中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
1 研究背景
隨著我國城市化水平的不斷提高，建筑運(yùn)行能耗持續(xù)增長，為我國的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)。在此背景下，已有諸多建筑選擇部署分布式新能源機(jī)組以降低用電成本，但新能源固有的間歇性與波動(dòng)性特征，導(dǎo)致其供電可靠性和消納率仍處于較低的水平。值得注意的是，智能樓宇(intelligent buildings，IBs)可利用儲(chǔ)能的快速充放電特性促進(jìn)新能源的就地消納與高效利用。然而，高額的儲(chǔ)能投資成本與漫長的成本回收周期也限制了樓宇側(cè)儲(chǔ)能的規(guī)?；瘧?yīng)用。近年來，隨著共享儲(chǔ)能商業(yè)模式的發(fā)展，共享儲(chǔ)能服務(wù)為降低IBs儲(chǔ)能投資成本提供了新的方向。在持續(xù)推進(jìn)城市化進(jìn)程與共享儲(chǔ)能商業(yè)模式發(fā)展的雙重驅(qū)動(dòng)下，IBs參與共享儲(chǔ)能服務(wù)將成為降低建筑能耗、提升儲(chǔ)能資源利用效率的關(guān)鍵路徑。
2 論文解決問題及意義
1）將共享儲(chǔ)能模式應(yīng)用于IBs。由于IBs用戶的差異性和互補(bǔ)性，參與共享儲(chǔ)能服務(wù)可在充分利用共享儲(chǔ)能電站(shared energy storage station，SESS)儲(chǔ)能資源的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)IBs內(nèi)部能源的互補(bǔ)共濟(jì)，有效提高新能源消納率。
2）在SESS-IBs系統(tǒng)的優(yōu)化配置中考慮建筑物的熱慣性。建筑熱慣性使得IBs內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)具有巨大的用能靈活性，在保障用戶溫度舒適性的同時(shí)，可提高SESS和IBs的經(jīng)濟(jì)性。
3）提出了基于共享儲(chǔ)能服務(wù)的IBs雙層優(yōu)化方法。該方法可充分滿足SESS運(yùn)營商與IBs的差異化利益訴求，實(shí)現(xiàn)雙方的共贏。
3 論文重點(diǎn)內(nèi)容
1）SESS-IBs雙層優(yōu)化框架。
為降低城市化進(jìn)程中樓宇儲(chǔ)能投資成本，本文設(shè)計(jì)了一種基于共享儲(chǔ)能服務(wù)的IBs雙層優(yōu)化框架。SESS-IBs雙層優(yōu)化框架如圖1所示，包括SESS、N個(gè)IBs和配電系統(tǒng)。每個(gè)IBs社區(qū)可由本地光伏與風(fēng)電、SESS和電網(wǎng)供電，其能耗主要來自于常規(guī)電負(fù)荷和空調(diào)負(fù)荷。考慮到IBs用戶受到相關(guān)政策和技術(shù)的限制，設(shè)定IBs用戶不能售電給電網(wǎng)。IBs通過向SESS繳納服務(wù)費(fèi)參與共享儲(chǔ)能服務(wù)，滿足自身的儲(chǔ)能需求，同時(shí)節(jié)省了巨大的儲(chǔ)能投資成本。SESS則根據(jù)分時(shí)購售電電價(jià)向用戶支付或收取相應(yīng)的費(fèi)用，主要以不同時(shí)段購售電的價(jià)格差以及向IBs收取服務(wù)費(fèi)實(shí)現(xiàn)盈利，其中服務(wù)費(fèi)均以單位功率收取。
圖1 SESS-IBs雙層優(yōu)化框架
2）SESS-IBs雙層優(yōu)化模型求解過程。
本文構(gòu)建的雙層優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)中含有絕對值，為非線性項(xiàng)，并且上層模型和下層模型存在耦合關(guān)系，難以直接進(jìn)行求解。因此，先將目標(biāo)函數(shù)中的絕對值項(xiàng)線性化。再通過構(gòu)建下層IBs模型的拉格朗日函數(shù)，利用卡羅需-庫恩-塔克(Karush-Kuhn-Tucher，KKT)條件代替下層模型，同時(shí)作為上層模型的附加約束，將原雙層優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單層非線性優(yōu)化問題。最后采用Big-M法將非線性約束進(jìn)行線性化，問題最終變?yōu)閱螌踊旌险麛?shù)線性規(guī)劃問題，求解過程具體如圖2所示。
圖2 求解過程
3）算例分析。
本文以三個(gè)IBs社區(qū)的四季典型日為例，對比分析了不同優(yōu)化配置方法對于IBs運(yùn)行和SESS配置結(jié)果的影響。
圖3展示了IBs用電行為及SESS充放電功率。IBs通過參與共享儲(chǔ)能服務(wù)可將過剩新能源存儲(chǔ)至SESS，由于不同IBs的新能源出力存在差異性和互補(bǔ)性，因此可通過SESS實(shí)現(xiàn)IBs間能源的互補(bǔ)共濟(jì)，顯著降低IBs的年運(yùn)行成本。若新能源仍有剩余，則其可在電價(jià)峰段通過SESS放電被進(jìn)一步消納，從而顯著提高新能源消納率。
圖3 IBs用電行為及SESS充放電功率
圖4展示了IBs單個(gè)房間內(nèi)空調(diào)運(yùn)行功率及溫度變化。通過考慮用戶舒適溫度區(qū)間，IBs可在電價(jià)峰段前一時(shí)刻提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行功率，利用建筑物熱慣性進(jìn)行蓄冷，減少了電價(jià)峰段的空調(diào)系統(tǒng)能耗，在保障用戶溫度舒適性的同時(shí)，提高IBs的經(jīng)濟(jì)性。
圖4 IBs單個(gè)房間內(nèi)空調(diào)運(yùn)行功率及溫度變化
表1展示了各IBs社區(qū)儲(chǔ)能容量需求與SESS容量對比。SESS所需儲(chǔ)能需求小于三個(gè)IBs社區(qū)的儲(chǔ)能需求之和，儲(chǔ)能容量節(jié)省比22.38%，說明了共享儲(chǔ)能模式可以高效利用SESS儲(chǔ)能資源，減少了SESS配置成本。
表1 各IBs社區(qū)儲(chǔ)能容量需求與SESS容量對比
表2展示了3種場景成本、收益和消納率對比。場景一IBs不參與共享儲(chǔ)能服務(wù)且室內(nèi)溫度恒定，存在大量的棄風(fēng)棄光情況，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。場景二IBs參與共享儲(chǔ)能服務(wù)且室內(nèi)溫度恒定，相較于場景一IBs年運(yùn)行成本節(jié)省了18.51%，新能源消納率提升了9.6%。場景三IBs配置共享儲(chǔ)能服務(wù)并考慮用戶舒適溫度區(qū)間，相較于場景二IBs年運(yùn)行成本節(jié)省了2.35%，SESS年凈收益提升了3.93%。
表2 不同場景成本、收益和消納率對比
綜上所述，在滿足IBs用戶溫度舒適性的同時(shí)，所提雙層優(yōu)化配置方法可充分滿足SESS運(yùn)營商與IBs的差異化利益訴求，降低SESS儲(chǔ)能投資成本并改善樓宇用電行為，實(shí)現(xiàn)雙方的共贏。
4 結(jié)論
1）共享儲(chǔ)能模式可以降低SESS儲(chǔ)能投資成本，提升SESS儲(chǔ)能資源利用率；IBs通過繳納服務(wù)費(fèi)參與共享儲(chǔ)能服務(wù)可以改善樓宇用電行為，提高新能源利用率，顯著降低年運(yùn)行成本。
2）利用建筑物的熱慣性考慮用戶舒適溫度區(qū)間，可充分挖掘空調(diào)系統(tǒng)的需求響應(yīng)靈活潛力，從而提高SESS和IBs雙方的經(jīng)濟(jì)性。
3）SESS的靜態(tài)投資回收年限為8.5年，小于SESS的壽命周期10.5年，具有較為可觀的利潤空間。
