【MPCE】东北大学 杜蓬勃，孙秋野等：基于共享储能的零碳电力系统实时能量管理

【MPCE】东北大学 杜蓬勃，孙秋野等：基于共享储能的零碳电力系统实时能量管理
考虑共享储能参与零碳电力系统能量管理的意义？
随着"双碳"目标的提出，分布式可再生能源发电有望实现更大规模的发展。这将成为电力系统清洁低碳转型的重要方向，同时也是能源和电力行业发展的关键领域。然而，可再生能源的间歇性和不稳定性给电网供需平衡带来了挑战，导致电力系统内频率和电压的波动。储能是提升电力系统灵活性以有效处理源荷随机波动的重要手段。但储能作为一种高成本资源，如何平衡微电网功率波动和提高储能的利用效率成为至关重要的问题。共享经济的出现为提高资源使用效率提供了一种新的方法，该方法已广泛应用于住房租赁和交通等领域。因此，结合共享经济和储能，“共享储能”的概念已经提出，以解决储能运营的高投资成本和运营困难的问题。共享储能为降低用户用电成本、提升储能设备利用效率、促进可再生能源消纳以及保障电网的安全和可靠运行提供了可行的解决方案。共享储能通常指由一个公共储能设备为多个用户提供储能服务的模式，其在实际场景中的成功应用需要行之有效的运营服务模式支撑。
能量管理策略的发展是能源共享领域的另一个重要问题。能量管理系统负责调度、管理和规划能量共享系统，确保其各个模块之间的协调经济运行。值得注意的是，能量管理策略的制定与能源共享机制的提出密切相关。目前，对于共享储能的研究主要集中在共享储能的配置及运营服务模式方面，而对共享储能参与应用系统的能量管理，则鲜有涉及。为此，本文提出了含共享储能的低碳电力系统能量管理框架。
零碳电力系统的能量共享框架中涉及多个参与主体，包括碳捕集发电厂、风力涡轮机、共享储能商、产消者、需求响应以及普通电力用户。其中，碳捕集电厂是对传统火电机组进行改进的低碳发电方式，通过捕集和处理二氧化碳，达到减少系统碳排放的目的。共享储能商与用户之间存在两种互动模式：储能电池充放电模式和储能设施线路租赁模式。在储能电池充放电模式中，共享储能商在不同时间段对储能电池进行充放电操作，以满足电能需求的多样性。而储能设施线路租赁模式则利用共享储能的基础设施，实现产消者之间的能量共享，优化能源利用效率。这两种模式在零碳电力系统中并行运作，以解决能源供应与需求之间的不匹配问题。在该框架中，每个参与者都通过网络连接，在信息网络和能源网络的支持下，实现了高效的沟通和能源交换。这样的通信和协作机制能够确保能量共享的高效进行，从而使系统中的能源调度更为灵活，提高了电能供应的可靠性和能量利用率。同时，这种共享框架也促进了不同参与主体之间的合作与共建，推动了零碳电力系统的发展，并为可持续能源未来提供了可行的解决方案。
如何建立基于共享储能的能量管理策略？
本文提出了一个关于零碳电力系统的两阶段决策过程。在日前阶段，受限于参与主体数量较少以及缺乏共享储能等参与者的情况，我们将研究重点放在了实时阶段的能源共享管理策略上。在实时能源管理的决策过程中，本文充分考虑了系统结构和能源共享模型的关键因素。基于不同的共享储能模式，考虑各个参与设备的运行成本，并在满足各参与者的约束条件下，以最小化总成本为目标构建了最优的能量管理策略模型。最后，采用MATLAB来求解混合整数规划问题，并在图1中展示了优化问题建模的相应流程图。
效果如何？
本文基于实际发电曲线和负荷进行仿真实验模拟，并与不考虑共享储能的情景进行了比较。算例结果表明：1）在场景2(含有共享储能服务的场景)中，通过整合共享储能设备，系统总成本降低了4328美元，相对于场景1(不含共享储能服务的场景)而言，具有显著的成本优势。2）在高峰负荷期间，共享储能装置通过放电将多余的电力输送至碳捕集设备单元，从而成功减少系统的碳排放量达46.6%。这为系统的低碳化目标提供了强有力的支持。3）共享储能设备的投入也能提高风电消纳率，增强系统对风力发电的可接纳能力。与此同时，共享储能商通过充放电活动和租赁过程可以实现盈利，进一步推动了共享储能商的商业模式发展。这些结果验证了共享储能在电力系统中的多重效益和潜力，为未来可再生能源和电力清洁转型提供了实际的经济和环境效益依据。