基于集中儲能的新型家庭微電網架構及優勢分析
中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司 , 河北省石家莊市 ,050031
摘要：家庭微電網是集電網雙向功率流、可再生能源發電、蓄電池儲能和用電負荷一體化的家庭微型電力系統，是利用可再生能源的有效途徑。但是傳統的家庭微電網存在一些不足和問題。傳統的儲能方式儲能容量固定，不能適應可再生能源發電和家庭用電的季節性變化。此外，分布式儲能設備安裝成本高，并且安裝成本全部由用戶承擔，這在一定程度上阻礙了分布式儲能的應用與發展。傳統售電方式沒有考慮余電直接上網對電網電能質量的影響、交直流變換造成的不必要的電能損耗以及用電不經濟等問題，因此余電如何更經濟有效地利用需要新的解決辦法。基于集中儲能的新型家庭微電網是解決上述問題的有效措施。
關鍵詞：儲能；家庭微電網；優勢
1 基于集中儲能的新型家庭微電網
基于集中儲能的新型家庭微電網，主要由電力代理商、集中式儲能設備、外部電網（簡稱外電網）、內部電網（簡稱內電網）以及多個家庭用戶組成。
與傳統的家庭微電網不同，基于集中儲能的新型家庭微電網不再以單個家庭為單位，而是以多個用戶或多個小區為單位聯網而建立的區域性微型電力系統。
新型家庭微電網的各個用戶由內電網連接。電力代理商是連接外電網和內電網的橋梁，負責微電網內部的電力供應平衡。內電網由電力代理商統一投資、管理和維護。新型家庭微電網可以與外電網并網運行，也可與外內電網斷開孤島運行。安裝了可再生能源發電系統的用戶在發電有盈余的情況下可以通過儲能設備進行儲能。
由于家用電器對電能質量的要求較低，因此內電網的運行原則是接入內電網的用戶優先使用內電網的電能，盡量在內電網中充分消納。集中儲能設備是在可再生能源發電量較大且在內電網中無法完全消納時提供儲能功能，電力代理商負責內電網的功率平衡，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，兼顧電力系統的安全運行，以電力的長期邊際成本結合短期邊際成本為定價依據的一種定價方法。它既反映各時刻供應與需求的變化關系，又自動反饋調節用戶負荷。由用戶自行決定自己的用電時間，通過系統的總需求決定實時電價的高低。當用戶系統增大時，電價升高；當系統需求減少時，電價便會下降。因此，在以實時電價為基礎的電力市場中，電價可作為一個強有力的信號，用以調節和優化電力系統運行的可靠性和經濟性。
3 新型家庭微電網主體成分
3.1 終端用戶
用戶的買電以及儲能兼通過內電網與電力代理商進行交易。參與的終端用戶的日常用電由內電網供給；可再生能源發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。當然，用戶需要向電力代理商支付相應的費用。用戶日支付費用由兩部分組成：（1）內電網購電費用；（2）儲能空間租用費。
3.2 儲能設備
分布式儲能方式和集中式儲能方式雖然在規模和調度方式上有些不同，但它們都是由真實的儲能設備組成的，且有一定的使用壽命。影響儲能設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次數[6]。儲能設備每次充放電深度的不同也會導致儲能設備壽命的不同。因此電力代理商需要合理安排充放電次數及深度，盡可能地減少對蓄電池的壽命折損，降低儲能成本。
此外，儲能設備可以根據不同的介質、體積以及成本等搭配使用。如功率型與能量型的儲能設備相搭配、循環壽命不同的儲能設備相搭配、占地面積大小不同的儲能設備相搭配，根據不同類型儲能設備的技術優點充分利用其互補特性，實現不同儲能設備物盡其用，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用戶的用電數據、可再生能源發電量、用電習慣，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、發電以及儲能的差異性和互補性。此外，電力代理商還需要預測實時電價以及不同時刻用戶的用電功率、儲能功率，進行優化調度，以便滿足用戶在正常用電的基礎上，盡可能降低運營成本。
（2）成本結構
由于電力代理商需要安裝儲能設備，因此前期電力代理商需要對儲能設備有較大的投資。而后期的成本主要由兩部分組成：電力代理商向外電網購電費用，儲能設備的維護以及更換費用。
（3）利潤來源
電力代理商對儲能設備和電力的調度是從自身利益出發的，它綜合所有用戶的用電功率、可再生能源的發電功率、實時電價、儲能設備容量等信息統一做出調度。電力代理商對于用戶的購電及儲能行為只做虛擬調度，即對用戶的用電功率、用戶租用的儲能量只做相應的數據記錄，而未必根據用戶用電及儲能行為進行相應的實際調度。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電網功率平衡，而其真正的調度是在預測可再生能源發電功率、用戶用電量及儲能設備荷電狀態后進行全局的統一的優化調度，以利用不同用戶用電的互補性以及全局的信息優勢從中賺取利潤。
4 新型家庭微電網的優勢
4.1 投資成本更低
集中式儲能方式的新型家庭微電網中的儲能設備由電力代理商統一投資、管理和維護，不再需要用戶自己去單獨承擔安裝和維護儲能設備的昂貴成本，提高了終端用戶參與需求響應的積極性。由于用戶儲能的互補性，使得需要投資的集中式儲能的總容量必然小于分布式儲能的總容量，節約了儲能容量；由于用戶用電的互補性，使得一部分余電通過內電網直接消費掉，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，更容易適應隨季節變化的可再生能源發電量和家庭用電量。此外，與分布式儲能相比，集中式的儲能設備是統一投資、管理和維護，由于其規模優勢，集中式儲能設備的價格會更加優惠，管理和維護成本也會更低。
4.2 對外電網影響更少
新型家庭微電網中用戶余電的配電方式由“用戶———外電網”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的輸配電壓力，而且減少了電網反復輸電帶來的電能損耗。同時，更少的可再生能源發電量注入到電網對電網的電能質量影響更小。
4.3 優化用電
電力代理商的調度是從全局出發的，它綜合所有用戶的用電功率、可再生能源的發電功率、外電網電價、儲能設備容量等信息統一做出調度。這種調度往往是適應價格需求的，在低電價（電能過剩）時從外電網買電進行儲能，消納電網多余電能；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、優化用電的效果。
4.4 促進可再生能源的發展
大型風力發電和光伏發電由于風能和太陽能的隨機性和間斷性以及其電能質量問題，存在嚴重的“棄風棄光”情況。但是小型的可再生能源通過內電網就近消納，避免了可再生能源電能大量注入外電網，因此不會給外電網引入諧波降低外電網電能質量，使得可再生能源發電有了更廣闊的應用前景。
5 結束語
集中式儲能的新型家庭微電網是共享經濟與家庭微電網儲能融合的產物，是未來家庭微電網的一個新的形態選擇。本文詳細闡述了集中式儲能的新型家庭微電網的架構以及各主體成分，并分析了新型家庭微電網的四大優勢。
參考文獻
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[2]王志軒．能源與電力發展的約束及對策[M]．北京：中國電力出版社，2015.
[3] 沈玉明，胡博，謝開貴，等.計及儲能壽命損耗的孤立微電網最優經濟運行[J].電網技術，2014,38（09):2371-2378.
