光伏微電網(wǎng)的多主體合作運營模式及效益分配

周楠，樊瑋，劉念，林心昊，張建華，雷金勇

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東廣州 510080）

光伏微電網(wǎng)的多主體合作運營模式及效益分配

周楠1，樊瑋1，劉念1，林心昊1，張建華1，雷金勇2

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東廣州 510080）

新電改方案允許擁有分布式電源的用戶或微電網(wǎng)系統(tǒng)

光伏微電網(wǎng)；多主體運營；分時調(diào)度；合作博弈；Shapley值法

隨著國家新能源政策的推廣、智能電網(wǎng)的建設(shè)、海洋/海島戰(zhàn)略的實施以及電力市場改革的推進，微電網(wǎng)的重要性已逐步上升到國家戰(zhàn)略層面，是“互聯(lián)網(wǎng)+”在能源領(lǐng)域的創(chuàng)新性應(yīng)用。在電力用戶側(cè)逐漸出現(xiàn)以分布式光伏和儲能為核心元件、綜合利用可控負荷資源的用戶側(cè)光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)?；诂F(xiàn)有的研究和實踐經(jīng)驗，光伏微電網(wǎng)通常由多方經(jīng)濟主體構(gòu)成，包括光伏運營商、儲能運營商和用戶等。各利益主體在項目實施過程中追求實現(xiàn)利益最大化?，F(xiàn)階段由于儲能器件價格昂貴，配置儲能后，光伏微電網(wǎng)整體上不具備直接的經(jīng)濟收益，儲能運營商參與微電網(wǎng)的積極性低。

新電改方案“有序向社會資本放開配售電業(yè)務(wù)”[3]，鼓勵社會資本投資成立售電主體，允許其從發(fā)電企業(yè)購買電量向用戶銷售，允許擁有分布式電源的用戶或微電網(wǎng)系統(tǒng)參與電力交易。這有利于微電網(wǎng)內(nèi)各主體經(jīng)濟效益的提高。因此，在電力市場環(huán)境下，將微電網(wǎng)內(nèi)各主體的投資及獲取的效益進行有效區(qū)分，尤其是對市場主體的經(jīng)濟效益分析，基本滿足各利益主體的效益需求，并促使各方的效益相互間達到平衡，是直接決定光伏微電網(wǎng)項目是否可以順利規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵因素。

目前，對于光伏微電網(wǎng)的研究很多集中在系統(tǒng)優(yōu)化[4-5]、控制保護[6-7]等方面，也有一些文獻研究了分布式光伏的市場運營、經(jīng)濟分析[8-9]。文獻[8]以微電網(wǎng)凈收益最大為目標函數(shù)建立了分布式光伏余電上網(wǎng)的綜合決策調(diào)度模型，評估了光伏容量及上網(wǎng)電價對微電網(wǎng)經(jīng)濟性的影響；文獻[9]建立了分布式光伏發(fā)電的經(jīng)濟性評價流程，對統(tǒng)購統(tǒng)銷、合同能源管理、自發(fā)自用3種運營模式進行了成本/效益分析。

從現(xiàn)有研究成果來看，大部分關(guān)注的是微電網(wǎng)整體運行時的優(yōu)化設(shè)計、經(jīng)濟分析，很少有文獻研究微電網(wǎng)內(nèi)各經(jīng)濟主體的市場運營，用戶側(cè)光伏微電網(wǎng)作為一種新型的能源系統(tǒng)，其運營模式、用戶需求、經(jīng)濟效益等方面尚不完善，其發(fā)展過程中面臨眾多的不確定因素和風(fēng)險。本研究著重對光伏微電網(wǎng)內(nèi)各主體的市場交易模型進行分析，提出各經(jīng)濟主體之間合作博弈的模型，分析形成聯(lián)盟的動力，提出光伏微電網(wǎng)分時調(diào)度模型以最大化聯(lián)盟收益，并采用Shapley值法根據(jù)各個主體的貢獻度對收益進行分配，促進各方的效益相互間達到平衡。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及商業(yè)運營模式

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏微電網(wǎng)是有效融合了先進電力電子技術(shù)、分布式光伏發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)以及監(jiān)控保護技術(shù)的小容量分散功能系統(tǒng)，本研究所述的光伏微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括光伏運營商（Photovoltaic，PV）、光伏DC/AC逆變器、儲能（Battery Storage，BS）運營商、儲能雙向AC/DC變流器、用戶（Users，U）和控制中心等組成，通過并網(wǎng)點與大電網(wǎng)相連。

1.2 光伏微電網(wǎng)商業(yè)模型

從價值觀點出發(fā)建立光伏微電網(wǎng)商業(yè)模型如圖2所示。光伏微電網(wǎng)的商業(yè)運營環(huán)境包括：政府、微電網(wǎng)投資商、微電網(wǎng)運營商、電網(wǎng)和用戶。

1）政府：微電網(wǎng)運營的外部環(huán)境主要為政府規(guī)制，政府負責對電力的買賣活動進行監(jiān)管，制定相關(guān)政策激勵或者法律規(guī)定。

圖1 光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of PV-based microgrid

圖2 光伏微電網(wǎng)商業(yè)模型Fig.2 Business model of the PV-based microgrid

2）微電網(wǎng)投資商：負責建設(shè)光伏微電網(wǎng)項目的總體規(guī)劃、勘察和施工，分布式電源及二次系統(tǒng)等投資；項目完工后，或自身參與微電網(wǎng)運營，或以租賃方式交給微電網(wǎng)運營商進行后期運營管理，以保證較為穩(wěn)定的收益、降低運營等風(fēng)險，還可享受一系列優(yōu)免政策和投資補貼。

3）微電網(wǎng)運營商：負責微電網(wǎng)的合理運營，減少微電網(wǎng)從外部電網(wǎng)買電支出，提高向外部電網(wǎng)賣電收益，降低系統(tǒng)運營成本。微電網(wǎng)的運營與收益息息相關(guān)。運營主體不同，其收益分配亦不同。微電網(wǎng)的運營主體分為單一運營主體和多方運營主體。

4）電網(wǎng)：與光伏微電網(wǎng)進行業(yè)務(wù)往來，主要包括：購售電業(yè)務(wù)、調(diào)峰調(diào)頻業(yè)務(wù)、輔助服務(wù)業(yè)務(wù)等。再者，通過微電網(wǎng)輔助平衡電網(wǎng)負荷曲線等，電網(wǎng)可獲得輔助服務(wù)收益。

5）用戶：用戶根據(jù)自身的用電特性從微電網(wǎng)運營商處購買分布式電源產(chǎn)生的電能，以此降低其電力支出，并獲得部分收益，如熱能或輔助服務(wù)等。其次，用戶在高峰時段減少用電量，減少昂貴的高峰用電時間，不僅能減少電費還能夠提高系統(tǒng)的效率和電能質(zhì)量。

1.3 多主體合作運營模式

在現(xiàn)行的分布式光伏上網(wǎng)政策中，除去政府補貼后，按照燃煤機組標桿電價實行的上網(wǎng)電價明顯低于工商業(yè)電價[10]。除政府補貼外，光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能全部上網(wǎng)獲得的收益低。本研究考慮光伏運營商、儲能運營商和用戶組成聯(lián)盟，在聯(lián)盟內(nèi)共享光伏發(fā)電量，并以直供電價交易，減少以較低價格向大電網(wǎng)倒送的功率。

為消除直供電價相對于電網(wǎng)電價和上網(wǎng)電價的電價水平對各主體形成聯(lián)盟收益提高的影響，設(shè)定直供電價等于電網(wǎng)電價。通常情況下，微電網(wǎng)內(nèi)共享電能的直供電價低于電網(wǎng)電價，高于上網(wǎng)電價，能使買賣雙方獲益提高。

獨立模式與合作模式下各主體運營方式對比如表1所示。

表1 獨立和合作模式下各主體運營方式對比Tab.1 Comparison of economic entities’operation under independent and cooperation modes

1）光伏運營商：獨立模式下光伏發(fā)電均由大電網(wǎng)按上網(wǎng)電價收購；聯(lián)盟內(nèi)僅包含光伏和用戶時，首選光功率自消納，光伏運營商與用戶之間以電網(wǎng)電價結(jié)算，光功率過剩時由大電網(wǎng)按上網(wǎng)電價收購；聯(lián)盟內(nèi)同時包含光伏、用戶和儲能時，微電網(wǎng)執(zhí)行合作模式下的分時調(diào)度。

2）儲能運營商：為降低對電網(wǎng)的沖擊，設(shè)定儲能系統(tǒng)不能進行低儲高發(fā)套利，僅可向用戶供電。因此，獨立模式下儲能主要用于保證微電網(wǎng)可靠性，無直接經(jīng)濟效益；聯(lián)盟內(nèi)僅包含儲能和用戶時，儲能在電價低谷充電，在電價高峰時供給用戶負荷，儲能運營商與用戶之間以電網(wǎng)電價結(jié)算，功率缺額由大電網(wǎng)補充；聯(lián)盟內(nèi)同時包含光伏、用戶和儲能時，微電網(wǎng)執(zhí)行合作模式下的分時調(diào)度。

3）用戶：獨立模式下，用戶向電網(wǎng)購電滿足負荷要求；聯(lián)盟內(nèi)含光伏時，優(yōu)先選擇消納光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能，其次，由儲能系統(tǒng)低儲高放為用戶供電。

2 分時調(diào)度及各主體收益

2.1 獨立模式

獨立模式下，光伏運營商PV的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能，由電網(wǎng)公司以光伏上網(wǎng)電價收購，國家光伏財政補貼歸光伏運營商所有；用戶U以電網(wǎng)售電電價向電網(wǎng)買電。獨立模式下電價機制如圖3所示。

圖3 獨立模式下電價機制Fig.3 Electricity price mechanism in the independent mode

則獨立模式下3個主體的收益分別為：

式中：CPV，0，CBS，0，CU，0分別為獨立模式下光伏運營商、儲能運營商和用戶典型日收益；PPV（t），Pd（t）分別為光伏出力、負荷功率；Pb，c（t），Pb，dc（t）分別為儲能充電、放電功率；Tc，Tdc，T分別為儲能充放電時長和典型日時長（24 h）；Ve，Vi（t），VPV分別為光伏上網(wǎng)電價、電網(wǎng)售電電價及光伏補貼電價，元/（kW·h）。

2.2 合作模式

合作模式下，光伏微電網(wǎng)分時調(diào)度策略如圖4所示。其中，假設(shè)儲能電池中僅剩余剛性容量時對應(yīng)的儲能電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）為數(shù)值M。C1至C10分別表示Case1至Case10發(fā)生的次數(shù)。

1）光伏出力大于負荷時，Case1，電價高峰時段，光伏對負荷供電，且多余的光伏為儲能電池充電；Case2，若儲能電池已充滿，多余光伏上網(wǎng)；Case3，電價低谷時段，儲能電池未充滿，多余光伏和主網(wǎng)共同為儲能電池充電；Case4，若儲能電池已充滿，多余光伏上網(wǎng)；Case5，電價平時段，儲能電池無充放，多余光伏上網(wǎng)。

圖4 分時電價下微電網(wǎng)優(yōu)化運行策略Fig.4 Optimal operation strategy of microgrid under TOU price

2）光伏出力小于負荷時，Case6，電價高峰時段，儲能電池SOC高于M，光伏、儲能電池和主網(wǎng)共同對負荷供電；Case7，儲能電池不高于M，光伏和主網(wǎng)共同對負荷供電；Case8，電價低谷時段，儲能電池未充滿，除光伏和主網(wǎng)共同對負荷供電外，主網(wǎng)對儲能電池充電；Case9，電價低谷時段，儲能電池已充滿，光伏和主網(wǎng)共同對負荷供電；Case10，電價平時段，儲能電池無充放，光伏和主網(wǎng)共同對負荷供電。

光伏運營商PV以直供電價對用戶直供光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能，國家光伏財政補貼歸光伏運營商所有；多余光伏一部分用于儲能系統(tǒng)充電，另一部分由電網(wǎng)公司以光伏上網(wǎng)電價收購。儲能運營商存儲光伏余電，在光伏不足且在用電峰值電價時段對用戶供電。用戶所用的電能來源于光伏系統(tǒng)、儲能及電網(wǎng)，電費均按當?shù)仉娋W(wǎng)公司售電電價進行結(jié)算。合作模式下電價機制如圖5所示。

圖5 合作模式下電價機制Fig.5 Electricity price mechanism in the cooperation mode

則合作模式下3個主體的收益分別為：

式中：CPV，1，CBS，1，CU，1分別為合作下模式光伏運營商、儲能運營商和用戶典型日收益；Pb，c，PV（t）、Pb，c，G（t）分別為光伏、電網(wǎng)向儲能的充電功率；Pd，PV（t），Pb，dc（t）分別為光伏、儲能向負荷供給的電能功率；Pe（t）為光伏上網(wǎng)功率。

2.3 儲能運行約束

考慮到電池放電倍率對電池壽命的影響，結(jié)合文獻[11]，儲能充放電模型表達式為：

式中：Eb為儲能電池容量；Pc、Pdc分別為儲能充放電功率；εc，εdc為儲能是否充放電的二進制數(shù)，1為充放電，二者其中必有一個為1；ηc、ηdc分別為儲能充放電效率；SSOC為儲能電池的荷電狀態(tài)；SSOCmax、SSOCmin分別為荷電狀態(tài)的最大值和最小值；DOD為儲能電池的放電深度；Erate為儲能電池的額定容量。儲能電池需滿足在典型日T個時段內(nèi)完成一次充放電循環(huán)，即典型日結(jié)束時儲能系統(tǒng)應(yīng)僅保留剛性容量時儲能電池的SOC值。

3 多主體合作收益分配模型

3.1 合作博弈理論

合作博弈是與非合作博弈對稱的一種博弈類型，指參與者能夠聯(lián)合達成一個具有約束力且可強制執(zhí)行的協(xié)議的博弈類型。合作博弈中最重要的兩個概念是聯(lián)盟和分配[12]。對于整個聯(lián)盟來講，整體收益大于其每個主體單獨經(jīng)營時的收益之和。對于分配來講，每個參與者從聯(lián)盟中分配到的收益不小于單獨經(jīng)營所得收益。合作之所以能夠增進雙方的利益，就是因為合作博弈能夠產(chǎn)生一種合作剩余。至于合作剩余在博弈各方之間如何分配，取決于博弈各方的力量對比和制度設(shè)計。

獨立和合作模式下各主體收益對比如圖6所示，對于聯(lián)盟內(nèi)共享的電能，相對于光伏直接全部上網(wǎng)所增加的收益就是本合作博弈模型中的“合作剩余”。通過以合理的分配方式對這部分“合作剩余”進行分配，分布式光伏、儲能和用戶就可以分別提高自身的收益，因此三者之間有形成合作聯(lián)盟的動力。

圖6 獨立和合作模式下各主體收益對比Fig.6 Comparison of Economic entities’revenue under independent and cooperation modes

3.2 Shapley值法

確定光伏微電網(wǎng)合作聯(lián)盟總體收益之后，還需要所能分配的利益。所謂分配就是博弈的一個n維向量集合，即每個參與人都要得到相應(yīng)的分配。n維的分配向量稱為博弈的“解”。

定義：合作博弈（N，v），N={1，2，…，n}，對于每個參與人i∈N，給予一個實值參數(shù)xi，形成維向量x=（x1，x2，…，xn）且其滿足：

則稱x是聯(lián)盟K的一個分配方案[13]。

Shapley值法是用于一種解決多人合作博弈問題的數(shù)學(xué)方法，用于解決多個個體合作的收益分配問題。它的優(yōu)點就是將收益按主體的邊際貢獻進行分攤，參與人獲得的收益等于他對所參與聯(lián)盟邊際貢獻的平均值[14]。

假設(shè)個體集合為K={1，2，…，k}，對于K中的任一子集S（表示k個個體中的任一組合），定義效益函數(shù)F（S）為該子集的合作模型下社區(qū)的總收益，滿足F（φ）=0，且F（S1+S2）≥F（S1）+F（S2），則該集合中所有個體的合作可以采用Shapley值法進行效益分配。

在k個主體的合作中，各個主體分配所得的效益為Vi，即成為Shapley值。它與效益函數(shù)有關(guān)，其計算公式為：

式中：S為集合K中所有包含第i個主體的子集；|S|為子集S中包含的主體個數(shù)。F（S）-F（S-{i}）體現(xiàn)了第i個主體對聯(lián)盟S的貢獻值。W（|S|）為聯(lián)盟S出現(xiàn)的概率，計算公式為：

4 算例分析

4.1 研究對象及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選取廣東某光伏微電網(wǎng)為研究對象，對獨立模式和合作模式下光伏微電網(wǎng)的分時調(diào)度模型進行仿真。園區(qū)分布式光伏、逆變器等一些相關(guān)設(shè)備由某太陽能投資有限公司投資建設(shè)與運營，由某儲能投資公司投資建設(shè)微電網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)（如中央控制器，儲能設(shè)備等），從而組成光伏微電網(wǎng)。光伏系統(tǒng)的發(fā)電容量共157 kW，接入儲能系統(tǒng)31.7 kW·h，逆變器44 kW，基本電氣拓撲如圖7示。

典型日光伏與負荷的功率曲線如圖8所示?？梢?，9:00-17:00之間光伏出力大于負荷，此外，日耗電量在24 h內(nèi)變化很大，基本呈現(xiàn)為白天處于負荷低谷、夜間處于用電高峰的規(guī)律，其中由于家庭傍晚做晚飯需要在19:00～21:00出現(xiàn)用電小高峰。

模型中電網(wǎng)售電電價Vi（t）取廣州居民生活用電峰谷電價，如表2所示，光伏上網(wǎng)電價Ve為0.38元/（kW·h），光伏補貼為0.42元/（kW·h）。

圖7 光伏微電網(wǎng)基本電氣拓撲Fig.7 Basic electrical topology of the PV-based microgrid

圖8 光伏出力與負荷的功率曲線Fig.8 Power curves of photovoltaic generation and load

表2 峰谷電價表Tab.2 Table of peak and valley electricity prices

4.2 收益分配分析

獨立與合作模式的收益對比結(jié)果如表3所示。其中，負值表示成本，正值表示收益。

表3 收益對比結(jié)果Tab.3 Comparison result of revenues

由表3可知，3個主體在合作模式下相比于獨立模式獲得了更高的經(jīng)濟效益。增加的收益即為Shapley值法需要分配的總收益F（K）=78.13。

通過Shapley值法，可計算得到3個主體的收益分別如表4—表6所示。

表4 U的收益分配Tab.4 Revenue distribution of U

表5 PV的收益分配Tab.5 Revenue distribution of PV

表6 BS的收益分配Tab.6 Revenue distribution of BS

可得U應(yīng)分配得到的收益為

可得PV應(yīng)分配得到的收益，即光伏運營商的收益為

可得BS應(yīng)分配得到的收益，即儲能運營商的收益為

可見，3個主體分配得到的效益總和等于3個主體合作的總收益，即滿足

通過Sharply分配，各主體最終的收益如表7所示?？梢钥闯?，合作模式下光伏運營商、儲能運營商和用戶均提高了可觀的經(jīng)濟效益。

表7 各主體最終收益Tab.7 Ultimate revenue of each party

5 結(jié)論

基于現(xiàn)有的研究和實踐經(jīng)驗，微電網(wǎng)通常由多方經(jīng)濟主體構(gòu)成，包括光伏運營商、儲能運營商和普通用戶等。新電改方案允許擁有分布式電源的用戶或微電網(wǎng)系統(tǒng)參與電力交易，有利于微電網(wǎng)內(nèi)各主體經(jīng)濟效益的提高。

在電力市場環(huán)境下，本研究對光伏微電網(wǎng)內(nèi)各主體的市場交易模型進行分析，分析形成聯(lián)盟的動力，提出各經(jīng)濟主體之間合作博弈的模型。光伏微電網(wǎng)以最大化聯(lián)盟收益為目標采用分時調(diào)度模型，對各主體的運行狀態(tài)進行實時決策，并采用Shapley值法根據(jù)各個主體的貢獻度對收益進行了分配?？梢钥闯?，合作模式下光伏運營商、儲能運營商和用戶均提高了經(jīng)濟效益，且各方的效益相互間達到平衡，有利于促進光伏微電網(wǎng)項目規(guī)?；l(fā)展。

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（編輯 徐花榮）

Multi-Subject Cooperative Operation Model and Profit Allocation of PV-Based Microgrid

ZHOU Nan1，F(xiàn)AN Wei1，LIU Nian1，LIN Xinhao1，ZHANG Jianhua1，LEI Jinyong2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Electric Power Research Institute，CSG，Guangzhou 510080，Guangdong，China）

The new electric power reform scheme allows the users of distributed generation or microgrid systems to participate in electricity trade，which is beneficial to the improvement of economical benefits of microgrids.Generally，microgrid is composed of several economic entities，including photovoltaic operators，storage operators，and users and so on.Based on the analysis on the impetus of operation consortia，market transaction mode and their cooperative game model among the economic entities of microgrids are proposed.The time-sharing scheduling model of the PV-based microgrid decides the operation status of entities to maximize the benefits of the whole alliance，and the revenue of each member in the alliance is allocated by the Shapley Value method.As can be seen，the revenue of photovoltaic operators，storage operators and users are increased in cooperation mode with the increase of the considerable revenue of the alliance，and achieve the parties’mutual balance.Besides，the computational complexity is relatively low，which contributes to the large-scale development of the PV-based microgrid.

PV-based microgrid；multi-object operation；time-sharing scheduling；cooperative game theory；Shapley value

2015-12-14。

周 楠（1992—），女，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)儲能配置與規(guī)劃運營；

樊 瑋（1992—），女，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)能量管理與在線優(yōu)化；

劉 念（1981—），男，博士，副教授，研究方向為電力信息安全、智能配用電與微電網(wǎng)、電動汽車；

林心昊（1992—），男，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計；

張建華（1952—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制；

雷金勇（1982—），男，工程師，博士，研究方向為新能源和智能電網(wǎng)。

國家863高技術(shù)基金項目（2014AA052001）；南方電網(wǎng)公司科技項目（K-KY2014-009）；南方電網(wǎng)科學(xué)研究院科技項目（SEPRI-K154001）。

Project Supported by National High Technology Research and Development of China 863 Program（2014AA052001）；Science& Technology Projects of CSG（K-KY2014-009）；Science&Technology Projects of SEPRI（SEPRI-K154001）.

1674-3814（2016）05-0134-08

TM315

A

參與電力交易，有利于微電網(wǎng)經(jīng)濟效益的提高。該研究針對由多方經(jīng)濟主體構(gòu)成的微電網(wǎng)，包括光伏運營商、儲能運營商和用戶等，分析了電力市場環(huán)境下光伏微電網(wǎng)內(nèi)各主體的市場交易模式，分析形成聯(lián)盟的動力，提出各經(jīng)濟主體之間合作博弈的模型。光伏微電網(wǎng)以最大化聯(lián)盟收益為目標采用分時調(diào)度模型，對各主體的運行狀態(tài)進行實時決策，并采用Shapley值法根據(jù)各個主體的貢獻度對收益進行了分配?？梢?，合作模式下光伏運營商、儲能運營商和用戶均提高了經(jīng)濟效益，各方的效益相互間達到平衡，計算復(fù)雜度低，有利于促進光伏微電網(wǎng)規(guī)?；l(fā)展。