基于集中储能的新型家庭微电网架构及优势分析

基于集中储能的新型家庭微电网架构及优势分析

张毓清

中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司 , 河北省石家庄市 ,050031

摘要：家庭微电网是集电网双向功率流、可再生能源发电、蓄电池储能和用电负荷一体化的家庭微型电力系统，是利用可再生能源的有效途径。但是传统的家庭微电网存在一些不足和问题。传统的储能方式储能容量固定，不能适应可再生能源发电和家庭用电的季节性变化。此外，分布式储能设备安装成本高，并且安装成本全部由用户承担，这在一定程度上阻碍了分布式储能的应用与发展。传统售电方式没有考虑余电直接上网对电网电能质量的影响、交直流变换造成的不必要的电能损耗以及用电不经济等问题，因此余电如何更经济有效地利用需要新的解决办法。基于集中储能的新型家庭微电网是解决上述问题的有效措施。

关键词：储能；家庭微电网；优势

1 基于集中储能的新型家庭微电网

基于集中储能的新型家庭微电网，主要由电力代理商、集中式储能设备、外部电网（简称外电网）、内部电网（简称内电网）以及多个家庭用户组成。

与传统的家庭微电网不同，基于集中储能的新型家庭微电网不再以单个家庭为单位，而是以多个用户或多个小区为单位联网而建立的区域性微型电力系统。

新型家庭微电网的各个用户由内电网连接。电力代理商是连接外电网和内电网的桥梁，负责微电网内部的电力供应平衡。内电网由电力代理商统一投资、管理和维护。新型家庭微电网可以与外电网并网运行，也可与外内电网断开孤岛运行。安装了可再生能源发电系统的用户在发电有盈余的情况下可以通过储能设备进行储能。

由于家用电器对电能质量的要求较低，因此内电网的运行原则是接入内电网的用户优先使用内电网的电能，尽量在内电网中充分消纳。集中储能设备是在可再生能源发电量较大且在内电网中无法完全消纳时提供储能功能，电力代理商负责内电网的功率平衡，保证用户正常用电。

2 实时电价机制

严重的峰谷差是电力系统供电压力和电力资源浪费的重要原因，采用实时电价使用户参与价格需求响应是一个行之有效的措施。实时电价是在电力市场条件下，着眼于电力的瞬时供需平衡，兼顾电力系统的安全运行，以电力的长期边际成本结合短期边际成本为定价依据的一种定价方法。它既反映各时刻供应与需求的变化关系，又自动反馈调节用户负荷。由用户自行决定自己的用电时间，通过系统的总需求决定实时电价的高低。当用户系统增大时，电价升高；当系统需求减少时，电价便会下降。因此，在以实时电价为基础的电力市场中，电价可作为一个强有力的信号，用以调节和优化电力系统运行的可靠性和经济性。

3 新型家庭微电网主体成分

3.1 终端用户

用户的买电以及储能兼通过内电网与电力代理商进行交易。参与的终端用户的日常用电由内电网供给；可再生能源发电有盈余且有储能需求的用户可以将多余的电能通过向电力代理商租用储能空间进行储能。当然，用户需要向电力代理商支付相应的费用。用户日支付费用由两部分组成：（1）内电网购电费用；（2）储能空间租用费。

3.2 储能设备

分布式储能方式和集中式储能方式虽然在规模和调度方式上有些不同，但它们都是由真实的储能设备组成的，且有一定的使用寿命。影响储能设备寿命的因素有很多，其中最主要的因素是不同放电深度下的充放电循环次数[6]。储能设备每次充放电深度的不同也会导致储能设备寿命的不同。因此电力代理商需要合理安排充放电次数及深度，尽可能地减少对蓄电池的寿命折损，降低储能成本。

此外，储能设备可以根据不同的介质、体积以及成本等搭配使用。如功率型与能量型的储能设备相搭配、循环寿命不同的储能设备相搭配、占地面积大小不同的储能设备相搭配，根据不同类型储能设备的技术优点充分利用其互补特性，实现不同储能设备物尽其用，降低储能成本。

3.3 电力代理商

（1）核心能力

电力代理商需要根据用户的用电数据、可再生能源发电量、用电习惯，将用户进行分类，以达到不同类用户的相互搭配，从而利用不同用户间用电、发电以及储能的差异性和互补性。此外，电力代理商还需要预测实时电价以及不同时刻用户的用电功率、储能功率，进行优化调度，以便满足用户在正常用电的基础上，尽可能降低运营成本。

（2）成本结构

由于电力代理商需要安装储能设备，因此前期电力代理商需要对储能设备有较大的投资。而后期的成本主要由两部分组成：电力代理商向外电网购电费用，储能设备的维护以及更换费用。

（3）利润来源

电力代理商对储能设备和电力的调度是从自身利益出发的，它综合所有用户的用电功率、可再生能源的发电功率、实时电价、储能设备容量等信息统一做出调度。电力代理商对于用户的购电及储能行为只做虚拟调度，即对用户的用电功率、用户租用的储能量只做相应的数据记录，而未必根据用户用电及储能行为进行相应的实际调度。由于用户用电存在互补性以及电价的实时变化，电力代理商只需保证内电网功率平衡，而其真正的调度是在预测可再生能源发电功率、用户用电量及储能设备荷电状态后进行全局的统一的优化调度，以利用不同用户用电的互补性以及全局的信息优势从中赚取利润。

4 新型家庭微电网的优势

4.1 投资成本更低

集中式储能方式的新型家庭微电网中的储能设备由电力代理商统一投资、管理和维护，不再需要用户自己去单独承担安装和维护储能设备的昂贵成本，提高了终端用户参与需求响应的积极性。由于用户储能的互补性，使得需要投资的集中式储能的总容量必然小于分布式储能的总容量，节约了储能容量；由于用户用电的互补性，使得一部分余电通过内电网直接消费掉，这相对于分布式储能减少了终端用户的储能量，从而减少了储能设备寿命的折损。对终端用户来说，集中储能方式还具有灵活的储能容量，更容易适应随季节变化的可再生能源发电量和家庭用电量。此外，与分布式储能相比，集中式的储能设备是统一投资、管理和维护，由于其规模优势，集中式储能设备的价格会更加优惠，管理和维护成本也会更低。

4.2 对外电网影响更少

新型家庭微电网中用户余电的配电方式由“用户———外电网”变成了先“用户———用户”再“用户———储能”的新方式。新的配电方式不仅减少了外电网的输配电压力，而且减少了电网反复输电带来的电能损耗。同时，更少的可再生能源发电量注入到电网对电网的电能质量影响更小。

4.3 优化用电

电力代理商的调度是从全局出发的，它综合所有用户的用电功率、可再生能源的发电功率、外电网电价、储能设备容量等信息统一做出调度。这种调度往往是适应价格需求的，在低电价（电能过剩）时从外电网买电进行储能，消纳电网多余电能；在高电价（供电紧张）时放电为用户供能，从而达到了移峰填谷、优化用电的效果。

4.4 促进可再生能源的发展

大型风力发电和光伏发电由于风能和太阳能的随机性和间断性以及其电能质量问题，存在严重的“弃风弃光”情况。但是小型的可再生能源通过内电网就近消纳，避免了可再生能源电能大量注入外电网，因此不会给外电网引入谐波降低外电网电能质量，使得可再生能源发电有了更广阔的应用前景。

5 结束语

集中式储能的新型家庭微电网是共享经济与家庭微电网储能融合的产物，是未来家庭微电网的一个新的形态选择。本文详细阐述了集中式储能的新型家庭微电网的架构以及各主体成分，并分析了新型家庭微电网的四大优势。

参考文献

[1]黄羹墙.面向家庭能源管理系统的用电调度策略研究[D].上海电力学院，2017.

[2]王志轩．能源与电力发展的约束及对策[M]．北京：中国电力出版社，2015.

[3] 沈玉明，胡博，谢开贵，等.计及储能寿命损耗的孤立微电网最优经济运行[J].电网技术，2014,38（09):2371-2378.