集中式儲能參與的微電網(wǎng)需求響應研究

摘" 要：該文主要圍繞著集中式儲能系統(tǒng)（CESS）在微電網(wǎng)需求響應中的應用展開深入研討。CESS參與有助于實現(xiàn)微電網(wǎng)需求響應的高效調度，優(yōu)化能源資源配置，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，促進清潔能源利用。通過文獻分析和模型構建，研究表明，CESS在微電網(wǎng)中具有降低經(jīng)濟成本、提高能源利用效率和提升穩(wěn)定性的優(yōu)勢。然而，針對負載平衡模型施以優(yōu)化的根本目的，是確保微電網(wǎng)的經(jīng)濟成本規(guī)模得以有效縮減，可同樣會導致微電網(wǎng)的穩(wěn)定性愈發(fā)降低。為此，該文提出一個指標規(guī)劃模型中不同權重系數(shù)的影響，以找到成本效益和穩(wěn)定性之間的最佳關系。最后，該文提出研究的局限性，并指出未來研究的方向。

關鍵詞：集中式儲能；微電網(wǎng)；需求響應；模型構建；數(shù)值模擬

中圖分類號：TM921.5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0038-05

Abstract： This paper mainly focuses on the application of centralized energy storage system （CESS） in microgrid demand response. CESS participation helps achieve efficient dispatch of microgrid demand response， optimize energy resource allocation， improve system stability， and promote clean energy utilization. Through literature analysis and model construction， research shows that integrated CESS has the advantages of reducing economic costs， improving energy efficiency and improving stability in microgrids. However， the fundamental purpose of optimizing the load balancing model is to ensure that the economic cost scale of the microgrid can be effectively reduced， which will also lead to the increasingly reduced stability of the microgrid. To this end， this paper proposes the effects of different weight coefficients in an indicator programming model to find the best relationship between cost-effectiveness and stability. Finally， this paper points out the limitations of the research and points out the direction of future research.

Keywords： centralized energy storage; microgrid; demand response; model construction; numerical simulation

在微電網(wǎng)優(yōu)化調度與配置方面，文獻[1]提出了基于改進布谷鳥算法的微電網(wǎng)源-荷-儲功率優(yōu)化調度方法，旨在實現(xiàn)能源資源的高效利用。文獻[2]探討了面向多服務目標需求的集中式電池儲能優(yōu)化配置方法，以滿足不同服務的需求。文獻[3]研究了計及光伏工況的集中式發(fā)電方案下儲能的優(yōu)化配置，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。文獻[4]分析了分布式與集中式儲能并存的微電網(wǎng)負荷優(yōu)化調度問題。文獻[5]討論了提升新能源消納能力的集中式與分布式電池儲能協(xié)同規(guī)劃。在儲能技術與應用方面，文獻[6]對集中式超大規(guī)模儲能電站的信息物理系統(tǒng)進行了建模，對其可靠性進行了評估，并為儲能電站的設計、運行和維護提供了理論支持和決策依據(jù)。文獻[7]指出，合理規(guī)劃儲能規(guī)模和布局對于提高系統(tǒng)的調峰能力、保障電力供應安全以及促進新能源消納具有重要意義。文獻[8]探討了集中式儲能下微電網(wǎng)的控制策略，通過對微電網(wǎng)的源-荷-儲協(xié)調控制，可以有效提高微電網(wǎng)的自給自足能力和供電可靠性，尤其是在電網(wǎng)故障或外部電源中斷的情況下。文獻[9]主要聚焦于商業(yè)建筑微電網(wǎng)，分析了商業(yè)建筑微電網(wǎng)的運行模式和經(jīng)濟效益，提出了相應的優(yōu)化配置方案。文獻[10]分析了基于集中儲能的新型家庭微電網(wǎng)架構及其優(yōu)勢。文獻[11]基于協(xié)同性與非確定性的基礎上，圍繞著微電網(wǎng)項目投資組合優(yōu)化這一問題展開了深入探討。在儲能參與電網(wǎng)中的作用方面，文獻[12]針對儲能系統(tǒng)在提高電網(wǎng)對大規(guī)模集中式光伏發(fā)電的接納能力方面扮演的關鍵角色進行了深入研究和驗證。通過儲能系統(tǒng)的有效運用，可以顯著提高電網(wǎng)對光伏發(fā)電的接納能力，緩解光伏發(fā)電的波動性對電網(wǎng)的影響。文獻[13]指出，隨著技術的進步和成本的降低，大規(guī)模儲能將在可再生能源發(fā)電領域發(fā)揮越來越重要的作用。文獻[14]的研究內容是集中式可再生能源系統(tǒng)中儲能容量配置的敏感因素分析。這項研究有助于指導儲能系統(tǒng)的設計和操作，以適應集中式可再生能源的特點。文獻[15]提出了一種在綜合可再生能源發(fā)電廠中實現(xiàn)能源存儲最優(yōu)分配的方法，不僅提高了可再生能源的利用效率，也為電力市場的穩(wěn)定運行提供了有力支持。文獻[16]提出了一種在住宅建筑中集成可再生能源供熱系統(tǒng)的高效能源存儲方案，為居民提供了更為舒適、環(huán)保的生活環(huán)境。

從上述文獻可以看出，儲能微電網(wǎng)的研究正朝著優(yōu)化調度、技術應用等多個方向深入發(fā)展。

1" 集中式儲能參與的微電網(wǎng)組織架構

如今，城市中的微電網(wǎng)正在逐漸采用集中式儲能系統(tǒng)（Centralized Energy Storage System，CESS），以提高資源整合效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。公共光伏系統(tǒng)與能源存儲系統(tǒng)（CESS）同時連接到電網(wǎng)，進而滿足客戶有關負荷的基本需求。在光伏資源較為豐富且電價惠而不費的時段，儲能系統(tǒng)的存在能夠起到能源儲備作用，作為備用能源參與到微電網(wǎng)負荷的分配過程當中，使得微電網(wǎng)能夠穩(wěn)定地運行下去，同時促使相應的經(jīng)濟成本得到有效控制?；诖耍槍Π茉创鎯ο到y(tǒng)的微電網(wǎng)負荷平衡模型進行深入研討。本研究建立了一個包含能源存儲系統(tǒng)的微電網(wǎng)負荷優(yōu)化模型；將光伏發(fā)電當作是微網(wǎng)的分布式能源，微電網(wǎng)不單單能夠向電網(wǎng)進行能源的購買，同時能夠向其進行售賣。通常情況下，微電網(wǎng)的負荷主要經(jīng)兩部分一同構成，其一即用戶用電，其二即建筑基本負荷。分布式發(fā)電信息與微電網(wǎng)售電信息、用戶用電信息與微電網(wǎng)售電信息等，皆可以在第一時間儲存于用戶數(shù)據(jù)服務器中，進而便于后續(xù)的微電網(wǎng)信息互換操作。

基于CESS微網(wǎng)內，各用戶對于能源的基本需求與日常的用電習慣，均存在著明顯差異。為能夠積極地參與至電力市場中，他們通過節(jié)約電費和減少與電網(wǎng)互動導致的電網(wǎng)波動負擔來提高效率。將這些用戶與公共光伏系統(tǒng)以及CESS相連接的根本目的，即促使微網(wǎng)得以維系住穩(wěn)定的運行狀態(tài)，并且在對經(jīng)濟成本進行有效控制的前提下，對CESS的運行進行有效管控。

2" 構建優(yōu)化模型

2.1" 目標函數(shù)

CESS參與的微電需求響應優(yōu)化調度目標函數(shù)，主要涵蓋了用戶層面和微電網(wǎng)層面2個重要的維度。

式中：C1是用戶層面的用電需求與成本優(yōu)化。所有客戶都希望能夠參與電力市場，同時滿足日常需求，降低日常能源成本。Ppur，t是t時刻用戶的購電價格，P是微電網(wǎng)的購電功率，Δt是時間變量，Com是CESS的運行維護成本，Cdep是CESS的折舊成本，Cd是用戶參與DR的執(zhí)行成本。Z是調整光伏發(fā)電、公用電網(wǎng)供電和CESS在微電網(wǎng)中能源消耗的次序。

式中：τom是CESS的單位運維系數(shù)，P和P分別是CESS在t時刻的充電功率和放電功率。

式中：τdep是CESS的單位折舊系數(shù)。

式中：P和P分別是實施消費削減策略后，t 時刻i消費負荷需求量的增減；τD，up和τD，down分別是實施消費削減策略后，i消費負荷單價的增減。

式中：P光伏在t時刻的實際輸出功率，P是CESS在t時刻的輸出功率。λpv、λgl和λBL均是人為設置的懲罰因子，分別對應于光伏發(fā)電、公用電網(wǎng)和CESS 3種能源的優(yōu)先調度程度。通過分配不同的懲罰系數(shù)，可以根據(jù)特定能源的需求確定其優(yōu)先次序。

式中：C2是微電網(wǎng)層面的電力波動與穩(wěn)定優(yōu)化。γgl是公用電網(wǎng)功率交互波動系數(shù)，γBL是CESS功率交互波動系數(shù)。式（6）表示從時間t-1到時間t，微電網(wǎng)改變了電網(wǎng)與 CESS 之間的電力互動。

， （7）

式中：ε是成本性的權重因子代表經(jīng)濟成本目標所占權重，1-ε是穩(wěn)定性的權重因子代表穩(wěn)定性目標所占權重。

2.2" 約束條件

2.2.1" 儲能系統(tǒng)約束

對于集中式能源存儲系統(tǒng)（CESS），如液流電池，有充電和放電功率的限制，以及能量狀態(tài)（充電和放電能量）的約束。這些約束確保了電池在安全范圍內工作，如最大和最小充電/放電功率，以及放電深度限制。

，（8）

， （9）

， （10）

式（8）與式（9）中的I、I，各自代表著CESS基于t時刻CESS的放電變量、充電變量，本質上來講即歸結為二進制變量。P和P分別是CESS在t時刻的充電功率和放電功率。P和P分別是CESS在t時刻的最小放電功率限制和最大放電功率限制。P和P分別是CESS在t時刻的最小充電功率限制和最大充電功率限制。

， （11）

式（11）表示CESS在t時刻的輸出功率。

式中：ηBL，ch和ηBL，disch分別代表儲能系統(tǒng)（CESS）的充、放電效率。式（13）中EBLmin與EBLmax各自代表著CESS的最小存儲容量、最大存儲容量。

2.2.2" 需求響應約束

在電力消費階段，假設每個時間段內用戶都有可調節(jié)的負載。當電力需求達到高峰時，電價上升，用戶會減少自身的用電量，并在電價較低的時段轉移電力使用，以滿足日常需求并降低用電成本。

式（15）中：P代表著第i個用戶基于時刻t下實際參與需求響應（DR）策略的負荷需求；PLoad，i，t則代表著第i個用戶基于時刻t下沒有實際參與DR策略的負荷需求。此外，式（18）中的ID，up、ID，down均歸結為二進制變量，前者代表著參與DR策略以后負荷增加的實際參數(shù)，而后者則代表著負荷減小的實際參數(shù)；式（16）和式（17）中的Mdown和Mup均是連續(xù)變量，范圍從0到1，分別代表負荷減少和增加的最大值。由式（15）可知，用戶參與需求響應（DR）以后的實際用電負荷，即為用戶在沒有參與DR前階段的實際用電負荷與用戶接入DR以后新增負荷之總計。為確保用戶在日常中能夠獲取到良好的舒適度，式（16）、式（17）均針對可新增的最大負荷施以了適度約束。由式（18）可知，用戶在參與DR之時，不可對其電力負荷予以減少或者增加。式（19）則意味著基于配電周期內，用戶總電力負荷維持原狀。

2.2.3" 功率平衡約束

微電網(wǎng)必須符合電力平衡原則，即光伏、公用電網(wǎng)、CESS的輸出功率之和等于用戶實際和調整后的負荷需求。同時，每個用戶的電功率也需要平衡。

整個微電網(wǎng)的電功率平衡約束

每個用戶的電功率平衡約束

， （21）

式（20）代表著基于微電網(wǎng)的能源平衡約束；而式（21）則代表著基于各用戶的能源平衡約束。具體而言，式（21）中的P 代表著基于時刻t用以滿足第i個用戶負載需求的光伏發(fā)電功率；P 表示時刻t用于滿足第i個用戶負載需求的公用電網(wǎng)發(fā)電功率；P 表示CESS用于滿足用戶i在時刻t的負載需求的放電功率；P 表示用戶i在時刻t存儲進CESS的充電功率。

3" 算例分析

實驗中的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和負荷數(shù)據(jù)來自文獻[4]，用戶的負荷數(shù)據(jù)源于2012年7月的某一周某住戶社區(qū)的實際功耗數(shù)據(jù)，用戶的購電價格來自實時電價數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)源自P2P—IEEE，系統(tǒng)數(shù)據(jù)集的電價信息。本研究中儲能系統(tǒng)的參數(shù)，具體參考于EIL—R267以及SUNGROWEIL—046。其他儲能系統(tǒng)參數(shù)見表1。

為了研究集中儲能的微電網(wǎng)相對于無集中儲能的傳統(tǒng)微電網(wǎng)的優(yōu)勢，我們通過進行2組對比實驗，圍繞著用戶參與集中式儲能微電網(wǎng)需求響應的實際情況施以深入研討，同時圍繞著微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)對于微電網(wǎng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟性所構成的影響展開深度剖析?；趯φ諏嶒?，將方案1與方案2進行詳盡對比。此實驗目的，即在于探究與傳統(tǒng)意義的微電網(wǎng)相比較，具有CESS的微電網(wǎng)是否能夠使得穩(wěn)定性及經(jīng)濟性更強。而基于對照實驗2，則是將方案2與方案3進行詳盡對比。此實驗目的是為了深入研討在具有CESS的微電網(wǎng)當中，用戶是否可以對需求側管理進行有效參與，進而使得其自身的用電成本得到有效控制。

需格外注意的是，基于式（3），將ε系數(shù)值確定成0.5。在將該因素考量在內以后，針對4類方案，微電網(wǎng)的負荷優(yōu)化調度結果同時兼顧了穩(wěn)定性及經(jīng)濟性，如圖1—圖3所示。

圖1基于方案1下，傳統(tǒng)微電網(wǎng)的經(jīng)濟性與穩(wěn)定性的負荷分布情況。基于方案1內，未存在儲能系統(tǒng)以負荷和電力需求二者間的同步性進行調控，故當發(fā)電量難以對微電網(wǎng)的負荷需求予以滿足之時，額外電量需源自于公共電網(wǎng)，致使微電網(wǎng)難以成功實現(xiàn)最優(yōu)的負荷規(guī)劃。

圖2基于微電網(wǎng)和CESS相連以后得負荷優(yōu)化設計。研究結果表明，當儲能系統(tǒng)與微電網(wǎng)連接后，其穩(wěn)定運行狀態(tài)減少了部分非確定性因素，負荷優(yōu)化規(guī)劃算法使得電網(wǎng)的波動現(xiàn)象得到有效控制；與此同時，并不會對于微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行狀態(tài)產(chǎn)生負面效應。

圖3用戶在參與微電網(wǎng)需求響應策略以后的負荷分布狀況。結合所得到的方案3結果可知，在需求響應引進以后，微電網(wǎng)總負荷需求曲線愈發(fā)趨向于寬松。意味著，具有CESS的微電網(wǎng)可以成功參與到電力市場中，使得用電成本規(guī)模得以有效縮減，并且能夠使得微電網(wǎng)維系住穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

從以上的實驗結果來看，如果將微電網(wǎng)的經(jīng)濟性放在首位，那么配備CESS的微電網(wǎng)將獲得更好的經(jīng)濟性。同樣，如果優(yōu)先考慮微電網(wǎng)的穩(wěn)定性，就能獲得更好的穩(wěn)定性。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，成本權重的增加（取值范圍在0至1之間），微電網(wǎng)的經(jīng)濟性能可能會下降，同時波動幅度愈發(fā)明顯。基于此，本文在研究過程中提出了諸多對負荷優(yōu)化結果進行精確評估的基礎指標，此類指標不只可以將調度結果的效益予以展現(xiàn)，還可以將微電網(wǎng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性均考量在內。

式中：C、C各自象征著微電網(wǎng)經(jīng)濟價值在成本權重（取值范圍在0到1）時候的最大值、最小值；C、C，則各自象征著微電網(wǎng)不穩(wěn)定性指標的最大值、最小值。由式（23）可知，在對微電網(wǎng)的不穩(wěn)定性指標與經(jīng)濟價值進行考量時，其估值指標應盡量小。本實驗的目的是通過不斷調整權重系數(shù)，在考慮儲能系統(tǒng)的情況下，找到微電網(wǎng)最佳的負載平衡，兼顧波動性和經(jīng)濟成本之間的優(yōu)化平衡。研究通過探究成本權重系數(shù)在0和1之間的變化怎樣作用于微電網(wǎng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟成本，最終的實驗結果見表2。

從表2可以看出，將步長設定為0.1，經(jīng)對各權重值進行運算后可知，當ε系數(shù)值是0.8的時候，微電網(wǎng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性可達至平衡。在考慮了儲能系統(tǒng)的情況下，對于參與了需求響應的微電網(wǎng)，這種平衡解被認為是最佳結果，因為在綜合考慮經(jīng)濟成本和穩(wěn)定性時能夠達到最優(yōu)的折中點。

4" 結論

在探究微電網(wǎng)調度策略的過程中，構建了一個融入CESS的微電網(wǎng)需求響應優(yōu)化調度模型。模型全面考慮經(jīng)濟效益和穩(wěn)定性2個層面，力求在這兩者間尋求最佳的平衡點。在引入CESS后，微電網(wǎng)在運行的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性上均呈現(xiàn)出顯著提升。本文主要完成的部分如下。

1）CESS能提供大規(guī)模的電力存儲，有效平衡供需，并且快速響應電網(wǎng)指令，提供頻率調節(jié)、峰值削平等服務，增強微電網(wǎng)的靈活性和可靠性。

2）CESS參與的微電網(wǎng)通過集中管理，能優(yōu)化能源使用，降低運營成本。

3）當過于追求減少經(jīng)濟成本微電網(wǎng)的波動就會擴大，追求減少波動微電網(wǎng)的經(jīng)濟成本就會擴大。

4）進一步研討各權重因素對于調度模型所產(chǎn)生的影響，進而尋求一個可以兼具穩(wěn)定性以及經(jīng)濟性的最優(yōu)方案。

參考文獻：

[1] 何玉靈，解奎，孫凱，等.基于改進布谷鳥算法的微電網(wǎng)源-荷-儲功率優(yōu)化調度[J].電力科學與工程，2023，39（10）：14-25.

[2] 馬速良，武亦文，李建林，等.面向多服務目標需求的集中式電池儲能優(yōu)化配置方法研究[J].高壓電器，2023，59（7）：75-86.

[3] 楊夯，郭宜果，李哲.計及光伏工況的集中式發(fā)電場景下儲能優(yōu)化配置[J].電源學報，2024，22（S1）：116-126.

[4] 殷輝，陸信輝，周開樂.分布式與集中式儲能并存的微電網(wǎng)負荷優(yōu)化調度[J].中國管理科學，2023，31（2）：118-128.

[5] 蔡福霖，胡澤春，曹敏健，等.提升新能源消納能力的集中式與分布式電池儲能協(xié)同規(guī)劃[J].電力系統(tǒng)自動化，2022，46（20）：23-32.

[6] 高夏翔，李相俊，楊錫運.集中式超大規(guī)模儲能電站信息物理系統(tǒng)建模與可靠性評估[J].控制與決策，2022，37（5）：1309-1319.

[7] 古宸嘉，王建學，李清濤，等.新能源集中并網(wǎng)下大規(guī)模集中式儲能規(guī)劃研究述評[J].中國電力，2022，55（1）：2-12，83.

[8] 楊少布道，陳樂樂，李波.集中式儲能下微電網(wǎng)控制策略研究[J].供用電，2021，38（6）：21-28.

[9] 董少鋒.計及光伏和抽水蓄能的商業(yè)建筑微電網(wǎng)運行及效益研究[D].北京：華北電力大學，2021.

[10] 薛樹強.基于集中儲能的新型家庭微電網(wǎng)架構及優(yōu)勢分析[J].科技創(chuàng)新與應用，2021（10）：66-68.

[11] 許傳博.計及不確定性與協(xié)同性的微電網(wǎng)項目投資組合優(yōu)化研究[D].北京：華北電力大學，2020.

[12] 張節(jié)潭，李建林，郭樹鋒，等.儲能系統(tǒng)提高電網(wǎng)接納大規(guī)模集中式光伏發(fā)電能力的關鍵技術研究及驗證[J].青海科技，2018，25（4）：15-18.

[13] 李建林，靳文濤，惠東，等.大規(guī)模儲能在可再生能源發(fā)電中典型應用及技術走向[J].電器與能效管理技術，2016（14）：9-14，61.

[14] 馬會萌，李蓓，李建林，等.適用于集中式可再生能源的儲容配置敏感因素分析[J].電網(wǎng)技術，2014，38（2）：328-334.

[15] LIU D， ZHAO F， WANG S， Et al. Optimal allocation method of energy storage for integrated renewable generation plants based on power market simulation[J]. Energy Storage and Saving， 2023：479-548.

[16] YILDIRIM M A， BARTYZEL F， VALLATI A， et al. Efficient energy storage in residential buildings integrated with RES Heat system[J]. Applied Energy， 2023（335）：120752.