區(qū)分工作日和非工作日負(fù)荷的用戶側(cè)儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化策略
孫偉偉1,2, 寇瀟文1,2, 周光1,2, 李滿禮1,2
（1. 南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京 211000; 2. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211000）
在兩部制電價(jià)下，為了更高效地利用儲(chǔ)能提升用戶的綜合效益，通過(guò)構(gòu)建需量管理、儲(chǔ)能收益、負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率及SOC過(guò)程控制模型，提出了區(qū)分工作日和非工作日負(fù)荷的用戶側(cè)儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化策略，可有效實(shí)現(xiàn)降低用戶月度用電成本、降低負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率及減少儲(chǔ)能充放電及待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化，并利用Matlab調(diào)用Cplex求解器對(duì)某大工業(yè)用戶進(jìn)行算例優(yōu)化，驗(yàn)證了策略的可行性。
引文信息
孫偉偉, 寇瀟文, 周光, 等. 區(qū)分工作日和非工作日負(fù)荷的用戶側(cè)儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化策略[J]. 中國(guó)電力, 2022, 55(6): 194-201.
SUN Weiwei, KOU Xiaowen, ZHOU Guang, et al. Multi-objective optimization strategy of user-side energy storage operation differentiating working / nonworking load[J]. Electric Power, 2022, 55(6): 194-201.
引言
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為“緩沖器”可在時(shí)間上轉(zhuǎn)移負(fù)荷，廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，主要參與調(diào)頻[1-2]、削峰填谷[3-4]、需求響應(yīng)[5]、虛擬電廠[6]等電力輔助服務(wù)。用戶側(cè)儲(chǔ)能曾被業(yè)內(nèi)視為最具潛力的儲(chǔ)能發(fā)展領(lǐng)域，但受制于儲(chǔ)能的高成本及峰谷差價(jià)小等因素，導(dǎo)致用戶側(cè)儲(chǔ)能市場(chǎng)發(fā)展受挫，市場(chǎng)規(guī)模較小。而各地“電改”之后，電力市場(chǎng)價(jià)格將更加靈活，如江蘇省發(fā)展改革委2020年發(fā)布了《關(guān)于江蘇電網(wǎng)2020—2022年輸配電價(jià)和銷售電價(jià)有關(guān)事項(xiàng)的通知》，此次電價(jià)調(diào)整，峰谷價(jià)差比之前約增加了0.02元，有效刺激了用戶部署電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，減小了運(yùn)營(yíng)成本。如果用戶配備一定容量的儲(chǔ)能，可實(shí)現(xiàn)電費(fèi)彈性可控，不僅可利用峰谷套利，而且可參與需求側(cè)響應(yīng)等領(lǐng)域，開(kāi)辟新的盈利空間。因此，對(duì)于用戶側(cè)儲(chǔ)能的研究得到廣泛關(guān)注。
用戶側(cè)儲(chǔ)能優(yōu)化主要分為儲(chǔ)能優(yōu)化配置和運(yùn)行優(yōu)化兩方面。文獻(xiàn)[7]考慮峰谷套利、補(bǔ)貼、全壽命周期成本等因素，提出了儲(chǔ)能的優(yōu)化配置方案。文獻(xiàn)[8-9]以投資運(yùn)維成本、收益為模型，以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，優(yōu)化確定不同種類的儲(chǔ)能容量配置。文獻(xiàn)[10]在光儲(chǔ)并網(wǎng)微電網(wǎng)系統(tǒng)下，給出一種考慮需求側(cè)響應(yīng)的電池儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法。
對(duì)于大工業(yè)用戶，電費(fèi)主要構(gòu)成為基本電費(fèi)與電度電費(fèi)。其中基本電費(fèi)的收取分為變壓器容量形式和最大需量形式，目前用戶選擇按實(shí)際需量形式繳費(fèi)的較多，電度電費(fèi)則是根據(jù)用戶實(shí)際用電量與對(duì)應(yīng)時(shí)刻電價(jià)的乘積得到。
在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于已安裝儲(chǔ)能的用戶，目前大部分都依據(jù)峰平谷電價(jià)時(shí)間段，采用最大化利用峰平谷電價(jià)差產(chǎn)生削峰填谷收益的控制策略。但該策略可能造成月最大需量的提高，導(dǎo)致用戶雖然降低了電度電費(fèi)，但增加了基本電費(fèi)，綜合收益較低。對(duì)于大工業(yè)用戶或制造業(yè)用戶，其需量電費(fèi)會(huì)占到總電費(fèi)的20%左右[11]，如果對(duì)需量電費(fèi)進(jìn)行管理，則能夠直接降低用電成本。文獻(xiàn)[12-13]考慮了峰谷套利的優(yōu)化運(yùn)行，并未考慮需量管理。文獻(xiàn)[14]采用兩階段模型進(jìn)行儲(chǔ)能配置和運(yùn)行優(yōu)化，未考慮儲(chǔ)能充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)，增加了儲(chǔ)能運(yùn)行損耗。文獻(xiàn)[15]考慮不同用戶側(cè)儲(chǔ)能配置評(píng)估與運(yùn)行優(yōu)化模型，重點(diǎn)研究了不同用戶的儲(chǔ)能優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[16]考慮了功率因數(shù)調(diào)整對(duì)電費(fèi)的影響，雖然增加了需量約束，但是并未對(duì)需量管理進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[17]提出雙層決策模型，加入需量因素，但并未考慮儲(chǔ)能每日充放電次數(shù)過(guò)多對(duì)儲(chǔ)能電池壽命的影響。文獻(xiàn)[18]增加了儲(chǔ)能吞吐量約束，但也只能減少充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換的次數(shù)，而不能明顯降低充放電狀態(tài)與待機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換次數(shù)。文獻(xiàn)[19-21]以配電網(wǎng)網(wǎng)損和電壓偏差最小為目標(biāo)進(jìn)行儲(chǔ)能運(yùn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[22-24]則加入光伏、空調(diào)等柔性可調(diào)負(fù)荷的因素進(jìn)行儲(chǔ)能優(yōu)化配置。目前的儲(chǔ)能容量設(shè)計(jì)及運(yùn)行策略一般是基于正常工作負(fù)荷進(jìn)行的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并未區(qū)分工作日負(fù)荷及非工作日負(fù)荷，法定節(jié)假日使非工作日天數(shù)占比增加，直接影響儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化。
針對(duì)以上不足，本文針對(duì)大工業(yè)用電用戶，提出區(qū)分工作日和非工作日負(fù)荷的用戶側(cè)儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化策略。該策略綜合考慮了儲(chǔ)能收益、需量管理、負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率及充放電過(guò)程控制，輸出儲(chǔ)能充放電功率指令。最后通過(guò)以某大工業(yè)用戶作為算例，進(jìn)行了有效性驗(yàn)證，測(cè)算結(jié)果表明所提策略在實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)效益提升的基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率減小及充放電過(guò)程控制以減小充放電及待機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換次數(shù)。
1 儲(chǔ)能優(yōu)化約束
（1）儲(chǔ)能功率約束。儲(chǔ)能充放電功率不能超過(guò)其配置的額定功率，即
2.4 SOC過(guò)程控制模型
為了減少儲(chǔ)能充放電及待機(jī)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換次數(shù)以延長(zhǎng)儲(chǔ)能壽命，本文提出儲(chǔ)能SOC過(guò)程控制模型，對(duì)儲(chǔ)能在分時(shí)電價(jià)各時(shí)段內(nèi)的充放電過(guò)程進(jìn)行控制。根據(jù)峰平谷時(shí)間段，分別計(jì)算儲(chǔ)能SOC積分值，以積分和最小為目標(biāo)，SOC過(guò)程控制模型構(gòu)建為
3 儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化
區(qū)分工作/非工作日負(fù)荷的用戶側(cè)儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化策略主要由需量?jī)?yōu)化模型和儲(chǔ)能功率優(yōu)化模型構(gòu)成，通過(guò)需量?jī)?yōu)化模型計(jì)算出月最大需量 PXmax ，再用儲(chǔ)能功率優(yōu)化模型求得儲(chǔ)能充放電功率，主要流程如圖1所示。其中，b 為用戶變壓器容量單價(jià)，元/（kW·月）；PBN 為用戶變壓器容量。
圖1 用戶側(cè)儲(chǔ)能優(yōu)化策略
Fig.1 Optimization strategy of user-side energy storage
4 算例分析
為驗(yàn)證所提優(yōu)化策略的有效性，以南京某大工業(yè)用戶用電為例，采用Matlab仿真，基于Yalmip平臺(tái)調(diào)用Cplex求解器進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。該用戶變壓器容量為20 MW，加裝儲(chǔ)能容量為2500 kW /1 MW·h，儲(chǔ)能荷電狀態(tài)SOC上限為0.95，下限為0.1， a=40 元/（kW·月），b=30 元/（kW·月），同時(shí)設(shè)定工作日和非工作日天數(shù) N=22 、M=8 。用戶典型工作/非工作日負(fù)荷曲線如圖2所示，采樣間隔為5 min，T=288 。
圖2 大工業(yè)用戶典型日負(fù)荷
Fig.2 Typical daily load of large industrial users
對(duì)一般削峰填谷運(yùn)行策略、需量管理運(yùn)行策略和本文提出的區(qū)分工作日和非工作日負(fù)荷的用戶側(cè)儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化策略進(jìn)行Matlab仿真，功率曲線輸出結(jié)果如圖3~8所示。
圖3和圖4為一般削峰填谷運(yùn)行策略優(yōu)化結(jié)果，該策略僅考慮峰谷套利最大化?？梢钥闯?，一般削峰填谷運(yùn)行策略在各時(shí)段內(nèi)的充放電隨機(jī)無(wú)序，導(dǎo)致充放電及待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)較多；儲(chǔ)能優(yōu)化后的負(fù)荷最大需量大幅增加，同時(shí)負(fù)荷波動(dòng)幅度比優(yōu)化前增大很多，尤其在非工作日情況下負(fù)荷波動(dòng)幅度成倍增長(zhǎng)。
圖5和圖6為一般需量管理運(yùn)行策略優(yōu)化結(jié)果，該策略不僅考慮儲(chǔ)能峰谷套利，也考慮需量管理。可以看出，需量管理運(yùn)行策略在各時(shí)段內(nèi)的充放電也是隨機(jī)無(wú)序，但比一般削峰填谷運(yùn)行策略稍好；儲(chǔ)能優(yōu)化后，確保了沒(méi)有增加新的負(fù)荷尖峰，最大需量得到控制，同時(shí)負(fù)荷波動(dòng)幅度相比一般削峰填谷運(yùn)行策略要小。
圖7和圖8為本文運(yùn)行策略優(yōu)化結(jié)果，經(jīng)仿真測(cè)試，置 λ1 = 700 、 λ2 = 1 ?？梢钥闯觯摬呗跃C合考慮了儲(chǔ)能收益、需量管理、負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率及充放電過(guò)程控制。充放電及待機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換次數(shù)在10次以內(nèi)，達(dá)到“兩充兩放”的效果；最大需量相比一般削峰填谷運(yùn)行策略要小，但比一般需量管理運(yùn)行策略要大；負(fù)荷波動(dòng)幅度相比其他策略明顯更小。
表2對(duì)比了不同運(yùn)行策略下的優(yōu)化結(jié)果，最大需量方面，本文優(yōu)化策略的最大需量介于一般削峰填谷運(yùn)行策略和需量管理運(yùn)行策略之間；SOC過(guò)程控制方面，本文優(yōu)化策略的充放電及待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)大幅減少；儲(chǔ)能收益方面，本文優(yōu)化策略的儲(chǔ)能工作日收益和削峰填谷運(yùn)行策略一樣達(dá)到最大收益，比一般需量管理運(yùn)行策略收益要大，幾種不同運(yùn)行策略的非工作日儲(chǔ)能收益相同；在負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率方面，本文優(yōu)化策略的負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率最小，并且相比削峰填谷運(yùn)行策略和需量管理運(yùn)行策略，非工作日比工作日的負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率降低的更多，效果更顯著；在用戶最關(guān)心的月度用電成本上，本文優(yōu)化策略的月度電費(fèi)最小。
5 結(jié)論
本文通過(guò)構(gòu)建需量管理、儲(chǔ)能收益、負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率及SOC過(guò)程控制模型，提出了區(qū)分工作/非工作日負(fù)荷的用戶側(cè)儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化策略，主要結(jié)論如下。
（1）用戶側(cè)儲(chǔ)能的收益主要源于基于分時(shí)電價(jià)的峰谷套利，但僅考慮峰谷套利，會(huì)增大最大需量，降低用戶的經(jīng)濟(jì)收益?？紤]了需量管理可降低用戶的用電成本，但不增加負(fù)荷尖峰的做法，降低了工作日下的儲(chǔ)能日收益。
（2）區(qū)分工作/非工作負(fù)荷，綜合考慮需量管理、儲(chǔ)能收益、負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率及SOC過(guò)程控制，進(jìn)一步降低了月度用電成本、負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率及充放電及待機(jī)轉(zhuǎn)換次數(shù)，不僅使用戶最關(guān)心的用電成本這個(gè)直接經(jīng)濟(jì)效益得到提升，而且負(fù)荷波動(dòng)幅度增加率的降低和充放電及待機(jī)轉(zhuǎn)換次的減少，增加了安全和儲(chǔ)能壽命等間接經(jīng)濟(jì)效益。
