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研究背景
在2030碳達(dá)峰、2060碳中和目標(biāo)要求下，我國已經(jīng)明確未來要建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，確立了光伏、風(fēng)電的長期發(fā)展道路，預(yù)計(jì)“十四五”期間，光伏、風(fēng)電年裝機(jī)量將達(dá)到120GW。
在此背景下，儲能的剛需屬性愈發(fā)增強(qiáng)。其中，用戶側(cè)儲能電站是一種用于改善企業(yè)用戶日用電負(fù)荷曲線，平衡其用電結(jié)構(gòu)，改變其在峰谷段用電情況從而節(jié)省用電成本的有效手段。合理的配置用戶側(cè)儲能系統(tǒng)，能有效的降低用戶實(shí)際繳納電費(fèi)金額。隨著儲能設(shè)備相關(guān)政策不斷完善，更多企業(yè)有意圖通過建設(shè)用戶側(cè)儲能電站來降低其用電成本，從而實(shí)現(xiàn)盈利目的。
因此，我們認(rèn)為有必要針對用戶側(cè)儲能運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化模擬，使得企業(yè)在儲能系統(tǒng)運(yùn)行期間盡可能降低用電成本，提高收益。
02
用戶側(cè)儲能收益模式分析
用戶側(cè)儲能之所以能降低用電成本提高企業(yè)收益，主要依靠兩種模式，一種是削峰填谷，另一種是需量電費(fèi)管理。
2.1
削峰填谷
用戶側(cè)儲能通過改變用戶企業(yè)用電情況，從而實(shí)現(xiàn)削弱用電高峰填補(bǔ)用電低谷。當(dāng)電價(jià)處于低谷期時(shí)，用戶向儲能電池內(nèi)充電，并在電價(jià)高峰時(shí)，將儲能電池內(nèi)部電量放出，降低高峰期從電網(wǎng)獲取的電量以降低用電成本。
根據(jù)不同地區(qū)電網(wǎng)峰平谷電價(jià)情況，用戶側(cè)儲能主要以每天一充一放到兩充兩放的形式運(yùn)行，其中充電集中在每日的電價(jià)低谷期，放電集中在每日的電價(jià)高峰期。
2.2
需量電費(fèi)管理
用戶的月度電費(fèi)清單中存在一部分根據(jù)用戶變壓器容量大小或用戶該月負(fù)荷最高點(diǎn)來收取的基礎(chǔ)電費(fèi)。其中，根據(jù)用戶變壓器容量大小收取的電費(fèi)稱為容量電費(fèi)，按照用戶該月負(fù)荷最高點(diǎn)來收取的電費(fèi)稱為需量電費(fèi)。
一般來說，用戶可以根據(jù)自身用電情況來從容量電費(fèi)與需量電費(fèi)中選擇一項(xiàng)進(jìn)行基礎(chǔ)電費(fèi)的繳納。在配備用戶側(cè)儲能系統(tǒng)的情況下，用戶可以在用電高峰時(shí)放電給負(fù)載，從而降低用戶企業(yè)每月的最大需量值，降低用電成本。
由此，在明確用戶側(cè)儲能收益模式和已知負(fù)荷曲線的前提下，我們可以對用戶側(cè)儲能系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行模擬優(yōu)化，使其同時(shí)通過削峰填谷和需量電費(fèi)管理兩種方式最大程度降低用電成本，獲取最大收益，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
03
優(yōu)化方案描述
3.1
確定初始條件參數(shù)
主要包括需要進(jìn)行調(diào)整的負(fù)荷功率曲線、儲能容量及功率、充放電效率、尖峰平谷各個(gè)時(shí)段及時(shí)段對應(yīng)電價(jià)、需量電價(jià)單價(jià)及固定損耗等。
在儲能系統(tǒng)放電過程中，系統(tǒng)需要額外附帶部分用電成本，如空調(diào)照明等，這些設(shè)備同樣也需要電能進(jìn)行運(yùn)作。因此在儲能系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，需要增加一部分電量損耗用于運(yùn)行輔助設(shè)備，需要在調(diào)整后的負(fù)荷矩陣基礎(chǔ)上，在儲能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)增加固定損耗。
3.2
確定目標(biāo)函數(shù)（用電成本最低）
根據(jù)廠區(qū)的負(fù)荷曲線，通過不同時(shí)段不同電價(jià)，計(jì)算得出最終廠區(qū)所需繳納的用量電費(fèi)及需量電費(fèi):
初始成本=Σ調(diào)整前谷段用電量*谷段電價(jià)+Σ調(diào)整前平段用電量*平段電價(jià)+Σ調(diào)整前峰段用電量*峰段電價(jià)+調(diào)整前當(dāng)月負(fù)荷最高點(diǎn)*需量電價(jià)
同理，調(diào)整后電費(fèi)成本計(jì)算如下：
調(diào)整成本=Σ調(diào)整后谷段用電量*谷段電價(jià)+Σ調(diào)整后平段用電量*平段電價(jià)+Σ調(diào)整后峰段用電量*峰段電價(jià)+調(diào)整后當(dāng)月負(fù)荷最高點(diǎn)*需量電價(jià)
3.3
確定邊界條件
1）負(fù)荷矩陣內(nèi)任何一點(diǎn)不能超過變壓器上限。
2）電池最多充放電量不能超過電池本身的最大容量。
3）電池內(nèi)必須存余電量才有可能將電放出。
4）電池每小時(shí)可充放電量受到電池本身的功率限制，暫不考慮過載運(yùn)行狀態(tài)。
5）需量上限作為整個(gè)調(diào)整后負(fù)荷矩陣每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的上限，因此有超出該值的點(diǎn)優(yōu)先考慮是否可以將該點(diǎn)降至上限以下。
6）在考慮以上各限制條件的同時(shí)盡可能滿足每日充放電循環(huán)最大次數(shù)，從而增大削峰填谷收益。
3.4
優(yōu)化算法
本策略采用的優(yōu)化算法為內(nèi)點(diǎn)法（Interior Point Method），這是一種求解線性規(guī)劃或非線性凸化問題的算法。
內(nèi)點(diǎn)法是在可行域內(nèi)部進(jìn)行搜索迭代的算法，在可取值的區(qū)間內(nèi)，所有方向都是可行的，關(guān)鍵在于搜索點(diǎn)是否一直保持在可行域的“內(nèi)部”，直到最優(yōu)解被找到。判斷每次迭代點(diǎn)是否為內(nèi)點(diǎn)，首先要將問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)型的線性規(guī)劃。給定典型規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)型的的可行解，若可行解每一個(gè)分量都為正，則該可行點(diǎn)為內(nèi)點(diǎn)，通過該方法，在找到最優(yōu)解之前不斷避開可行域的邊界，避免得出局部解，從而得出更為準(zhǔn)確的最小用電成本以及需量大小。
04
具體案例
獲取某廠區(qū)一個(gè)月內(nèi)的初始負(fù)荷矩陣（24小時(shí)*31天），每一點(diǎn)代表31天每天24小時(shí)中每小時(shí)的負(fù)荷量，此時(shí)需量值為378千瓦，計(jì)算初始負(fù)荷成本為82250.45元。以此為基礎(chǔ)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行策略，具體策略結(jié)果如下表所示。
1. 當(dāng)儲能系統(tǒng)采用不考慮需量電費(fèi)管理，單純進(jìn)行削峰填谷的運(yùn)行模式時(shí)，運(yùn)行得出需量值為361千瓦，該模式下調(diào)整成本為78834.21元。
2. 當(dāng)儲能系統(tǒng)采用不考慮削峰填谷，只進(jìn)行需量電費(fèi)管理的運(yùn)行模式時(shí)，運(yùn)行得出需量值為319千瓦，該模式下調(diào)整成本為79377.96元。
3. 當(dāng)儲能系統(tǒng)在削峰填谷以及需量電費(fèi)管理同時(shí)限制進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行后，運(yùn)行得出需量值為329千瓦，該模式下調(diào)整成本為77910.28 元。
由此可見儲能系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行策略能夠有效降低用電成本。
05
總結(jié)
用戶側(cè)儲能經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行策略的重點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)需量管理的基礎(chǔ)上，最大程度的發(fā)揮儲能系統(tǒng)削峰填谷的能力，使其收益最大化。
該問題是一個(gè)典型的具有多變量，多約束條件的優(yōu)化問題。該方案根據(jù)初始負(fù)荷矩陣，先計(jì)算出調(diào)整前電費(fèi)成本，便于進(jìn)行對比。再分別進(jìn)行削峰填谷、需量電費(fèi)管理兩種運(yùn)行模式，尋找可控需量值的區(qū)間后，在需量控制的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行削峰填谷充放電循環(huán)，最終輸出儲能系統(tǒng)調(diào)整后的電費(fèi)成本。
經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，單獨(dú)進(jìn)行削峰填谷策略或需量電費(fèi)管理后的電費(fèi)成本始終大于該經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行策略后的電費(fèi)成本。因此，當(dāng)二者相互結(jié)合，相輔相成后方能尋得最優(yōu)解。
