考慮用電形態(tài)相似度的多用戶共享儲(chǔ)能投資決策

劉繼春，陳雪，向月＊，張銳鋒，劉俊勇

（1.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川省 成都市 610065；

2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州省 貴陽(yáng)市 550000）

0 引言

隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展，其在電力系統(tǒng)中的重要性日益提升。但是可再生能源發(fā)電具有明顯的隨機(jī)性和波動(dòng)性，導(dǎo)致電力系統(tǒng)過(guò)載和電壓偏差等問(wèn)題，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性[1-2]。儲(chǔ)能（energy storage,ES）由于兼具電源與負(fù)荷雙重特性，可以將電能生產(chǎn)與消費(fèi)解耦，既能有效解決可再生能源的反調(diào)峰特性，也可以通過(guò)在時(shí)間尺度上轉(zhuǎn)移負(fù)荷來(lái)削峰填谷、提高供電可靠性以及降低用戶購(gòu)電成本[3]。當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)和用戶側(cè)都有示范應(yīng)用，其中用戶側(cè)儲(chǔ)能占比最大[4]。但在用戶側(cè)儲(chǔ)能的推廣過(guò)程中，由于其成本較高且市場(chǎng)盈利模式不明確，造成投資回報(bào)預(yù)期不確定，成為儲(chǔ)能商業(yè)化發(fā)展的主要阻礙[5]。

共享儲(chǔ)能是在共享經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的趨勢(shì)下產(chǎn)生的新型儲(chǔ)能投資理念，是指多個(gè)用戶共同投資運(yùn)營(yíng)一套儲(chǔ)能設(shè)備[6]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)模式和綜合效益的研究已經(jīng)取得了一些成果。文獻(xiàn)[7]提出了利用共享儲(chǔ)能結(jié)合需求側(cè)響應(yīng)進(jìn)行家庭能源管理的方式，共享儲(chǔ)能由社區(qū)用戶和配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商共同投資，在降低用戶購(gòu)電成本的同時(shí)延緩配電網(wǎng)的投資改造。文獻(xiàn)[8]提出多用戶共享虛擬儲(chǔ)能的容量配置方法，針對(duì)共享虛擬儲(chǔ)能的運(yùn)營(yíng)者以及用戶之間的交易建立了兩階段優(yōu)化模型，優(yōu)化結(jié)果顯示管理者所需儲(chǔ)能容量以及用戶購(gòu)電成本都明顯降低。文獻(xiàn)[9]提出基于產(chǎn)能用戶的集成儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)能源共享和管理的模型，通過(guò)多個(gè)產(chǎn)能用戶共享儲(chǔ)能進(jìn)行能源的傳遞，使其擺脫設(shè)備調(diào)度和直接負(fù)荷控制在需求側(cè)管理中的限制，進(jìn)一步減小供需不平衡，提升用戶效益。文獻(xiàn)[10]提出了多用戶共享儲(chǔ)能的能源管理方法，通過(guò)給定利潤(rùn)系數(shù)優(yōu)化共享儲(chǔ)能的充放電過(guò)程，并通過(guò)算例驗(yàn)證了共享儲(chǔ)能可以將用戶利潤(rùn)提升10%。文獻(xiàn)[11]針對(duì)社區(qū)綜合能源系統(tǒng)，以用戶集體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，建立了包括光伏發(fā)電裝置、熱電聯(lián)供以及共享儲(chǔ)能設(shè)施在內(nèi)的多用戶協(xié)同優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[12]提出發(fā)電側(cè)共享儲(chǔ)能機(jī)制，并建立了基于合作博弈理論的共享儲(chǔ)能規(guī)劃模型，通過(guò)實(shí)際風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)檢驗(yàn)了聯(lián)盟的整體理性、參與者的個(gè)體理性和聯(lián)盟的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[13]提出了以促進(jìn)可再生能源消納為目標(biāo)的共享儲(chǔ)能商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，并討論了區(qū)塊鏈技術(shù)在共享儲(chǔ)能交易中的應(yīng)用前景，為中國(guó)共享儲(chǔ)能的發(fā)展提出了建議。

綜上，當(dāng)前關(guān)于共享儲(chǔ)能的研究主要集中于不同投資主體側(cè)共享儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)效益的定量分析，但是未對(duì)共享儲(chǔ)能投資效果，例如儲(chǔ)能凈效益和投資回收周期進(jìn)行分析計(jì)算和評(píng)價(jià)。此外，共享儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于各用戶單獨(dú)配置儲(chǔ)能的原因在于利用多個(gè)用戶負(fù)荷曲線的相似性或者互補(bǔ)性提高儲(chǔ)能利用率，從而在保證經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)減少投資成本，但是現(xiàn)有研究未對(duì)利用負(fù)荷曲線形態(tài)的相似度如何更大程度實(shí)現(xiàn)共享儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行深入分析。

本文針對(duì)多用戶共享儲(chǔ)能投資決策，首先用全壽命周期分析方法建立了儲(chǔ)能年綜合效益模型和以用戶集體總購(gòu)電成本最低為目標(biāo)函數(shù)的多用戶共享儲(chǔ)能的投資決策模型；之后提出了用電形態(tài)相似度計(jì)算方法；最后，通過(guò)算例展示了投資決策過(guò)程，比較了用戶單獨(dú)配置儲(chǔ)能與共享儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性，比較了高相似度用戶集體和低相似度用戶集體的共享儲(chǔ)能優(yōu)化結(jié)果和效益。

1 用戶側(cè)儲(chǔ)能綜合效益評(píng)估

在源、網(wǎng)、荷不同安裝位置和不同功能設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)有著不同的效益，本章構(gòu)建用戶側(cè)儲(chǔ)能裝置的綜合效益評(píng)估方法。

1.1 峰谷價(jià)差效益

對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)之后，利用分時(shí)電價(jià)機(jī)制，在低電價(jià)時(shí)段充電、高電價(jià)時(shí)段放電可以獲得峰谷價(jià)差效益，這也是最為普遍的儲(chǔ)能盈利方式[14]。假設(shè)一年中每天的用電曲線相同，則儲(chǔ)能每年的峰谷價(jià)差效益具體可表示為

式中：Ptdis、Ptc分別為t時(shí)刻儲(chǔ)能的放電功率和充電功率，MW；T為一天內(nèi)的優(yōu)化時(shí)段，h；Δt為時(shí)間間隔，h；Rt為t時(shí)刻電價(jià)，元/MWh。

1.2 用戶變壓器投資效益

對(duì)于大中型用戶，停電會(huì)對(duì)其造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此為保證其供電可靠性，通常會(huì)申請(qǐng)安裝專用配電變壓器，并由其承擔(dān)投資成本。安裝儲(chǔ)能裝置后，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在用電高峰時(shí)放電，降低了對(duì)電網(wǎng)峰值供電的需求，從而可以減小配電變壓器的容量，即降低變壓器投資成本，獲得減少變壓器投資的效益[15]，折算至年效益可表示為

式中：為變壓器的資金回收系數(shù)；ftran為變壓器初始投資成本；δy為儲(chǔ)能削峰率；Ppeak,y、P 'peak,y分別為安裝儲(chǔ)能設(shè)備前后用戶負(fù)荷峰值，MW；α為變壓器安裝費(fèi)用在設(shè)備造價(jià)中的占比；Cd為用戶側(cè)變壓器單位容量造價(jià)，元/MW；K為變壓器負(fù)載率；cosφ為功率因數(shù)；Ttran為變壓器壽命周期，a；dr為折現(xiàn)率。

1.3 減少用戶停電損失效益

對(duì)于大中型用戶，停電導(dǎo)致的損失包括2部分：停電期間造成的直接經(jīng)營(yíng)損失和停電造成的產(chǎn)品報(bào)廢損失。儲(chǔ)能裝置可以作為備用電源在ms級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)供電到儲(chǔ)能供電的轉(zhuǎn)換，減少瞬間停電的產(chǎn)品報(bào)廢損失，隨后還可以減少用戶的經(jīng)營(yíng)損失，由此每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可表示為[16]

式中：RIEAR為用戶的停電損失評(píng)價(jià)，元/MWh；EENS為每次停電造成的用戶電量不足期望值，MWh；Ts為用戶每年總用電時(shí)間，h；As為電網(wǎng)供電可靠性；P0為用戶保證正常生產(chǎn)所需最小供電功率，MW；St為t時(shí)刻儲(chǔ)能內(nèi)的存儲(chǔ)電量，MWh；p{St＜EENS}為儲(chǔ)能裝置投入后，停電事故發(fā)生在剩余電量小于EENS的時(shí)刻的概率；λs為未投入儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)的故障停電率；λ's為投入儲(chǔ)能系統(tǒng)后的故障停電率；λb為儲(chǔ)能系統(tǒng)的故障率；rs、rb分別為市電和儲(chǔ)能系統(tǒng)的修復(fù)時(shí)間，h；Eλ為停電給用戶造成的損失，元/h。

1.4 政府補(bǔ)貼效益

由于當(dāng)前儲(chǔ)能的投資成本較高，為推廣儲(chǔ)能市場(chǎng)的發(fā)展，政府會(huì)按儲(chǔ)能的充電量對(duì)儲(chǔ)能投資者進(jìn)行補(bǔ)貼[17]，每年補(bǔ)貼效益可以表示為

式中：ess為單位儲(chǔ)能充電電量政府補(bǔ)貼，元/MWh。

綜上，分布式儲(chǔ)能為用戶帶來(lái)的綜合經(jīng)濟(jì)效益可表示為

1.5 分布式儲(chǔ)能全壽命周期成本建模

通常投資項(xiàng)目的全壽命周期由設(shè)備的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和清理3個(gè)過(guò)程組成[18]，儲(chǔ)能的全壽命周期成本則主要由初始安裝成本Cinv和運(yùn)行維護(hù)成本COP組成，利用資金回收系數(shù)將分布式儲(chǔ)能壽命周期內(nèi)的總成本折算至每年，具體表示為

式中：cpinv、ceinv分別為儲(chǔ)能的單位功率成本（元/MW）和單位容量成本（元/MWh）；Pmax、Erate分別為儲(chǔ)能的最大充放電功率（MW）和額定容量（MWh）；Cop,i為儲(chǔ)能第i年的單位運(yùn)行維護(hù)成本，元/MWh；ir為通貨膨脹率；LFn表示資金回收系數(shù)；NO為儲(chǔ)能實(shí)際運(yùn)行壽命，a。

因此分布式儲(chǔ)能的全壽命周期成本可表示為

綜上，分布式儲(chǔ)能在用戶側(cè)產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟(jì)效益減去其投資成本，即為利潤(rùn)，以一年為優(yōu)化周期，可以表示為

2 多用戶共享儲(chǔ)能投資決策模型

用戶側(cè)分布式儲(chǔ)能綜合效益評(píng)估是多用戶共享儲(chǔ)能容量配置過(guò)程的主要環(huán)節(jié)，其利潤(rùn)最大也是共享儲(chǔ)能優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)。多用戶共享儲(chǔ)能的應(yīng)用模式是儲(chǔ)能商業(yè)化發(fā)展的新方向[19-20]。利用不同用戶負(fù)荷曲線的差異性或相似性，共同投資運(yùn)營(yíng)分布式儲(chǔ)能裝置既可以降低單個(gè)用戶的投資壓力，也可以提高儲(chǔ)能裝置利用率。共享儲(chǔ)能是指對(duì)于尚未配置儲(chǔ)能裝置的用戶，多個(gè)用戶共同投資運(yùn)營(yíng)一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)[21]。

2.1 共享儲(chǔ)能容量配置模型

多用戶共享儲(chǔ)能的目的在于，獲得相較于單用戶配置儲(chǔ)能更大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)減輕初期投資壓力，共享儲(chǔ)能的容量配置模型以多用戶的總購(gòu)電成本最低為目標(biāo)函數(shù)，容量配置模型具體表示為

式中：M為用戶總數(shù)量；為用戶i從電網(wǎng)購(gòu)電的年費(fèi)用，元；為用戶i在t時(shí)刻的電網(wǎng)購(gòu)電功率，MW。

2.2 優(yōu)化模型約束條件

優(yōu)化模型的約束條件包括儲(chǔ)能荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）約束、充放電功率約束、電量連續(xù)約束、電量平衡約束和用戶購(gòu)電成本約束。

1）SOC約束

式中：SOCt為t時(shí)刻儲(chǔ)能荷電狀態(tài)值；SOCmin和SOCmax分別為儲(chǔ)能最小荷電狀態(tài)水平和最大荷電狀態(tài)水平；St為t時(shí)刻儲(chǔ)能的剩余電量，MWh。

2）共享儲(chǔ)能充放電功率約束

式中：Pmax為儲(chǔ)能最大充放電功率。

3）用戶使用共享儲(chǔ)能充放電約束

式中：Ptc,i和Ptdis,i分別為用戶i在t時(shí)刻向共享儲(chǔ)能充、放電功率，MW。

4）電量連續(xù)約束

式中：ηc和ηdis分別為儲(chǔ)能的充、放電效率。

5）電量平衡約束

式中：PtL,i和PtPV,i分別為用戶i在t時(shí)刻的負(fù)荷值和用戶自裝的新能源出力，本文考慮光伏發(fā)電出力。

6）用戶購(gòu)電成本約束

式中：Cibuy0和Cibuy分別為用戶i參與共享儲(chǔ)能前后購(gòu)電成本，元。

2.3 共享儲(chǔ)能供需分配過(guò)程

在共享儲(chǔ)能運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)各個(gè)用戶自身對(duì)共享儲(chǔ)能的供需得到每個(gè)時(shí)刻共享儲(chǔ)能對(duì)應(yīng)的總供需：

式中：Dtotal,t和Stotal,t分別為t時(shí)刻共享儲(chǔ)能電量總需求和總供給；Ptc0,i和Pdtis0,i分別為用戶i在t時(shí)刻對(duì)共享儲(chǔ)能的供給和需求意愿。

為保證公平性，按照比例進(jìn)行供需匹配。首先定義t時(shí)刻的供需比為

式中：ηloss為網(wǎng)損率。

根據(jù)供需比的不同，共享儲(chǔ)能的供需匹配可分為2種情況。

1）μt＜1，儲(chǔ)能的供給全部執(zhí)行，而各參與者的需求按供需比滿足，即

2）μt≥1，儲(chǔ)能的需求全部被滿足，而各參與者的儲(chǔ)能供給則按照其上報(bào)的供給量的執(zhí)行，即

式中：Ptc,i和Ptdis,i分別是用戶i實(shí)際對(duì)共享儲(chǔ)能的供給和需求。

3 用電形態(tài)相似度計(jì)算及用戶篩選

本文在共享儲(chǔ)能優(yōu)化過(guò)程中加入用戶篩選階段，通過(guò)建立用電形態(tài)相似度模型，衡量不同用戶之間負(fù)荷曲線的相似程度。

相似度較高，表示用戶擁有較為類似的充放電需求，可以在特定時(shí)段內(nèi)對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行更大程度的充放電，控制充放電次數(shù)。其缺點(diǎn)在于，負(fù)荷曲線相似的用戶構(gòu)成共享集體會(huì)使整體負(fù)荷峰谷差值更為明顯，可能會(huì)限制儲(chǔ)能針對(duì)負(fù)荷的時(shí)移作用。用電形態(tài)相似度較低的用戶構(gòu)成集體，可以增加儲(chǔ)能的充放電次數(shù)，提高其利用率。其缺點(diǎn)在于頻繁充放電會(huì)損耗儲(chǔ)能壽命，從而影響其經(jīng)濟(jì)效益[22-23]。由于用戶的每日負(fù)荷隨機(jī)性和波動(dòng)性較大，因此選擇用戶年平均日負(fù)荷曲線進(jìn)行計(jì)算[24]，算例部分將針對(duì)2種方式進(jìn)行詳細(xì)比較。

斜率關(guān)聯(lián)度是以曲線斜率為基礎(chǔ)定義的一種關(guān)聯(lián)度分析方法[25]，通過(guò)計(jì)算2條曲線之間的斜率關(guān)聯(lián)度可以得出其相似度γ∈ (0,1)。以用戶i與用戶j為例，其負(fù)荷曲線與在每個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)度函數(shù)ζ(t)可以表示為

式中：σi、σj分別為用戶i和用戶j的負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差；分別為用戶i和用戶j的平均負(fù)荷。簡(jiǎn)化后，可得：

則用戶i與用戶j的日平均用電形態(tài)相似度可以表示為

完成相似度計(jì)算后，根據(jù)所需用戶數(shù)量選擇相似度較高或較低的用戶進(jìn)行共享儲(chǔ)能的優(yōu)化配置。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以1 a作為分布式儲(chǔ)能效益的計(jì)算周期，優(yōu)化時(shí)段T取24 h作為儲(chǔ)能充放電優(yōu)化的周期。本文選取8個(gè)用戶作為分析對(duì)象，其負(fù)荷曲線如附錄圖A1所示。分時(shí)電價(jià)機(jī)制中峰時(shí)段為8:00～12:00，18:00～21:00；平時(shí)段為12:00～17:00，21:00～24:00；剩余時(shí)段為谷時(shí)段。3個(gè)時(shí)段的購(gòu)電價(jià)格分別為1069.7元/MWh、641.8元/MWh和313.9元/MWh[16]。變壓器負(fù)載率為0.75，功率因數(shù)為0.85，變壓器單位造價(jià)100萬(wàn)元/MW，壽命為20年[26]；網(wǎng)損率為8%；每個(gè)用戶配置有3 MW的光伏裝置，其發(fā)電曲線如附錄圖A2所示，儲(chǔ)能參數(shù)如附錄表A1所示[26]，其他參數(shù)如附錄表A2所示[16]。

4.2 用戶用電形態(tài)相似度計(jì)算與篩選

1）篩選用電形態(tài)相似度較高的用戶

以用戶1為基準(zhǔn)，分別計(jì)算其與另外7個(gè)用戶在各時(shí)刻的用電形態(tài)相似度，結(jié)果如圖1所示。用戶1與其余7個(gè)用戶的平均相似度分別為0.972、0.964、0.948、0.933、0.932、0.931和0.926，本文選擇4個(gè)用戶參與共享儲(chǔ)能，因此按照相似度從高到低，選擇用戶1、2、3和4進(jìn)一步詳細(xì)分析。

2）篩選相似度較低的用戶

從上文可知，與用戶1相似度最低的為用戶8，以用戶8為基準(zhǔn)，分別計(jì)算其與用戶2至7的相似度，其平均相似度分別為0.924、0.901、0.941、0.954、0.968和0.962，因此選擇相似度最低的用戶3。再計(jì)算用戶3與用戶2、用戶4至7的相似度，其平均相似度分別為0.957、0.918、0.902、0.904和0.903，因此選擇相似度最低的用戶5。綜上，用電形態(tài)相似度較低的用戶集合由用戶1、3、5、8組成。用戶8和用戶3與其他用戶在各時(shí)刻的相似度如圖2所示。

圖1 用戶1與其余用戶的用電形態(tài)相似度Fig.1 Similarity of daily load profile of user 1 with other users

圖2 用戶8和用戶3與其他用戶的用電形態(tài)相似度Fig.2 Similarity of daily load profile of user 8,user 3 with other users

4.3 各用戶單獨(dú)配置儲(chǔ)能優(yōu)化結(jié)果

為對(duì)比共享儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性，首先對(duì)各個(gè)用戶單獨(dú)配置儲(chǔ)能的結(jié)果進(jìn)行分析。在LINGO中運(yùn)行優(yōu)化程序后，6個(gè)用戶單獨(dú)配置儲(chǔ)能的優(yōu)化結(jié)果如表1所示，安裝儲(chǔ)能裝置后，以用戶1至4為例，儲(chǔ)能充放電作用下凈負(fù)荷曲線如圖3所示，儲(chǔ)能各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益如圖4所示。

從表1可以看出，用戶1至用戶4的儲(chǔ)能初始投資成本平均占據(jù)自身購(gòu)電成本的8.94%。個(gè)別用戶儲(chǔ)能配置功率大于配置的光伏裝置，因?yàn)閮?chǔ)能并非只用于促進(jìn)光伏消納，還要通過(guò)低儲(chǔ)高發(fā)減少用戶外部購(gòu)電成本。從圖3和附錄圖1可以看出，用戶負(fù)荷曲線的波動(dòng)基本與電價(jià)的波動(dòng)趨勢(shì)一致，在12:00和20:00存在2個(gè)明顯波峰，配置儲(chǔ)能之后，負(fù)荷峰值降低，對(duì)應(yīng)負(fù)荷谷值升高，儲(chǔ)能在6個(gè)用戶側(cè)的削峰率平均達(dá)到6.01%。

表1 儲(chǔ)能優(yōu)化結(jié)果Table1 Optimization results of ES configuration

圖3 配置儲(chǔ)能后的負(fù)荷曲線和電價(jià)Fig.3 Daily load profiles and prices after configuration of ES

圖4 用戶1至4單獨(dú)配置儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)效益Fig.4 Revenues with respective ES configuration from user 1 to 4

從圖4可以看出，儲(chǔ)能在用戶側(cè)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益主要為減少用戶停電損失和減少用戶的變壓器投資成本，平均分別為334萬(wàn)元/a和371萬(wàn)元/a，其次為峰谷價(jià)差效益，最后為補(bǔ)貼效益。最終用戶的購(gòu)電成本平均可以減少551萬(wàn)元/a，下降3.37%，并且均可以在儲(chǔ)能壽命周期內(nèi)收回成本，平均回收周期為2.81 a。

4.4 用電形態(tài)相似度較高的多用戶共享儲(chǔ)能配置結(jié)果

4.2節(jié)中已經(jīng)確定用電形態(tài)相似度較高的用戶集合為用戶1至4，以用戶1為例，分別考慮用戶1和2共享儲(chǔ)能、用戶1至3共享儲(chǔ)能以及4個(gè)用戶共享儲(chǔ)能的運(yùn)營(yíng)模式，對(duì)比分析參與共享儲(chǔ)能的用戶數(shù)對(duì)共享儲(chǔ)能優(yōu)化結(jié)果的影響。3種共享儲(chǔ)能模式的優(yōu)化結(jié)果如表2所示，表中各項(xiàng)效益及成本為優(yōu)化后用戶1的結(jié)果，不同模式儲(chǔ)能成本及效益變化趨勢(shì)如圖5所示。單個(gè)用戶所需承擔(dān)的初始投資成本不斷下降，儲(chǔ)能的回收周期也持續(xù)縮短，每種共享模式下儲(chǔ)能的投資回收周期皆小于單獨(dú)配置時(shí)的結(jié)果。當(dāng)用戶1至3參與共享儲(chǔ)能，投資成本降低49.92%，且回收周期也由原來(lái)的2.81 a減少至0.69 a；當(dāng)4個(gè)用戶都參與時(shí)，投資成本降低了67.44%，僅需0.4 a即可收回成本。

表2 用電形態(tài)相似度較高的用戶集合共享儲(chǔ)能優(yōu)化結(jié)果Table2 Optimization results of shared ES for user groups with high similarity in daily load profile

從圖5可以看出，用戶1所需承擔(dān)的儲(chǔ)能初始投資成本隨著共享儲(chǔ)能參與者的增多迅速下降，經(jīng)濟(jì)效益總體處于上升狀態(tài)，其中減少停電損失效益增長(zhǎng)最為明顯，當(dāng)4個(gè)用戶共享儲(chǔ)能時(shí)，用戶1分配得到的減少停電損失效益由單獨(dú)配置時(shí)的308萬(wàn)元增至501萬(wàn)元；減少的變壓器投資成本也在持續(xù)上升，第4種模式下其值達(dá)到476萬(wàn)元，相較于最初增加了28.7%。補(bǔ)貼效益由于在總效益中占比較小，4種模式下變化幅度不大；峰谷價(jià)差效益則是唯一出現(xiàn)下降趨勢(shì)的經(jīng)濟(jì)效益，原因在于用戶在共享儲(chǔ)能中分配得到的容量相較于單獨(dú)配置的總?cè)萘枯^小，充放電過(guò)程主要應(yīng)用于減小負(fù)荷峰值以獲得減少停電損失效益和減少變壓器投資成本。

圖5 不同共享模式下儲(chǔ)能成本及效益Fig.5 Costs and revenues of ES from different sharing proposals

4.5 用電形態(tài)相似度較低的多用戶共享儲(chǔ)能配置結(jié)果

4.2節(jié)中已經(jīng)確定用電形態(tài)相似度較低的用戶集合為用戶1、3、5、8，以用戶1為例，對(duì)比分析用戶1和3共享儲(chǔ)能、用戶1、3、5共享儲(chǔ)能以及4個(gè)用戶共享儲(chǔ)能的優(yōu)化結(jié)果，具體如表3所示，表中各項(xiàng)效益及成本為分配后用戶1的結(jié)果。

表3 用電形態(tài)相似度較低的用戶集合共享儲(chǔ)能優(yōu)化結(jié)果Table3 Optimization results of shared ES for user groups with low similarity in daily load profile

從表3可以看出，隨著共享儲(chǔ)能集體用戶數(shù)的增多，儲(chǔ)能配置容量不斷上升，第4種模式下需要配置10.25 MWh的儲(chǔ)能，單獨(dú)配置時(shí)4個(gè)用戶則共需要16.1 MWh；儲(chǔ)能回收周期則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，第4種模式下，共享儲(chǔ)能在1.9 a收回成本，相較于單獨(dú)配置時(shí)的平均回收周期2.54 a下降了25%。此外，共享模式下，用戶所需承擔(dān)的投資成本也都小于單獨(dú)配置時(shí)的結(jié)果，當(dāng)用戶1和3共享儲(chǔ)能時(shí)，用戶1承擔(dān)的投資成本下降了35.12%，但是下降比例的變化趨勢(shì)與表2相反，與共享儲(chǔ)能參與者數(shù)量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，原因在于儲(chǔ)能總?cè)萘吭鏊佥^快，并且在相同用戶數(shù)下，儲(chǔ)能容量均大于表2的結(jié)果。

對(duì)于相似度較低的用戶集合，雖然共享模式下單個(gè)用戶所需投資成本降低，且購(gòu)電成本相較于安裝儲(chǔ)能前下降，但是下降幅度均小于單獨(dú)配置儲(chǔ)能的模式，第4種模式下，儲(chǔ)能投資成本下降了19.91%，用戶1的年購(gòu)電成本卻由單獨(dú)配置儲(chǔ)能時(shí)的14 733萬(wàn)元增至14 821萬(wàn)元。可見(jiàn)，以低用電形態(tài)相似度篩選用戶時(shí)，共享模式的優(yōu)勢(shì)主要是降低用戶投資成本，但是用戶購(gòu)電成本下降幅度受限。

4.6 算例小結(jié)

綜合4.4節(jié)和4.5節(jié)的結(jié)果，共享模式可以有效降低用戶購(gòu)電成本和儲(chǔ)能投資成本，同時(shí)大幅縮短儲(chǔ)能的回收周期。單獨(dú)配置儲(chǔ)能時(shí)，投資回收周期平均為2.81年，購(gòu)電成本下降比例平均為3.37%。共享模式下，對(duì)于相似度較高的集體，用戶購(gòu)電成本平均可以下降8.25%，相較于單獨(dú)配置儲(chǔ)能，其所需投資成本可以下降67.44%，并且回收周期僅為0.4年；對(duì)于相似度較低的集體，儲(chǔ)能投資成本的降幅達(dá)19.56%，回收周期為1.9年。

對(duì)于本算例安裝有MW級(jí)分布式光伏的用戶，儲(chǔ)能投資收益主要來(lái)源于降低變壓器投資、減少停電損失、峰谷電價(jià)差效益等方面，每個(gè)分項(xiàng)效益值與算例設(shè)置的場(chǎng)景參數(shù)密切相關(guān)。對(duì)于相似度較高的用戶集體，由于對(duì)儲(chǔ)能需求產(chǎn)生共振效應(yīng)，與相似度較低的用戶集體相比，儲(chǔ)能設(shè)備充放電次數(shù)較少，充放電深度較高，運(yùn)營(yíng)效益更大、回收周期更短，具體程度與場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置有關(guān)，本算例中前者儲(chǔ)能設(shè)備每天充放電次數(shù)為8次，平均充放電深度達(dá)到0.6，而后者每天充放電次數(shù)為13次，平均充放電深度達(dá)到0.4。

5 結(jié)論

1）用戶安裝儲(chǔ)能的投資收益不僅要計(jì)入峰谷電價(jià)差帶來(lái)的購(gòu)電成本降低，還要綜合考慮變壓器容量投資減少、用電可靠性提升的效益。而在共享模式下，隨著共享儲(chǔ)能用戶數(shù)的增多，儲(chǔ)能配置容量的投資額呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但由于共享模式高效利用了儲(chǔ)能裝置的充放電能力，其投資總額將明顯低于每個(gè)用戶單獨(dú)配置儲(chǔ)能容量的投資額之和，單個(gè)用戶承擔(dān)的儲(chǔ)能投資成本大幅降低。

2）相較于用戶單獨(dú)配置儲(chǔ)能，共享模式下的用戶購(gòu)電成本下降幅度增大，儲(chǔ)能成本回收周期縮短。

3）高用電形態(tài)相似度用戶共享儲(chǔ)能相較于低相似度用戶，在用戶數(shù)相同的情況下，儲(chǔ)能投資成本的下降幅度和共享儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)效益更大，回收周期更短。

4）本文下一步將導(dǎo)入更多的實(shí)際場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，使多用戶共享儲(chǔ)能投資決策模型更加精細(xì)化、實(shí)用化。

附錄A

表A1 儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)TableA1 Parameters of energy storage system

表A2 其他參數(shù)TableA2 Other parameters

圖A1 用戶負(fù)荷曲線Fig.A1 Daily load profiles of users

圖A2 光伏出力曲線Fig.A2 Power curve of PV