本文作者包括Weijun Wang、Zhe Kong、Yan He、Chen Li和Kaiqing Jia，分别来自华北电力大学经济管理系和国网保定供电公司。该研究发表于 Journal of Energy Storage 第101卷（2024年），文章编号113997，于2024年10月1日在线发表。

在“双碳”目标背景下，高比例新能源并网成为新型电力系统的重要特征，但分布式风电和光伏的间歇性与波动性给电网的消纳能力和安全运行带来了挑战。虚拟电厂（Virtual Power Plant, VPP）和共享储能（Shared Energy Storage, SES）被认为是促进分布式能源灵活消纳、提高系统可靠性与经济性的有效手段。已有研究多聚焦于单一虚拟电厂的运行优化，忽略了多个虚拟电厂之间源荷特性的差异与互补，也较少将共享储能作为独立主体与虚拟电厂协同优化。同时，现有文献在优化目标上多关注经济性和运行效率，对环境效益和碳排放效益考虑不足。基于此，本文提出了共享储能与多虚拟电厂协同运行的双层优化模型，旨在实现虚拟电厂与共享储能运营商的互利共赢。

研究首先将分布式风电、分布式光伏和柔性负荷资源聚合为虚拟电厂，并构建了包含共享储能系统的多虚拟电厂协同运行框架。在该框架中，多个虚拟电厂之间通过信息交互实现电力互济，并与共享储能运营商及外部电网进行购售电交易。共享储能系统由第三方独立投资和调度，在低谷时段从虚拟电厂群购买富余新能源电力，在高峰时段以低于电网的价格售电，既实现峰谷价差套利，又减少虚拟电厂从外部电网购电的成本，同时促进新能源消纳。

在此基础上，本文构建了一个双层决策模型。上层模型以共享储能运营商年化收益最大化为目标，决策变量为储能系统的配置容量和配置功率，收益包括与虚拟电厂的购售电收入，成本包括储能系统的年化初始投资成本和年运行维护成本，并考虑储能配置容量和功率的上限约束，以及储能充放电功率、荷电状态和充放电状态互斥等运行约束。下层模型以多虚拟电厂系统综合成本最小化为目标，综合考虑运行成本、弃风弃光惩罚成本和碳排放成本。其中，运行成本包括向大电网购电成本、与共享储能运营商的购售电成本以及可调节负荷参与需求响应的补偿成本；新能源消纳目标通过最小化弃风弃光量转化为弃风弃光惩罚成本；碳排放量根据向大电网购电中火电占比及碳排放因子计算，并乘以碳价转化为碳排放成本。下层约束包括虚拟电厂内部功率平衡约束、与电网和储能运营商交易功率的上限约束、风光实际出力不超过预测值的约束，以及可中断负荷和可时移负荷的响应范围约束。模型求解采用粒子群优化算法与CPLEX求解器相结合的方法：外层通过粒子群算法迭代搜索最优储能配置容量和功率，内层则将下层模型作为混合整数线性规划问题，调用CPLEX求解最优充放电功率和虚拟电厂群优化调度方案，并将结果返回外层计算适应度值，直至满足迭代终止条件。

为验证模型有效性，研究选取了不同地区的虚拟电厂A和虚拟电厂B作为测试系统，设置了四个对比场景：场景1仅含分布式风电、光伏和柔性负荷；场景2在场景1基础上增加虚拟电厂间功率交互；场景3在场景1基础上独立配置储能；场景4在场景2基础上配置共享储能并实现多虚拟电厂与共享储能协同。储能系统参数包括单位功率建设成本1400元/kW、单位容量建设成本1000元/kWh、年运维费率1.5%、荷电状态范围0.2~0.9、充放电效率90%、使用寿命15年。弃风和弃光惩罚成本分别为0.496元/kWh和0.560元/kWh，碳价为70元/吨，需求响应补偿为0.2元/kWh。

优化结果表明，与场景3中独立配置储能相比，场景4的共享储能模式使储能配置容量减少189.93 kWh，配置功率减少137.93 kW。共享储能运营商在场景4中年收益为256,191元，比场景3增加7,180元。在经济效益指标方面，场景4的财务净现值为963,604元，内部收益率为13.51%，动态投资回收期为9.22年，均优于场景3。储能充放电策略显示，场景4中储能系统在低电价时段充电、高电价时段放电，设备利用率和闲置时间均优于场景3。在虚拟电厂系统运行成本方面，场景2通过功率互联使总成本较场景1降低7.46%；场景3独立配置储能使总成本降低33.69%；场景4相对于场景3，需求响应成本减少1,390元/年，电网购电成本减少10,979元/年，与储能运营商的购售电成本减少25,458元/年，总成本降低7.08%。环境效益方面，场景4相比场景3弃风电量减少61.9 MWh，新能源消纳率从98.61%提高到99.34%，年碳排放量减少54.91吨。整体来看，考虑功率交互的虚拟电厂与共享储能协同调度模型有效提高了系统经济性和环境效益，既提升了储能系统利用率，又显著降低了虚拟电厂运行成本和碳排放。

本文的主要结论包括：第一，共享储能容量配置模型能够发挥储能与分布式风光、负荷侧需求响应的互补效益，一方面降低储能设备投资规模、提高设备利用率、增加共享储能运营商收益，另一方面降低多虚拟电厂系统运行成本、提高新能源消纳率。第二，考虑各虚拟电厂用户发电和用电行为差异，多虚拟电厂系统优先进行功率互济，能够实现源荷资源的合理配置，减少上网电量和对电网的冲击。该研究的学术价值在于将共享经济理念引入虚拟电厂运行模式，构建了共享储能配置与多虚拟电厂系统运行优化的双层决策模型，弥补了现有研究在储能作为独立主体、多虚拟电厂协同以及环境效益目标方面的不足。应用价值在于为高比例新能源电力系统中虚拟电厂与共享储能的协同规划与运行提供了可行的优化方法和决策支持，对促进分布式能源高质量可持续发展、推动“双碳”目标实现具有重要意义。