公寓建筑用户侧共享储能服务模型与运行策略

张子建

(国网北京市电力公司，北京 100031)

0 引言

随着我国经济的转变,住宅和商业建筑的用电量不断攀升,居民和日常商业电力用量越来越多。构建资源节约型社会是我国的基本国策,因而有必要探讨负荷侧提高电力使用效率,减少电费支出的有效方法。

储能技术可以实现电能的时空转移,有利于改善电力系统“峰谷差”,是提升电力使用效率的有效途径之一。但较高的使用成本,大大限制了储能技术的广泛应用。近年来,共享经济作为提高资源使用效率的新模式受到了大量关注,并被应用于“线上、线下”等诸多领域,产生了巨大经济效益。与此同时,共享思维也渐渐被引入到储能领域,如文献[1]指出,构建数字化、软件化的共享储能系统是时代所趋；文献[3]提出了发电侧共享储能策略,建立了基于合作博弈理论的发电侧共享储能规划模型；文献[4]重点研究了电网侧储能电站的共享商业模式,着重讨论了电池本体的租赁策略；文献[5]分析了负荷侧社区共享储能微电网架构,建立了共享服务提供商和产销者效益模型。对于当前涌现出的各类共享储能方案,从应用场景来看,主要有三种实现方式：

(1) 源端共享储能。共享电源侧储能电站,主要用于储存新能源电力,减少弃风弃光,实现源端“储能于厂”。

(2) 网端共享储能。整合电网现有资源,可在变电站内增设储能接口,也可利用各类储能企业的储能资源,吸收弃风弃光电能和其他富余电能,削峰填谷,实现网端“储能于站”。

(3) 荷端共享储能。利用电动汽车或智能楼宇中的储能设备,在用电低谷期储能,高峰期放电,实现荷端“储能于民”。可见,通过在电力系统“源、网、荷”各个环节配置合适的共享储能设备,能够改善整个系统的运行效率。

不过,由于居民和日常商业等建筑类荷端电力消费占据了全社会能源消耗的很大比例,通过探讨荷端共享储能模式以提高荷端能源利用率,可直接减少个人日常电费开支、降低企业运营成本,对于当前“疫情”压力下藏富于民、减轻小微企业负担具有更直接的现实社会意义。尤其是近年来我国城市人口密度和土地价格的快速增长,有着更高能耗密度和较低能源利用率的公寓式建筑大量出现,建筑类多个用户通过共享使用运营商提供的储能系统,为荷端共享储能的实施和推广提供了极有利的条件。为尽可能地提高负荷侧电力使用效率,建立共享储能服务模型和相应的运行机制至关重要。文献[8]提出了基于区块链技术的电动汽车车联网平台能源共享运营模式；文献[9]阐述了工业园区共享储能方案,并建立了二层规划模型；文献[10]提出了一种P2P 荷端分布式储能共享商业模式。

为此,下面提出一种适用于拥有大量用户的公寓式建筑用户侧共享储能服务模型和运行策略。共享储能服务模型包括服务提供者机制和参与者决策过程,服务参与者主要为公寓式建筑中的用户。运行策略是在确定共享储能设备的数量、服务价格和选择参与者的基础上,通过拉格朗日松弛法优化分析以最大化共享服务联盟参与者的利益。最后,通过算例验证了共享模型及运行策略的有效性。

1 共享储能服务模型

本研究从储能成本模型出发,以服务参与者的利润最大化为前提,来构建共享储能服务模型,包括确定储能成本、参与者利润以及共享服务提供商利润。

1.1 储能成本模型

合适的储能成本是实施共享储能策略的前提和关键。储能装置的成本主要与储能本体材料和储能容量直接相关。在能量密度、功率密度、循环寿命、充放电次数、深度放电能力等多个指标上,由于锂电池与其他种类电池相比均具有一定的优势,故选用锂电池作为储能装置的能量存储载体。

平准化成本,也叫度电成本,是按服务时间划分的标准化成本,包括储能总资本支出(如容量成本)和运营支出(如运行与维护成本、税金)。在过去5 年时间里,锂电池的容量成本下降约36 %,预计到2030 年,锂电池的总安装成本可再降低54 %～61 %,并且其使用寿命还可增加约50 %[11]。总的来看,与当前成本相比,10 年后锂电池的平均成本将降低50 %以上。另外,研究已表明[12],储能平准化成本随储能容量的增加呈现指数型减小趋势,如图1 所示,因而规模经济理论适用于储能成本的分析和计算。

图1 储能度电成本随储能容量变化情况

综上所述,建立与储能容量相关的储能度电成本[13]：

式中,Fe表示储能装置单位容量的日均材料成本；SE表示储能装置的容量；α1,α2和α3为相关常系数。

为保证锂电池的较长使用寿命,锂电池不能过度放电,需要限制其最低电量,所以容量SE的锂电池实际最大放电量为：

式中,PE为实际最大放电量；ηmax和ηmin分别表示最大和最小剩余电量比率。

1.2 参与者经济模型

对参与者来说,利润定义为单独使用储能设备与使用共享储能服务之间的差值。例如,不共享储能设备时,某用户一天使用的储能电量为m,储能服务提供商电价定价为r,单独使用储能设备的成本为f。假设不共享储能设备和共享储能设备时用户使用储能电量相同,则成本将节省m·(f-r)。

假设用户i单独使用储能设备电量Si,最大放电量为Pi,则用户i需缴纳电费为Qi(Si),它们需满足以下条件：

式中,r0和rt分别表示t时刻的储能电价(考虑充放电效率,由低谷电价换算所得)和市电电价,元/kWh；T为储能设备最长使用时长,小时；DWit表示t时间间隔内使用的市电电量,kWh；CNit表示t时间间隔内使用储能设备电量,kWh。

那么,用户i单独使用储能设备所节省电费Y′i(Si)为：

考虑储能成本时,用户i的盈利Yi(Si)可表示为：

当用户i参与共享储能联盟时,储能设备成本Fe(Si) 将变为共享储能租金βFe(Sall)Pi,电价也将变为共享服务电价rg,因而用户i利润可计算为：

式中,rg为共享储能服务价格,rg由共享储能服务提供商定价,元/kWh；β为共享储能惩罚系数,β=1-CNit/Pi,Fe(Sall)Pi表示参与者i参与共享储能联盟占据储能成本,元/kWh,Sall为共享储能设备总容量,kWh。也就是说,若用户i每天都消耗掉所有协议电量,则不需缴纳储能成本。为此,可将参与者利润最大化问题转化为储能容量的优化问题,即：

第一个约束是通过储能获得正利润的基本约束,也就是说储能成本应少于使用储能设备所节省的电费；第二个约束条件表示共享储能售电价应该低于非共享时购电成本。

1.3 共享储能服务提供商经济模型

对于共享储能服务商来说,收益为服务价格和运营成本之间的边际收益。对于共享储能设备总容量Sall,服务商收益为：

式中,Pi*表示单元i所需的最佳储能容量,kWh。

则共享储能服务提供商经济模型为：

上式表明,服务提供商的利润取决于共享储能设备总容量Sall、共享储能服务电价rg和参与者联盟M。第一个约束表示服务商必须为正利润；第二个约束表示服务商需要满足每个参与者的需求。

2 共享储能服务运行策略

对于参与者来说,是否参与共享储能联盟取决于服务商的储能服务价格,同时服务价格又由参与者所需的储能容量决定。也就是说,服务商的利润模型(9)中各变量相互作用决定了服务商的利润。

基于拉格朗日松弛法,将式(9)描述的优化问题用拉格朗日乘子λ和ν表示如下：

将λ*=0 带入式(15),可得：

结合式(14),可得：

将式(18)带入式(8),整理可得：

式(19)说明,随着服务价格rg的上涨,价格红利会增大,但由于价格的增长,规模红利必会减小。这就意味着服务价格的确定需要综合考虑模型(7)和模型(9)。进一步使用基于迭代原理的梯度法,迭代确定最优服务价格：

式中,εi表示第i次迭代的步长；表示关于x的梯度运算。将梯度近似值作为迭代点之间的斜率,则服务价格可以表示为：

根据式(7)确定参与者联盟M的规模,确保联盟M具有正利润,同时假设服务商始终有权决定谁能参与联盟,那么,根据式(19)可知,服务商可以通过扩大联盟M的规模来提高收益。

最终,根据以下步骤确定最终服务价格：

(1) 假设服务价格为,终止条件为Δ,j=0。

(2)j=j+1。

(3) 根据式(7)计算每个参与者获得最大利润时储能容量Si*。

3 仿真与分析

3.1 参数设置

为验证共享储能服务模型和运行策略的有效性,选取北京某栋公寓式建筑作为研究对象。根据其电力消费情况,将其一天中的用电时段分为三个：高峰期(10 时—15 时,18 时—21 时),普通期(7 时—10 时,15 时—18 时,21 时—23 时)和低谷期(23 时—7 时)。根据北京市分时电价机制,三个时段所对应的电价分别为1.324 0 元/kWh,0.805 3 元/kWh 和0.311 6 元/kWh。图2 给出了2019 年该栋公寓中用电量较大的5 家用户的每日用电量。

图2 5 家用户日用电量负荷曲线

根据式(7)描述的参与者模型,首先确定模型所需的相关参数。通过拟合文献[12-13]中的数据得出α1,α2和α3的取值分别为1.530 7,0.006和0.556 6；储能设备最高和最低剩余电量比ηmax和ηmin分别取1 和0.2。模型相关参数取值如表1所示。

表1 模型相关参数

3.2 参与者与共享储能服务提供商效益仿真

运用模型(6)、(7)获得五家单位最优储能容量如表2 所示。

表2 五家单位最佳储能容量

将相关参数和5 家单位用电情况带入模型(9),可求解出每家公司度电成本如表3 所示。

表3 每家公司度电成本

经迭代运算可得共享储能最佳总容量为：

此时共享储能的度电成本为：

3.3 效益对比

5 家单位单独使用储能设备时年效益与参与共享储能联盟时年效益对比如图3 所示。由于较高的储能成本,当用户不参与共享储能且使用较小容量的储能设备时,储能并未给用户带来收益,反而会造成亏损。当用户参与共享储能时,无论协议储能容量大小参与者都能获得收益。当用户所需协议储能容量过大时,虽能获得收益,但与不参与共享储能时相比效益几乎相等甚至小于不参与共享时效益,因此该类用户将不会参与共享储能联盟。

当储能成本降低时必然会造成参与者效益的变化,图4 为储能成本降低30 %时5 家用户不参与共享和参与共享时年效益。对比成本降低前效益图不难发现,在不参与共享时,储能成本的降低使得小容量用户由负效益转为正效益,因此储能成本的降低会吸引更多的用户安装储能设备。但对于中小容量用户来说,参与共享储能所获得的效益依然大于非共享时效益,且大于成本降低前效益,同时无需承担自己安装储能设备所需的较高一次性支出。因此对于该共享储能模型来说,中低容量用户参与共享储能将获得更多的收益。

图3 5 家用户不参与共享与参与共享时年效益

图4 储能成本降低30 %时效益对比

4 结论

提出了一种用户侧共享储能服务模型与运行策略。首先分别从参与者和共享储能服务提供商两方面介绍了共享储能模型,服务商从储能设备安装成本和共享服务价格之间的差额中获利；同时提出了共享储能服务策略,策略的重点是根据参与者最优容量确定共享储能服务总容量和服务价格；最后通过案例验证了该模型的有效性,研究发现当企业日用电量较大时参与共享储能带来经济效益与单独使用储能设备时几乎相同,但需要承担用电量不稳定需要缴纳储能成本的风险,同时共享储能服务提供商收益相对较少。因此该模型适用于用电量中低水平用户。