未來電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的新形態(tài)：云儲(chǔ)能

康重慶, 劉靜琨, 張 寧

(電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 清華大學(xué), 北京市 100084)

未來電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的新形態(tài)：云儲(chǔ)能

康重慶, 劉靜琨, 張 寧

(電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 清華大學(xué), 北京市 100084)

風(fēng)電與太陽能發(fā)電等間歇性可再生能源的快速發(fā)展增加了電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的需求,共享經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展為儲(chǔ)能的應(yīng)用帶來新的商業(yè)機(jī)會(huì),基于儲(chǔ)能設(shè)施共享的云儲(chǔ)能可能成為未來電力系統(tǒng)新的形態(tài)特征之一。云儲(chǔ)能是一種基于電網(wǎng)的儲(chǔ)能服務(wù),它使得用戶可以隨時(shí)、隨地、按需使用電網(wǎng)級(jí)的共享儲(chǔ)能資源池中的資源,可以顯著地降低提供儲(chǔ)能服務(wù)的成本。文中解釋了云儲(chǔ)能的概念,并對(duì)云儲(chǔ)能商業(yè)模式的各個(gè)要素進(jìn)行了詳細(xì)闡述。在此基礎(chǔ)上,分析了云儲(chǔ)能的投資與規(guī)劃、運(yùn)行以及服務(wù)定價(jià)等關(guān)鍵問題,總結(jié)了當(dāng)前的研究進(jìn)展并提出了相關(guān)的研究思路與方法,探討了未來為了促進(jìn)云儲(chǔ)能的發(fā)展與實(shí)施還需要著力解決的問題,對(duì)云儲(chǔ)能未來的研究進(jìn)行了簡要的展望。

共享經(jīng)濟(jì); 可再生能源； 能源互聯(lián)網(wǎng)； 云儲(chǔ)能

0 引言

近年來,風(fēng)電與太陽能發(fā)電等可再生能源在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅猛,其發(fā)電比例在各國均有顯著提高[1-3]。未來30年內(nèi),電力系統(tǒng)將逐漸步入高比例可再生能源的時(shí)代,其重要特征之一是電力系統(tǒng)中靈活資源稀缺化[4]。一方面,大規(guī)模集中式的可再生能源發(fā)電出力具有很大間歇性[5],進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)電價(jià)的大幅度變化[6-7],這些波動(dòng)性需要有儲(chǔ)能來平抑[8-9]。另一方面,分布式的可再生能源電源也需要配備分散的儲(chǔ)能裝置[10-11],以滿足用戶存儲(chǔ)和使用可再生能源所產(chǎn)生的過剩電能的需求[12-14]。儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的價(jià)值逐漸增加,將成為未來電力系統(tǒng)中的一類重要而廣泛的資源。而目前電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能資源主要以大型抽水蓄能電站為主,基于電池的儲(chǔ)能設(shè)備由于成本較高等原因尚未在電力系統(tǒng)范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。

近年來,全球范圍內(nèi)廣泛開展了共享經(jīng)濟(jì)模式的商業(yè)實(shí)踐[15]。Uber(優(yōu)步)和Airbnb(愛彼迎)作為共享經(jīng)濟(jì)的典型代表,已經(jīng)獲得了較大的商業(yè)成功。電力系統(tǒng)的核心任務(wù)是為用戶提供穩(wěn)定可靠的電能,這一提供商品與服務(wù)的過程就是電力系統(tǒng)的商業(yè)本質(zhì)之所在。而在目前的電力系統(tǒng)商業(yè)模式中,用戶大多被動(dòng)地“共享”電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施,而較少真正主動(dòng)地通過共享的方式與電力系統(tǒng)產(chǎn)生互動(dòng)。文獻(xiàn)[16-17]對(duì)此進(jìn)行了一定的研究,提出了云儲(chǔ)能這一理念,并對(duì)其盈利能力進(jìn)行了論證。可以預(yù)見,將共享經(jīng)濟(jì)模式與電力系統(tǒng)深度融合將會(huì)產(chǎn)生未來電力系統(tǒng)的新形態(tài),為用戶釋放更多的紅利。云儲(chǔ)能很可能成為未來高比例可再生能源電力系統(tǒng)的新形態(tài)特征之一。

本文詳細(xì)分析了云儲(chǔ)能的概念與商業(yè)模式,描述了云儲(chǔ)能應(yīng)當(dāng)怎樣進(jìn)行投資、規(guī)劃與運(yùn)行,以及云儲(chǔ)能服務(wù)如何定價(jià)等關(guān)鍵問題,總結(jié)了當(dāng)前云儲(chǔ)能的研究進(jìn)展并對(duì)未來的研究進(jìn)行了展望。

1 云儲(chǔ)能的定義

本文對(duì)云儲(chǔ)能及相關(guān)概念的定義如下。

定義1云儲(chǔ)能是一種基于已建成的現(xiàn)有電網(wǎng)的共享式儲(chǔ)能技術(shù),使用戶可以隨時(shí)、隨地、按需使用由集中式或分布式的儲(chǔ)能設(shè)施構(gòu)成的共享儲(chǔ)能資源,并按照使用需求而支付服務(wù)費(fèi)。

云儲(chǔ)能依賴于共享資源而達(dá)到規(guī)模效益,使得用戶可以更加方便地使用低價(jià)的電網(wǎng)電能和自建的分布式電源電能。云儲(chǔ)能可以綜合利用集中式的儲(chǔ)能設(shè)施或聚合分布式的儲(chǔ)能資源為用戶提供儲(chǔ)能服務(wù)。云儲(chǔ)能可將原本分散在用戶側(cè)的儲(chǔ)能裝置集中到云端,用云端的虛擬儲(chǔ)能容量來代替用戶側(cè)的實(shí)體儲(chǔ)能。云端的虛擬儲(chǔ)能容量以大規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)備為主要支撐,以分布式的儲(chǔ)能資源為輔助,可以為大量的用戶提供分布式的儲(chǔ)能服務(wù)。

云儲(chǔ)能提供商投資大規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)備可以充分利用規(guī)模效應(yīng),而使用分布式的儲(chǔ)能資源可以提高現(xiàn)有的閑置儲(chǔ)能的利用率。使用云儲(chǔ)能的用戶可以根據(jù)實(shí)際需求向云儲(chǔ)能提供商購買一定期限內(nèi)的虛擬儲(chǔ)能的使用權(quán)。云儲(chǔ)能用戶使用云端的虛擬儲(chǔ)能如同使用實(shí)體儲(chǔ)能,通過公共互聯(lián)網(wǎng),用戶可以控制其云端虛擬電池充電和放電,但與使用實(shí)體儲(chǔ)能不同的是,云儲(chǔ)能用戶免去了用戶安裝和維護(hù)儲(chǔ)能設(shè)備所要付出的額外成本。而云儲(chǔ)能提供商把原本分散在各個(gè)用戶處的儲(chǔ)能裝置集中起來,通過統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一維護(hù),以更小的成本為用戶提供更好的儲(chǔ)能服務(wù)。根據(jù)云儲(chǔ)能的理念,云儲(chǔ)能模式的構(gòu)建圖如圖1所示。

圖1 云儲(chǔ)能模式構(gòu)建圖Fig.1 Designing graph of cloud energy storage model

基于以上描述,可以對(duì)云儲(chǔ)能的相關(guān)概念進(jìn)行符號(hào)化的表達(dá)。設(shè)ξi為用戶ui所能獲得的虛擬儲(chǔ)能資源與服務(wù),ψk和φl分別為實(shí)體的集中式和分布式的儲(chǔ)能資源。

虛擬儲(chǔ)能資源與服務(wù)集合為:

Z={ξi}

(1)

與之對(duì)應(yīng)的用戶集合為:

S={ui}

(2)

易知,集合Z與集合S之間的元素是一一對(duì)應(yīng)的,一個(gè)用戶只能有一份虛擬儲(chǔ)能資源與服務(wù)。

實(shí)體儲(chǔ)能資源集合為:

Ξ={ψk,φl}

(3)

并且,設(shè)Ξ和S所處的電網(wǎng)為G,則可以進(jìn)行如下定義。

定義2云儲(chǔ)能服務(wù)模式:若存在映射F、集合Ξ和集合Z,滿足式(4)的關(guān)系,則稱包含F(xiàn),Ξ,Z,與Z相對(duì)應(yīng)的S以及電網(wǎng)G的集合C為云儲(chǔ)能服務(wù)模式,如式(5)所示。

F:Ξ→Z

(4)

C={F,Ξ,Z,S,G}

(5)

定義3云儲(chǔ)能用戶:包含于集合C的集合S中的元素稱為云儲(chǔ)能用戶,即云儲(chǔ)能用戶就是云儲(chǔ)能服務(wù)的使用者。

定義4儲(chǔ)能設(shè)施:包含于集合C的集合Ξ中的元素稱為儲(chǔ)能設(shè)施,即儲(chǔ)能設(shè)施是響應(yīng)云儲(chǔ)能用戶的儲(chǔ)能使用需求的儲(chǔ)能實(shí)體。

定義5云儲(chǔ)能提供商:包含于集合C的映射F稱為云儲(chǔ)能提供商,即云儲(chǔ)能提供商是控制運(yùn)營儲(chǔ)能設(shè)施并為用戶提供云儲(chǔ)能服務(wù)的企業(yè)。

值得指出的是,由于云儲(chǔ)能服務(wù)的提供需要借助電網(wǎng)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施,因此一旦電網(wǎng)發(fā)生故障,將可能引起云儲(chǔ)能系統(tǒng)的共模故障,因而云儲(chǔ)能也很難在電網(wǎng)故障時(shí)成為應(yīng)急備用。然而,實(shí)際上國內(nèi)很多地區(qū)電網(wǎng)可靠性相對(duì)較高,儲(chǔ)能提供應(yīng)急備用而被調(diào)用的概率很低。故當(dāng)前云儲(chǔ)能研究的著眼點(diǎn)更多在于從用戶的角度應(yīng)對(duì)可再生能源出力和電價(jià)的波動(dòng)。

2 云儲(chǔ)能基本商業(yè)模式

傳統(tǒng)意義上,用戶想要使用儲(chǔ)能來降低綜合用電費(fèi)用,需要在本地自己投資建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng),并進(jìn)行日常的維護(hù)。而與之不同的是,云儲(chǔ)能是基于共享經(jīng)濟(jì)的一種新型的儲(chǔ)能商業(yè)模式,其內(nèi)涵主要通過圖2中的要素體現(xiàn),具體闡述如下。

圖2 云儲(chǔ)能基本商業(yè)模式要素Fig.2 Elements of basic business model for cloud energy storage

1)價(jià)值主張:云儲(chǔ)能以“共享”為主要價(jià)值取向,通過用戶共享儲(chǔ)能資源而提高資源利用效率,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合成本的降低,并在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步滿足更多用戶的儲(chǔ)能使用需求。云儲(chǔ)能致力于為用戶提供與實(shí)體儲(chǔ)能一致的服務(wù),用戶使用云端虛擬電池就如同使用實(shí)體的分布式儲(chǔ)能一樣。用戶在云儲(chǔ)能模式中的參與感大大增強(qiáng),他們可以按照自己的意愿去控制云端電池的充電和放電,云儲(chǔ)能提供商會(huì)做出相應(yīng)的響應(yīng)。云儲(chǔ)能商業(yè)模式以服務(wù)用戶為核心,全力為用戶提供簡便易用、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的儲(chǔ)能服務(wù)。

2)消費(fèi)者目標(biāo)群體:根據(jù)目前的研究,云儲(chǔ)能所針對(duì)的細(xì)分市場(chǎng)為家庭用戶和小商業(yè)用戶。這類用戶數(shù)量龐大,每個(gè)用戶都有使用儲(chǔ)能設(shè)備來降低用電費(fèi)用的動(dòng)力。然而這類用戶中單一用戶儲(chǔ)能需求量較小,對(duì)于價(jià)格較為敏感,但是市面上難以買到恰好符合其容量需求的儲(chǔ)能設(shè)備,這就為用戶共享儲(chǔ)能資源提供了可能性。此外,家庭用戶之間以及小商業(yè)用戶之間的用電行為存在著一定的互補(bǔ)性。因此,為了產(chǎn)生更大更可觀的聚合效益,云儲(chǔ)能服務(wù)應(yīng)當(dāng)大量吸收這類用戶。

3)營銷渠道:云儲(chǔ)能商業(yè)模式可以直接通過售電商或者節(jié)能服務(wù)公司來進(jìn)行營銷。隨著售電側(cè)市場(chǎng)的不斷發(fā)展,云儲(chǔ)能將作為能源增值服務(wù)中的一個(gè)品種,建立線上線下相結(jié)合的靈活營銷渠道。同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù),能夠根據(jù)用戶用能習(xí)慣實(shí)現(xiàn)差異化精準(zhǔn)營銷。

4)客戶關(guān)系:云儲(chǔ)能提供商與云儲(chǔ)能用戶之間是互惠互利的關(guān)系。云儲(chǔ)能提供商能夠提供儲(chǔ)能服務(wù),為用戶降低用電成本,另一方面也能通過提供儲(chǔ)能服務(wù)而盈利,此外,云儲(chǔ)能提供商也通過提供云儲(chǔ)能服務(wù)而改善了用戶的負(fù)荷曲線,緩解了系統(tǒng)供需平衡壓力。

5)資源配置:云儲(chǔ)能提供商的儲(chǔ)能資源配置主要分為兩部分,一部分是集中式的儲(chǔ)能設(shè)施,另一部分是分布式的儲(chǔ)能資源。集中式的儲(chǔ)能設(shè)施由云儲(chǔ)能提供商投資建設(shè),方便調(diào)度控制,是提供云儲(chǔ)能服務(wù)的主要儲(chǔ)能實(shí)體。分布式的儲(chǔ)能資源的所有者一般為用戶或者電網(wǎng),云儲(chǔ)能提供商主要通過租賃的方式獲得分布式儲(chǔ)能資源的使用權(quán)。云儲(chǔ)能提供商所聚集的這些分布式儲(chǔ)能資源是其集中式儲(chǔ)能資源的重要補(bǔ)充。

6)核心能力:云儲(chǔ)能提供商成功的關(guān)鍵是要聚攏大量的具有互補(bǔ)性的用戶并實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益。因此,它需要有數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化、通信、預(yù)測(cè)等多種技術(shù)作為支撐[16]。

7)服務(wù)流程:云儲(chǔ)能提供商根據(jù)其所掌握的技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息為用戶設(shè)定云儲(chǔ)能服務(wù)價(jià)格。用戶根據(jù)云儲(chǔ)能服務(wù)的價(jià)格和自己的用電情況決定購買多少云端電池容量。云儲(chǔ)能提供商根據(jù)用戶購買云端電池容量的情況和所模擬出的用戶充放電需求投資建設(shè)集中式的儲(chǔ)能設(shè)施和租賃分布式的儲(chǔ)能資源。用戶向云儲(chǔ)能提供商購買儲(chǔ)能容量使用權(quán)之后,在運(yùn)行中根據(jù)自身儲(chǔ)能使用需求向其所購買的云端電池發(fā)出充電和放電指令。云儲(chǔ)能提供商通過合理地選擇儲(chǔ)能設(shè)施的充放電時(shí)機(jī)以及充放電功率,以期達(dá)到盡可能小的自身成本。在運(yùn)行過程中,配電網(wǎng)為云儲(chǔ)能充當(dāng)備用,當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)施中的電能不足以滿足用戶的放電需求時(shí),云儲(chǔ)能提供商從電網(wǎng)直接購買電能供用戶使用。

8)結(jié)算方法:用戶使用云儲(chǔ)能服務(wù)需要向云儲(chǔ)能提供商支付服務(wù)費(fèi)從而獲得云端電池容量的使用權(quán)。在實(shí)際運(yùn)行中,用戶控制云端電池充電所產(chǎn)生的充電電費(fèi)按照運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)電價(jià)結(jié)算,由云儲(chǔ)能提供商代收。用戶控制云端電池放電不產(chǎn)生直接費(fèi)用。用戶控制云端電池放電的功率超過用戶負(fù)荷而產(chǎn)生的向電網(wǎng)反送電的收益將首先由云儲(chǔ)能提供商代為支付。用戶的負(fù)荷不能被云端電池放電所滿足的部分將由用戶直接與電網(wǎng)結(jié)算,支付相應(yīng)的用電費(fèi)用。云儲(chǔ)能提供商向電網(wǎng)支付儲(chǔ)能設(shè)施充電的電費(fèi)、儲(chǔ)能設(shè)施電量不能滿足用戶放電需求時(shí)從電網(wǎng)獲得功率的電費(fèi)。儲(chǔ)能設(shè)施放電超過用戶放電需求而產(chǎn)生的向電網(wǎng)反送電的收益將由電網(wǎng)支付給云儲(chǔ)能提供商。因此,在實(shí)際運(yùn)行中的結(jié)算次序首先是云儲(chǔ)能提供商、用戶與電網(wǎng)進(jìn)行結(jié)算,然后是云儲(chǔ)能提供商和用戶之間進(jìn)行結(jié)算。結(jié)算周期可視實(shí)際情況設(shè)定為每天、每周或每月。

9)成本結(jié)構(gòu):云儲(chǔ)能提供商的成本可分為投資成本和運(yùn)行成本。投資成本包括云儲(chǔ)能提供商建設(shè)集中式儲(chǔ)能設(shè)施的成本和租賃分布式儲(chǔ)能資源的成本。運(yùn)行成本包括兩項(xiàng)正成本和一項(xiàng)負(fù)成本。兩項(xiàng)正成本分別是云儲(chǔ)能提供商充電成本和用戶發(fā)出放電需求但是儲(chǔ)能資源中能量不足從而需要從電網(wǎng)直接購電的成本。負(fù)成本為用戶因操作其云端電池充電而產(chǎn)生的充電成本。因此，云儲(chǔ)能提供商的運(yùn)行成本為上述兩項(xiàng)正成本之和再扣除用戶充電費(fèi)用。其他類型的成本,例如財(cái)務(wù)費(fèi)用等,暫時(shí)未予以考慮。

10)收入結(jié)構(gòu):在云儲(chǔ)能商業(yè)模式開展的初期,云儲(chǔ)能提供商的收入主要是用戶支付的云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)。用戶支付給云儲(chǔ)能提供商服務(wù)費(fèi)從而獲得未來一定時(shí)期內(nèi)的一定容量的云端電池的使用權(quán)。值得指出的是,為了吸引用戶使用云儲(chǔ)能服務(wù)而不是自己投資分布式儲(chǔ)能,云儲(chǔ)能提供商為用戶設(shè)定的云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)單價(jià)應(yīng)低于用戶自建分布式儲(chǔ)能的單位成本的年值。此外,由于云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)單價(jià)與用戶購買云端電池的容量的大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,云儲(chǔ)能提供商需要進(jìn)行有策略的定價(jià)方式以追求利潤的最大化。

11)利潤來源:云儲(chǔ)能提供商可以充分利用用戶的儲(chǔ)能使用需求在時(shí)間上的互補(bǔ)性,其所投資的儲(chǔ)能設(shè)施的容量可以顯著低于所有用戶購買的云端電池容量的加總。而用戶購買云端電池容量使用權(quán)所繳納的云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)是云儲(chǔ)能提供商的收入,這就給云儲(chǔ)能提供商提供了利潤空間。雖然云儲(chǔ)能提供商實(shí)際投資儲(chǔ)能容量低于用戶購買云端電池容量會(huì)導(dǎo)致云儲(chǔ)能提供商運(yùn)行成本增加,即其需要在儲(chǔ)能裝置電量不足以滿足用戶放電需求時(shí)從電網(wǎng)購買高價(jià)的電能以供用戶使用,但是這種情況不經(jīng)常發(fā)生,并且這部分增加的運(yùn)行成本可以被云儲(chǔ)能提供商減小容量投資所帶來的收益完全覆蓋。云儲(chǔ)能提供商通過權(quán)衡投資成本和運(yùn)行成本實(shí)現(xiàn)總成本最小化。此外,由于云儲(chǔ)能提供商可以投資建設(shè)集中式的儲(chǔ)能裝置,因此可利用規(guī)模效應(yīng)降低單位容量投資成本,進(jìn)一步擴(kuò)大其利潤。

12)裂變模式:目前對(duì)于云儲(chǔ)能的研究主要在于儲(chǔ)存電能,隨著未來商業(yè)模式的鋪開以及相關(guān)研究的推進(jìn),云儲(chǔ)能也可能會(huì)涵蓋儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氣等領(lǐng)域。

此外,值得指出的是,云儲(chǔ)能商業(yè)模式和虛擬電廠商業(yè)模式[18]有著一些本質(zhì)的不同之處。首先是概念提出的初衷不同:虛擬電廠要實(shí)現(xiàn)對(duì)大量的分布式電源的控制,服務(wù)于電網(wǎng);云儲(chǔ)能要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能資源的共享,服務(wù)于用戶。第二是功能定位不同:虛擬電廠強(qiáng)調(diào)其對(duì)外的特性是作為一個(gè)電廠,是躉售市場(chǎng)中的一個(gè)主體;云儲(chǔ)能強(qiáng)調(diào)其儲(chǔ)能設(shè)施的本質(zhì)是滿足用戶的需求,用戶和云儲(chǔ)能提供商都是零售市場(chǎng)的主體。第三是盈利模式不同:虛擬電廠依靠向電網(wǎng)出售電能和輔助服務(wù)獲利;云儲(chǔ)能的收入來源于其向用戶收取的云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)。第四是負(fù)荷的可控性不同:虛擬電廠中包含一些可控負(fù)荷;云儲(chǔ)能不試圖控制用戶負(fù)荷。第五是分布式電源依賴性不同:虛擬電廠如果沒有內(nèi)部的分布式電源則無法很好地運(yùn)行;云儲(chǔ)能只要保證零售電價(jià)隨時(shí)間變化即有盈利的可能。

3 云儲(chǔ)能投資與規(guī)劃

云儲(chǔ)能提供商想要為用戶提供云儲(chǔ)能服務(wù),首先就是要確定其所需要投資和建設(shè)的儲(chǔ)能設(shè)施的種類及相應(yīng)的容量。為了解決這一問題,云儲(chǔ)能提供商需要進(jìn)行兩方面的工作,一方面是要對(duì)用戶使用云儲(chǔ)能服務(wù)的需求進(jìn)行有效的估計(jì),另一方面是根據(jù)所估計(jì)出的用戶儲(chǔ)能需求進(jìn)行最優(yōu)化的投資決策，如圖3所示。

圖3 云儲(chǔ)能投資與規(guī)劃主要內(nèi)容Fig.3 Main contents of investment and planning of cloud energy storage

為了估計(jì)用戶使用云儲(chǔ)能的需求,云儲(chǔ)能提供商需要根據(jù)用戶的歷史用電數(shù)據(jù)推測(cè)其最優(yōu)的儲(chǔ)能使用行為。云儲(chǔ)能提供商應(yīng)當(dāng)考慮云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)用的單價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)以及用戶使用儲(chǔ)能時(shí)的各項(xiàng)約束,建立以用戶年度綜合投資和用電成本最小化為目標(biāo)的儲(chǔ)能優(yōu)化投資模型。通過該模型云儲(chǔ)能提供商能夠篩選出那些使用云儲(chǔ)能的總成本低于其不使用儲(chǔ)能時(shí)的總成本的用戶,將這類用戶作為目標(biāo)客戶。用戶充電的時(shí)機(jī)選擇一般與電價(jià)波動(dòng)具有較強(qiáng)的相關(guān)性,而其放電時(shí)機(jī)的選取則在很大程度上取決于用戶的負(fù)荷,即實(shí)際用電需求。用戶之間實(shí)際用電需求較大的差異性導(dǎo)致了其具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性,因此將全部用戶的充放電需求加總之后的放電需求最大值低于單個(gè)用戶放電需求最大值的加總。這一特征為下一步云儲(chǔ)能提供商削減投資成本奠定了基礎(chǔ)。

云儲(chǔ)能提供商所決定投資的儲(chǔ)能容量并非是每個(gè)用戶所需要的儲(chǔ)能容量的簡單加總,而應(yīng)當(dāng)是根據(jù)全體用戶的放電需求和可再生能源充電需求所優(yōu)化決策出的結(jié)果。由于用戶的放電需求和使用可再生能源充電的需求在優(yōu)化模型中的位置一致但符號(hào)相反,故可將其歸并為放電需求,因此云儲(chǔ)能提供商的任務(wù)就是通過優(yōu)化的方法找到最優(yōu)的儲(chǔ)能技術(shù)組合及相應(yīng)的容量,使儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠以最小的綜合成本去滿足用戶的放電需求。

對(duì)于用戶的尖峰放電需求,云儲(chǔ)能提供商不必投入對(duì)應(yīng)量的儲(chǔ)能設(shè)施予以保障,而可以在這種需求出現(xiàn)時(shí)通過直接向電網(wǎng)購買高價(jià)電能的方式來滿足用戶的尖峰需求,從而進(jìn)一步節(jié)約投資成本,保持較高的儲(chǔ)能裝置利用率。云儲(chǔ)能提供商能夠利用多種儲(chǔ)能技術(shù)為用戶提供性價(jià)比更高的儲(chǔ)能服務(wù),一些功率型的儲(chǔ)能技術(shù),如超級(jí)電容等,可以用于滿足用戶放電曲線中波動(dòng)較為強(qiáng)烈的部分,而一些能量型儲(chǔ)能技術(shù),如液流電池等,可以用來支撐用戶放電需求曲線中較為平滑的部分。對(duì)性能各異的各種儲(chǔ)能技術(shù)的綜合投資使用有助于云儲(chǔ)能提供商滿足用戶儲(chǔ)能使用需求的同時(shí)努力降低投資成本。

然而,對(duì)用戶儲(chǔ)能需求的估計(jì)與優(yōu)化儲(chǔ)能設(shè)施投資決策并非單向的過程,因?yàn)閮?chǔ)能設(shè)施為了滿足用戶需求而進(jìn)行的充放電會(huì)對(duì)其壽命產(chǎn)生一定的影響。而壽命的變化會(huì)影響分?jǐn)偟矫磕甑耐顿Y成本,因此儲(chǔ)能設(shè)施壽命的變化反過來會(huì)影響用戶所面臨的云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi),反過來又會(huì)影響用戶的決策。

值得強(qiáng)調(diào)的是,云儲(chǔ)能提供商獲取儲(chǔ)能設(shè)施主要是通過兩種途徑:一是投資使用集中式的儲(chǔ)能設(shè)施,二是租賃已有的用戶側(cè)分布式的儲(chǔ)能資源。投資集中式的儲(chǔ)能設(shè)施可以充分利用規(guī)模效應(yīng)降低單位投資成本,并且便于云儲(chǔ)能提供商在運(yùn)行中對(duì)其進(jìn)行調(diào)度管理。租賃分布式的儲(chǔ)能資源可以使得云儲(chǔ)能提供商以較小的成本獲得一定的儲(chǔ)能資源的使用權(quán),在增加了云儲(chǔ)能投資與規(guī)劃的靈活性的同時(shí)也提高了閑置資源的利用率,提升了社會(huì)福利水平。

4 云儲(chǔ)能運(yùn)行

云儲(chǔ)能提供商的另一個(gè)核心任務(wù)就是在實(shí)時(shí)運(yùn)行中滿足用戶的儲(chǔ)能使用需求,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本最小化。云儲(chǔ)能運(yùn)行所涉及要素如圖4所示。

圖4 云儲(chǔ)能運(yùn)行的要素Fig.4 Main elements of cloud energy storage operation

在實(shí)際運(yùn)行中,用戶和云儲(chǔ)能提供商的儲(chǔ)能充放電行為都具有較強(qiáng)時(shí)間上的關(guān)聯(lián)性,即只有事先充電,才能在后續(xù)某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)放電,這是由儲(chǔ)能裝置的物理特性所決定的。由于云儲(chǔ)能主要是滿足用戶放電需求,因此云儲(chǔ)能提供商實(shí)際上不必去盲目地跟隨用戶使用電網(wǎng)電能向云端電池充電的需求,而是可以選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)控制儲(chǔ)能設(shè)施充電。這就需要云儲(chǔ)能提供商對(duì)于未來的信息,即用戶的充放電功率和電價(jià)等做出預(yù)測(cè),進(jìn)而采取優(yōu)化的方式進(jìn)行決策。此外,還要考慮儲(chǔ)能裝置相鄰時(shí)段的電量關(guān)系,即當(dāng)前時(shí)段的電量是前一時(shí)段的電量經(jīng)過一個(gè)時(shí)段的充電或放電的作用結(jié)果。另外,通過優(yōu)化的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類的儲(chǔ)能設(shè)施的充放電的協(xié)調(diào)。各類儲(chǔ)能設(shè)施具有不同的特性和參數(shù),通過優(yōu)化的方法可以實(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)能設(shè)施的最優(yōu)協(xié)調(diào)。

在運(yùn)行中,云儲(chǔ)能提供商可以采取日前優(yōu)化的方法根據(jù)對(duì)于下一日的預(yù)測(cè)值進(jìn)行日前決策。它的日前充電和放電計(jì)劃是基于對(duì)于用戶需求的預(yù)測(cè)。云儲(chǔ)能提供商根據(jù)對(duì)于用戶的需求的預(yù)測(cè)值通過日前運(yùn)行優(yōu)化模型,獲得下一日的儲(chǔ)能設(shè)施充電和放電策略。云儲(chǔ)能提供商需要考慮一系列儲(chǔ)能裝置相關(guān)的約束，如利用儲(chǔ)能裝置的充放電功率均不應(yīng)超過其功率容量限值,儲(chǔ)能裝置的電量既不能低于最小電量也不能高于儲(chǔ)能能量容量等。

云儲(chǔ)能在運(yùn)行中需要面對(duì)較多的不確定性的情況,只有對(duì)距離當(dāng)前時(shí)刻較近的時(shí)間段進(jìn)行預(yù)測(cè)才可以得到相對(duì)較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。因此為了進(jìn)一步加強(qiáng)云儲(chǔ)能應(yīng)對(duì)不確定性的能力,可以采取更為復(fù)雜的決策模式,使云儲(chǔ)能提供商利用更多的電價(jià)、負(fù)荷等預(yù)測(cè)信息,做出更具有準(zhǔn)確性的前瞻性的運(yùn)行決策。云儲(chǔ)能提供商可以基于模型預(yù)測(cè)控制的理念,采取滾動(dòng)優(yōu)化的方法得到實(shí)時(shí)的控制策略。使用該方法時(shí),云儲(chǔ)能提供商結(jié)合對(duì)于未來n個(gè)時(shí)間段的用戶行為的預(yù)測(cè)、用戶當(dāng)前充放電需求以及儲(chǔ)能設(shè)施當(dāng)前t時(shí)段的狀態(tài),優(yōu)化出t至t+n時(shí)間段儲(chǔ)能設(shè)施的充電和放電策略。但實(shí)際上只采用所優(yōu)化出的t時(shí)間段的策略操控儲(chǔ)能設(shè)施并對(duì)電網(wǎng)及用戶做出反應(yīng)。在接下來的每一時(shí)間段,再次重復(fù)上述過程,滾動(dòng)優(yōu)化出每個(gè)時(shí)間段的控制策略。

值得注意的是,在云儲(chǔ)能的運(yùn)行中,需要控制儲(chǔ)能設(shè)施頻繁充放電,這種充放電的模式會(huì)引發(fā)儲(chǔ)能設(shè)施的壽命損耗。因此為了更加精確地對(duì)云儲(chǔ)能的運(yùn)行建模,還需要對(duì)儲(chǔ)能設(shè)施壽命損耗的非線性模型進(jìn)行充分地考慮。同時(shí)考慮儲(chǔ)能壽命損耗所分?jǐn)偟耐顿Y成本,還可以將云儲(chǔ)能的規(guī)劃投資與運(yùn)行建立為一個(gè)統(tǒng)一的模型,從而使云儲(chǔ)能提供商做出更加合理的決策。

5 云儲(chǔ)能服務(wù)定價(jià)

價(jià)格機(jī)制設(shè)計(jì)是聯(lián)系云儲(chǔ)能提供商和用戶的關(guān)鍵,是云儲(chǔ)能模式盈利性的根本保證。為了促進(jìn)云儲(chǔ)能模式的快速發(fā)展并提升社會(huì)福利,云儲(chǔ)能的服務(wù)定價(jià)必須在保證云儲(chǔ)能提供商利潤的基礎(chǔ)上讓用戶相較于不使用云儲(chǔ)能的情形獲得一定的收益。云儲(chǔ)能服務(wù)定價(jià)的方法主要可以分為三類,分別是按容量定價(jià)、按流量定價(jià)和按套餐定價(jià)。

按容量定價(jià)指云儲(chǔ)能為用戶設(shè)定單位千瓦和單位千瓦時(shí)的云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)價(jià)格,用戶按照自己實(shí)際儲(chǔ)能需求向云儲(chǔ)能提供商購買一定時(shí)期內(nèi)一定容量的云端電池使用權(quán)。由于用戶在使用云儲(chǔ)能之外還有一種潛在的選擇就是自己投資建設(shè)實(shí)體的儲(chǔ)能,因此為了吸引用戶使用云儲(chǔ)能而非投資實(shí)體儲(chǔ)能,在按容量定價(jià)時(shí),云儲(chǔ)能單位容量年度服務(wù)費(fèi)應(yīng)不大于投資實(shí)體儲(chǔ)能的單位功率容量投資成本年值。為了確定云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)的價(jià)格,云儲(chǔ)能提供商首先需要得到用戶的儲(chǔ)能容量需求曲線。云儲(chǔ)能提供商可以采用優(yōu)化的方法對(duì)不同的云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)價(jià)格下用戶的最優(yōu)投資決策進(jìn)行模擬,進(jìn)而可以得到用戶的云儲(chǔ)能需求曲線。根據(jù)用戶的云儲(chǔ)能需求曲線,云儲(chǔ)能提供商可以依據(jù)其市場(chǎng)競(jìng)爭集中度的大小,找到定價(jià)與銷售量的最優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)利益的最大化。

按流量定價(jià)是受到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)模式啟發(fā)而產(chǎn)生的一種新的定價(jià)模式。這種定價(jià)方式可以讓用戶實(shí)現(xiàn)“用多少,付多少”的消費(fèi)模式,云儲(chǔ)能提供商依據(jù)用戶每次向云端電池中存入的能量的多少而收取相應(yīng)的費(fèi)用。在這種定價(jià)模式下,云儲(chǔ)能提供商要計(jì)算出在不同的儲(chǔ)能設(shè)施荷電狀態(tài)和不同的電價(jià)下滿足用戶存儲(chǔ)和釋放單位電能的需求所產(chǎn)生的成本,進(jìn)而形成云儲(chǔ)能按流量定價(jià)的分段或連續(xù)價(jià)格曲線。值得指出的是,受儲(chǔ)能設(shè)施容量規(guī)模的限制,云儲(chǔ)能服務(wù)流量定價(jià)無法做到“量大價(jià)優(yōu)”,而是會(huì)隨著使用量的增加單位流量價(jià)格顯著上升。這種定價(jià)策略可以抑制用戶的非理性的儲(chǔ)能使用需求,最終能夠保護(hù)云儲(chǔ)能提供商和用戶的共同利益。

云儲(chǔ)能服務(wù)的定價(jià)還可以使用套餐定價(jià)的方法。云儲(chǔ)能提供商需要挖掘用戶的用電行為和儲(chǔ)能使用的歷史數(shù)據(jù),對(duì)大量用戶的儲(chǔ)能使用的特點(diǎn)進(jìn)行梳理和分類。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)每類用戶開發(fā)不同的云儲(chǔ)能服務(wù)套餐并給予相應(yīng)的使用獎(jiǎng)勵(lì)和優(yōu)惠措施。不同的套餐可以設(shè)定不同的云端電池參數(shù),有些套餐可以是“功率型”,有些可以是“能量型”,還有些可以是“平衡型”。在套餐定價(jià)中,還可以考慮引入“可靠性”,對(duì)于需要保證云端電池時(shí)刻都可以充放電的用戶,其云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)可以設(shè)定得比較高,而對(duì)于接受在一天中的某些尖峰時(shí)刻不能使用云儲(chǔ)能服務(wù)的用戶,其云儲(chǔ)能服務(wù)費(fèi)可以設(shè)定得比較低。通過利用不同用戶對(duì)于云儲(chǔ)能服務(wù)的可靠性要求不同的這一特點(diǎn),可以進(jìn)一步增加儲(chǔ)能設(shè)施的利用效率。此外,套餐定價(jià)也可以綜合容量定價(jià)和流量定價(jià)的特點(diǎn),即同一套餐中既包含容量定價(jià)的部分又包含流量定價(jià)的部分。本質(zhì)上,云儲(chǔ)能服務(wù)按套餐定價(jià)的方法就是一種價(jià)格歧視的策略,最大限度地讓用戶使用云儲(chǔ)能,從而使云儲(chǔ)能提供商獲得利潤。

6 討論

云儲(chǔ)能模式是共享經(jīng)濟(jì)在用戶側(cè)儲(chǔ)能領(lǐng)域中的一種探索,未來將會(huì)有廣闊的應(yīng)用空間。從物理角度來講,云儲(chǔ)能可以在一定程度上將已有的或者潛在的分布式儲(chǔ)能集中并形成一些具有一定規(guī)模的儲(chǔ)能電站。云儲(chǔ)能的出現(xiàn)還將促進(jìn)用戶側(cè)分布式可再生能源的投資并網(wǎng)與就地消納。此外,儲(chǔ)能設(shè)施布置位置與用戶對(duì)儲(chǔ)能資源的調(diào)用也會(huì)改變?cè)械碾娋W(wǎng)潮流分布。

云儲(chǔ)能理論與方法的研究是一個(gè)新的領(lǐng)域,涉及內(nèi)容廣泛,而目前的研究工作所涵蓋的范圍較為有限。因此云儲(chǔ)能領(lǐng)域的一些重要問題還需要后續(xù)的研究來解決。故需要對(duì)此進(jìn)行簡要的探討與展望。

1)用分布式儲(chǔ)能資源提供云儲(chǔ)能服務(wù)

云儲(chǔ)能的儲(chǔ)能實(shí)體可以是集中式的儲(chǔ)能設(shè)施也可以是分布式的儲(chǔ)能資源,目前的研究側(cè)重于如何利用集中式的儲(chǔ)能設(shè)施提供云儲(chǔ)能服務(wù),對(duì)聚合利用分布式的儲(chǔ)能資源涉及較少。未來可以對(duì)使用分布式的資源提供云儲(chǔ)能服務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究與探討。

2)包含大規(guī)模云儲(chǔ)能的未來電力系統(tǒng)形態(tài)

云儲(chǔ)能可能成為未來電力系統(tǒng)應(yīng)用儲(chǔ)能的重要形式,云儲(chǔ)能的服務(wù)需要輸配電網(wǎng)提供能量傳輸支撐,目前的研究尚處于提出云儲(chǔ)能的理念、模式與方法的階段。因此,需要研究包含大規(guī)模云儲(chǔ)能的未來電力系統(tǒng)形態(tài),具體包括包含云儲(chǔ)能設(shè)備的輸配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、云儲(chǔ)能大規(guī)模接入下輸配電網(wǎng)的潮流特征,以及由此產(chǎn)生的新的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式、市場(chǎng)機(jī)制和定價(jià)策略及計(jì)算方式等問題。

3)多能源系統(tǒng)中的云儲(chǔ)能

能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展大背景下,多能源系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃運(yùn)行的重要性日益凸顯,未來的云儲(chǔ)能也許不再局限于電能的云端存儲(chǔ),可能會(huì)涉及儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氣、儲(chǔ)氫等領(lǐng)域,與之相關(guān)的理論與方法也需要后續(xù)進(jìn)一步地研究與探索。

此外,云儲(chǔ)能的研究還涉及考慮不同管制規(guī)則、考慮多市場(chǎng)主體博弈、考慮對(duì)電網(wǎng)可靠性造成的影響等諸多方面,這些領(lǐng)域也有待于未來的研究和探索。

值得指出的是,云儲(chǔ)能模式順利推向工程實(shí)際的應(yīng)用還需要其他技術(shù)和產(chǎn)業(yè)政策兩方面的支撐。用戶、云儲(chǔ)能提供商與電網(wǎng)三者之間的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的通信是云儲(chǔ)能商業(yè)模式得以實(shí)施的關(guān)鍵,因此云儲(chǔ)能有賴于先進(jìn)信息通信技術(shù)提供信息流動(dòng)的載體。此外,儲(chǔ)能技術(shù)本身的突破也將會(huì)為云儲(chǔ)能模式的發(fā)展起到促進(jìn)作用,在一定范圍內(nèi)的儲(chǔ)能單位成本的降低將有助于云儲(chǔ)能模式產(chǎn)生更大的社會(huì)福利改善。在產(chǎn)業(yè)政策方面,隨時(shí)間而波動(dòng)的電價(jià)是云儲(chǔ)能得以開展的基礎(chǔ),因此需要有實(shí)時(shí)電價(jià)或峰谷電價(jià)等電價(jià)機(jī)制的支持。在云儲(chǔ)能實(shí)施和推廣的初期,用戶未必會(huì)很好地理解與接受將儲(chǔ)能放在“云端”的理念,因此也需要制定相關(guān)的政策對(duì)其進(jìn)行宣傳與教育。

7 結(jié)語

云儲(chǔ)能是共享經(jīng)濟(jì)與電力系統(tǒng)儲(chǔ)能融合的產(chǎn)物,是未來電網(wǎng)的一個(gè)新的形態(tài)選擇。本文在給出了云儲(chǔ)能的定義并詳細(xì)闡述云儲(chǔ)能基本商業(yè)模式的基礎(chǔ)上對(duì)云儲(chǔ)能的投資規(guī)劃、運(yùn)行、服務(wù)定價(jià)等子領(lǐng)域的研究方法、研究進(jìn)展和研究思路進(jìn)行了闡述。此外,本文還對(duì)未來云儲(chǔ)能研究中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論與展望。隨著云儲(chǔ)能研究的不斷深入,未來可能會(huì)出現(xiàn)與云儲(chǔ)能相關(guān)的工程實(shí)踐,屆時(shí)會(huì)對(duì)云儲(chǔ)能的理論研究產(chǎn)生進(jìn)一步的推動(dòng)作用。

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ANewFormofEnergyStorageinFuturePowerSystem:CloudEnergyStorage

KANGChongqing,LIUJingkun,ZHANGNing

(State Key Laboratory of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The rapid development of intermittent renewable energy has increased the demands for storage in power systems. In the meantime, the expeditious advances in shared economy would bring new business opportunities to the application of storage. Based on the sharing of storage devices, cloud energy storage (CES) would become one of the important features for future power system configuration. CES is a grid-based storage service that enables ubiquitous and on-demand access to a shared pool of grid-scale energy storage resources. It is capable of providing energy storage services at a substantially lower cost. This paper explains the concept of CES and elaborates the elements of the CES business model. The key issues on CES investment and planning, operation, and service pricing are analyzed. The current research progress, approach and methodology are reviewed. The key problems that should be addressed in the future are pointed out to improve the development and implementation of CES. The future research on CES are previewed and discussed.

This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900101) and Funds for International Cooperation and Exchange of the National Natural Science Foundation of China (No. 51620105007).

shared economy; renewable energy; Energy Internet; cloud energy storage (CES)

2017-06-01。

上網(wǎng)日期: 2017-06-06。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0900101);國家自然科學(xué)基金國際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目(51620105007)。

康重慶(1969—),男,通信作者,博士,教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)規(guī)劃、低碳電力技術(shù)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、電力經(jīng)濟(jì)。E-mail： cqkang@tsinghua.edu.cn

劉靜琨(1989—),男,博士研究生,主要研究方向:儲(chǔ)能技術(shù)、電力系統(tǒng)不確定性分析。E-mail: liujk12@mails.tsinghua.edu.cn

張 寧(1985—),男,博士,副教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)不確定性分析、多能源系統(tǒng)。E-mail: ningzhang@tsinghua.edu.cn

(編輯萬志超)