基于集中儲(chǔ)能的新型家庭微電網(wǎng)架構(gòu)及優(yōu)勢(shì)分析
中國(guó)電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 , 河北省石家莊市 ,050031
摘要：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(chǔ)能和用電負(fù)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(wèn)題。傳統(tǒng)的儲(chǔ)能方式儲(chǔ)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。此外，分布式儲(chǔ)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(chǔ)能的應(yīng)用與發(fā)展。傳統(tǒng)售電方式?jīng)]有考慮余電直接上網(wǎng)對(duì)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(jì)等問(wèn)題，因此余電如何更經(jīng)濟(jì)有效地利用需要新的解決辦法?；诩袃?chǔ)能的新型家庭微電網(wǎng)是解決上述問(wèn)題的有效措施。
關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能；家庭微電網(wǎng)；優(yōu)勢(shì)
1 基于集中儲(chǔ)能的新型家庭微電網(wǎng)
基于集中儲(chǔ)能的新型家庭微電網(wǎng)，主要由電力代理商、集中式儲(chǔ)能設(shè)備、外部電網(wǎng)（簡(jiǎn)稱外電網(wǎng)）、內(nèi)部電網(wǎng)（簡(jiǎn)稱內(nèi)電網(wǎng)）以及多個(gè)家庭用戶組成。
與傳統(tǒng)的家庭微電網(wǎng)不同，基于集中儲(chǔ)能的新型家庭微電網(wǎng)不再以單個(gè)家庭為單位，而是以多個(gè)用戶或多個(gè)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(gè)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(fù)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(hù)。新型家庭微電網(wǎng)可以與外電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可與外內(nèi)電網(wǎng)斷開(kāi)孤島運(yùn)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(guò)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)能。
由于家用電器對(duì)電能質(zhì)量的要求較低，因此內(nèi)電網(wǎng)的運(yùn)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(chǔ)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(wú)法完全消納時(shí)提供儲(chǔ)能功能，電力代理商負(fù)責(zé)內(nèi)電網(wǎng)的功率平衡，保證用戶正常用電。
2 實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制
嚴(yán)重的峰谷差是電力系統(tǒng)供電壓力和電力資源浪費(fèi)的重要原因，采用實(shí)時(shí)電價(jià)使用戶參與價(jià)格需求響應(yīng)是一個(gè)行之有效的措施。實(shí)時(shí)電價(jià)是在電力市場(chǎng)條件下，著眼于電力的瞬時(shí)供需平衡，兼顧電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，以電力的長(zhǎng)期邊際成本結(jié)合短期邊際成本為定價(jià)依據(jù)的一種定價(jià)方法。它既反映各時(shí)刻供應(yīng)與需求的變化關(guān)系，又自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)用戶負(fù)荷。由用戶自行決定自己的用電時(shí)間，通過(guò)系統(tǒng)的總需求決定實(shí)時(shí)電價(jià)的高低。當(dāng)用戶系統(tǒng)增大時(shí)，電價(jià)升高；當(dāng)系統(tǒng)需求減少時(shí)，電價(jià)便會(huì)下降。因此，在以實(shí)時(shí)電價(jià)為基礎(chǔ)的電力市場(chǎng)中，電價(jià)可作為一個(gè)強(qiáng)有力的信號(hào)，用以調(diào)節(jié)和優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
3 新型家庭微電網(wǎng)主體成分
3.1 終端用戶
用戶的買(mǎi)電以及儲(chǔ)能兼通過(guò)內(nèi)電網(wǎng)與電力代理商進(jìn)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(chǔ)能需求的用戶可以將多余的電能通過(guò)向電力代理商租用儲(chǔ)能空間進(jìn)行儲(chǔ)能。當(dāng)然，用戶需要向電力代理商支付相應(yīng)的費(fèi)用。用戶日支付費(fèi)用由兩部分組成：（1）內(nèi)電網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用；（2）儲(chǔ)能空間租用費(fèi)。
3.2 儲(chǔ)能設(shè)備
分布式儲(chǔ)能方式和集中式儲(chǔ)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(shí)的儲(chǔ)能設(shè)備組成的，且有一定的使用壽命。影響儲(chǔ)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(chǔ)能設(shè)備每次充放電深度的不同也會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)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(duì)蓄電池的壽命折損，降低儲(chǔ)能成本。
此外，儲(chǔ)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(chǔ)能設(shè)備相搭配、循環(huán)壽命不同的儲(chǔ)能設(shè)備相搭配、占地面積大小不同的儲(chǔ)能設(shè)備相搭配，根據(jù)不同類型儲(chǔ)能設(shè)備的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)充分利用其互補(bǔ)特性，實(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)能設(shè)備物盡其用，降低儲(chǔ)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(jìn)行分類，以達(dá)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(chǔ)能的差異性和互補(bǔ)性。此外，電力代理商還需要預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)電價(jià)以及不同時(shí)刻用戶的用電功率、儲(chǔ)能功率，進(jìn)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(yùn)營(yíng)成本。
（2）成本結(jié)構(gòu)
由于電力代理商需要安裝儲(chǔ)能設(shè)備，因此前期電力代理商需要對(duì)儲(chǔ)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(gòu)電費(fèi)用，儲(chǔ)能設(shè)備的維護(hù)以及更換費(fèi)用。
（3）利潤(rùn)來(lái)源
電力代理商對(duì)儲(chǔ)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(shí)時(shí)電價(jià)、儲(chǔ)能設(shè)備容量等信息統(tǒng)一做出調(diào)度。電力代理商對(duì)于用戶的購(gòu)電及儲(chǔ)能行為只做虛擬調(diào)度，即對(duì)用戶的用電功率、用戶租用的儲(chǔ)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(chǔ)能行為進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)際調(diào)度。由于用戶用電存在互補(bǔ)性以及電價(jià)的實(shí)時(shí)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(cè)可再生能源發(fā)電功率、用戶用電量及儲(chǔ)能設(shè)備荷電狀態(tài)后進(jìn)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(bǔ)性以及全局的信息優(yōu)勢(shì)從中賺取利潤(rùn)。
4 新型家庭微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)
4.1 投資成本更低
集中式儲(chǔ)能方式的新型家庭微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能設(shè)備由電力代理商統(tǒng)一投資、管理和維護(hù)，不再需要用戶自己去單獨(dú)承擔(dān)安裝和維護(hù)儲(chǔ)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(chǔ)能的互補(bǔ)性，使得需要投資的集中式儲(chǔ)能的總?cè)萘勘厝恍∮诜植际絻?chǔ)能的總?cè)萘?，?jié)約了儲(chǔ)能容量；由于用戶用電的互補(bǔ)性，使得一部分余電通過(guò)內(nèi)電網(wǎng)直接消費(fèi)掉，這相對(duì)于分布式儲(chǔ)能減少了終端用戶的儲(chǔ)能量，從而減少了儲(chǔ)能設(shè)備壽命的折損。對(duì)終端用戶來(lái)說(shuō)，集中儲(chǔ)能方式還具有靈活的儲(chǔ)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(chǔ)能相比，集中式的儲(chǔ)能設(shè)備是統(tǒng)一投資、管理和維護(hù)，由于其規(guī)模優(yōu)勢(shì)，集中式儲(chǔ)能設(shè)備的價(jià)格會(huì)更加優(yōu)惠，管理和維護(hù)成本也會(huì)更低。
4.2 對(duì)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(chǔ)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(lái)的電能損耗。同時(shí)，更少的可再生能源發(fā)電量注入到電網(wǎng)對(duì)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(jià)、儲(chǔ)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(jià)格需求的，在低電價(jià)（電能過(guò)剩）時(shí)從外電網(wǎng)買(mǎi)電進(jìn)行儲(chǔ)能，消納電網(wǎng)多余電能；在高電價(jià)（供電緊張）時(shí)放電為用戶供能，從而達(dá)到了移峰填谷、優(yōu)化用電的效果。
4.4 促進(jìn)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(yáng)能的隨機(jī)性和間斷性以及其電能質(zhì)量問(wèn)題，存在嚴(yán)重的“棄風(fēng)棄光”情況。但是小型的可再生能源通過(guò)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(huì)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(yǔ)
集中式儲(chǔ)能的新型家庭微電網(wǎng)是共享經(jīng)濟(jì)與家庭微電網(wǎng)儲(chǔ)能融合的產(chǎn)物，是未來(lái)家庭微電網(wǎng)的一個(gè)新的形態(tài)選擇。本文詳細(xì)闡述了集中式儲(chǔ)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(shì)。
參考文獻(xiàn)
[1]黃羹墻.面向家庭能源管理系統(tǒng)的用電調(diào)度策略研究[D].上海電力學(xué)院，2017.
[2]王志軒．能源與電力發(fā)展的約束及對(duì)策[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2015.
[3] 沈玉明，胡博，謝開(kāi)貴，等.計(jì)及儲(chǔ)能壽命損耗的孤立微電網(wǎng)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014,38（09):2371-2378.
