1、第 47卷 第 7期 2023年 4月 10日Vol.47 No.7 Apr.10，2023http：/www.aeps-考虑多场景规划的共享储能投资及运营分析朱宗耀1，王秀丽1，吴雄1，贺继瑶1，辛超山2，黄阮明3（1.西安交通大学电气工程学院，陕西省西安市 710049；2.国网新疆电力有限公司经济技术研究院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830047；3.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海市 200233）摘要：针对共享储能的集中式与分布式投资方式及电量共享与容量共享运营模式，分别建立了考虑可再生能源发电及用户负荷季节差异性的多场景优化模型，并采用基于供需比的定价机制对系统内的电力交易
2、进行经济结算。为评估系统内用户负荷灵活性对储能规划及系统总成本的影响，对用户灵活性负荷进行了建模及敏感性分析。最后结合真实历史数据，通过仿真算例对不同投资及共享模式进行了多角度的分析对比，并针对峰谷电价差及规模投资效应对储能投资运营的影响进行了进一步分析。结果表明，采用集中式储能投资并进行电量共享的运营模式更具经济性。关键词：共享储能；投资规划；电量共享；容量共享；灵活性负荷0 引言新能源的快速发展在促进电力系统低碳转型的同时也给电网的安全运行带来诸多挑战1，而储能由于其灵活的调节能力在未来高比例新能源电力系统中将扮演至关重要的角色2-5。2021 年国家能源局发布了 关于加快推动新型储能发展
3、的指导意见6，多个省区也提出了新能源配置一定比例储能的要求。然而当前储能的发展仍面临一些困难，如投资价格较高7、利用率较低8、场地安装要求限制9等。近年来，随着共享经济在电力系统各领域应用的兴起10，共享储能由于可降低储能投资规模并提高利用率也逐步成为研究热点11。如文献 12 提出一种基于移动储能共享的配电网系统韧性提升方案。文献 13-14 对微网内的储能共享机制进行了建模研究。文献 15 利用 Stackelberg 博弈理论为一个装有储能的社区设计了一种激励相容的能源交易框架。文献 16 提出一个虚拟储能容量分配机制，并建立了一个两阶段优化模型来确定共享价格。文献 17 采用拍卖的方法
4、，研究了同时存在多个买方和卖方时的储能共享机制。文献 18 提出一种基于超售模式的储能共享策略，从而进一步提升了储能的利用率。文献 19 设计了一个综合考虑电热需求响应的共享储能容量配置与动态租赁模型。上述关于共享储能的研究从投资角度可以分为集中式储能和分布式储能，而从共享方式上又可分为电量共享12-15和容量共享16-19。此外，关于共享储能的定价机制也有较多研究20-24，但主要关注具体的场景模式，普适性不强。文献 25 提出的基于供需比的定价机制具有事后结算、实行简单的特点，同时对于不同投资共享模式具有较强的适用性。本文研究动机源于一个基本问题：当一个系统需要投资储能并进行共享时，不同投
5、资方案和共享模式是否可以达到相同效果，采用哪种储能投资方案及共享模式更为经济合理。虽然当前已有较多关于共享储能的研究，但主要为某一具体共享模式下针对特定应用场景的研究，鲜有不同投资共享模式间的对比研究。虽然文献 26-29 进行了相关的对比研究，但仍有一些不足：首先，文献 26-28 均未考虑储能的投资规划，文献 29 虽有涉及，但忽略了新能源发电及用户负荷的季节性差异对储能规划的影响；其次，电量共享与容量共享两种模式间的对比研究目前仍未有涉及；最后，多场景规划及需求侧响应资源对共享储能投资运营的意义及影响也未进行充分研究。综上所述，为填补当前关于共享储能不同投资运营模式间对比研究的不足，本文
6、在考虑多场景规划及需求侧响应的基础上，针对共享储能的典型投资与共享模式进行了综合全面的对比研究。首先，对不同的模式进行了数学建模，并通过多场景规划DOI：10.7500/AEPS20220426007收稿日期：2022-04-26；修回日期：2022-07-22。上网日期：2022-11-14。国家电网公司科技项目（5100-202056458A-0-0-00）。232023，47（7）学术研究 来确定储能的最优投资；然后，采用基于供需比的定价机制确定不同模式下系统内部的电力交易价格；最后，通过算例仿真对不同模式进行了详细的分析研究并得出对比结论。1 典型模式结构储能投资方式可分为集中式和分散
7、式两种，而储能的共享方式可分为电量共享和容量共享。基于上述分类依据，如图 1所示，当前关于共享储能的研究可归纳为以下典型模式。1）模式 1：各用户独立投资运行储能且用户间无功率交互，用户的净负荷由电网承担。该模式属于分散式储能投资无共享模式，用作后文中其他模式的对比基准。2）模式 2：同模式 1各用户独立投资管理自身储能，但是用户间可进行能源共享，属于分散式储能投资直接电量共享模式。3）模式 3：系统投资一个集中式储能，各用户均可利用该储能进行充放电，但总的充放电行为不可造成集中储能的功率和容量越界。该模式属于集中式储能投资间接电量共享模式。4）模式 4：不同于模式 3，系统将一个集中储能划分
8、为多个不同容量的虚拟储能单元并分配到系统内各用户，而用户仅可调度管理其分配到的储能单元。根据分配方式又可划分为静态分配模式 4a 和动态分配模式 4b，前者在不同场景下分配给各用户的储能容量是固定的；而后者会根据不同场景的具体情况动态地改变储能容量分配方案。模式 4属于集中式储能投资容量共享模式。需要说明的是，对于集中式储能投资模式，储能投资可以为系统内各用户整体投资，也可引入第三方进行投资运营。由于篇幅所限且本文重点关注于不同模式下系统的整体最优性对比，对不同所有权结构带来的影响不再深入探讨。此外，由于本文中考虑系统内各用户地理位置较近，不考虑系统内的网络约束。2 数学优化模型2.1基本模型
9、1）电网购电成本各用户从电网处的购电成本Crepj为：Crepj=s Sst Tbuytpgridj，t，s（1）式中：s和S分别表示场景和场景集合；t和T分别表示时刻和时刻集合；s为场景s对应的概率；buyt为电电网购电;储能充放电;用户间电力交易电网光伏用户个人储能光伏用户个人储能光伏用户个人储能光伏用户个人储能电网光伏用户光伏用户光伏用户光伏用户电网光伏用户个人储能光伏用户个人储能光伏用户个人储能光伏用户个人储能(a)模式1:分散式储能无共享分布式交易(b)模式2:分散式储能直接电量共享集中储能电量共享电网光伏用户光伏用户光伏用户光伏用户集中储能容量共享(c)模式3:集中式储能间接电量共
10、享(d)模式4:集中式储能容量共享图 1典型模式结构图Fig.1Structure diagram of typical mode24朱宗耀，等 考虑多场景规划的共享储能投资及运营分析http：/www.aeps-网t时刻的售电价格；pgridj，t，s为场景s下用户j在t时刻从电网购电的功率。2）储能投资及运维成本储能的投资成本Ccap由容量成本和功率成本两部分组成：Ccap=ccapX+cconP（2）式中：X和P分别为储能投资容量和最大充放电功率；ccap和ccon分别为单位投资容量和功率成本；为储能的日投资回收系数，由式（3）可得。=d(1+d)y(1+d)y-11Yd（3）式中：d为
11、折现率；y为储能运营的整个生命周期年数；Yd为一年中的天数。储能的运行维护成本Cop为：Cop=s Sscop(Pcht，s+Pdist，s)（4）式中：cop为储能单位充放电功率的运维成本；Pcht，s和Pdist，s分别为储能的充、放电功率。3）灵活性负荷建模本文中用户负荷包括固定负荷和灵活性负荷。为了定量分析负荷灵活性对储能规划的影响，灵活性负荷设定为可时移负荷。其中，可时移负荷的预计划负荷取预计划固定负荷的一定百分比，如式（5）所示。pprej，t，s=pfixedj，t，s（5）式中：pprej，t，s和pfixedj，t，s分别为预计划的可时移负荷和固定负荷；为预计划的可时移负荷相
12、对于预计划的固定负荷占比。可时移负荷的总消耗量等于预计划的可时移负荷之和，同时，最大和最小值需要满足一定的功率约束，具体如式（6）和式（7）所示。t Tpflexj，t，st=t Tpprej，t，s（6）pminj，t，s pflexj，t，s pmaxj，t，s（7）式中：pflexj，t，s为优化调度后的可时移负荷；pminj，t，s和pmaxj，t，s分别为可时移负荷pflexj，t，s的最小和最大功率限制；t为时间间隔。因此，用户的总负荷ploadj，t，s等于剩余固定负荷与灵活性负荷之和，即ploadj，t，s=(1-)pfixedj，t，s+pflexj，t，s（8）需要说明，本
13、文中下标“j”表示用户及其投资的个人储能的相关变量；下标“a”表示集中式储能的相关变量。2.2基准模式 1本文所提 4种模式的优化目标均为系统总成本最低。其中，对于分散式储能投资模式 1 和 2 的目标函数，系统总成本Cind，a即为各用户的用能及储能投资运维成本之和：min Cind，a=j J(Crepj+Ccapj+Copj)（9）s.t.式(1)至式(8)（10）ej，t，s=ej，t-1，s+chpchj，t，s-pdisj，t，sdis t S，s T（11）0 pchj，t，s Pj t T，s S0 pdisj，t，s Pj t T，s S（12）minXj ej，t，s ma
14、xXj t T，s S（13）ej，0，s=ej，T，s s S（14）Pj Xj（15）presj，t，s+pgridj，t，s+pdisj，t，s-pchj，t，s=ploadj，t，s t T，s S（16）式中：ch和dis分别为储能的充、放电效率；ej，t，s为场景s下用户j在t时刻储能的储存电量；min和max分别为储能的最小和最大储能水平比例；presj，t，s为光伏发电功率；J为用户集合；Xj为用户 j 投资的储能容量。上述约束中，式（11）用于计算储能的荷电水平；储能的充放电功率和荷电水平分别由式（12）至式（14）约束；式（15）表示储能的最大充放电功率值不能超过储能的容量
15、值；式（16）表示各用户的功率平衡约束。2.3共享模式 2对于分散式投资模式 2，其优化目标函数同模式 1，即min Cind，b=j J(Crepj+Ccapj+Copj)（17）s.t.式(1)至式(8)、式(10)至式(15)（18）pinj，t，s=k jpinj k，t，s t T，s Spoutj，t，s=k jpoutj k，t，s t T，s S（19）0 pinj k，t，s inj，k，t，sM t T，s S（20）0 poutj k，t，s outj，k，t，sM t T，s S（21）inj，k，t，s+outj，k，t，s 1 t T，s S（22）jpinj，t，
16、s=jpoutj，t，s t T，s S（23）0 pinj，t，s inj，t，sM t T，s S（24）0 poutj，t，s outj，t，sM t T，s S（25）inj，t，s+outj，t，s 1 t T，s S（26）presj，t，s+pgridj，t，s+pdisj，t，s-pchj，t，s+pinj，t，s-poutj，t，s=ploadj，t，s t T，s S（27）式中：pinj k，t，s和pinj，t，s分别为用户j接受用户k的功率252023，47（7）学术研究 和其接受的总功率；poutj k，t，s和poutj，t，s分别为由用户j输向用户k的功率和其输出的总功率；inj，k，t，s、outj，k，t，s、inj，t，s和outj，t，s为 0-1变量；M为充分大常数。对于模式 2，式(10)至式(15)各用户仍需满足；由式（19）可得出用户j从其他各用户处接受和送出的总功率；式(20)至式(22)表示在时刻t用户j和k之间功率流的单向性；式（23）表示整个系统内所有用户间的功率交互总额应相等；式(24)至式(26)表示在时刻t用户j不能同时接受
