内[^7]。

2.3  不确定性处理

考虑可再生分布式能源为光伏能源，光伏实际出力与实际负荷功率会在预测值的上下范围波动，采用盒式不确定集U刻画系统的不确定性为[^8]

3  求解算法

本文虽为二层模型，但其中包含不确定性因子，所以先采用鲁棒优化[^9]，其求解模型如下。

将问题转换为确定性问题后，再利用粒子群优化算法[^10]对确定的二层规划算法进行求解。对于其中带不等式约束的优化问题，本文采用罚函数的外点法对约束条件进行处理，其定义如下。

模型的算法流程图如图1所示。

4  算例分析

以上海某3家实际10 kV电压等级的企业用户为例来对用户侧储能装置的综合效益最优运行策略进行分析计算。用户1为两班制企业用户，对供电可靠性要求较高，其典型日负荷如表1所示。由表1可以得出用电高峰时间段大概为9：00—11：30和13：30—17：00;用电低谷时间大概为晚上21：00至第二天早上7：00。用户2为早班制企业，其典型日负荷如表2所示。由表2可以得出用电高峰时间段大概为4：00—10：00;用电低谷时间大概为下午14：00至第二天早上3：30。用户3为光伏发电厂，其日发电量如下图1。电网电价机制采用上海市某配电站的分时电价，峰价为0.108万元/MWh，时间段为 8：00—22：00;谷价为0.0408万元/MWh，时间段为22：00—8：00。共享储能电价为峰价为0.0780万元/MWh，时间段为8：00—22：00;谷价为0.0490万元/MWh，时间段为22：00—8：00。

利用粒子群优化算法对该算例进行仿真分析，可得图6结果。

综上所述，可以得出以下结论：

（1）共享储能商在储能装置的全寿命周期 10 年内获得的最大综合效益约为1383.3万元，成本约为1297万元，平均年净收益为138.33万元，平均年利润率约为10.7%。用户可在9年左右回收成本。用户购电是其主要效益来源。

（2）对于光伏发电厂家提供的不确定负荷，由鲁棒优化求解得到其最坏情况下的供电量，即每小时售给共享储能商0电量。

（3）对于共享储能商来说，储能装置每年为其带来的净收益为10万元左右，其中很大一部分来源于购电差价，虽然使用用户的增加可以带来效益的增加，但目前峰谷电价差不明显，且蓄电池储能装置的造价较高，并不能从根本上提高效益。但是，随着储能技术的进步和我国电价机制的逐步成熟，峰谷电价差的拉大将有利于实现共享储能商效益的增加。所以随着蓄电池储能技术的逐渐成熟和我国电价机制的逐步完善，安装共享储能装置会带来良好的经济效益。

5  结论

本文提出了二层规划方法，用于计算工业园区共享储能考虑风电、光伏、负荷功率的不确定性的最优配置和运行策略。上层规划模型对储能装置的配置功率和配置容量进行优化，而下层规划模型则对储能装置的日充放电起始、终止时刻进行优化，从而实现了最终的综合效益最优。并使用随机优化算法进行计算，结果表明，通过高充低放及收购光伏发电，合理配置共享储能能够平抑多主体电力负荷需求的不确定性，有效提高清洁能源利用率，并在储能与多主体用戶之间形成共赢。未来，随着能源多元化，清洁能源的使用，储能成本的不断下降以及工程技术逐步完善，共享储能必将在工业园区发挥重要作用。

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