基于集中儲能的新型家庭微電網(wǎng)架構(gòu)及優(yōu)勢分析

薛樹強

（上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海201306）

引言

近年來，能源需求快速膨脹，化石能源供應(yīng)緊缺、成本日益上漲，全球變暖的形勢十分嚴峻，節(jié)能減排已迫在眉睫[1]。推進可再生能源的發(fā)展可以有效地解決日益嚴峻的能源環(huán)境問題，傳統(tǒng)能源被可再生能源取代是必然趨勢[2]。目前，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等清潔可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用對能源環(huán)境壓力起到一定的緩解作用。但是，風(fēng)能和太陽能具有間歇性和隨機性等特點，這些不確定因素使可再生能源接入電網(wǎng)后，對穩(wěn)定運行和優(yōu)化調(diào)度等造成一定的困難[3]。

家庭微電網(wǎng)是集電網(wǎng)雙向功率流、可再生能源發(fā)電、蓄電池儲能和用電負荷一體化的家庭微型電力系統(tǒng)，是利用可再生能源的有效途徑。但是傳統(tǒng)的家庭微電網(wǎng)存在一些不足和問題。傳統(tǒng)的儲能方式儲能容量固定，不能適應(yīng)可再生能源發(fā)電和家庭用電的季節(jié)性變化[4]。此外，分布式儲能設(shè)備安裝成本高，并且安裝成本全部由用戶承擔(dān)，這在一定程度上阻礙了分布式儲能的應(yīng)用與發(fā)展[5]。傳統(tǒng)售電方式?jīng)]有考慮余電直接上網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響、交直流變換造成的不必要的電能損耗以及用電不經(jīng)濟等問題，因此余電如何更經(jīng)濟有效地利用需要新的解決辦法?；诩袃δ艿男滦图彝ノ㈦娋W(wǎng)是解決上述問題的有效措施。

1 基于集中儲能的新型家庭微電網(wǎng)

基于集中儲能的新型家庭微電網(wǎng)，主要由電力代理商、集中式儲能設(shè)備、外部電網(wǎng)（簡稱外電網(wǎng)）、內(nèi)部電網(wǎng)（簡稱內(nèi)電網(wǎng)）以及多個家庭用戶組成，如圖1 所示。

圖1 基于集中儲能的新型家庭微電網(wǎng)架構(gòu)

與傳統(tǒng)的家庭微電網(wǎng)不同，基于集中儲能的新型家庭微電網(wǎng)不再以單個家庭為單位，而是以多個用戶或多個小區(qū)為單位聯(lián)網(wǎng)而建立的區(qū)域性微型電力系統(tǒng)。

新型家庭微電網(wǎng)的各個用戶由內(nèi)電網(wǎng)連接。電力代理商是連接外電網(wǎng)和內(nèi)電網(wǎng)的橋梁，負責(zé)微電網(wǎng)內(nèi)部的電力供應(yīng)平衡。內(nèi)電網(wǎng)由電力代理商統(tǒng)一投資、管理和維護。新型家庭微電網(wǎng)可以與外電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可與外內(nèi)電網(wǎng)斷開孤島運行。安裝了可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的用戶在發(fā)電有盈余的情況下可以通過儲能設(shè)備進行儲能。

由于家用電器對電能質(zhì)量的要求較低，因此內(nèi)電網(wǎng)的運行原則是接入內(nèi)電網(wǎng)的用戶優(yōu)先使用內(nèi)電網(wǎng)的電能，盡量在內(nèi)電網(wǎng)中充分消納。集中儲能設(shè)備是在可再生能源發(fā)電量較大且在內(nèi)電網(wǎng)中無法完全消納時提供儲能功能，電力代理商負責(zé)內(nèi)電網(wǎng)的功率平衡，保證用戶正常用電。

2 實時電價機制

嚴重的峰谷差是電力系統(tǒng)供電壓力和電力資源浪費的重要原因，采用實時電價使用戶參與價格需求響應(yīng)是一個行之有效的措施。實時電價是在電力市場條件下，著眼于電力的瞬時供需平衡，兼顧電力系統(tǒng)的安全運行，以電力的長期邊際成本結(jié)合短期邊際成本為定價依據(jù)的一種定價方法。它既反映各時刻供應(yīng)與需求的變化關(guān)系，又自動反饋調(diào)節(jié)用戶負荷。由用戶自行決定自己的用電時間，通過系統(tǒng)的總需求決定實時電價的高低。當(dāng)用戶系統(tǒng)增大時，電價升高；當(dāng)系統(tǒng)需求減少時，電價便會下降。因此，在以實時電價為基礎(chǔ)的電力市場中，電價可作為一個強有力的信號，用以調(diào)節(jié)和優(yōu)化電力系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟性。

實時電價是在考慮運行和基本投資的情況下，在給定的極短時段（如30min、15min、5min）內(nèi)向用戶提供電能的邊際成本。實時電價能反映短期的生產(chǎn)成本及用電量信息，能夠指導(dǎo)用戶優(yōu)化用電。

3 新型家庭微電網(wǎng)主體成分

3.1 終端用戶

用戶的買電以及儲能兼通過內(nèi)電網(wǎng)與電力代理商進行交易。參與的終端用戶的日常用電由內(nèi)電網(wǎng)供給；可再生能源發(fā)電有盈余且有儲能需求的用戶可以將多余的電能通過向電力代理商租用儲能空間進行儲能。當(dāng)然，用戶需要向電力代理商支付相應(yīng)的費用。用戶日支付費用由兩部分組成：（1）內(nèi)電網(wǎng)購電費用；（2）儲能空間租用費。

此外，由于實時電價導(dǎo)致電價的不斷變化，不同時刻的買電及儲能行為會導(dǎo)致用戶用電成本的差異，因此用戶需要合理決策購電以及儲能行為，以盡量降低用電成本。

3.2 儲能設(shè)備

分布式儲能方式和集中式儲能方式雖然在規(guī)模和調(diào)度方式上有些不同，但它們都是由真實的儲能設(shè)備組成的，且有一定的使用壽命。影響儲能設(shè)備壽命的因素有很多，其中最主要的因素是不同放電深度下的充放電循環(huán)次數(shù)[6]。儲能設(shè)備每次充放電深度的不同也會導(dǎo)致儲能設(shè)備壽命的不同。因此電力代理商需要合理安排充放電次數(shù)及深度，盡可能地減少對蓄電池的壽命折損，降低儲能成本。

此外，儲能設(shè)備可以根據(jù)不同的介質(zhì)、體積以及成本等搭配使用。如功率型與能量型的儲能設(shè)備相搭配、循環(huán)壽命不同的儲能設(shè)備相搭配、占地面積大小不同的儲能設(shè)備相搭配，根據(jù)不同類型儲能設(shè)備的技術(shù)優(yōu)點充分利用其互補特性，實現(xiàn)不同儲能設(shè)備物盡其用，降低儲能成本。

3.3 電力代理商

（1）核心能力

電力代理商需要根據(jù)用戶的用電數(shù)據(jù)、可再生能源發(fā)電量、用電習(xí)慣，將用戶進行分類，以達到不同類用戶的相互搭配，從而利用不同用戶間用電、發(fā)電以及儲能的差異性和互補性。此外，電力代理商還需要預(yù)測實時電價以及不同時刻用戶的用電功率、儲能功率，進行優(yōu)化調(diào)度，以便滿足用戶在正常用電的基礎(chǔ)上，盡可能降低運營成本。

（2）成本結(jié)構(gòu)

由于電力代理商需要安裝儲能設(shè)備，因此前期電力代理商需要對儲能設(shè)備有較大的投資。而后期的成本主要由兩部分組成：電力代理商向外電網(wǎng)購電費用，儲能設(shè)備的維護以及更換費用。

（3）利潤來源

電力代理商對儲能設(shè)備和電力的調(diào)度是從自身利益出發(fā)的，它綜合所有用戶的用電功率、可再生能源的發(fā)電功率、實時電價、儲能設(shè)備容量等信息統(tǒng)一做出調(diào)度。電力代理商對于用戶的購電及儲能行為只做虛擬調(diào)度，即對用戶的用電功率、用戶租用的儲能量只做相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄，而未必根據(jù)用戶用電及儲能行為進行相應(yīng)的實際調(diào)度。由于用戶用電存在互補性以及電價的實時變化，電力代理商只需保證內(nèi)電網(wǎng)功率平衡，而其真正的調(diào)度是在預(yù)測可再生能源發(fā)電功率、用戶用電量及儲能設(shè)備荷電狀態(tài)后進行全局的統(tǒng)一的優(yōu)化調(diào)度，以利用不同用戶用電的互補性以及全局的信息優(yōu)勢從中賺取利潤。

4 新型家庭微電網(wǎng)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的以單個家庭為單位的家庭微電網(wǎng)相比，以多用戶或小區(qū)為單位的基于集中儲能的新型家庭微電網(wǎng)有如下的優(yōu)勢：

4.1 投資成本更低

集中式儲能方式的新型家庭微電網(wǎng)中的儲能設(shè)備由電力代理商統(tǒng)一投資、管理和維護，不再需要用戶自己去單獨承擔(dān)安裝和維護儲能設(shè)備的昂貴成本，提高了終端用戶參與需求響應(yīng)的積極性。由于用戶儲能的互補性，使得需要投資的集中式儲能的總?cè)萘勘厝恍∮诜植际絻δ艿目側(cè)萘?，?jié)約了儲能容量；由于用戶用電的互補性，使得一部分余電通過內(nèi)電網(wǎng)直接消費掉，這相對于分布式儲能減少了終端用戶的儲能量，從而減少了儲能設(shè)備壽命的折損。對終端用戶來說，集中儲能方式還具有靈活的儲能容量，更容易適應(yīng)隨季節(jié)變化的可再生能源發(fā)電量和家庭用電量。此外，與分布式儲能相比，集中式的儲能設(shè)備是統(tǒng)一投資、管理和維護，由于其規(guī)模優(yōu)勢，集中式儲能設(shè)備的價格會更加優(yōu)惠，管理和維護成本也會更低。

4.2 對外電網(wǎng)影響更少

新型家庭微電網(wǎng)中用戶余電的配電方式由“用戶——外電網(wǎng)”變成了先“用戶——用戶”再“用戶——儲能”的新方式。新的配電方式不僅減少了外電網(wǎng)的輸配電壓力，而且減少了電網(wǎng)反復(fù)輸電帶來的電能損耗。同時，更少的可再生能源發(fā)電量注入到電網(wǎng)對電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響更小。

4.3 優(yōu)化用電

電力代理商的調(diào)度是從全局出發(fā)的，它綜合所有用戶的用電功率、可再生能源的發(fā)電功率、外電網(wǎng)電價、儲能設(shè)備容量等信息統(tǒng)一做出調(diào)度。這種調(diào)度往往是適應(yīng)價格需求的，在低電價（電能過剩）時從外電網(wǎng)買電進行儲能，消納電網(wǎng)多余電能；在高電價（供電緊張）時放電為用戶供能，從而達到了移峰填谷、優(yōu)化用電的效果。

4.4 促進可再生能源的發(fā)展

大型風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電由于風(fēng)能和太陽能的隨機性和間斷性以及其電能質(zhì)量問題，存在嚴重的“棄風(fēng)棄光”情況。但是小型的可再生能源通過內(nèi)電網(wǎng)就近消納，避免了可再生能源電能大量注入外電網(wǎng)，因此不會給外電網(wǎng)引入諧波降低外電網(wǎng)電能質(zhì)量，使得可再生能源發(fā)電有了更廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

集中式儲能的新型家庭微電網(wǎng)是共享經(jīng)濟與家庭微電網(wǎng)儲能融合的產(chǎn)物，是未來家庭微電網(wǎng)的一個新的形態(tài)選擇。本文詳細闡述了集中式儲能的新型家庭微電網(wǎng)的架構(gòu)以及各主體成分，并分析了新型家庭微電網(wǎng)的四大優(yōu)勢。