王登科

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

近年來，由于DG大量接入電網，其接入點的隨機性及出力的不確定性，給電網的規(guī)劃運營帶來了諸多問題。由于各種負荷的快速增加，對能源的需求逐漸增大，負荷的峰谷差，波動性也隨之擴大，對電網的穩(wěn)定性要求不斷提高[1]。同時，由于各種小區(qū)域建筑物、住宅區(qū)等負荷的聚集，形成一個負荷整體，從而在一定程度上具有可調度性。電動汽車（electric vehicle, EV）大量靈活的接入，也使得儲能配置及能量管理顯得尤為重要。但原有電網的慣性較弱，對各種輔助服務的需求也同樣在擴大。儲能因其同時具有DG和負荷的特性，并且安裝地點靈活，調度方便，能夠大大減小DG對電網的沖擊性，更好的滿足負荷的要求。在電網中合理的規(guī)劃儲能，并調控其與其他的DG相互協(xié)調配合，更能夠對整個電網的未來發(fā)展產生深遠的影響。在此背景下，本文對儲能的擴展規(guī)劃，需求響應及各方的經濟性，參與輔助服務的應用方式等進行整理與分析，并在此基礎上進行更深層的探討。

1 儲能及電網的擴展規(guī)劃

目前，儲能主要安裝于電網側、負荷側和分布式電源側3個方面，用以延遲電網升級[2]，減少因高比例分布式新能源的接入引起的電網改造成本和由于可再生能源（renewable energy resource,RES）的波動性而導致的限電損失。參與需求側管理可以降低因RES的隨機性對DR策略帶來的風險成本[3]。以及跟蹤調度計劃出力，減少棄風，增加風電場的收益[4]，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，靈活性。

由于風電的能量密度較低，若在進行輸電網絡的擴展規(guī)劃時按照其最大發(fā)電功率計算，則會導致儲能的過度配置，加大建設成本，而如果配置容量過低，則會導致棄風而影響其收益[5]。文獻[6-7]均為針對輸電網和儲能的擴展規(guī)劃，其中文獻[6]提出一種集中式的輸電規(guī)劃，運用兩階段隨機混合整數線性規(guī)劃模型計算得出一個最佳的傳輸擴展計劃，結果表明，最有價值的投資為加強主干輸電線路的輸電能力，提高區(qū)域間功率輸送，降低因各區(qū)域能量輸送限制而導致的損耗。然而，在不確定的情況下，能量存儲與擴展決策之間的權衡并不那么容易衡量，儲能在提高擴展決策效率的基礎上，其容量配置的經濟性有待提高。因此，在文獻[7]中，作者提出在由投資者投資儲能的時候，需要考慮到輸電網的擴展規(guī)劃對利益相關方的影響，提出一種三層模型用以優(yōu)化在集中輸電擴展規(guī)劃的條件下，最大限度的提高儲能的長久利益，并在240母線的系統(tǒng)中得到論證。

目前，對于DG和儲能在配電網中的規(guī)劃可以看作兩類：一類是考慮自身因素進行儲能或配電網的單一規(guī)劃，另一類是儲能和配電網的聯合擴展規(guī)劃。

對于第一類，文獻[8]從配電網的角度利用二階錐規(guī)劃模型構建了計及分布式電源和儲能裝置接入的主動配電網規(guī)劃模型,但其僅從考慮了配電網企業(yè)的投資和運營成本，并未考慮用戶的經濟性成本。文獻[9]利用凸最優(yōu)潮流模型優(yōu)化含DG的配電網中的分布式儲能的選址定容，確定最佳季節(jié)的網絡配置和全局ESS的選址定容來達到減少節(jié)點電壓幅度偏差，線路阻塞，能源供應成本以及ESS投資費用，最大化儲能的配置效益。此外，還可通過添加用戶的響應程度及用電需求[10]，用戶滿意度等約束條件，優(yōu)化儲能配置對源網荷的影響，從而優(yōu)化配電網的運行調度。

以上多是從配電網或儲能的單一角度進行規(guī)劃，而對于兩者的聯合規(guī)劃較少。在此基礎上，文獻[11-12]進行儲能和配電網的聯合規(guī)劃?？蓮呐潆娋W的穩(wěn)定可靠運行轉入儲能經濟配置的角度進行聯合擴展規(guī)劃，或從經濟性的角度考慮聯合規(guī)劃中各投資方的經濟效益以及儲能配置。文獻[11]從規(guī)劃-運行聯合優(yōu)化的角度規(guī)劃了配電網的線路改造和新建以及DG和ESS的選址定容，并由區(qū)域能源供應商承擔DG和ESS的投資費用，在供應商不損失的情況下最大化配電網的利益。文獻[12]利用基于領導者-跟隨者策略的啟發(fā)式算法解決三層規(guī)劃問題，配電系統(tǒng)運營商基于最小化成本決策配網結構，分布式發(fā)電商最大化ESS和RES的年凈現值配置ESS和RES，最后基于運行策略優(yōu)化配置。儲能配合電網規(guī)劃，其產生的效益一般不全屬于投資主體，以投資主體的利益優(yōu)化儲能的配置具有實際意義，但運行中的隱性價值有待發(fā)掘，減少規(guī)劃過程中因配置成本過高而影響配置的可行性。

文獻[13]利用混合整數線性規(guī)劃解決兩階段含儲能的配電網擴展規(guī)劃。兩階段協(xié)同優(yōu)化配置成本，交易成本以及運行的可靠性。上層最小化ESS的投資成本決策線路的添加和變更以及ESS的配置成本，下層以配電網的拓撲結構，ESS的運行策略及交易策略優(yōu)化上層配置。目標函數如下：

式中：t為規(guī)劃周期，i為收益折扣比，CI為投資成本，CM為維修成本，CP為電力交易成本，CO為停電成本，VL為失負荷的數目，rex,t為極限日場景下的斷電負荷，rsc,t典型日場景下的斷電負荷。

約束條件包括配電網中KCL和KVL，潮流約束，結構約束，儲能的運行約束。

其中：系統(tǒng)性約束條件包括KCV，KVL和潮流約束等。例如，KCL如下：

儲能的運行約束條件如下：

綜合以上規(guī)劃研究可發(fā)現，目前儲能用于拓展規(guī)劃的，大多用于以經濟性或以經濟加技術性為目標，構建多目標優(yōu)化模型或隨機規(guī)劃模型，利用遺傳算法，啟發(fā)式算法等求解得到。此外，在利用儲能延遲網絡升級的過程中，多出現各方利益主體，由于投資方的不同而出現不同的規(guī)劃運營模式，這一運營模式也可深入探討。

2 儲能用于需求響應

由于RES的大量接入以及負荷響應的不確定性，電路的穩(wěn)定運行受到極大的挑戰(zhàn)，而儲能作為能夠快速響應的資源，在電網的穩(wěn)定運行中起到越來越重要的作用。儲能參與DSR不但能夠有效的實現電網的削峰填谷, 進行差價套利，能夠降低電網運行風險, 減少斷電成本；而且能夠降低用戶用電成本,提高用戶側效益,提高響應程度，減少負荷側因用戶響應而產生的不確定性。此外，由于EV具有充放電一體的特性，隨著接入量逐漸增多，優(yōu)化其運行狀態(tài)及能量管理顯得至關重要[14]。

目前，儲能參與DSR的研究受到廣泛的關注。文獻[15]以微電網收益最大化和最優(yōu)可靠性為目標，考慮儲能對于需求側的影響，利用迭代算法求解轉移負荷的用戶、分時電價下進行負荷響應的用戶和儲能系統(tǒng)之間的合作博弈，提高了配置光儲的效率。

由于市場的逐漸開放，多種利益主體的出現，發(fā)電商也可負責投資儲能，光伏(photovoltaic,PV)，并負責其運營以達到凈收益現值最大。由于參與需求響應的用戶很難作為一個整體，通過負荷聚合商(Load aggregators,LAs)將居民用戶和工商業(yè)用戶一起考慮[16]，并由LAs安裝儲能解決因用戶響應的不確定性而導致LAs違約所報電量，在儲能配置經濟效益最大化的條件下增加供電可靠性。用戶側配置儲能不僅能夠對于負荷側參與DSR產生影響，提高負荷側的效益，也能夠借此優(yōu)化配合配電網的運行。通過對負荷側多種負荷的劃分，細化各種負荷在參與DSR的作用，考慮各種包含基于數據驅動的負荷，如空調，冰箱等，利用溫控的方式將其轉化為虛擬儲能進行需求響應，降低光伏的間歇性,從而提高供電可靠性及提高用電效率[17]。在此基礎上配置儲能能夠更大程度的開發(fā)負荷側資源，優(yōu)化資源結構也值得深入研究。

以上主要是以用戶為導向進行儲能配置,而需求側響應可分為系統(tǒng)導向型和用戶導向型,系統(tǒng)導向型主要是站在系統(tǒng)運營者的角度,研究含需求響應資源的發(fā)電經濟調度[18],文獻[19]則是以最小化年發(fā)電成本建立了混合整數線性規(guī)劃模型調度需求響應和控制反彈效應，使其反彈效應與高風力發(fā)電和低負荷時間相適應，以減少棄風。研究了能量存儲和DSR調度對減少風能的影響，并比較了不同儲能組合的有效性。這些多是考慮儲能對于需求響應自身的影響，沒有從兩者組合的角度來考慮其整體的經濟性。由于市場開放，用戶的類型逐漸增多，更多種類的利益相關主體將會出現，如DSR聚合商，及與之相配合的各種聯營等會對負荷側的資源進行劃分,儲能配置成本的逐漸降低及其快速反應的特性使其更廣泛的參與需求側響應。

儲能參與DSR，LAs，DSR聚合商等利益主體的出現，使得不僅可以用來輔助套利，也可以更多的參與到市場中，如負荷與負荷之間在調節(jié)好公平性的情況下自行交易[20]。或者由于輔助服務市場的逐漸展開，改變其投資模式，更加契合實時電價及提高經濟性和可靠性。由于負荷種類的增加，更多可參與需求響應的資源的出現，如電動汽車充電站等在一定程度上具有儲能的效果，也可延遲電網的擴展，對于儲能的配置也產生了一定的影響。

3 儲能參與輔助服務

由于諸如風電，光伏等新能源的不斷并網以及負荷種類的不斷增多，使得電網對于調峰調頻,調壓等輔助服務的要求越來越高。而原有電網因為慣性不足，不足以跟蹤新能源的強波動性，儲能因其靈活性及技術的改進，使得儲能應用于輔助服務快速發(fā)展。目前，儲能多以集中式的形式參與輔助服務，多用于風電場，將其作為風電場的一部分，該種運行方式大多利用儲能來優(yōu)化電網的結構，而并沒有利用電網自身的資源來從宏觀的角度提高自身的效益。

國內外學者從不同的角度考慮儲能配置參與輔助服務市場。文獻[21-22]從電壓管理和經濟優(yōu)化配置的角度出發(fā)，利用儲能解決應用無功補償時無法填補有功缺額的問題，同時改善電壓偏移，提高配網的供電能力。文獻[21]提出由儲能結合能源管理系統(tǒng)(energy management system, EMS)在滿足光伏并網的要求及相應的經濟收益的條件下，考慮儲能的荷電狀態(tài)，利用EMS進行削峰，跟蹤發(fā)電以及減少線損，并比較了不同電池對于電網的影響及其經濟性。文獻[22]考慮影響儲能生命周期的四個因素進行雙層目標優(yōu)化，上層以最小化能量損失為目標，下層最小化DG和ESS的投資成本，得到符合電壓調整的儲能的選址定容，利用精英非劣排序遺傳算法Ⅱ進行求解。儲能的接入不僅對電網的電壓質量產生較大的影響，同樣對影響電網運行調度的頻率也有較大的改善空間。文獻[23]則是從調頻和旋轉備用的角度，考慮多種ESS的容量和功率及其各自的荷電狀態(tài)統(tǒng)一操作，提出一種最優(yōu)的能量分配策略進行分配，并提出兩個指標用以評價頻率偏移其指標的次數和時長：頻率概率損失和持續(xù)概率損失。但是當前仍然存在一些問題，一方面由于儲能的分配大多是依據調頻信號來分配常規(guī)機組和儲能的出力差異，需要大幅度的調整機組的出力以配合輔助服務，對機組的運行產生較大的影響，同樣，對于儲能的頻繁調度會影響儲能的壽命，進而影響儲能的經濟性。

當前，我國電力市場還未開放輔助市場，輔助服務的綜合配置仍是一個難題。由于市場對于輔助服務的需求量與儲能所配置的容量的差異較大，導致儲能單一的參與輔助服務的經濟性不足，因而需要在結合自身參與輔助服務市場的同時，盡可能的利用其他時刻的應用來提高配置儲能的經濟性。而儲能參與輔助服務的容量與其自身配置的成本，影響了儲能放電上網時的競爭力。

然而，由于負荷種類的增多及需求側的快速發(fā)展，使得ESS配合負荷用于輔助服務的方式得以發(fā)展，并且由于市場的放開，多利益主體的出現，在參與輔助服務的同時，會涉及到多個主體的參與方式及經濟性的協(xié)調。文獻[24]提出一種多可再生分布式發(fā)電與儲能聯合選址定容的經濟效益方法?？紤]可再生發(fā)電機組所有者利益的同時，降低了配電公司成本?？稍偕姆植际桨l(fā)電滿足電網需求使儲能主要用于調峰。公司通過減少能量損失獲取經濟效益。此外，儲能還能輔助風電場參與黑啟動[25]等，用戶可在輔助服務市場合理的選擇自己所配備的資源以及參加的輔助服務來提高自身的收益以及有利于網絡的可靠運行。

4 結語

隨著可再生能源的發(fā)展以及負荷種類的增多，對于電網的要求程度也越來越高，儲能的擴展規(guī)劃雖能影響網絡的升級，但由于各種小型微網的存在，使得儲能的效果不一定能達到預期，在此基礎上，需要增加一些控制設備，更有利于電網達到預期的運行狀態(tài)。此外，還要考慮到擴展規(guī)劃中的網絡重構的影響，防止出現進一步的運行風險。

由于云儲能思想的提出，以后儲能之間的交易會更加的便捷，而相應的對于能源互聯網中的電子設備要求提高，同樣也需要做好相應的控制監(jiān)督工作。由于儲能參與輔助服務等對電網的影響也在擴大，儲能與負荷協(xié)調，各種負荷之間的協(xié)調以及負荷聚合商協(xié)調下的參與輔助服務亦值得進一步研究。

對于儲能參與市場運營的方面，可以考慮像充電站那樣獨立開來，單獨作為一種電網資源參與網絡協(xié)調，有相應的儲能聚合商等進行投資運營，并從其中獲得相應的利益，同時也可以獨立參與輔助服務市場。

隨著各種DG的并網，儲能因其特性得到快速發(fā)展并逐漸得到擴大運行。儲能系統(tǒng)的參與促進了各種能源之間的相互協(xié)調，相互轉換，利于滿足用戶的各種需求，促進形成一個多級源-網-荷-儲的新型電網形態(tài)。