輔助配電網(wǎng)運(yùn)行的儲(chǔ)能研究綜述

王登科

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

近年來(lái)，由于DG大量接入電網(wǎng)，其接入點(diǎn)的隨機(jī)性及出力的不確定性，給電網(wǎng)的規(guī)劃運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了諸多問(wèn)題。由于各種負(fù)荷的快速增加，對(duì)能源的需求逐漸增大，負(fù)荷的峰谷差，波動(dòng)性也隨之?dāng)U大，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性要求不斷提高[1]。同時(shí)，由于各種小區(qū)域建筑物、住宅區(qū)等負(fù)荷的聚集，形成一個(gè)負(fù)荷整體，從而在一定程度上具有可調(diào)度性。電動(dòng)汽車(chē)（electric vehicle, EV）大量靈活的接入，也使得儲(chǔ)能配置及能量管理顯得尤為重要。但原有電網(wǎng)的慣性較弱，對(duì)各種輔助服務(wù)的需求也同樣在擴(kuò)大。儲(chǔ)能因其同時(shí)具有DG和負(fù)荷的特性，并且安裝地點(diǎn)靈活，調(diào)度方便，能夠大大減小DG對(duì)電網(wǎng)的沖擊性，更好的滿(mǎn)足負(fù)荷的要求。在電網(wǎng)中合理的規(guī)劃儲(chǔ)能，并調(diào)控其與其他的DG相互協(xié)調(diào)配合，更能夠?qū)φ麄€(gè)電網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在此背景下，本文對(duì)儲(chǔ)能的擴(kuò)展規(guī)劃，需求響應(yīng)及各方的經(jīng)濟(jì)性，參與輔助服務(wù)的應(yīng)用方式等進(jìn)行整理與分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更深層的探討。

1 儲(chǔ)能及電網(wǎng)的擴(kuò)展規(guī)劃

目前，儲(chǔ)能主要安裝于電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)和分布式電源側(cè)3個(gè)方面，用以延遲電網(wǎng)升級(jí)[2]，減少因高比例分布式新能源的接入引起的電網(wǎng)改造成本和由于可再生能源（renewable energy resource,RES）的波動(dòng)性而導(dǎo)致的限電損失。參與需求側(cè)管理可以降低因RES的隨機(jī)性對(duì)DR策略帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)成本[3]。以及跟蹤調(diào)度計(jì)劃出力，減少棄風(fēng)，增加風(fēng)電場(chǎng)的收益[4]，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，靈活性。

由于風(fēng)電的能量密度較低，若在進(jìn)行輸電網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展規(guī)劃時(shí)按照其最大發(fā)電功率計(jì)算，則會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能的過(guò)度配置，加大建設(shè)成本，而如果配置容量過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致棄風(fēng)而影響其收益[5]。文獻(xiàn)[6-7]均為針對(duì)輸電網(wǎng)和儲(chǔ)能的擴(kuò)展規(guī)劃，其中文獻(xiàn)[6]提出一種集中式的輸電規(guī)劃，運(yùn)用兩階段隨機(jī)混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃模型計(jì)算得出一個(gè)最佳的傳輸擴(kuò)展計(jì)劃，結(jié)果表明，最有價(jià)值的投資為加強(qiáng)主干輸電線(xiàn)路的輸電能力，提高區(qū)域間功率輸送，降低因各區(qū)域能量輸送限制而導(dǎo)致的損耗。然而，在不確定的情況下，能量存儲(chǔ)與擴(kuò)展決策之間的權(quán)衡并不那么容易衡量，儲(chǔ)能在提高擴(kuò)展決策效率的基礎(chǔ)上，其容量配置的經(jīng)濟(jì)性有待提高。因此，在文獻(xiàn)[7]中，作者提出在由投資者投資儲(chǔ)能的時(shí)候，需要考慮到輸電網(wǎng)的擴(kuò)展規(guī)劃對(duì)利益相關(guān)方的影響，提出一種三層模型用以?xún)?yōu)化在集中輸電擴(kuò)展規(guī)劃的條件下，最大限度的提高儲(chǔ)能的長(zhǎng)久利益，并在240母線(xiàn)的系統(tǒng)中得到論證。

目前，對(duì)于DG和儲(chǔ)能在配電網(wǎng)中的規(guī)劃可以看作兩類(lèi)：一類(lèi)是考慮自身因素進(jìn)行儲(chǔ)能或配電網(wǎng)的單一規(guī)劃，另一類(lèi)是儲(chǔ)能和配電網(wǎng)的聯(lián)合擴(kuò)展規(guī)劃。

對(duì)于第一類(lèi)，文獻(xiàn)[8]從配電網(wǎng)的角度利用二階錐規(guī)劃模型構(gòu)建了計(jì)及分布式電源和儲(chǔ)能裝置接入的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃模型,但其僅從考慮了配電網(wǎng)企業(yè)的投資和運(yùn)營(yíng)成本，并未考慮用戶(hù)的經(jīng)濟(jì)性成本。文獻(xiàn)[9]利用凸最優(yōu)潮流模型優(yōu)化含DG的配電網(wǎng)中的分布式儲(chǔ)能的選址定容，確定最佳季節(jié)的網(wǎng)絡(luò)配置和全局ESS的選址定容來(lái)達(dá)到減少節(jié)點(diǎn)電壓幅度偏差，線(xiàn)路阻塞，能源供應(yīng)成本以及ESS投資費(fèi)用，最大化儲(chǔ)能的配置效益。此外，還可通過(guò)添加用戶(hù)的響應(yīng)程度及用電需求[10]，用戶(hù)滿(mǎn)意度等約束條件，優(yōu)化儲(chǔ)能配置對(duì)源網(wǎng)荷的影響，從而優(yōu)化配電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度。

以上多是從配電網(wǎng)或儲(chǔ)能的單一角度進(jìn)行規(guī)劃，而對(duì)于兩者的聯(lián)合規(guī)劃較少。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[11-12]進(jìn)行儲(chǔ)能和配電網(wǎng)的聯(lián)合規(guī)劃?？蓮呐潆娋W(wǎng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行轉(zhuǎn)入儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)配置的角度進(jìn)行聯(lián)合擴(kuò)展規(guī)劃，或從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮聯(lián)合規(guī)劃中各投資方的經(jīng)濟(jì)效益以及儲(chǔ)能配置。文獻(xiàn)[11]從規(guī)劃-運(yùn)行聯(lián)合優(yōu)化的角度規(guī)劃了配電網(wǎng)的線(xiàn)路改造和新建以及DG和ESS的選址定容，并由區(qū)域能源供應(yīng)商承擔(dān)DG和ESS的投資費(fèi)用，在供應(yīng)商不損失的情況下最大化配電網(wǎng)的利益。文獻(xiàn)[12]利用基于領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者策略的啟發(fā)式算法解決三層規(guī)劃問(wèn)題，配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商基于最小化成本決策配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分布式發(fā)電商最大化ESS和RES的年凈現(xiàn)值配置ESS和RES，最后基于運(yùn)行策略?xún)?yōu)化配置。儲(chǔ)能配合電網(wǎng)規(guī)劃，其產(chǎn)生的效益一般不全屬于投資主體，以投資主體的利益優(yōu)化儲(chǔ)能的配置具有實(shí)際意義，但運(yùn)行中的隱性?xún)r(jià)值有待發(fā)掘，減少規(guī)劃過(guò)程中因配置成本過(guò)高而影響配置的可行性。

文獻(xiàn)[13]利用混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃解決兩階段含儲(chǔ)能的配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃。兩階段協(xié)同優(yōu)化配置成本，交易成本以及運(yùn)行的可靠性。上層最小化ESS的投資成本決策線(xiàn)路的添加和變更以及ESS的配置成本，下層以配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ESS的運(yùn)行策略及交易策略?xún)?yōu)化上層配置。目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：t為規(guī)劃周期，i為收益折扣比，CI為投資成本，CM為維修成本，CP為電力交易成本，CO為停電成本，VL為失負(fù)荷的數(shù)目，rex,t為極限日?qǐng)鼍跋碌臄嚯娯?fù)荷，rsc,t典型日?qǐng)鼍跋碌臄嚯娯?fù)荷。

約束條件包括配電網(wǎng)中KCL和KVL，潮流約束，結(jié)構(gòu)約束，儲(chǔ)能的運(yùn)行約束。

其中：系統(tǒng)性約束條件包括KCV，KVL和潮流約束等。例如，KCL如下：

儲(chǔ)能的運(yùn)行約束條件如下：

綜合以上規(guī)劃研究可發(fā)現(xiàn)，目前儲(chǔ)能用于拓展規(guī)劃的，大多用于以經(jīng)濟(jì)性或以經(jīng)濟(jì)加技術(shù)性為目標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型或隨機(jī)規(guī)劃模型，利用遺傳算法，啟發(fā)式算法等求解得到。此外，在利用儲(chǔ)能延遲網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的過(guò)程中，多出現(xiàn)各方利益主體，由于投資方的不同而出現(xiàn)不同的規(guī)劃運(yùn)營(yíng)模式，這一運(yùn)營(yíng)模式也可深入探討。

2 儲(chǔ)能用于需求響應(yīng)

由于RES的大量接入以及負(fù)荷響應(yīng)的不確定性，電路的穩(wěn)定運(yùn)行受到極大的挑戰(zhàn)，而儲(chǔ)能作為能夠快速響應(yīng)的資源，在電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行中起到越來(lái)越重要的作用。儲(chǔ)能參與DSR不但能夠有效的實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷, 進(jìn)行差價(jià)套利，能夠降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn), 減少斷電成本；而且能夠降低用戶(hù)用電成本,提高用戶(hù)側(cè)效益,提高響應(yīng)程度，減少負(fù)荷側(cè)因用戶(hù)響應(yīng)而產(chǎn)生的不確定性。此外，由于EV具有充放電一體的特性，隨著接入量逐漸增多，優(yōu)化其運(yùn)行狀態(tài)及能量管理顯得至關(guān)重要[14]。

目前，儲(chǔ)能參與DSR的研究受到廣泛的關(guān)注。文獻(xiàn)[15]以微電網(wǎng)收益最大化和最優(yōu)可靠性為目標(biāo)，考慮儲(chǔ)能對(duì)于需求側(cè)的影響，利用迭代算法求解轉(zhuǎn)移負(fù)荷的用戶(hù)、分時(shí)電價(jià)下進(jìn)行負(fù)荷響應(yīng)的用戶(hù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的合作博弈，提高了配置光儲(chǔ)的效率。

由于市場(chǎng)的逐漸開(kāi)放，多種利益主體的出現(xiàn)，發(fā)電商也可負(fù)責(zé)投資儲(chǔ)能，光伏(photovoltaic,PV)，并負(fù)責(zé)其運(yùn)營(yíng)以達(dá)到凈收益現(xiàn)值最大。由于參與需求響應(yīng)的用戶(hù)很難作為一個(gè)整體，通過(guò)負(fù)荷聚合商(Load aggregators,LAs)將居民用戶(hù)和工商業(yè)用戶(hù)一起考慮[16]，并由LAs安裝儲(chǔ)能解決因用戶(hù)響應(yīng)的不確定性而導(dǎo)致LAs違約所報(bào)電量，在儲(chǔ)能配置經(jīng)濟(jì)效益最大化的條件下增加供電可靠性。用戶(hù)側(cè)配置儲(chǔ)能不僅能夠?qū)τ谪?fù)荷側(cè)參與DSR產(chǎn)生影響，提高負(fù)荷側(cè)的效益，也能夠借此優(yōu)化配合配電網(wǎng)的運(yùn)行。通過(guò)對(duì)負(fù)荷側(cè)多種負(fù)荷的劃分，細(xì)化各種負(fù)荷在參與DSR的作用，考慮各種包含基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷，如空調(diào)，冰箱等，利用溫控的方式將其轉(zhuǎn)化為虛擬儲(chǔ)能進(jìn)行需求響應(yīng)，降低光伏的間歇性,從而提高供電可靠性及提高用電效率[17]。在此基礎(chǔ)上配置儲(chǔ)能能夠更大程度的開(kāi)發(fā)負(fù)荷側(cè)資源，優(yōu)化資源結(jié)構(gòu)也值得深入研究。

以上主要是以用戶(hù)為導(dǎo)向進(jìn)行儲(chǔ)能配置,而需求側(cè)響應(yīng)可分為系統(tǒng)導(dǎo)向型和用戶(hù)導(dǎo)向型,系統(tǒng)導(dǎo)向型主要是站在系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者的角度,研究含需求響應(yīng)資源的發(fā)電經(jīng)濟(jì)調(diào)度[18],文獻(xiàn)[19]則是以最小化年發(fā)電成本建立了混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃模型調(diào)度需求響應(yīng)和控制反彈效應(yīng)，使其反彈效應(yīng)與高風(fēng)力發(fā)電和低負(fù)荷時(shí)間相適應(yīng)，以減少棄風(fēng)。研究了能量存儲(chǔ)和DSR調(diào)度對(duì)減少風(fēng)能的影響，并比較了不同儲(chǔ)能組合的有效性。這些多是考慮儲(chǔ)能對(duì)于需求響應(yīng)自身的影響，沒(méi)有從兩者組合的角度來(lái)考慮其整體的經(jīng)濟(jì)性。由于市場(chǎng)開(kāi)放，用戶(hù)的類(lèi)型逐漸增多，更多種類(lèi)的利益相關(guān)主體將會(huì)出現(xiàn)，如DSR聚合商，及與之相配合的各種聯(lián)營(yíng)等會(huì)對(duì)負(fù)荷側(cè)的資源進(jìn)行劃分,儲(chǔ)能配置成本的逐漸降低及其快速反應(yīng)的特性使其更廣泛的參與需求側(cè)響應(yīng)。

儲(chǔ)能參與DSR，LAs，DSR聚合商等利益主體的出現(xiàn)，使得不僅可以用來(lái)輔助套利，也可以更多的參與到市場(chǎng)中，如負(fù)荷與負(fù)荷之間在調(diào)節(jié)好公平性的情況下自行交易[20]?；蛘哂捎谳o助服務(wù)市場(chǎng)的逐漸展開(kāi)，改變其投資模式，更加契合實(shí)時(shí)電價(jià)及提高經(jīng)濟(jì)性和可靠性。由于負(fù)荷種類(lèi)的增加，更多可參與需求響應(yīng)的資源的出現(xiàn)，如電動(dòng)汽車(chē)充電站等在一定程度上具有儲(chǔ)能的效果，也可延遲電網(wǎng)的擴(kuò)展，對(duì)于儲(chǔ)能的配置也產(chǎn)生了一定的影響。

3 儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)

由于諸如風(fēng)電，光伏等新能源的不斷并網(wǎng)以及負(fù)荷種類(lèi)的不斷增多，使得電網(wǎng)對(duì)于調(diào)峰調(diào)頻,調(diào)壓等輔助服務(wù)的要求越來(lái)越高。而原有電網(wǎng)因?yàn)閼T性不足，不足以跟蹤新能源的強(qiáng)波動(dòng)性，儲(chǔ)能因其靈活性及技術(shù)的改進(jìn)，使得儲(chǔ)能應(yīng)用于輔助服務(wù)快速發(fā)展。目前，儲(chǔ)能多以集中式的形式參與輔助服務(wù)，多用于風(fēng)電場(chǎng)，將其作為風(fēng)電場(chǎng)的一部分，該種運(yùn)行方式大多利用儲(chǔ)能來(lái)優(yōu)化電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，而并沒(méi)有利用電網(wǎng)自身的資源來(lái)從宏觀(guān)的角度提高自身的效益。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度考慮儲(chǔ)能配置參與輔助服務(wù)市場(chǎng)。文獻(xiàn)[21-22]從電壓管理和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化配置的角度出發(fā)，利用儲(chǔ)能解決應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償時(shí)無(wú)法填補(bǔ)有功缺額的問(wèn)題，同時(shí)改善電壓偏移，提高配網(wǎng)的供電能力。文獻(xiàn)[21]提出由儲(chǔ)能結(jié)合能源管理系統(tǒng)(energy management system, EMS)在滿(mǎn)足光伏并網(wǎng)的要求及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)收益的條件下，考慮儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)，利用EMS進(jìn)行削峰，跟蹤發(fā)電以及減少線(xiàn)損，并比較了不同電池對(duì)于電網(wǎng)的影響及其經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[22]考慮影響儲(chǔ)能生命周期的四個(gè)因素進(jìn)行雙層目標(biāo)優(yōu)化，上層以最小化能量損失為目標(biāo)，下層最小化DG和ESS的投資成本，得到符合電壓調(diào)整的儲(chǔ)能的選址定容，利用精英非劣排序遺傳算法Ⅱ進(jìn)行求解。儲(chǔ)能的接入不僅對(duì)電網(wǎng)的電壓質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，同樣對(duì)影響電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度的頻率也有較大的改善空間。文獻(xiàn)[23]則是從調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用的角度，考慮多種ESS的容量和功率及其各自的荷電狀態(tài)統(tǒng)一操作，提出一種最優(yōu)的能量分配策略進(jìn)行分配，并提出兩個(gè)指標(biāo)用以評(píng)價(jià)頻率偏移其指標(biāo)的次數(shù)和時(shí)長(zhǎng)：頻率概率損失和持續(xù)概率損失。但是當(dāng)前仍然存在一些問(wèn)題，一方面由于儲(chǔ)能的分配大多是依據(jù)調(diào)頻信號(hào)來(lái)分配常規(guī)機(jī)組和儲(chǔ)能的出力差異，需要大幅度的調(diào)整機(jī)組的出力以配合輔助服務(wù)，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響，同樣，對(duì)于儲(chǔ)能的頻繁調(diào)度會(huì)影響儲(chǔ)能的壽命，進(jìn)而影響儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)前，我國(guó)電力市場(chǎng)還未開(kāi)放輔助市場(chǎng)，輔助服務(wù)的綜合配置仍是一個(gè)難題。由于市場(chǎng)對(duì)于輔助服務(wù)的需求量與儲(chǔ)能所配置的容量的差異較大，導(dǎo)致儲(chǔ)能單一的參與輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性不足，因而需要在結(jié)合自身參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的同時(shí)，盡可能的利用其他時(shí)刻的應(yīng)用來(lái)提高配置儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。而儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)的容量與其自身配置的成本，影響了儲(chǔ)能放電上網(wǎng)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)力。

然而，由于負(fù)荷種類(lèi)的增多及需求側(cè)的快速發(fā)展，使得ESS配合負(fù)荷用于輔助服務(wù)的方式得以發(fā)展，并且由于市場(chǎng)的放開(kāi)，多利益主體的出現(xiàn)，在參與輔助服務(wù)的同時(shí)，會(huì)涉及到多個(gè)主體的參與方式及經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)。文獻(xiàn)[24]提出一種多可再生分布式發(fā)電與儲(chǔ)能聯(lián)合選址定容的經(jīng)濟(jì)效益方法?？紤]可再生發(fā)電機(jī)組所有者利益的同時(shí)，降低了配電公司成本?？稍偕姆植际桨l(fā)電滿(mǎn)足電網(wǎng)需求使儲(chǔ)能主要用于調(diào)峰。公司通過(guò)減少能量損失獲取經(jīng)濟(jì)效益。此外，儲(chǔ)能還能輔助風(fēng)電場(chǎng)參與黑啟動(dòng)[25]等，用戶(hù)可在輔助服務(wù)市場(chǎng)合理的選擇自己所配備的資源以及參加的輔助服務(wù)來(lái)提高自身的收益以及有利于網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著可再生能源的發(fā)展以及負(fù)荷種類(lèi)的增多，對(duì)于電網(wǎng)的要求程度也越來(lái)越高，儲(chǔ)能的擴(kuò)展規(guī)劃雖能影響網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，但由于各種小型微網(wǎng)的存在，使得儲(chǔ)能的效果不一定能達(dá)到預(yù)期，在此基礎(chǔ)上，需要增加一些控制設(shè)備，更有利于電網(wǎng)達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行狀態(tài)。此外，還要考慮到擴(kuò)展規(guī)劃中的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的影響，防止出現(xiàn)進(jìn)一步的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

由于云儲(chǔ)能思想的提出，以后儲(chǔ)能之間的交易會(huì)更加的便捷，而相應(yīng)的對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)中的電子設(shè)備要求提高，同樣也需要做好相應(yīng)的控制監(jiān)督工作。由于儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)等對(duì)電網(wǎng)的影響也在擴(kuò)大，儲(chǔ)能與負(fù)荷協(xié)調(diào)，各種負(fù)荷之間的協(xié)調(diào)以及負(fù)荷聚合商協(xié)調(diào)下的參與輔助服務(wù)亦值得進(jìn)一步研究。

對(duì)于儲(chǔ)能參與市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的方面，可以考慮像充電站那樣獨(dú)立開(kāi)來(lái)，單獨(dú)作為一種電網(wǎng)資源參與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，有相應(yīng)的儲(chǔ)能聚合商等進(jìn)行投資運(yùn)營(yíng)，并從其中獲得相應(yīng)的利益，同時(shí)也可以獨(dú)立參與輔助服務(wù)市場(chǎng)。

隨著各種DG的并網(wǎng)，儲(chǔ)能因其特性得到快速發(fā)展并逐漸得到擴(kuò)大運(yùn)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)的參與促進(jìn)了各種能源之間的相互協(xié)調(diào)，相互轉(zhuǎn)換，利于滿(mǎn)足用戶(hù)的各種需求，促進(jìn)形成一個(gè)多級(jí)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)的新型電網(wǎng)形態(tài)。