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集中式储能参与的微电网需求响应研究

2024-11-21 61 上传者：管理员

摘要：该文主要围绕着集中式储能系统（CESS）在微电网需求响应中的应用展开深入研讨。CESS参与有助于实现微电网需求响应的高效调度，优化能源资源配置，提升系统稳定性，促进清洁能源利用。通过文献分析和模型构建，研究表明，CESS在微电网中具有降低经济成本、提高能源利用效率和提升稳定性的优势。然而，针对负载平衡模型施以优化的根本目的，是确保微电网的经济成本规模得以有效缩减，可同样会导致微电网的稳定性愈发降低。为此，该文提出一个指标规划模型中不同权重系数的影响，以找到成本效益和稳定性之间的最佳关系。最后，该文提出研究的局限性，并指出未来研究的方向。

关键词：
CESS
微电网
数值模拟
模型构建
集中式储能
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在微电网优化调度与配置方面，文献[1]提出了基于改进布谷鸟算法的微电网源-荷-储功率优化调度方法，旨在实现能源资源的高效利用。文献[2]探讨了面向多服务目标需求的集中式电池储能优化配置方法，以满足不同服务的需求。文献[3]研究了计及光伏工况的集中式发电方案下储能的优化配置，以提高系统的稳定性和可靠性。文献[4]分析了分布式与集中式储能并存的微电网负荷优化调度问题。文献[5]讨论了提升新能源消纳能力的集中式与分布式电池储能协同规划。在储能技术与应用方面，文献[6]对集中式超大规模储能电站的信息物理系统进行了建模，对其可靠性进行了评估，并为储能电站的设计、运行和维护提供了理论支持和决策依据。文献[7]指出，合理规划储能规模和布局对于提高系统的调峰能力、保障电力供应安全以及促进新能源消纳具有重要意义。文献[8]探讨了集中式储能下微电网的控制策略，通过对微电网的源-荷-储协调控制，可以有效提高微电网的自给自足能力和供电可靠性，尤其是在电网故障或外部电源中断的情况下。文献[9]主要聚焦于商业建筑微电网，分析了商业建筑微电网的运行模式和经济效益，提出了相应的优化配置方案。文献[10]分析了基于集中储能的新型家庭微电网架构及其优势。文献[11]基于协同性与非确定性的基础上，围绕着微电网项目投资组合优化这一问题展开了深入探讨。在储能参与电网中的作用方面，文献[12]针对储能系统在提高电网对大规模集中式光伏发电的接纳能力方面扮演的关键角色进行了深入研究和验证。通过储能系统的有效运用，可以显著提高电网对光伏发电的接纳能力，缓解光伏发电的波动性对电网的影响。文献[13]指出，随着技术的进步和成本的降低，大规模储能将在可再生能源发电领域发挥越来越重要的作用。文献[14]的研究内容是集中式可再生能源系统中储能容量配置的敏感因素分析。这项研究有助于指导储能系统的设计和操作，以适应集中式可再生能源的特点。文献[15]提出了一种在综合可再生能源发电厂中实现能源存储最优分配的方法，不仅提高了可再生能源的利用效率，也为电力市场的稳定运行提供了有力支持。文献[16]提出了一种在住宅建筑中集成可再生能源供热系统的高效能源存储方案，为居民提供了更为舒适、环保的生活环境。

从上述文献可以看出，储能微电网的研究正朝着优化调度、技术应用等多个方向深入发展。

1、集中式储能参与的微电网组织架构

如今，城市中的微电网正在逐渐采用集中式储能系统（Centralized Energy Storage System,CESS），以提高资源整合效率和系统稳定性。公共光伏系统与能源存储系统（CESS）同时连接到电网，进而满足客户有关负荷的基本需求。在光伏资源较为丰富且电价惠而不费的时段，储能系统的存在能够起到能源储备作用，作为备用能源参与到微电网负荷的分配过程当中，使得微电网能够稳定地运行下去，同时促使相应的经济成本得到有效控制。基于此，针对包含能源存储系统的微电网负荷平衡模型进行深入研讨。本研究建立了一个包含能源存储系统的微电网负荷优化模型；将光伏发电当作是微网的分布式能源，微电网不单单能够向电网进行能源的购买，同时能够向其进行售卖。通常情况下，微电网的负荷主要经两部分一同构成，其一即用户用电，其二即建筑基本负荷。分布式发电信息与微电网售电信息、用户用电信息与微电网售电信息等，皆可以在第一时间储存于用户数据服务器中，进而便于后续的微电网信息互换操作。

基于CESS微网内，各用户对于能源的基本需求与日常的用电习惯，均存在着明显差异。为能够积极地参与至电力市场中，他们通过节约电费和减少与电网互动导致的电网波动负担来提高效率。将这些用户与公共光伏系统以及CESS相连接的根本目的，即促使微网得以维系住稳定的运行状态，并且在对经济成本进行有效控制的前提下，对CESS的运行进行有效管控。

2、构建优化模型

2.1 目标函数

CESS参与的微电需求响应优化调度目标函数，主要涵盖了用户层面和微电网层面2个重要的维度。

式中：C1是用户层面的用电需求与成本优化。所有客户都希望能够参与电力市场，同时满足日常需求，降低日常能源成本。Ppur,t是t时刻用户的购电价格，Pig,tl是微电网的购电功率，△t是时间变量，Com是CESS的运行维护成本，Cdep是CESS的折旧成本，Cd是用户参与DR的执行成本。Z是调整光伏发电、公用电网供电和CESS在微电网中能源消耗的次序。

式中：τom是CESS的单位运维系数，PtBL,ch和PtBL,disch分别是CESS在t时刻的充电功率和放电功率。

式中：τdep是CESS的单位折旧系数。

式中：PupLoad,i,t和PLoaddown,i,t分别是实施消费削减策略后，t时刻i消费负荷需求量的增减；τD,up和τD,down分别是实施消费削减策略后，i消费负荷单价的增减。

式中：Ptpv光伏在t时刻的实际输出功率，PtBL是CESS在t时刻的输出功率。λpv、λgl和λBL均是人为设置的惩罚因子，分别对应于光伏发电、公用电网和CESS 3种能源的优先调度程度。通过分配不同的惩罚系数，可以根据特定能源的需求确定其优先次序。

式中：C2是微电网层面的电力波动与稳定优化。γgl是公用电网功率交互波动系数，γBL是CESS功率交互波动系数。式（6）表示从时间t-1到时间t，微电网改变了电网与CESS之间的电力互动。

式中：ε是成本性的权重因子代表经济成本目标所占权重，1-ε是稳定性的权重因子代表稳定性目标所占权重。

2.2 约束条件

2.2.1 储能系统约束

对于集中式能源存储系统（CESS），如液流电池，有充电和放电功率的限制，以及能量状态（充电和放电能量）的约束。这些约束确保了电池在安全范围内工作，如最大和最小充电/放电功率，以及放电深度限制。

式（8）与式（9）中的ItBL,disch、ItBL,ch，各自代表着CESS基于t时刻CESS的放电变量、充电变量，本质上来讲即归结为二进制变量。PtBL,ch和PtBL,disch分别是CESS在t时刻的充电功率和放电功率。分别是CESS在t时刻的最小放电功率限制和最大放电功率限制。PtBL,chmin和PtBL,chmax分别是CESS在t时刻的最小充电功率限制和最大充电功率限制。

式（11）表示CESS在t时刻的输出功率。

式中：ηBL,ch和ηBL,disch分别代表储能系统（CESS）的充、放电效率。式（13）中EBLmin与EBLmax各自代表着CESS的最小存储容量、最大存储容量。

2.2.2 需求响应约束

在电力消费阶段，假设每个时间段内用户都有可调节的负载。当电力需求达到高峰时，电价上升，用户会减少自身的用电量，并在电价较低的时段转移电力使用，以满足日常需求并降低用电成本。

式（15）中：PDRLoad,i,t代表着第i个用户基于时刻t下实际参与需求响应（DR）策略的负荷需求；PLoad,i,t则代表着第i个用户基于时刻t下没有实际参与DR策略的负荷需求。此外，式（18）中的ID,up、ID,down均归结为二进制变量，前者代表着参与DR策略以后负荷增加的实际参数，而后者则代表着负荷减小的实际参数；式（16）和式（17）中的Mdown和Mup均是连续变量，范围从0到1，分别代表负荷减少和增加的最大值。由式（15）可知，用户参与需求响应（DR）以后的实际用电负荷，即为用户在没有参与DR前阶段的实际用电负荷与用户接入DR以后新增负荷之总计。为确保用户在日常中能够获取到良好的舒适度，式（16）、式（17）均针对可新增的最大负荷施以了适度约束。由式（18）可知，用户在参与DR之时，不可对其电力负荷予以减少或者增加。式（19）则意味着基于配电周期内，用户总电力负荷维持原状。

2.2.3 功率平衡约束

微电网必须符合电力平衡原则，即光伏、公用电网、CESS的输出功率之和等于用户实际和调整后的负荷需求。同时，每个用户的电功率也需要平衡。

整个微电网的电功率平衡约束

每个用户的电功率平衡约束

式（20）代表着基于微电网的能源平衡约束；而式（21）则代表着基于各用户的能源平衡约束。具体而言，式（21）中的Ppvi,t代表着基于时刻t用以满足第i个用户负载需求的光伏发电功率；Pgli,t表示时刻t用于满足第i个用户负载需求的公用电网发电功率；PBL,dischi,t表示CESS用于满足用户i在时刻t的负载需求的放电功率；PBL,chi,t表示用户i在时刻t存储进CESS的充电功率。

3、算例分析

实验中的光伏发电数据和负荷数据来自文献[4]，用户的负荷数据源于2012年7月的某一周某住户社区的实际功耗数据，用户的购电价格来自实时电价数据，这些数据源自P2P—IEEE，系统数据集的电价信息。本研究中储能系统的参数，具体参考于EIL—R267以及SUNGROWEIL—046。其他储能系统参数见表1。

表1 CESS系统参数

为了研究集中储能的微电网相对于无集中储能的传统微电网的优势，我们通过进行2组对比实验，围绕着用户参与集中式储能微电网需求响应的实际情况施以深入研讨，同时围绕着微电网储能系统对于微电网稳定性与经济性所构成的影响展开深度剖析。基于对照实验1，将方案1与方案2进行详尽对比。此实验目的，即在于探究与传统意义的微电网相比较，具有CESS的微电网是否能够使得稳定性及经济性更强。而基于对照实验2，则是将方案2与方案3进行详尽对比。此实验目的是为了深入研讨在具有CESS的微电网当中，用户是否可以对需求侧管理进行有效参与，进而使得其自身的用电成本得到有效控制。

需格外注意的是，基于式（3），将ε系数值确定成0.5。在将该因素考量在内以后，针对4类方案，微电网的负荷优化调度结果同时兼顾了稳定性及经济性，如图1—图3所示。

图1 方案1下的负荷优化调度结果

图1基于方案1下，传统微电网的经济性与稳定性的负荷分布情况。基于方案1内，未存在储能系统以负荷和电力需求二者间的同步性进行调控，故当发电量难以对微电网的负荷需求予以满足之时，额外电量需源自于公共电网，致使微电网难以成功实现最优的负荷规划。

图2基于微电网和CESS相连以后得负荷优化设计。研究结果表明，当储能系统与微电网连接后，其稳定运行状态减少了部分非确定性因素，负荷优化规划算法使得电网的波动现象得到有效控制；与此同时，并不会对于微电网的稳定运行状态产生负面效应。

图2 方案2下的负荷优化调度结果

图3用户在参与微电网需求响应策略以后的负荷分布状况。结合所得到的方案3结果可知，在需求响应引进以后，微电网总负荷需求曲线愈发趋向于宽松。意味着，具有CESS的微电网可以成功参与到电力市场中，使得用电成本规模得以有效缩减，并且能够使得微电网维系住稳定的运行状态。

图3 方案3下的负荷优化调度结果

从以上的实验结果来看，如果将微电网的经济性放在首位，那么配备CESS的微电网将获得更好的经济性。同样，如果优先考虑微电网的稳定性，就能获得更好的稳定性。此外，本研究还发现，成本权重的增加（取值范围在0至1之间），微电网的经济性能可能会下降，同时波动幅度愈发明显。基于此，本文在研究过程中提出了诸多对负荷优化结果进行精确评估的基础指标，此类指标不只可以将调度结果的效益予以展现，还可以将微电网的稳定性、经济性均考量在内。

式中：C1max、C1min各自象征着微电网经济价值在成本权重（取值范围在0到1）时候的最大值、最小值；C2max、C2min，则各自象征着微电网不稳定性指标的最大值、最小值。由式（23）可知，在对微电网的不稳定性指标与经济价值进行考量时，其估值指标应尽量小。本实验的目的是通过不断调整权重系数，在考虑储能系统的情况下，找到微电网最佳的负载平衡，兼顾波动性和经济成本之间的优化平衡。研究通过探究成本权重系数在0和1之间的变化怎样作用于微电网的稳定性、经济成本，最终的实验结果见表2。

表2 方案3中的经济成本、波动性指标和评估指标

从表2可以看出，将步长设定为0.1，经对各权重值进行运算后可知，当ε系数值是0.8的时候，微电网的稳定性与经济性可达至平衡。在考虑了储能系统的情况下，对于参与了需求响应的微电网，这种平衡解被认为是最佳结果，因为在综合考虑经济成本和稳定性时能够达到最优的折中点。

4、结论

在探究微电网调度策略的过程中，构建了一个融入CESS的微电网需求响应优化调度模型。模型全面考虑经济效益和稳定性2个层面，力求在这两者间寻求最佳的平衡点。在引入CESS后，微电网在运行的经济性和稳定性上均呈现出显著提升。本文主要完成的部分如下。

1)CESS能提供大规模的电力存储，有效平衡供需，并且快速响应电网指令，提供频率调节、峰值削平等服务，增强微电网的灵活性和可靠性。

2)CESS参与的微电网通过集中管理，能优化能源使用，降低运营成本。

3）当过于追求减少经济成本微电网的波动就会扩大，追求减少波动微电网的经济成本就会扩大。

4）进一步研讨各权重因素对于调度模型所产生的影响，进而寻求一个可以兼具稳定性以及经济性的最优方案。

参考文献:

[1]何玉灵,解奎,孙凯,等.基于改进布谷鸟算法的微电网源-荷-储功率优化调度[J].电力科学与工程,2023,39(10):14-25.

[2]马速良,武亦文,李建林,等.面向多服务目标需求的集中式电池储能优化配置方法研究[J].高压电器,2023,59(7):75-86.

[3]杨夯,郭宜果,李哲.计及光伏工况的集中式发电场景下储能优化配置[J].电源学报,2024,22(S1):116-126.