計及儲能效益的綜合能源系統(tǒng)利益分配機制研究

潘 華，高 旭，姚 正，方 靜，顏靜汝

（上海電力大學經(jīng)濟與管理學院，上海 200090）

0 引言

綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy Systems，IES）的發(fā)展已被提升至戰(zhàn)略高度，儲能可以彌補新能源機組的隨機波動性，消納高比例新能源，是支撐能源轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳達峰與碳中和最核心的技術(shù)手段。

IES 多能源商供能與區(qū)域化、模塊化提升了市場活力，但資本天然的逐利性易導致主體間合作破裂，不利于主體聯(lián)盟穩(wěn)定。因此，合理分配主體利益成為推動IES 高質(zhì)量發(fā)展的重要因素[1-2]。

目前，國內(nèi)外學者針對IES 利益分配做了一定的研究。文獻[3]考慮不同時段售、購電價差及熱電負荷水平，將儲電機會收益和儲熱懲罰成本納入調(diào)度模型，優(yōu)化系統(tǒng)冷熱電聯(lián)合調(diào)度，降低系統(tǒng)運行成本。文獻[4]針對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)聯(lián)盟，以系統(tǒng)運行成本最小化為目標函數(shù)，利用納什談判模型，保證優(yōu)化后總節(jié)約成本在聯(lián)盟參與者之間公平分配。文獻[5]將現(xiàn)貨市場引入IES，細化產(chǎn)能商、運營商、負荷聚合商收益模型，在提升主體利益的同時實現(xiàn)削峰填谷。文獻[6]提出了綜合需求響應（Integrated Demand Response，IDR），運用分布式算法求解IES中用戶和能源商之間的納什均衡，推動用戶參與IDR 的同時實現(xiàn)主體利潤最大化。文獻[7]綜合考慮市場、負荷、設(shè)備因素，最小化購電成本，基于全壽命周期理論，優(yōu)化儲能配置、評估投資效果，最終基于售電公司貢獻度進行利益分配。文獻[8]考慮風儲系統(tǒng)間儲能狀態(tài)差異和風力預測的互補，建立聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，基于合作博弈理論進行集群收益分配策略。

然而，在已有研究模型中，還有兩方面需要考慮。（1）目前大多以系統(tǒng)運行成本最小作為目標函數(shù)，但僅依賴于壓縮成本利潤增長空間有限，不利于社會財富增長；（2）大多將儲能/熱作為其余發(fā)電機組的附屬設(shè)備，沒有完全體現(xiàn)其綜合貢獻，利益分配值與其貢獻不匹配，導致其成本回收期較長，阻礙了其大規(guī)模推廣。

Shapley 值法利益分配模型在能源領(lǐng)域應用頗多且多位學者對其進行優(yōu)化，推動了能源領(lǐng)域主體利益分配的發(fā)展[9-12]。本文建立含有新能源機組、熱電聯(lián)產(chǎn)機組、儲能機組的典型IES 收益模型，歸納出風險分攤、資源投入、協(xié)作優(yōu)化、環(huán)境污染4 類體現(xiàn)主體貢獻的因素，構(gòu)成主體價值標簽。引入云重心法綜合量化影響因素。構(gòu)建基于云重心法修正的Shapley 值法利益分配模型，對各主體收益進行修正，并通過實際算例驗證所提方法的合理性和實用性。

1 利益分配框架

在充分考慮各主體出力與相互協(xié)作的情況下，本文建立了如圖1 所示的IES 利益分配框架。

圖1 IES利益分配框架Fig.1 Frame of IES benefit allocation

在圖1 框架下，各主體在積極提升自身出力情況的前提下，主動與其他主體合作，綜合能源系統(tǒng)控制中心基于主體上傳信息進行系統(tǒng)整體控制，對系統(tǒng)內(nèi)各主體實行有效監(jiān)督，避免系統(tǒng)內(nèi)主體出現(xiàn)無序充放電、棄風棄光問題，提高系統(tǒng)整體運行水平；同時進行協(xié)調(diào)利益的合理分配。

2 主體收益模型

圖2 為 園區(qū)IES 結(jié)構(gòu)圖。如圖2 所示，電網(wǎng)、氣網(wǎng)與熱網(wǎng)表示上級網(wǎng)絡(luò)；風電、光伏為園區(qū)內(nèi)新能源機組；燃氣輪機、電鍋爐、余熱利用裝置為熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Heat and Power，CHP）機組；電、熱、冷負荷為園區(qū)負荷；電儲能為儲能機組；形成源網(wǎng)荷儲一體化，多能互補的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)模型[13]。

圖2 園區(qū)IES結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of park IES structure

2.1 單獨供能模式下收益模型

2.1.1 儲能機組收益

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，儲能機組以儲能電站形式單獨存在，通過峰谷價差收益和調(diào)峰等輔助服務獲利。其收益為：

2.1.2 新能源機組收益

現(xiàn)有電力系統(tǒng)中，風電場、光伏電站等新能源機組發(fā)電全額上網(wǎng)，收益包括上網(wǎng)電價與政府補貼，即：

2.1.3 熱電聯(lián)產(chǎn)機組收益

CHP 機組的運行方式包括以熱定電和以電定熱2 種，根據(jù)文獻[14]的研究，根據(jù)的正負判定CHP 機組的最佳運行方式，＞0 時采取以電定熱模式。其收益為：

式中：LH為熱負荷需求；LE為電負荷需求；QCHP(LE)為滿足LE時機組熱出力。

在傳統(tǒng)獨立供能模式下，熱電聯(lián)產(chǎn)機組的收益來源于售熱和售電2 種，熱出力出售給熱力公司，發(fā)電全額上網(wǎng)。即：

2.2 合作供能下主體收益模型

2.2.1 儲能機組收益

在2.1.1 節(jié)基礎(chǔ)上，IES 中的儲能機組可以從新能源機組、熱電聯(lián)產(chǎn)機組購電，成本進一步下降。同時拓展共享儲能、隔墻售電等新盈利模式。其收益為：

2.2.2 新能源機組收益

政府補貼和電網(wǎng)對于余電的收購力度逐步減少，新能源機組向電網(wǎng)出售余電的獲益將大幅減少，其主要收益變?yōu)閳@區(qū)內(nèi)售電收益，因此需要與儲能方緊密合作，提升系統(tǒng)自身消納能力。其收益為：

2.2.3 熱電聯(lián)產(chǎn)機組收益

IES 中，機組可提供電力、制冷、制熱、蒸汽、熱水等服務，服務價格可高于出售給熱力公司的熱價與電網(wǎng)的電價。其收益為：

系統(tǒng)收益函數(shù)S為:

3 主體價值標簽

在傳統(tǒng)Shapley 值法對稱性的基礎(chǔ)上，綜合考慮風險分攤、資源投入、協(xié)作優(yōu)化、環(huán)境污染等主體價值標簽體現(xiàn)主體的個體差異性。構(gòu)建如表1 所示評價體系。

表1 IES主體價值綜合評價指標體系Table 1 Overall evaluation index system of IES subject value

3.1 風險分攤

1）外部風險。指IES 運行過程中可能面臨的自然、能源市場、政治等風險。如能源市場價格、峰谷分時電價等。

2）內(nèi)部風險。參與IES 系統(tǒng)的各主體的技術(shù)、經(jīng)濟、管理等方面的風險，如新能源機組發(fā)電技術(shù)進步；CHP 機組補償、調(diào)峰能力；儲能機組安全運行管理等風險。

3.2 資源投入

3.2.1 有形資源

人財物等有形資源是IES 順利運行的基礎(chǔ)，各主體在項目建設(shè)、運營過程中的有形資源投入各不相同，是收益分配最易衡量也是最重要的指標。

1）熱電聯(lián)產(chǎn)機組。CHP 機組出力包括熱出力和電出力，因此計算其出力過程中，將二者統(tǒng)一折算為機組的電出力，即：

2）新能源機組。新能源機組的運行成本如式（10）所示：

3）儲能機組。儲能機組的運行成本如式（13）所示：

3.2.2 無形資源

當前綜合能源服務市場正處于高速發(fā)展期，各公司擁有的經(jīng)驗、品牌價值、合作關(guān)系不同，這些無形資源帶來的隱形收益無法用貨幣衡量亦不可忽視。

3.3 協(xié)作優(yōu)化

1）工作成果。為提升運行效率，消除主體投機心理，應將子區(qū)域內(nèi)工作成果等級納入收益分配標準，高質(zhì)量完成本職工作的主體獲得更高的分配系數(shù)。

2）優(yōu)化效果。項目進行過程中，各主體間積極合作可以優(yōu)化系統(tǒng)運行體系，推動系統(tǒng)高質(zhì)量運行。將優(yōu)化效果納入收益分配指標體系充分發(fā)揮主體主觀能動性，激勵主體不斷創(chuàng)新。積極性高且協(xié)助程度高的主體應獲得更高的分配系數(shù)。

3.4 環(huán)境污染

3.4.1 碳排放

雙碳目標下，碳排放成為各主體考慮的重要因素，高排放轉(zhuǎn)向低排放，低排放探索零排放。本文引入全生命周期理論綜合考慮儲能機組與新能源機組從生產(chǎn)、運輸、運行到后期處理過程中的碳排放量。CHP 機組作為IES 中重要碳排放源，是最具優(yōu)化潛力的部分。

1）熱電聯(lián)產(chǎn)機組。CHP 機組的碳排放量計算公式為：

2）新能源機組。新能源機組在運行過程碳排放量幾乎為零，但是在生產(chǎn)運輸過程中存在大量的碳排放[16-17]?；谌芷诜治龅男履茉礄C組碳排放計量可劃分為設(shè)備建設(shè)、設(shè)備運輸2 個階段計算，相關(guān)公式如式（13）所示：

3）儲能機組。儲能機組除生產(chǎn)運輸過程中產(chǎn)生的碳排放外，電池組的退役報廢亦會產(chǎn)生碳排放，設(shè)備報廢后進行無害化處理及回收過程中產(chǎn)生的碳排放計算如式（14）所示：

3.4.2 其他污染

用戶作為IES 的使用者，其核心目的是降低能源使用成本，減少環(huán)境污染，提升生活質(zhì)量，因此各主體運行中的噪音等污染也會影響系統(tǒng)正常運行。

其中風險分攤、協(xié)作優(yōu)化、無形資源以及其他污染這些影響因素隨機模糊性強，具有不確定性，且難以量化，而云重心法是解決定性與定量間不確定轉(zhuǎn)換的有效方法。

4 綜合能源系統(tǒng)利益分配策略

4.1 傳統(tǒng)Shapley值法利益分配模型

本文中各主體接受系統(tǒng)控制中心統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)整體利益最優(yōu)，主體間達成具有約束力的協(xié)議，控制中心對各個主體的策略進行協(xié)調(diào)，構(gòu)成了合作博弈模型。Shapley 值法利益分配模型在合作博弈中應用最為廣泛，使參與者所得與自身貢獻相匹配。

I＝{1 ,2,…,N}為IES 利益分配主體集合。特征函數(shù)v{s}表示任一子集S通過協(xié)作后獲得的最大收益。

在I下，由特征函數(shù)決定的φz(v)表示主體z所得到的收益分配，即：

式中：sz為I中所有含主體z的子集；N為I中元素數(shù)目；|s|為s中元素數(shù)目；v{s-z}為s去除z之后剩余主體的收益；ψ{s}為s在I中出現(xiàn)的概率；v{s}-v{s-z}為主體z對s的邊際貢獻。

4.2 云重心法

云重心法的核心是用各指標狀態(tài)值與其理想值之間的偏離程度表征主體對系統(tǒng)的貢獻度，從而進行主體貢獻評估。云具有期望值Ex，熵Esa等數(shù)字特征。Ex為云重心位置，反映相應模糊概念的信息中心值；Esa表征概念模糊度的量度，數(shù)值越大概念越模糊；云重心G隨之變化，模型具體的計算過程如下。

1）定性指標評價。本文用“無、較小、一般、較大、大、巨大”6 個等級表示外部風險、內(nèi)部風險、無形資源、工作成果、優(yōu)化效果、其他污染等定性指標，每兩者間隔為0.2。定量指標由式（9）-式（14）計算得出后根據(jù)與項目規(guī)劃時相關(guān)數(shù)據(jù)之比量化為[0-1]間的值。

2）指標云建立。構(gòu)建各指標的云與綜合云。根據(jù)專家打分構(gòu)建4 個指標各自云；根據(jù)n位專家對6項定性指標的打分以及2 項定量指標的計算結(jié)果，云的Ex，Esa為：

本文將每個二級指標的權(quán)重設(shè)為0.5；對各指標數(shù)據(jù)進行歸一化處理后構(gòu)建1 個四維綜合云。用綜合云的云重心表征系統(tǒng)狀態(tài)，綜合云重心向量表示為：

式中：Gi=Li×Hi,i=1,2,3,4；Li為指標i的期望值Ex；Hi為指標i的權(quán)重ω。

當模型處于理想狀態(tài)時，指標的理想值為1，理想云重心G0表示為：

3）指標權(quán)重確定。熵權(quán)法確定各指標權(quán)重ω。先根據(jù)m位專家的評定得原始數(shù)據(jù)矩陣R：

將原始數(shù)據(jù)做標準化處理，即：

pij為專家j對指標i的評定值的比重，即：

計算指標i的熵值ei，即：

最后計算指標i的熵權(quán)ωi，即：

計算四維綜合云的加權(quán)偏離度θ。對G進行歸一化處理，得GY，即：

4.3 云重心法修正的Shapley值法利益分配模型

本文所提方法的主要步驟為：首先利用4.1 節(jié)中的傳統(tǒng)Shapley 值法進行初始收益分配，然后利用4.2 節(jié)云重心法得到各成員的修正系數(shù)，調(diào)整初始方案，得最終的收益分配方案。

計算各主體利益修正值：歸一化各主體加權(quán)偏離度θ，得各主體權(quán)重θ*，進而可得主體利益修正值Δφz(v)，如式（28）所示。最后得各主體實際利益φz(v)*，如式（29）所示。

4.4 分配策略的吸引力

若分配策略不合理，將無法鞏固和發(fā)展聯(lián)盟，導致聯(lián)盟的分裂或失敗。為量化評估分配策略對每個參與者的吸引力，文獻[20]提出了MDP（Modified Disruption Propensity）指標，計算公式為：

式中：D(z)為MDP 指標值，表示參與者z拒絕聯(lián)盟后，其他參與者q人均損失與參與者z自身損失的比值。其值越小，對該主體的聯(lián)盟吸引力就越大。

5 算例分析

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以上海市某園區(qū)為研究對象，園區(qū)建筑面積65 000 m2，制冷標準120 W/ m2；冷負荷7 800 kW；采暖標準60 W/ m2，熱負荷3 900 kW；供電標準100 W/ m2。園區(qū)安裝1 000 kW 的光伏機組，運行維護成本為0.8 元（/kWh）；安裝有500 kW×2 h 的磷酸鐵鋰電池儲能機組，μ=0.95。有1 套Centaur50型號的熱電聯(lián)供機組，燃機出力為4 234 kW，熱電比為169.68%。園區(qū)光伏機組出力及等效電熱負荷如圖3 所示[21-24]。

圖3 電負荷、熱負荷及光伏機組出力圖Fig.3 Diagram of electric load，thermal load and PV output power

其他邊界計算條件分別為：上海市風電和光伏發(fā)電上網(wǎng)電價為0.414 6 元（/kWh）；上網(wǎng)補貼電價為0.179 5 元（/kWh）；園區(qū)直供電價為市電價格的90%；當?shù)氐奶烊粴鈨r為2.55 元/m3；用戶集中購熱價格執(zhí)行兩部制熱價，基礎(chǔ)熱價18 元/m2，計量熱價0.3元（/kWh）；園區(qū)用戶直購熱價為88.60 元/GJ（蒸汽180 元/t）。從電網(wǎng)購電的分時電價如表2 所示。

表2 電網(wǎng)購電分時電價Table 2 Time-sharing price of electricity purchased from grid

5.2 IES主體利益分配

I={儲能機組，熱電聯(lián)產(chǎn)機組，新能源機組}。根據(jù)5.1 節(jié)所示數(shù)據(jù)可得，單獨供能模式下，儲能機組收益v{1}=90 萬元，新能源機組收益v{2}=140 萬元，熱電聯(lián)產(chǎn)機組收益v{3}=170 萬元；聯(lián)盟收益v{1,2}=360 萬元，v{1,3}=400 萬元，v{2,3}=390 萬元；v{1,2,3}=760 萬元。以熱電聯(lián)產(chǎn)機組為例，運用Shapley 值法計算收益分配額，見表3。

表3 熱電聯(lián)產(chǎn)機組的Shapley收益分配Table 3 Benefit allocation of CHP under Shapley

從表3 可知，熱電聯(lián)產(chǎn)機組的收益分配值為φ3(v)=223.33 萬元。同理，新能源機組的收益分配值為φ2(v)=203.33 萬元；儲能機組收益φ1(v)=183.33萬元。φ1(v)+φ2(v)+φ3(v)=610 萬元；分配系數(shù)為（0.3，0.334，0.366）。

經(jīng)6 位具有豐富IES 建設(shè)運營管理經(jīng)驗的專家對4 個指標的評定得到原始數(shù)據(jù)矩陣，各指標權(quán)重見表4。CHP 機組評價指標見表5。

表4 各指標權(quán)重Table 4 Weight of index

表5 CHP機組評價指標Table 5 Index of CHP

由表4 可知，各指標權(quán)重（0.209，0.361，0.143，0.287）。熱電聯(lián)產(chǎn)機組四維綜合云的云重心G為：G=L×H=（0.073 4，0.159 6，0.034，0.152 7）；歸一化后GY=（-0.648 3，-0.558 3，-0.761 7，-0.468 3），根據(jù)式（21）計算可得出熱電聯(lián)產(chǎn)機組加權(quán)偏離度θ3=-0.580 3。

同理對新能源機組、儲能機組進行計算，加權(quán)偏離度為θ2=-0.585 8，θ1=-0.658 8。歸一化后得θ*=(0.361,0.321,0.318)。

根據(jù)式（24），可以計算出各主體經(jīng)修正后所得的利益分別為：φ1(v)*=204.36 萬元；φ2(v)*=193.96萬元；φ3(v)*=211.68 萬元。分配系數(shù)為（0.335,0.318，0.347）。

對比分析IES 主體單獨收益、Shapley 值法以及修正后的Shapley 值法收益分配結(jié)果，見圖4。

圖4 儲能機組、新能源機組、熱電聯(lián)產(chǎn)機組利益分配圖Fig.4 Benefit allocation diagram of ESS，RE and CHP

與修正前比，修正后的熱電聯(lián)產(chǎn)機組的收益下降了5.2%，作為IES 中最大的碳排放源，現(xiàn)階段需要積極探索低碳發(fā)電，但由于其在保證電能可靠供應等方面的作用，實際收益仍最高；新能源機組的收益下降了4.6%，是由于其受制于自然環(huán)境，較強的隨機波動性使其供電可靠性較差，所需的輔助服務較多，導致系統(tǒng)總成本上升，收益下降；儲能機組收益增長達11.5%，且分配系數(shù)高于新能源機組，是由于儲能機組作為系統(tǒng)靈活性資源，推動能源生產(chǎn)與消費解耦，改善棄風棄光問題，有效提升電網(wǎng)穩(wěn)定性[25]。

計算修正前收益和修正后收益及分配模型的MDP 值D（z），見表6。

表6 修正前后收益及MDP值Table 6 Benefit&MDP before and after correction

根據(jù)表6 分析，熱電聯(lián)產(chǎn)機組初始MDP 值為負，表示雖然傳統(tǒng)Shapley 分配方案符合各主體理性，但不滿足聯(lián)盟理性，該分配方案下儲能機組與新能源機組的收益不如二者單獨聯(lián)盟收益之和，因此聯(lián)盟較為脆弱。修正后的模型下，3 個主體的MDP 值均為正且相差不大，這表明聯(lián)盟較為穩(wěn)定。

6 結(jié)語

科學合理地評價各主體貢獻水平，有利于利益分配與貢獻更匹配，本文引入風險分攤、投入程度、協(xié)作優(yōu)化、環(huán)境污染建立了主體價值體系，針對指標體系中含有定性與定量2 類指標，引入云重心法確定指標數(shù)據(jù)，并利用熵權(quán)法對指標賦權(quán)，構(gòu)建了新的利益分配機制，針對某實際園區(qū)展開分析，實現(xiàn)各主體所得利益更加合理，主體間合作更加穩(wěn)定可靠；提高主體進行合作優(yōu)化的積極性，體現(xiàn)了儲能在IES中的重要地位，推動綜合能源項目高質(zhì)量運行。