西安交通大学王秀丽、帅轩越等：多区域综合能源系统互联下的共享储能容量优化配置
多区域综合能源系统互联下的共享储能容量优化配置
帅轩越，王秀丽，黄晶
（西安交通大学电气工程学院）
本文发表在《全球能源互联网》2021年第4期“能源转型中的电力系统规划关键技术及案例研究”专题上，欢迎点击品读。
文章导读
随着共享经济与储能技术的大力发展，共享储能技术应运而生，在减少投资建设成本、提供辅助服务等方面具有显著优势。在有效提高多个区域综合能源系统（regional integrated energy system，RIES）的能源利用率的基础上，同时兼顾合理配置储能系统的容量，提出一种多RIES互联下的共享储能系统容量优化配置模型。本文针对一类电-热区域综合能源系统，考虑到多RIES互联的情境，建立了共享储能系统与多个RIES的双层优化配置模型，通过启发式算法与求解器相结合的方法求解，进一步利用纳什议价方法对多个RIES的收益进行结算，为共享储能系统的优化配置提供参考方案。
重点内容
1
系统运行框架
假定所研究的场景包含SESS、多个RIES系统以及配网，具体运行框架与RIES内部能量流动关系如图1所示。
⬆ 图1 系统运行框架与RIES内部能流关系
其中SESS主要通过向多个RIES租赁储能服务盈利，即每个RIES在与SESS进行充放电时需缴纳相应的服务费用。RIES主要由热电联产（CHP）机组、风机（WT）、热泵（HP）以及电、热负荷组成，电储能主要通过向SESS购买租赁服务，同时各RIES间通过联络线互联，进一步改善系统的经济性与可靠性。各RIES需时刻满足电、热出力与负荷的平衡，由于RIES内配有可再生能源发电，RIES具有“源荷二重性”：当RIES内部电出力小于/大于电负荷时，RIES可向配网购/售电、向其余RIES取/送电以及向SESS租/返电。
2
双层优化模型
一方面，由于SESS的容量与功率极限影响着RIES与SESS交互的空间与最大步长，即决定各RIES的约束边界；另一方面，各RIES与SESS交互的实际功率总和决定SESS投入建设的容量。求解伪代码如下：
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3
基于纳什议价方法的利益分配方法
多个RIES在优化总运行成本最低时，为实现整体目标函数最优，可能存在个别RIES牺牲自身利益的现象。为此，需要进一步探讨一套科学合理的RIES收益分配机制，维持各RIES参与协同运行的积极性。所建立的纳什议价模型具体表示为
式中：
与
分别表示第i个RIES在一个周期内独立运行下的成本与纳什议价后的运行成本。
考虑到上式为非凸非线性问题，将其分解为2个凸的子问题，利用IPOPT求解器求解，所分解的子问题依次为
式中：
为优化后第i个RIES的运行成本；
为第i个RIES的议价收益转移。
4
结果分析
设模式1为各RIES独立运行，无储能设备参与运行；模式2为各RIES独立运行，每个RIES内部配置与SESS参数相同的储能设备；模式3为各RIES独立运行，所有RIES使用SESS提供的容量租赁服务，协同运行后依据纳什议价方法对各RIES的运行成本进行分配；模式4在模式3的基础上增添所有RIES互联的条件。需要说明的是，模式1与模式2中的优化对象为各RIES运行成本，模式3与模式4中的优化对象为所有RIES的总运行成本。
⬇ 表1 4种模式下SESS运营商盈利与所有RIES总运行成本
⬇ 表2 模式2~4下储能设备的容量和功率极限规划结果与日运行成本
总结来看，模式1下由于没有共享储能服务的引入，3个RIES仅能与配电网进行电能交易，此时3个RIES的运行成本最高；模式2下各RIES内可通过配置储能设备来减少运行成本，但存在个别RIES（RIES3）因储能设备带来的效益相比建设成本较低而不愿意配置储能设备的情况；模式3下各RIES可使用共享储能服务来减少运行成本，相比模式2储能设备的总建设容量减少；模式4下3个RIES能通过联络线进行功率互传，提高了RIES群的电能“就地消纳”能力，进一步减少了RIES群的运行成本，因此共享储能的容量配置有所降低。
⬇ 表3 4种模式下各RIES运行成本
分析可知，模式3与模式4下每个RIES的运行成本得到了分配，相比所有RIES独立运行（模式1），SESS服务的引入（模式3）与RIES互联（模式4）显著减少了各RIES的运行成本。同时相比模式1，模式3下各RIES的运行成本均减少了389.55元，模式4下均减少了595.57元，实现了所有RIES的帕累托最优，有效维持了多RIES长期协同运行的积极性。
⬆ 图2 模式3与模式4下SESS容量变化曲线
⬆ 图3 模式4下RIES间功率传输极限灵敏度分析
结论
01
相比各RIES内部配置储能设备，使用SESS服务能有效减少RIES的总运行成本，所提双层优化模型能够优化配置SESS的容量与充放电功率极限参数，有效权衡了SESS运营商与RIES群的利益。
02
多个RIES间互联能够有效提高能源利用率，目前已有较多相关研究，其发展趋势日益凸显。所建立的多RIES互联模型更符合未来实际应用场景，使得SESS侧的容量规划更接近真实结果。
03
利用纳什议价方法对所有RIES的运行成本进行分配，实现所有RIES的帕累托最优，进一步有效维持所有RIES参与协同运行的积极性。
04
将启发式算法与求解器相结合进行求解，保护了SESS运营商与RIES运营商的信息隐私。
本文引文信息
帅轩越，王秀丽，黄晶. 多区域综合能源系统互联下的共享储能容量优化配置[J]. 全球能源互联网，2021，4(4)：382-392.
SHUAI Xuanyue, WANG Xiuli, HUANG Jing. Optimal configuration of shared energy storage capacity under multiple regional integrated energy systems interconnection[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4(4): 382-392(in Chinese).
作者简介
帅轩越
硕士研究生
主要研究方向为配电网优化运行、博弈论及其优化方法、双层优化
E-mail：
sxysxy@stu.xjtu.edu.cn
王秀丽
教授，博士生导师
主要研究方向为电力系统分析与规划、电力市场、电力系统可靠性分析、新型输电方式。通信作者
E-mail：
xiuliw@mail.xjtu.edu.cn
黄晶
博士研究生
主要研究方向为电动汽车充电调度研究
E-mail：
huangjingee@foxmail.com
编辑：李锡
审核：周舟
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