張子建

(國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的轉變,住宅和商業(yè)建筑的用電量不斷攀升,居民和日常商業(yè)電力用量越來越多。構建資源節(jié)約型社會是我國的基本國策,因而有必要探討負荷側提高電力使用效率,減少電費支出的有效方法。

儲能技術可以實現(xiàn)電能的時空轉移,有利于改善電力系統(tǒng)“峰谷差”,是提升電力使用效率的有效途徑之一。但較高的使用成本,大大限制了儲能技術的廣泛應用。近年來,共享經(jīng)濟作為提高資源使用效率的新模式受到了大量關注,并被應用于“線上、線下”等諸多領域,產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟效益。與此同時,共享思維也漸漸被引入到儲能領域,如文獻[1]指出,構建數(shù)字化、軟件化的共享儲能系統(tǒng)是時代所趨；文獻[3]提出了發(fā)電側共享儲能策略,建立了基于合作博弈理論的發(fā)電側共享儲能規(guī)劃模型；文獻[4]重點研究了電網(wǎng)側儲能電站的共享商業(yè)模式,著重討論了電池本體的租賃策略；文獻[5]分析了負荷側社區(qū)共享儲能微電網(wǎng)架構,建立了共享服務提供商和產(chǎn)銷者效益模型。對于當前涌現(xiàn)出的各類共享儲能方案,從應用場景來看,主要有三種實現(xiàn)方式：

(1) 源端共享儲能。共享電源側儲能電站,主要用于儲存新能源電力,減少棄風棄光,實現(xiàn)源端“儲能于廠”。

(2) 網(wǎng)端共享儲能。整合電網(wǎng)現(xiàn)有資源,可在變電站內(nèi)增設儲能接口,也可利用各類儲能企業(yè)的儲能資源,吸收棄風棄光電能和其他富余電能,削峰填谷,實現(xiàn)網(wǎng)端“儲能于站”。

(3) 荷端共享儲能。利用電動汽車或智能樓宇中的儲能設備,在用電低谷期儲能,高峰期放電,實現(xiàn)荷端“儲能于民”?？梢?通過在電力系統(tǒng)“源、網(wǎng)、荷”各個環(huán)節(jié)配置合適的共享儲能設備,能夠改善整個系統(tǒng)的運行效率。

不過,由于居民和日常商業(yè)等建筑類荷端電力消費占據(jù)了全社會能源消耗的很大比例,通過探討荷端共享儲能模式以提高荷端能源利用率,可直接減少個人日常電費開支、降低企業(yè)運營成本,對于當前“疫情”壓力下藏富于民、減輕小微企業(yè)負擔具有更直接的現(xiàn)實社會意義。尤其是近年來我國城市人口密度和土地價格的快速增長,有著更高能耗密度和較低能源利用率的公寓式建筑大量出現(xiàn),建筑類多個用戶通過共享使用運營商提供的儲能系統(tǒng),為荷端共享儲能的實施和推廣提供了極有利的條件。為盡可能地提高負荷側電力使用效率,建立共享儲能服務模型和相應的運行機制至關重要。文獻[8]提出了基于區(qū)塊鏈技術的電動汽車車聯(lián)網(wǎng)平臺能源共享運營模式；文獻[9]闡述了工業(yè)園區(qū)共享儲能方案,并建立了二層規(guī)劃模型；文獻[10]提出了一種P2P 荷端分布式儲能共享商業(yè)模式。

為此,下面提出一種適用于擁有大量用戶的公寓式建筑用戶側共享儲能服務模型和運行策略。共享儲能服務模型包括服務提供者機制和參與者決策過程,服務參與者主要為公寓式建筑中的用戶。運行策略是在確定共享儲能設備的數(shù)量、服務價格和選擇參與者的基礎上,通過拉格朗日松弛法優(yōu)化分析以最大化共享服務聯(lián)盟參與者的利益。最后,通過算例驗證了共享模型及運行策略的有效性。

1 共享儲能服務模型

本研究從儲能成本模型出發(fā),以服務參與者的利潤最大化為前提,來構建共享儲能服務模型,包括確定儲能成本、參與者利潤以及共享服務提供商利潤。

1.1 儲能成本模型

合適的儲能成本是實施共享儲能策略的前提和關鍵。儲能裝置的成本主要與儲能本體材料和儲能容量直接相關。在能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、充放電次數(shù)、深度放電能力等多個指標上,由于鋰電池與其他種類電池相比均具有一定的優(yōu)勢,故選用鋰電池作為儲能裝置的能量存儲載體。

平準化成本,也叫度電成本,是按服務時間劃分的標準化成本,包括儲能總資本支出(如容量成本)和運營支出(如運行與維護成本、稅金)。在過去5 年時間里,鋰電池的容量成本下降約36 %,預計到2030 年,鋰電池的總安裝成本可再降低54 %～61 %,并且其使用壽命還可增加約50 %[11]。總的來看,與當前成本相比,10 年后鋰電池的平均成本將降低50 %以上。另外,研究已表明[12],儲能平準化成本隨儲能容量的增加呈現(xiàn)指數(shù)型減小趨勢,如圖1 所示,因而規(guī)模經(jīng)濟理論適用于儲能成本的分析和計算。

圖1 儲能度電成本隨儲能容量變化情況

綜上所述,建立與儲能容量相關的儲能度電成本[13]：

式中,Fe表示儲能裝置單位容量的日均材料成本；SE表示儲能裝置的容量；α1,α2和α3為相關常系數(shù)。

為保證鋰電池的較長使用壽命,鋰電池不能過度放電,需要限制其最低電量,所以容量SE的鋰電池實際最大放電量為：

式中,PE為實際最大放電量；ηmax和ηmin分別表示最大和最小剩余電量比率。

1.2 參與者經(jīng)濟模型

對參與者來說,利潤定義為單獨使用儲能設備與使用共享儲能服務之間的差值。例如,不共享儲能設備時,某用戶一天使用的儲能電量為m,儲能服務提供商電價定價為r,單獨使用儲能設備的成本為f。假設不共享儲能設備和共享儲能設備時用戶使用儲能電量相同,則成本將節(jié)省m·(f-r)。

假設用戶i單獨使用儲能設備電量Si,最大放電量為Pi,則用戶i需繳納電費為Qi(Si),它們需滿足以下條件：

式中,r0和rt分別表示t時刻的儲能電價(考慮充放電效率,由低谷電價換算所得)和市電電價,元/kWh；T為儲能設備最長使用時長,小時；DWit表示t時間間隔內(nèi)使用的市電電量,kWh；CNit表示t時間間隔內(nèi)使用儲能設備電量,kWh。

那么,用戶i單獨使用儲能設備所節(jié)省電費Y′i(Si)為：

考慮儲能成本時,用戶i的盈利Yi(Si)可表示為：

當用戶i參與共享儲能聯(lián)盟時,儲能設備成本Fe(Si) 將變?yōu)楣蚕韮δ茏饨穰翭e(Sall)Pi,電價也將變?yōu)楣蚕矸针妰rrg,因而用戶i利潤可計算為：

式中,rg為共享儲能服務價格,rg由共享儲能服務提供商定價,元/kWh；β為共享儲能懲罰系數(shù),β=1-CNit/Pi,Fe(Sall)Pi表示參與者i參與共享儲能聯(lián)盟占據(jù)儲能成本,元/kWh,Sall為共享儲能設備總容量,kWh。也就是說,若用戶i每天都消耗掉所有協(xié)議電量,則不需繳納儲能成本。為此,可將參與者利潤最大化問題轉化為儲能容量的優(yōu)化問題,即：

第一個約束是通過儲能獲得正利潤的基本約束,也就是說儲能成本應少于使用儲能設備所節(jié)省的電費；第二個約束條件表示共享儲能售電價應該低于非共享時購電成本。

1.3 共享儲能服務提供商經(jīng)濟模型

對于共享儲能服務商來說,收益為服務價格和運營成本之間的邊際收益。對于共享儲能設備總容量Sall,服務商收益為：

式中,Pi*表示單元i所需的最佳儲能容量,kWh。

則共享儲能服務提供商經(jīng)濟模型為：

上式表明,服務提供商的利潤取決于共享儲能設備總容量Sall、共享儲能服務電價rg和參與者聯(lián)盟M。第一個約束表示服務商必須為正利潤；第二個約束表示服務商需要滿足每個參與者的需求。

2 共享儲能服務運行策略

對于參與者來說,是否參與共享儲能聯(lián)盟取決于服務商的儲能服務價格,同時服務價格又由參與者所需的儲能容量決定。也就是說,服務商的利潤模型(9)中各變量相互作用決定了服務商的利潤。

基于拉格朗日松弛法,將式(9)描述的優(yōu)化問題用拉格朗日乘子λ和ν表示如下：

將λ*=0 帶入式(15),可得：

結合式(14),可得：

將式(18)帶入式(8),整理可得：

式(19)說明,隨著服務價格rg的上漲,價格紅利會增大,但由于價格的增長,規(guī)模紅利必會減小。這就意味著服務價格的確定需要綜合考慮模型(7)和模型(9)。進一步使用基于迭代原理的梯度法,迭代確定最優(yōu)服務價格：

式中,εi表示第i次迭代的步長；表示關于x的梯度運算。將梯度近似值作為迭代點之間的斜率,則服務價格可以表示為：

根據(jù)式(7)確定參與者聯(lián)盟M的規(guī)模,確保聯(lián)盟M具有正利潤,同時假設服務商始終有權決定誰能參與聯(lián)盟,那么,根據(jù)式(19)可知,服務商可以通過擴大聯(lián)盟M的規(guī)模來提高收益。

最終,根據(jù)以下步驟確定最終服務價格：

(1) 假設服務價格為,終止條件為Δ,j=0。

(2)j=j+1。

(3) 根據(jù)式(7)計算每個參與者獲得最大利潤時儲能容量Si*。

3 仿真與分析

3.1 參數(shù)設置

為驗證共享儲能服務模型和運行策略的有效性,選取北京某棟公寓式建筑作為研究對象。根據(jù)其電力消費情況,將其一天中的用電時段分為三個：高峰期(10 時—15 時,18 時—21 時),普通期(7 時—10 時,15 時—18 時,21 時—23 時)和低谷期(23 時—7 時)。根據(jù)北京市分時電價機制,三個時段所對應的電價分別為1.324 0 元/kWh,0.805 3 元/kWh 和0.311 6 元/kWh。圖2 給出了2019 年該棟公寓中用電量較大的5 家用戶的每日用電量。

圖2 5 家用戶日用電量負荷曲線

根據(jù)式(7)描述的參與者模型,首先確定模型所需的相關參數(shù)。通過擬合文獻[12-13]中的數(shù)據(jù)得出α1,α2和α3的取值分別為1.530 7,0.006和0.556 6；儲能設備最高和最低剩余電量比ηmax和ηmin分別取1 和0.2。模型相關參數(shù)取值如表1所示。

表1 模型相關參數(shù)

3.2 參與者與共享儲能服務提供商效益仿真

運用模型(6)、(7)獲得五家單位最優(yōu)儲能容量如表2 所示。

表2 五家單位最佳儲能容量

將相關參數(shù)和5 家單位用電情況帶入模型(9),可求解出每家公司度電成本如表3 所示。

表3 每家公司度電成本

經(jīng)迭代運算可得共享儲能最佳總容量為：

此時共享儲能的度電成本為：

3.3 效益對比

5 家單位單獨使用儲能設備時年效益與參與共享儲能聯(lián)盟時年效益對比如圖3 所示。由于較高的儲能成本,當用戶不參與共享儲能且使用較小容量的儲能設備時,儲能并未給用戶帶來收益,反而會造成虧損。當用戶參與共享儲能時,無論協(xié)議儲能容量大小參與者都能獲得收益。當用戶所需協(xié)議儲能容量過大時,雖能獲得收益,但與不參與共享儲能時相比效益幾乎相等甚至小于不參與共享時效益,因此該類用戶將不會參與共享儲能聯(lián)盟。

當儲能成本降低時必然會造成參與者效益的變化,圖4 為儲能成本降低30 %時5 家用戶不參與共享和參與共享時年效益。對比成本降低前效益圖不難發(fā)現(xiàn),在不參與共享時,儲能成本的降低使得小容量用戶由負效益轉為正效益,因此儲能成本的降低會吸引更多的用戶安裝儲能設備。但對于中小容量用戶來說,參與共享儲能所獲得的效益依然大于非共享時效益,且大于成本降低前效益,同時無需承擔自己安裝儲能設備所需的較高一次性支出。因此對于該共享儲能模型來說,中低容量用戶參與共享儲能將獲得更多的收益。

圖3 5 家用戶不參與共享與參與共享時年效益

圖4 儲能成本降低30 %時效益對比

4 結論

提出了一種用戶側共享儲能服務模型與運行策略。首先分別從參與者和共享儲能服務提供商兩方面介紹了共享儲能模型,服務商從儲能設備安裝成本和共享服務價格之間的差額中獲利；同時提出了共享儲能服務策略,策略的重點是根據(jù)參與者最優(yōu)容量確定共享儲能服務總容量和服務價格；最后通過案例驗證了該模型的有效性,研究發(fā)現(xiàn)當企業(yè)日用電量較大時參與共享儲能帶來經(jīng)濟效益與單獨使用儲能設備時幾乎相同,但需要承擔用電量不穩(wěn)定需要繳納儲能成本的風險,同時共享儲能服務提供商收益相對較少。因此該模型適用于用電量中低水平用戶。