參與輔助服務(wù)的用戶側(cè)儲(chǔ)能優(yōu)化配置及經(jīng)濟(jì)分析
尚博陽, 許寅, 王穎, 張景平
（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）
摘要：為使用戶側(cè)儲(chǔ)能收益最大化，提出了一種參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的用戶側(cè)儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法。首先，建立了用戶側(cè)儲(chǔ)能的全生命周期成本和考慮輔助服務(wù)的收益模型；其次，在兩部制電價(jià)下，基于對(duì)儲(chǔ)能電池運(yùn)行特性和用戶負(fù)荷特性的考慮，建立了一種參與輔助服務(wù)的用戶側(cè)儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型，以儲(chǔ)能容量和輔助服務(wù)參數(shù)為優(yōu)化變量，對(duì)工業(yè)用戶全壽命周期的凈收益進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；然后，以廣西儲(chǔ)能輔助服務(wù)市場(chǎng)為例，實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)儲(chǔ)能最優(yōu)容量下的配置優(yōu)化，確定了參與輔助服務(wù)的變量值；最后，通過改變政策敏感度對(duì)比分析了不同輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益，給后續(xù)儲(chǔ)能投資提供了指導(dǎo)性意見。
引文信息
尚博陽, 許寅, 王穎, 等. 參與輔助服務(wù)的用戶側(cè)儲(chǔ)能優(yōu)化配置及經(jīng)濟(jì)分析[J]. 中國(guó)電力, 2023, 56(2): 164-170, 178.
SHANG Boyang, XU Yin, WANG Ying, et al. Optimal configuration and economic analysis of user-side energy storage participating in auxiliary services[J]. Electric Power, 2023, 56(2): 164-170, 178.
引言
儲(chǔ)能系統(tǒng)具有靈活可調(diào)的特性[1-2]，其可在電力系統(tǒng)中作為“緩沖器”參與電網(wǎng)削峰填谷[3-4]、調(diào)頻[5-7]、需求響應(yīng)[8]等方面的服務(wù)。中國(guó)的儲(chǔ)能研究雖然相對(duì)起步較晚，但是隨著相關(guān)重要文件的相繼發(fā)布[9-12]，給構(gòu)建儲(chǔ)能輔助服務(wù)市場(chǎng)奠定了一定的基礎(chǔ)，越來越多的科研工作者和工業(yè)人員投身于用戶側(cè)儲(chǔ)能的輔助服務(wù)市場(chǎng)研究中。
用戶側(cè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)可響應(yīng)輔助服務(wù)市場(chǎng)中各種電力政策以及相關(guān)服務(wù)應(yīng)用，為用戶提供直接收益[13-14]。目前儲(chǔ)能系統(tǒng)仍然存在投資成本較高和運(yùn)行效率較低的問題[15-17]，導(dǎo)致用戶配置儲(chǔ)能后不能充分地獲取其帶來的經(jīng)濟(jì)效益。因此，如何在考慮參與輔助服務(wù)的前提下，對(duì)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置和經(jīng)濟(jì)性分析具有重要意義。
用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置和經(jīng)濟(jì)性分析是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[18]以分時(shí)電價(jià)政策為基礎(chǔ)，通過建立電池儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型，優(yōu)化計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置。文獻(xiàn)[19]在兩部制分時(shí)電價(jià)下，對(duì)用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行容量?jī)?yōu)化。然而文獻(xiàn)[18-19]在配置模型中考慮的時(shí)間尺度較短，缺少在儲(chǔ)能全壽命周期的建模，對(duì)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性的評(píng)估不準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[20]對(duì)用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在全壽命周期下的成本以及投資回報(bào)進(jìn)行建模。文獻(xiàn)[21]在儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置模型中加入了儲(chǔ)能電池全壽命周期的成本和收益，結(jié)果表明儲(chǔ)能的成本仍舊是效益的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[22]基于對(duì)儲(chǔ)能電池全壽命周期衰減特性的考慮，提出了參與需量管理的儲(chǔ)能容量配置優(yōu)化方法。然而該文獻(xiàn)僅考慮了峰谷套利和需量管理2種用戶側(cè)儲(chǔ)能收益模式。文獻(xiàn)[23]選擇了需求管理、需求響應(yīng)和政策補(bǔ)貼3個(gè)輔助服務(wù)，計(jì)算了對(duì)4種類型電池儲(chǔ)能的收益和配置結(jié)果，但是該文獻(xiàn)著重在于對(duì)不同儲(chǔ)能電池的配置結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，對(duì)儲(chǔ)能的輔助服務(wù)建模相對(duì)簡(jiǎn)單。
綜上所述，用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益來源于電費(fèi)成本削減和參加輔助服務(wù)的盈利。但是，目前大多數(shù)儲(chǔ)能優(yōu)化模型沒有對(duì)用戶響應(yīng)的政策和輔助服務(wù)應(yīng)用建模。因此，為使得用戶側(cè)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)效益最佳，本文以全壽命周期凈收益作為目標(biāo)函數(shù)采用數(shù)學(xué)建模法對(duì)用戶側(cè)儲(chǔ)能建模分析，得到考慮參加輔助服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置，并對(duì)比儲(chǔ)能系統(tǒng)參與輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益。
1 用戶側(cè)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)分析
1.1 成本模型
1.2.3 需求響應(yīng)收益
電力需求響應(yīng)是指通過電價(jià)和補(bǔ)助等優(yōu)惠政策激勵(lì)用戶在電網(wǎng)負(fù)荷尖峰時(shí)段改變負(fù)荷用電量，從而緩解電網(wǎng)壓力，獲得相應(yīng)補(bǔ)貼收益。
表1為參與響應(yīng)的調(diào)控時(shí)間對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。表2為根據(jù)需求響應(yīng)提前通知用戶的時(shí)間，給出用戶獲得補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度系數(shù)。
1.2.4 應(yīng)急供電收益
當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生緊急停電時(shí)，用戶側(cè)儲(chǔ)能可以參與應(yīng)急供電的輔助服務(wù)，對(duì)重要負(fù)荷提供安全電能質(zhì)量，在市電中斷時(shí)可以作為應(yīng)急備用電源，提高用戶供電可靠性，減少用戶停電損失。
表3為根據(jù)江蘇省發(fā)布的電力需求響應(yīng)實(shí)施細(xì)則[25]所設(shè)定的應(yīng)急供電的補(bǔ)助電價(jià)。
2 儲(chǔ)能配置模型
參與輔助服務(wù)的用戶側(cè)儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型以全壽命周期儲(chǔ)能凈收益最大為目標(biāo)函數(shù)，考慮儲(chǔ)能運(yùn)行特性以及響應(yīng)電價(jià)政策的約束，對(duì)儲(chǔ)能容量以及輔助服務(wù)參數(shù)優(yōu)化配置。優(yōu)化模型在Matlab R2018b下建模，采用混合整數(shù)規(guī)劃求解軟件Cplex的方法對(duì)優(yōu)化模型求解。
2.1 目標(biāo)函數(shù)
儲(chǔ)能全壽命周期內(nèi)收益包括峰谷套利收益、需量管理收益、需求響應(yīng)收益和應(yīng)急供電收益，成本包括儲(chǔ)能初始投資成本和全壽命周期內(nèi)的運(yùn)行維護(hù)成本。
3 算例分析
3.1 參數(shù)說明
本文選取了廣西南寧市某冷鏈物流產(chǎn)業(yè)用戶的2019年度用電負(fù)荷作為算例，通過儲(chǔ)能配置優(yōu)化模型對(duì)用戶側(cè)儲(chǔ)能最優(yōu)容量?jī)?yōu)化配置，同時(shí)確定參與輔助服務(wù)的變量值。最后，通過改變政策敏感度，對(duì)不同輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析，為后續(xù)儲(chǔ)能投資提供指導(dǎo)性意見。
廣西冷鏈物流農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)享受電價(jià)優(yōu)惠，其分時(shí)電價(jià)政策[26]如表4所示。儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本信息參數(shù)如表5所示。
3.2 優(yōu)化配置結(jié)果
本文利用歷史數(shù)據(jù)計(jì)算用戶參與輔助服務(wù)所需的儲(chǔ)能配置，儲(chǔ)能系統(tǒng)的日循環(huán)次數(shù)限制在2次。需求響應(yīng)的補(bǔ)助電價(jià)為12元/kW，速度系數(shù)為1；應(yīng)急供電補(bǔ)助電價(jià)為22元/kW。需求響應(yīng)和應(yīng)急供電年響應(yīng)次數(shù)均為10次。儲(chǔ)能配置最優(yōu)容量和輔助服務(wù)的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表6所示。
由表6可知，該用戶在現(xiàn)有的電價(jià)水平下，安裝儲(chǔ)能參加輔助服務(wù)可獲取收益。但由于用戶享受的補(bǔ)助優(yōu)惠電價(jià)較小，用戶收益增幅不大。配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)最大功率與需求響應(yīng)和應(yīng)急供電上報(bào)的響應(yīng)量各不相同，說明用戶在使用儲(chǔ)能時(shí)不僅僅參與了一種輔助服務(wù)，而是通過合理的決策分析對(duì)儲(chǔ)能容量進(jìn)行最優(yōu)分配，從而獲得用戶側(cè)儲(chǔ)能最大收益。
需求響應(yīng)典型日和應(yīng)急供電典型日的用戶負(fù)荷功率曲線分別如圖1和圖2所示。由圖1可知，儲(chǔ)能在00:00—01:00時(shí)段削減了原負(fù)荷曲線的峰值；在03:00—06:00和23:00—00:00時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)能充電。特別地，在設(shè)置的13:00—15:00需求響應(yīng)時(shí)段內(nèi)，儲(chǔ)能進(jìn)行放電，減少了用戶從電網(wǎng)中汲取能量。其中，用戶最大負(fù)荷量減少201.6 kW，這與需求響應(yīng)參數(shù)配置結(jié)果相吻合。在需求響應(yīng)典型日中儲(chǔ)能參與了峰谷套利、需量管理和需求側(cè)響應(yīng)3種輔助服務(wù)。由圖2可知，用戶參與了峰谷套利、需量管理和應(yīng)急供電3種輔助服務(wù)。在設(shè)置的15:00—16:00應(yīng)急供電時(shí)段內(nèi)，儲(chǔ)能設(shè)備供能，負(fù)荷曲線降低了所上報(bào)的功率值118.125 kW。
3.3 經(jīng)濟(jì)性分析
對(duì)該用戶2019年上繳電費(fèi)整理分析，該用戶在每年7月和8月為用電高峰期，如表7所示。為更好地反應(yīng)儲(chǔ)能用戶參與輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益，選取8月份實(shí)際用電數(shù)據(jù)與模型配置結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。
3.3.1 輔助服務(wù)效益分析
在上述章節(jié)的優(yōu)化配置下，用戶側(cè)儲(chǔ)能8月份不同輔助服務(wù)的收益對(duì)比如表8所示。
由表8可知，在用戶側(cè)儲(chǔ)能的收益來源中需量管理仍占最大比重。其原因在于：大工業(yè)用戶在生產(chǎn)作業(yè)過程中，最大負(fù)荷的使用時(shí)間較少，但兩部制電價(jià)中的基本電費(fèi)卻取決于最大負(fù)荷的數(shù)值。利用儲(chǔ)能的靈活性，在用戶用電高峰時(shí)段對(duì)儲(chǔ)能放電，有效地降低用戶最大負(fù)荷，從而減少基本電費(fèi)[27-29]。另外，對(duì)比其他地區(qū)[22]分時(shí)電價(jià)水平，該用戶響應(yīng)的是為農(nóng)產(chǎn)品電價(jià)優(yōu)惠，故峰谷電價(jià)差沒有其他地區(qū)大，導(dǎo)致峰谷套利收益較低。需求側(cè)響應(yīng)和應(yīng)急供電的收益之和占八月份用戶收益的44.189%。由此可知，用戶側(cè)儲(chǔ)能參與需求側(cè)響應(yīng)和應(yīng)急供電可給用戶帶來較高的收益。政府可通過對(duì)響應(yīng)電價(jià)的合理設(shè)置，激勵(lì)儲(chǔ)能用戶參與電網(wǎng)輔助服務(wù)項(xiàng)目中。
3.3.2 電價(jià)政策對(duì)儲(chǔ)能效益分析
廣西大工業(yè)用戶采用的是兩部制電價(jià)享有分時(shí)電價(jià)優(yōu)惠政策，與其他地區(qū)采用兩部制分時(shí)電價(jià)收益有所不同。現(xiàn)綜合考慮其他地區(qū)分時(shí)電價(jià)的設(shè)置對(duì)該用戶收益分析，其中分時(shí)電價(jià)如表9所示。
該部分內(nèi)容僅考慮電價(jià)政策的變化對(duì)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)效益的影響，不改變儲(chǔ)能在容量配置階段的參數(shù)設(shè)定值。在需求響應(yīng)和應(yīng)急供電約束中同樣設(shè)置13:00—15:00為需求響應(yīng)時(shí)段、15:00—16:00為保電時(shí)段。4種不同輔助服務(wù)的效益對(duì)比如表10所示。
對(duì)比表8和表10可知，儲(chǔ)能的收益會(huì)隨政策的改變而增減，不同地區(qū)的儲(chǔ)能優(yōu)惠政策會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能收益的不同。在廣西地區(qū)，該用戶采用兩部制電價(jià)享有分時(shí)電價(jià)優(yōu)惠政策[30]，可保證安裝儲(chǔ)能后用戶盈利。若適當(dāng)?shù)母淖冸妰r(jià)政策，增大分時(shí)電價(jià)的峰谷電價(jià)差，會(huì)使用戶投資獲取更大的收益，促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
4 論 結(jié)
本文針對(duì)安裝儲(chǔ)能的大工業(yè)用戶，結(jié)合電價(jià)政策對(duì)參與輔助服務(wù)的用戶側(cè)儲(chǔ)能配置及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。
（1）用戶側(cè)儲(chǔ)能參與峰谷套利、需量管理、需求側(cè)響應(yīng)和應(yīng)急供電4種輔助服務(wù)均可在全壽命周期內(nèi)獲得收益，為提高用戶側(cè)儲(chǔ)能收益提供新思路。
（2）參與輔助服務(wù)的用戶側(cè)儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法可有效將4種輔助服務(wù)考慮在內(nèi)，對(duì)儲(chǔ)能容量以及輔助服務(wù)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算。算例測(cè)試表明，在廣西現(xiàn)有電價(jià)政策下，優(yōu)化計(jì)算得出的輔助服務(wù)參數(shù)影響儲(chǔ)能典型日的運(yùn)行曲線，驗(yàn)證了模型的有效性。
