考慮數(shù)據(jù)中心租賃意愿的多站融合運(yùn)營(yíng)模式

朱浩瑜，胡 炎，邰能靈，張春雁，周 華，卞世敏

（1. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海交通大學(xué)），上海市 200240；2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海市 200122）

0 引言

多站融合在變電站基礎(chǔ)上匯集數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能電站、新能源站等站點(diǎn)，對(duì)提高土地與設(shè)備利用率、助力國(guó)家“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、促進(jìn)電力能源轉(zhuǎn)型等具有重要意義［1］。

目前，已有較多的多站融合工程試點(diǎn)，但這些試點(diǎn)工程均未考慮融合站的運(yùn)營(yíng)模式設(shè)計(jì)，僅從技術(shù)角度驗(yàn)證了多站融合的可行性。盈利模式缺失將導(dǎo)致多站融合發(fā)展缺乏足夠的驅(qū)動(dòng)力。

設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)模式需要首先分析多站融合下各子站間潛在的合作需求。作為多站融合的核心站點(diǎn)之一，數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)需求量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。運(yùn)算業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)將提高數(shù)據(jù)中心運(yùn)行功率，進(jìn)而提高其不間斷電源（uninterrupted power supply，UPS）設(shè)備的建設(shè)容量要求。如果數(shù)據(jù)中心租賃儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能設(shè)備作為UPS 替代［2-4］，并按照各年建設(shè)容量要求調(diào)整租賃容量，則可以避免按照運(yùn)營(yíng)期內(nèi)UPS 設(shè)備最高容量需求進(jìn)行建設(shè)帶來(lái)的設(shè)備閑置問(wèn)題，提高經(jīng)濟(jì)性。此外，儲(chǔ)能電站具有峰谷套利、輔助調(diào)峰、促進(jìn)新能源消納等功能［5］，對(duì)于新能源站與變電站的運(yùn)營(yíng)也具有重要作用。因此，設(shè)計(jì)一種考慮數(shù)據(jù)中心租賃儲(chǔ)能的多站融合運(yùn)營(yíng)模式，可以提升數(shù)據(jù)中心收益，為儲(chǔ)能電站運(yùn)營(yíng)方提供一種新的盈利途徑。

目前，使用儲(chǔ)能設(shè)備作為數(shù)據(jù)中心UPS 替代已有相關(guān)研究成果及實(shí)例。文獻(xiàn)［2］提出了面向數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用模式以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過(guò)中國(guó)惠州某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目進(jìn)行了論證。文獻(xiàn)［3］提出了一種含數(shù)據(jù)中心的多站融合儲(chǔ)能電站供電結(jié)構(gòu)，使用儲(chǔ)能電站替代了UPS 的蓄電池。文獻(xiàn)［4］提出的供電結(jié)構(gòu)中，UPS 設(shè)備可以作為模塊化單元連接在供電母線(xiàn)上，也可以使用儲(chǔ)能進(jìn)行替代。但以上文獻(xiàn)均未見(jiàn)探討數(shù)據(jù)中心租賃儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能替代UPS 的運(yùn)營(yíng)模式。

當(dāng)前，針對(duì)多站融合運(yùn)營(yíng)模式的研究較少［6-8］。文獻(xiàn)［9］基于Stackelberg 模型設(shè)計(jì)了多站融合模式下電網(wǎng)企業(yè)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的利潤(rùn)分配機(jī)制，但電網(wǎng)企業(yè)利潤(rùn)模型涉及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商服務(wù)水平、流量套餐定價(jià)等變量，在實(shí)際情況中較難實(shí)現(xiàn)。

在儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)模式方面，已有研究大多將儲(chǔ)能作為獨(dú)立利益主體參與到電力市場(chǎng)等運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景中［10-12］，或是將其作為設(shè)備提升儲(chǔ)能擁有主體的收益［13-17］。文獻(xiàn)［10］建立了包含傳統(tǒng)發(fā)電商、風(fēng)電商、供電商、儲(chǔ)能服務(wù)商和用戶(hù)的電力市場(chǎng)電價(jià)聯(lián)動(dòng)博弈模型；文獻(xiàn)［11］提出了電力市場(chǎng)環(huán)境下儲(chǔ)能設(shè)備的多時(shí)間尺度價(jià)值指數(shù)，評(píng)估其儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)價(jià)值；文獻(xiàn)［12］將儲(chǔ)能作為主體之一參與到風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)中；文獻(xiàn)［13-14］聚合了住宅屋頂光伏和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，優(yōu)化聚合后主體的運(yùn)營(yíng)收益；文獻(xiàn)［15-16］基于可再生能源發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備提高電動(dòng)汽車(chē)充電站的運(yùn)營(yíng)收益。但是，文獻(xiàn)［10-16］均未見(jiàn)儲(chǔ)能擁有主體與儲(chǔ)能需求主體之間儲(chǔ)能租賃模式的相關(guān)探討。此外，文獻(xiàn)［3］在進(jìn)行多站融合模式下儲(chǔ)能電站的容量及運(yùn)行優(yōu)化研究時(shí)，考慮了儲(chǔ)能電站用于新能源消納、移峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻等的收益，但未針對(duì)儲(chǔ)能租賃定價(jià)方法及運(yùn)營(yíng)模式進(jìn)行探討。

本文針對(duì)“變電站-新能源站-儲(chǔ)能電站-數(shù)據(jù)中心”四站合一的多站融合模式，設(shè)計(jì)了考慮數(shù)據(jù)中心租賃意愿的多站融合運(yùn)營(yíng)模式。其中，數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)其自身的投資建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，可以選擇向多站融合運(yùn)營(yíng)商租賃儲(chǔ)能作為UPS 設(shè)備。多站融合運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)儲(chǔ)能電站與新能源站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，以及變電站的運(yùn)維管理，可以選擇將儲(chǔ)能設(shè)備出租給數(shù)據(jù)中心獲取租賃收益。為了確定合理的儲(chǔ)能租賃價(jià)格，本文提出了數(shù)據(jù)中心-多站融合運(yùn)營(yíng)商儲(chǔ)能租賃博弈模型，可以得出不同租賃價(jià)格下建設(shè)與租賃方案的帕累托最優(yōu)解。最后，選取多站融合運(yùn)營(yíng)商收益最優(yōu)的租賃價(jià)格，確定多站融合運(yùn)營(yíng)模式。

1 博弈模型概述

1.1 博弈雙方收益分析

1）從多站融合運(yùn)營(yíng)商的角度

多站融合運(yùn)營(yíng)商作為博弈的領(lǐng)導(dǎo)者，以自身收益最大化為目標(biāo)決定其建設(shè)方案以及儲(chǔ)能出租方案。

儲(chǔ)能對(duì)于多站融合運(yùn)營(yíng)商而言，可以用于峰谷套利、輔助調(diào)峰、促進(jìn)新能源消納以及獲取租賃收益。本文第3 章針對(duì)以上特點(diǎn)設(shè)計(jì)了多站融合運(yùn)營(yíng)商收益模型。

2）從數(shù)據(jù)中心的角度

數(shù)據(jù)中心作為博弈的跟隨者，將多站融合運(yùn)營(yíng)商的儲(chǔ)能出租容量作為自身收益模型的最大儲(chǔ)能租賃容量約束，優(yōu)化得到自身的最優(yōu)租賃與自建方案。

儲(chǔ)能對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言可以作為UPS 替代，提供供電可靠性支持。相比于項(xiàng)目初期大量建設(shè)UPS 設(shè)備，使用儲(chǔ)能租賃模式可以在任意運(yùn)營(yíng)時(shí)間擴(kuò)充容量，以適應(yīng)市場(chǎng)規(guī)模逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)，避免設(shè)備浪費(fèi)。本文第2 章針對(duì)以上特點(diǎn)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)中心收益模型。

1.2 博弈流程

多站融合運(yùn)營(yíng)商-數(shù)據(jù)中心兩方博弈過(guò)程如附錄圖A1 所示。

具體步驟如下:

步驟1:依據(jù)多站融合運(yùn)營(yíng)商建設(shè)儲(chǔ)能的邊際成本設(shè)置初始租賃價(jià)格。

步驟2:略微提高儲(chǔ)能租賃價(jià)格，并將儲(chǔ)能租賃價(jià)格輸入數(shù)據(jù)中心收益模型進(jìn)行優(yōu)化，得到數(shù)據(jù)中心的初始儲(chǔ)能租賃容量以及運(yùn)行電費(fèi)。

步驟3:多站融合運(yùn)營(yíng)商收益模型依據(jù)數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能租賃意愿、運(yùn)行電費(fèi)以及當(dāng)前儲(chǔ)能租賃價(jià)格，優(yōu)化自身新能源站和儲(chǔ)能電站建設(shè)容量以及向數(shù)據(jù)中心出租的儲(chǔ)能設(shè)備容量。

步驟4:計(jì)算數(shù)據(jù)中心意向租賃容量與多站融合運(yùn)營(yíng)商意向出租容量的差值。此差值越小表示數(shù)據(jù)中心租賃意愿與多站融合運(yùn)營(yíng)商出租意愿越匹配，越容易達(dá)成合作，但其需要的迭代次數(shù)也會(huì)越高，收斂時(shí)間越長(zhǎng)。本文設(shè)定當(dāng)差值的絕對(duì)值小于租賃意愿的0.5%時(shí)，認(rèn)為數(shù)據(jù)中心接受此租賃方案，繼續(xù)步驟5。如不滿(mǎn)足，則將多站融合運(yùn)營(yíng)商計(jì)劃出租儲(chǔ)能設(shè)備的容量輸入數(shù)據(jù)中心收益模型作為最大租賃容量限制重新進(jìn)行優(yōu)化，直至滿(mǎn)足判定條件。以方案2 的博弈結(jié)果為例，0.5%的差值表示數(shù)據(jù)中心的租賃意愿最高有0.5%未被滿(mǎn)足，需要轉(zhuǎn)為自建UPS 的建設(shè)方式。換算成具體數(shù)值，對(duì)應(yīng)最高新增13.96 萬(wàn)元的建設(shè)成本，相比于UPS 儲(chǔ)能建設(shè)總成本7 599.2 萬(wàn)元可以忽略不計(jì)。

步驟5:記錄多站融合運(yùn)營(yíng)商收益，并進(jìn)行判定。若當(dāng)前租賃價(jià)格大于最大租賃價(jià)格，則認(rèn)為繼續(xù)提高租賃價(jià)格已不符合實(shí)際；若不滿(mǎn)足，則重復(fù)進(jìn)行步驟2。

步驟6:依據(jù)多站融合運(yùn)營(yíng)商收益記錄決定最優(yōu)儲(chǔ)能租賃價(jià)格，博弈結(jié)束。

1.3 博弈關(guān)鍵點(diǎn)分析

本文博弈模型的關(guān)鍵點(diǎn)在于儲(chǔ)能設(shè)備的租賃。附錄A 圖A2 分析了儲(chǔ)能設(shè)備租賃對(duì)多站融合運(yùn)營(yíng)商與數(shù)據(jù)中心收益的影響。

對(duì)于多站融合運(yùn)營(yíng)商而言，儲(chǔ)能租賃價(jià)格的提高可以增加單位儲(chǔ)能設(shè)備的收益，但會(huì)降低數(shù)據(jù)中心的租賃意愿，存在優(yōu)化空間；對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，配置儲(chǔ)能容量的提高會(huì)增加單臺(tái)機(jī)柜的成本，但會(huì)帶來(lái)供電可靠性的提升，進(jìn)而增加本數(shù)據(jù)中心機(jī)柜業(yè)務(wù)需求量，而儲(chǔ)能租賃價(jià)格的提高會(huì)增加租賃成本，但會(huì)提升多站融合運(yùn)營(yíng)商出租意愿，降低UPS建設(shè)容量，進(jìn)而節(jié)省建設(shè)成本，存在優(yōu)化空間。

2 數(shù)據(jù)中心收益模型

數(shù)據(jù)中心收益模型是對(duì)數(shù)據(jù)中心決策方案的預(yù)測(cè)，模型針對(duì)當(dāng)前多站融合運(yùn)營(yíng)商提供的儲(chǔ)能租賃價(jià)格以及出租容量，得出使數(shù)據(jù)中心收益最大的最優(yōu)UPS 建設(shè)容量和儲(chǔ)能租賃方案。

附錄A 圖A3 所示為數(shù)據(jù)中心收益模型各個(gè)變量之間的關(guān)系。在多站融合模式下，多站融合運(yùn)營(yíng)商不干預(yù)數(shù)據(jù)中心的具體服務(wù)與管理，僅圍繞儲(chǔ)能租賃價(jià)格分析其對(duì)于數(shù)據(jù)中心收益的影響。

模型將單臺(tái)機(jī)柜運(yùn)營(yíng)收益作為已知常數(shù)，將儲(chǔ)能租賃價(jià)格作為輸入量，輸出最優(yōu)UPS 設(shè)備自建容量、各年租賃容量以及各年運(yùn)行電費(fèi)。

2.1 數(shù)據(jù)中心收益模型決策變量

數(shù)據(jù)中心收益模型的決策變量為單臺(tái)機(jī)柜配置的UPS 容量、數(shù)據(jù)中心自建UPS 容量、運(yùn)營(yíng)期各年向多站融合運(yùn)營(yíng)商租賃的儲(chǔ)能設(shè)備容量以及機(jī)柜建設(shè)數(shù)量。

2.2 數(shù)據(jù)中心收益模型目標(biāo)函數(shù)

數(shù)據(jù)中心收益模型為經(jīng)濟(jì)收益函數(shù)。記截至第y年的運(yùn)營(yíng)總收益為Bd，y，則有

式中:s為單臺(tái)機(jī)柜年運(yùn)營(yíng)收益；k0為單臺(tái)機(jī)柜年運(yùn)營(yíng)成本，包括運(yùn)行電費(fèi)與設(shè)備維護(hù)費(fèi)用；D′i為第i年投入運(yùn)營(yíng)的機(jī)柜數(shù)量；k1為單臺(tái)機(jī)柜建設(shè)成本；Dcons為機(jī)柜建設(shè)數(shù)量，機(jī)柜在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)開(kāi)始前全部建設(shè)完畢，在運(yùn)營(yíng)開(kāi)始后不再新增；km和Cmups分別為UPS主機(jī)的單位成本及建設(shè)容量；kbat和Cbatups分別為UPS儲(chǔ)能的單位成本及建設(shè)容量，自建UPS 設(shè)備在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)開(kāi)始前全部建設(shè)完畢，在運(yùn)營(yíng)開(kāi)始后不再新增；krent和Crent，i分別為儲(chǔ)能設(shè)備單位容量的租金及第i年租賃的容量。

若需考慮數(shù)據(jù)中心不同決策風(fēng)格可能帶來(lái)的影響，可以進(jìn)行如下設(shè)置。由于分析過(guò)程類(lèi)似，本文算例中僅采用長(zhǎng)期型決策風(fēng)格優(yōu)化目標(biāo)。

2.2.1 長(zhǎng)期型決策風(fēng)格

長(zhǎng)期型決策風(fēng)格的優(yōu)化目標(biāo)為運(yùn)營(yíng)期總收益最大。將式（1）中的y取值為項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)年限，即可得到長(zhǎng)期型決策風(fēng)格下的目標(biāo)函數(shù)。

2.2.2 短期型決策風(fēng)格

短期型決策風(fēng)格的主要優(yōu)化目標(biāo)為靜態(tài)投資回收期最小。在收回成本年份yba相同的情況下，次要優(yōu)化目標(biāo)為截至第yba年的總收益最大。

1）主要優(yōu)化目標(biāo)

短期型決策風(fēng)格的主要優(yōu)化目標(biāo)為能夠滿(mǎn)足式（2）條件的最小yba。

2）次要優(yōu)化目標(biāo)

得到最短成本回收年份ybestba之后，在式（1）中令y=ybestba，即可得到次要優(yōu)化目標(biāo)Bd，yba。

2.3 數(shù)據(jù)中心收益模型約束條件

數(shù)據(jù)中心收益模型的約束條件包括:機(jī)柜需求量約束、機(jī)柜建設(shè)數(shù)量約束、UPS 容量約束以及最大儲(chǔ)能租賃容量約束。

2.3.1 機(jī)柜需求量約束

第i年投入運(yùn)營(yíng)的機(jī)柜數(shù)量需小于機(jī)柜需求，即

式中:Di為運(yùn)營(yíng)期各年份的基礎(chǔ)機(jī)柜需求量，詳見(jiàn)附錄A 表A1，其增長(zhǎng)率基于2012—2017 年中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）市場(chǎng)收入規(guī)模歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到；k2為可靠性敏感系數(shù)，用于反映可靠性對(duì)于機(jī)柜需求的提升；v為單臺(tái)機(jī)柜配置的UPS 容量；F(v)為可靠性收益。

記事件A為市電停運(yùn)情況下，UPS 設(shè)備能夠完全提供數(shù)據(jù)中心全部電量需求。本文假設(shè)單次停電時(shí)間t～N(t0，σ2)，其中t0為單次停電時(shí)間的平均值，可以通過(guò)年故障平均停電時(shí)間與年故障平均停電頻率進(jìn)行估算，σ2表示停電時(shí)間的離散程度?；?020 年電力可靠性數(shù)據(jù)估算得到單次停電時(shí)間平均值t0為2.92 h。則事件A發(fā)生的概率P(A)為:

式中:E為單臺(tái)機(jī)柜在單位時(shí)間內(nèi)所需的電量，依據(jù)機(jī)柜功率與數(shù)據(jù)中心的電源使用效率（power usage effectiveness，PUE）進(jìn)行計(jì)算；λ為平均供電可靠率；R0為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)可靠性要求，在本文中設(shè)置為0.999 9。

在實(shí)際案例中，可以依據(jù)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)擬合單次停電時(shí)間的概率分布情況，得到更加精確的模型。

2.3.2 機(jī)柜建設(shè)數(shù)量約束

第i年投入運(yùn)營(yíng)的機(jī)柜數(shù)量需小于機(jī)柜建設(shè)數(shù)量，即

2.3.3 UPS 儲(chǔ)能設(shè)備容量約束

數(shù)據(jù)中心自建UPS 的儲(chǔ)能設(shè)備容量與第i年租賃的儲(chǔ)能容量之和應(yīng)滿(mǎn)足第i年投運(yùn)服務(wù)器的UPS設(shè)備需求。

2.3.4 最大儲(chǔ)能租賃容量約束

數(shù)據(jù)中心向多站融合運(yùn)營(yíng)商租賃的儲(chǔ)能容量不能超過(guò)多站融合運(yùn)營(yíng)商計(jì)劃出租的儲(chǔ)能容量。

式中:Cgridrent，i為多站融合運(yùn)營(yíng)商第i年計(jì)劃向數(shù)據(jù)中心租賃的儲(chǔ)能設(shè)備容量。

2.4 模型求解方法

數(shù)據(jù)中心收益模型使用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解，設(shè)置種群數(shù)量為150，變異概率為0.165，交叉概率為0.825。

在長(zhǎng)期型決策風(fēng)格的收益模型中，收益函數(shù)數(shù)值較大會(huì)導(dǎo)致不同目標(biāo)函數(shù)值個(gè)體之間生存概率相近。為了改善收斂情況，以3 000 次迭代為一輪，在第1 輪迭代中使用收益函數(shù)作為適應(yīng)度進(jìn)行優(yōu)化，之后每一輪的適應(yīng)度函數(shù)設(shè)置為當(dāng)前目標(biāo)函數(shù)值與前一輪最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值之間的差值，并在每次迭代前將適應(yīng)度排在后20%的個(gè)體替換為新個(gè)體。記錄每輪迭代的結(jié)果，經(jīng)過(guò)8～12 輪迭代后得到最優(yōu)解。

在短期型決策風(fēng)格的收益模型中，首先進(jìn)行靜態(tài)投資回收期的優(yōu)化。目標(biāo)函數(shù)值為收回投資成本的時(shí)長(zhǎng)，因此，使用目標(biāo)函數(shù)值的倒數(shù)作為適應(yīng)度。次要優(yōu)化目標(biāo)為收益函數(shù)，求解方法與長(zhǎng)期型決策風(fēng)格類(lèi)似。

3 多站融合運(yùn)營(yíng)商收益模型

在“變電站-新能源站-儲(chǔ)能電站-數(shù)據(jù)中心”四站合一的多站融合模式下，多站融合運(yùn)營(yíng)商可以獲得的融合收益包括:儲(chǔ)能租賃收益、調(diào)峰收益、上網(wǎng)電量收益、數(shù)據(jù)中心電費(fèi)收益。成本包括:儲(chǔ)能建設(shè)費(fèi)用、新能源設(shè)備建設(shè)費(fèi)用、購(gòu)電費(fèi)用、碳排放懲罰費(fèi)用。

多站融合運(yùn)營(yíng)商收益模型針對(duì)當(dāng)前儲(chǔ)能租賃價(jià)格、數(shù)據(jù)中心收益模型返回的運(yùn)行電費(fèi)和儲(chǔ)能租賃需求，決定新能源設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備最優(yōu)容量配置方案，以及計(jì)劃向數(shù)據(jù)中心出租的儲(chǔ)能設(shè)備容量。

模型將全年分為3 種典型日，并針對(duì)各年的數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能租賃需求分別進(jìn)行優(yōu)化，得到各年的最優(yōu)運(yùn)行出力，以此估算整個(gè)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)多站融合運(yùn)營(yíng)商的綜合收益。

3.1 多站融合運(yùn)營(yíng)商收益模型決策變量

多站融合運(yùn)營(yíng)商收益模型的決策變量包括風(fēng)電、光伏以及儲(chǔ)能設(shè)備的建設(shè)容量，每年向數(shù)據(jù)中心出租的儲(chǔ)能容量，以及各典型日情況下的設(shè)備運(yùn)行出力與購(gòu)電電量。

3.2 多站融合運(yùn)營(yíng)商收益模型目標(biāo)函數(shù)

多站融合運(yùn)營(yíng)商收益模型的目標(biāo)函數(shù)為多站融合運(yùn)營(yíng)商綜合成本Call，g最小。記多站融合運(yùn)營(yíng)商收益為Bg、成本為Cg，則有

式中:yall為運(yùn)營(yíng)期總年數(shù)；kd，i為數(shù)據(jù)中心年運(yùn)行電費(fèi)；kd，orig為數(shù)據(jù)中心不考慮儲(chǔ)能租賃時(shí)的運(yùn)行電費(fèi)；t1為單位調(diào)峰輔助服務(wù)量?jī)r(jià)格；Cpa，i為調(diào)峰輔助服務(wù)量；t2為售電電價(jià)；Cdis，i為上網(wǎng)電量；t3為購(gòu)電電價(jià)；Cbuy，i為購(gòu)電量；t4為儲(chǔ)能設(shè)備單位容量建設(shè)價(jià)格；Csto為儲(chǔ)能設(shè)備建設(shè)總?cè)萘?；t5為新能源設(shè)備單位容量建設(shè)價(jià)格；Cre為新能源設(shè)備建設(shè)總?cè)萘浚籺6為碳排放懲罰價(jià)格。

3.3 多站融合運(yùn)營(yíng)商收益模型約束條件

多站融合運(yùn)營(yíng)商收益模型的約束條件包括:新能源站約束、儲(chǔ)能電站約束、調(diào)峰需求約束、購(gòu)電量約束以及能量平衡約束。

3.3.1 新能源站約束

1）風(fēng)光資源約束

式中:Pre(t)為t時(shí)刻新能源設(shè)備出力；Ppredict(t)為t時(shí)刻新能源設(shè)備最大預(yù)測(cè)出力。

2）容量約束

3.3.2 儲(chǔ)能電站約束

記儲(chǔ)能電站t時(shí)刻存儲(chǔ)能量大小為S(t)，則有

式中:Ps，in(t)和Ps，out(t)分別為t時(shí)刻儲(chǔ)能電站充、放電功率；ηs為儲(chǔ)能電站充放電效率；Δt為時(shí)間間隔。

1）容量約束

2）最大最小出力約束

式中:Ps，min和Ps，max分別為儲(chǔ)能設(shè)備最小和最大充放電功率。

3）充放電狀態(tài)約束

即儲(chǔ)能設(shè)備不能同時(shí)充放電。

3.3.3 調(diào)峰需求約束

式中:Ppa(t)為t時(shí)刻融合站調(diào)峰功率；Ppa，dem(t)為t時(shí)刻的調(diào)峰需求［17］。

3.3.4 租賃需求約束

即多站融合運(yùn)營(yíng)商實(shí)際向數(shù)據(jù)中心租賃的儲(chǔ)能設(shè)備的容量應(yīng)不超過(guò)數(shù)據(jù)中心的租賃需求。

3.3.5 能量平衡約束

式中:L(t)為t時(shí)刻變電站負(fù)荷需求；Pbuy(t)為t時(shí)刻購(gòu)電量。

3.4 模型求解方法

多站融合運(yùn)營(yíng)商收益模型的約束條件與目標(biāo)函數(shù)均為線(xiàn)性，因此，直接使用MATLAB+YALMIP+CPLEX 進(jìn)行求解。

4 算例分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

本文模型中各項(xiàng)參數(shù)如表1 所示。數(shù)據(jù)中心收益模型的各項(xiàng)參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)［18-20］設(shè)置。數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)期限設(shè)為10 年。風(fēng)電、光伏設(shè)備建設(shè)價(jià)格按照等值年成本法進(jìn)行折算，計(jì)算前10 年的成本總和作為建設(shè)成本，依據(jù)文獻(xiàn)［21］中的價(jià)格參數(shù)進(jìn)行折算。儲(chǔ)能設(shè)備建設(shè)價(jià)格按照近期實(shí)際中標(biāo)價(jià)格設(shè)置，儲(chǔ)能電站綜合充放電效率依據(jù)文獻(xiàn)［22］設(shè)置。用戶(hù)平均供電可靠率按照《2020 年全國(guó)電力可靠性年度報(bào)告》設(shè)置為99.945%［23］。本算例中使用的變電站負(fù)荷數(shù)據(jù)如附錄A 圖A4 所示，參考文獻(xiàn)［24］進(jìn)行設(shè)置。分時(shí)電價(jià)按照廣東省廣州市現(xiàn)行分時(shí)電價(jià)政策進(jìn)行設(shè)置，如附錄A 圖A5 所示，廣東省某地風(fēng)光最大出力預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄A 圖A6。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

4.2 博弈結(jié)果

方案1:數(shù)據(jù)中心不考慮租賃儲(chǔ)能設(shè)備，采用長(zhǎng)期型決策風(fēng)格參與多站融合建設(shè)。

方案2:數(shù)據(jù)中心考慮租賃儲(chǔ)能作為UPS 設(shè)備，采用長(zhǎng)期型決策風(fēng)格參與多站融合建設(shè)。

博弈結(jié)果如表2、表3 所示，表中方案2 對(duì)應(yīng)的各年份儲(chǔ)能電站容量分配如附錄A 圖A7 所示。

表2 長(zhǎng)期型決策風(fēng)格數(shù)據(jù)中心參與博弈時(shí)的多站融合運(yùn)營(yíng)商配置結(jié)果Table 2 Configuration result of multi-station integrated operator when data center with long-term decision-making style participates in game

表3 長(zhǎng)期型決策風(fēng)格數(shù)據(jù)中心參與博弈時(shí)的數(shù)據(jù)中心配置結(jié)果Table 3 Configuration result of data center when data center with long-term decision-making style participates in game

表2 中方案1 與方案2 的風(fēng)電、光伏設(shè)備配置容量相同，這是因?yàn)轱L(fēng)電、光伏設(shè)備最優(yōu)配置容量主要與風(fēng)光資源以及負(fù)荷情況有關(guān)，不受儲(chǔ)能租賃價(jià)格的影響。

相較于方案1，方案2 中最優(yōu)機(jī)組建設(shè)數(shù)量有所提高，這是因?yàn)樽赓U儲(chǔ)能的方式避免了UPS 設(shè)備的閑置，降低了UPS 設(shè)備的平均成本。

方案2 中儲(chǔ)能建設(shè)容量也有提高，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)中心提供的租賃費(fèi)用提高了單位容量?jī)?chǔ)能設(shè)備能夠帶來(lái)的平均收益。在運(yùn)營(yíng)初期，多站融合運(yùn)營(yíng)商使用儲(chǔ)能進(jìn)行峰谷平抑，新能源消納；在運(yùn)營(yíng)后期，數(shù)據(jù)中心租賃需求提高后，逐年增加出租比例，可以獲得運(yùn)營(yíng)期整體最優(yōu)收益。

對(duì)比兩個(gè)方案中多站融合運(yùn)營(yíng)商與數(shù)據(jù)中心的收益情況可以發(fā)現(xiàn)，使用本文所提的運(yùn)營(yíng)模式時(shí)，多站融合運(yùn)營(yíng)商的綜合成本從29 740.7 萬(wàn)元下降到26 688.2 萬(wàn)元，降低了10.26%。此外，數(shù)據(jù)中心總收益提高了1 265.8 萬(wàn)元，降低了6 208.2 萬(wàn)元的配套UPS 建設(shè)成本，有效緩解了數(shù)據(jù)中心在項(xiàng)目初期需要承擔(dān)的資金壓力，保證了數(shù)據(jù)中心參與多站融合建設(shè)的積極性。

在儲(chǔ)能設(shè)備利用方面，方案1 的UPS 設(shè)備與儲(chǔ)能電站建設(shè)容量共計(jì)128.43 MW·h，產(chǎn)生10 524 萬(wàn)元收益，儲(chǔ)能設(shè)備帶來(lái)了81.9 萬(wàn)元收益；方案2 的UPS 設(shè)備與儲(chǔ)能電站建設(shè)容量共計(jì)114.59 MW·h，產(chǎn)生了12 535.9 萬(wàn)元收益，儲(chǔ)能設(shè)備產(chǎn)生的平均收益為109.4 萬(wàn)元/（MW·h）?？梢?jiàn)，儲(chǔ)能設(shè)備產(chǎn)生的平均收益提高了33.57%，有效提高了儲(chǔ)能設(shè)備的平均收益。

4.3 融合站整體收益分析

將數(shù)據(jù)中心收益與多站融合運(yùn)營(yíng)商綜合成本的差值記為融合站整體收益。隨著儲(chǔ)能租賃價(jià)格的提高，其變化情況如圖1 所示，圖中參考收益為不考慮租賃儲(chǔ)能時(shí)的數(shù)據(jù)中心收益。

圖1 融合站收益變化曲線(xiàn)Fig.1 Variation curves of revenues of fusion station

由圖1 可以看出，隨著儲(chǔ)能租賃價(jià)格提高，數(shù)據(jù)中心收益始終高于不考慮租賃儲(chǔ)能時(shí)的收益，有效保障了數(shù)據(jù)中心參與的積極性。此外，融合站整體收益有效提高，按照本文方法得到的配置結(jié)果可以同時(shí)達(dá)到多站融合運(yùn)營(yíng)商綜合成本最低和融合站整體收益最優(yōu)。

本文模型得到的是各個(gè)租賃價(jià)格下的帕累托最優(yōu)解。在實(shí)際案例中，可以依據(jù)本文模型得到的各不同租賃價(jià)格下的兩方收益情況，選擇其他合適的租賃價(jià)格，以提高數(shù)據(jù)中心的參與積極性。

4.4 數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模分析

圖2 所示為儲(chǔ)能租賃價(jià)格變化時(shí)，數(shù)據(jù)中心建設(shè)機(jī)柜數(shù)量與UPS 設(shè)備自建容量變化曲線(xiàn)。

圖2 數(shù)據(jù)中心建設(shè)機(jī)柜數(shù)量與UPS 容量變化曲線(xiàn)Fig.2 Variation curves of number of cabinets and capacity of UPS built in data center

由圖2 可以看出，當(dāng)租賃價(jià)格處在較低范圍時(shí)，機(jī)柜建設(shè)數(shù)量較少，這是由最大儲(chǔ)能租賃容量約束導(dǎo)致的。因?yàn)榇藭r(shí)作為配套設(shè)備的UPS 設(shè)備平均成本較低，數(shù)據(jù)中心本應(yīng)規(guī)劃建設(shè)大量機(jī)柜，但租賃價(jià)格低同樣降低了多站融合運(yùn)營(yíng)商的出租意愿，因此迭代后的最終方案中租賃容量較低。以租賃價(jià)格為16 元/（kW·h）時(shí)的迭代過(guò)程為例，數(shù)據(jù)中心機(jī)柜建設(shè)數(shù)量隨迭代次數(shù)增加的變化曲線(xiàn)如附錄A 圖A8 所示。

隨著租賃價(jià)格的提高，多站融合運(yùn)營(yíng)商的出租意愿也提高，最終方案中的機(jī)柜建設(shè)數(shù)量迅速增加，自建UPS 設(shè)備容量則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)租賃價(jià)格繼續(xù)提高時(shí)，數(shù)據(jù)中心大量降低機(jī)柜建設(shè)數(shù)量，提升自建UPS 的容量，以降低需要的配套UPS 設(shè)備容量，進(jìn)而降低成本，保障收益。

此外，自建UPS 容量呈現(xiàn)階梯上升特征，這是由市場(chǎng)規(guī)模逐年上升的特征決定的。當(dāng)從第i年開(kāi)始的新增租賃容量的租賃總費(fèi)用超過(guò)建設(shè)成本時(shí)，數(shù)據(jù)中心就會(huì)將這部分租賃容量轉(zhuǎn)為自建方式。

4.5 多站融合運(yùn)營(yíng)商收益分析

圖3 所示為儲(chǔ)能租賃價(jià)格對(duì)于多站融合運(yùn)營(yíng)商成本與收益的影響。由圖3 可以看出，隨著儲(chǔ)能租賃價(jià)格的提高，多站融合運(yùn)營(yíng)商收益與成本逐漸提高，綜合成本逐漸降低。在超過(guò)最優(yōu)價(jià)格后，收益與成本迅速下降，綜合成本快速上升。結(jié)合4.3 節(jié)中有關(guān)數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模的分析可知，多站融合運(yùn)營(yíng)商收益與成本的變化主要是由數(shù)據(jù)中心機(jī)柜建設(shè)規(guī)模導(dǎo)致的。

圖3 多站融合運(yùn)營(yíng)商綜合成本變化曲線(xiàn)Fig.3 Variation curves of comprehensive cost of multistation integrated operators

圖4 所示為相比于方案1，方案2 各項(xiàng)成本與收益變化量占總變化量的比重。可以看出，考慮儲(chǔ)能租賃后帶來(lái)的收益提升主要包括儲(chǔ)能租賃、上網(wǎng)電量收益以及數(shù)據(jù)中心電費(fèi)增益三方面，成本的提升主要包括建設(shè)成本與購(gòu)電成本兩方面。最優(yōu)方案中建設(shè)成本的提升占成本上升總量的72%，這部分的新增設(shè)備主要用于儲(chǔ)能租賃以及向電網(wǎng)售電，帶來(lái)的收益增長(zhǎng)占收益總增長(zhǎng)的82%。

圖4 各項(xiàng)成本與收益變化占比圖Fig.4 Proportion chart of cost and revenue changes

4.6 短期型決策風(fēng)格數(shù)據(jù)中心參與博弈結(jié)果分析

方案3:數(shù)據(jù)中心不考慮租賃儲(chǔ)能設(shè)備，采用短期型決策風(fēng)格參與多站融合建設(shè)。

方案4:數(shù)據(jù)中心考慮租賃儲(chǔ)能作為UPS 設(shè)備，采用短期型決策風(fēng)格參與多站融合建設(shè)。

博弈結(jié)果如表4、表5 所示。通過(guò)方案3 與方案4 的博弈結(jié)果對(duì)比可以看出，對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，為了盡快收回成本，方案4 全部的UPS 建設(shè)容量都通過(guò)租賃方式進(jìn)行，雖然運(yùn)營(yíng)總收益降低了7.8%，但可以提前1 年收回成本。

表4 短期型決策風(fēng)格數(shù)據(jù)中心參與博弈時(shí)的多站融合運(yùn)營(yíng)商配置結(jié)果Table 4 Configuration result of multi-station integrated operator when data center with short-term decision-making style participates in the game

表5 短期型決策風(fēng)格數(shù)據(jù)中心參與博弈時(shí)的數(shù)據(jù)中心配置結(jié)果Table 5 Configuration result of data center when data center with short-term decision-making style participates in the game

對(duì)于多站融合運(yùn)營(yíng)商而言，數(shù)據(jù)中心的租賃意愿在各年均相同。因此，僅儲(chǔ)能建設(shè)容量增加了數(shù)據(jù)中心需求量以獲取租賃收益，其余各項(xiàng)收益與成本不變。

短期型決策風(fēng)格數(shù)據(jù)中心參與博弈時(shí)，多站融合運(yùn)營(yíng)商收益最優(yōu)的儲(chǔ)能租賃價(jià)格為19.6 元/（kW·h），相比于表2 方案2 中21.3 元/（kW·h）的最優(yōu)年租賃價(jià)格更低，這是因?yàn)槎唐谛蜎Q策風(fēng)格數(shù)據(jù)中心以收回成本時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，當(dāng)租賃價(jià)格超過(guò)最優(yōu)年租賃價(jià)格并繼續(xù)增加時(shí)，為了進(jìn)一步降低成本，數(shù)據(jù)中心收益模型會(huì)減少機(jī)柜建設(shè)數(shù)量，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能租賃的容量減少，反而降低了多站融合運(yùn)營(yíng)商的收益。這一過(guò)程對(duì)應(yīng)的機(jī)柜建設(shè)數(shù)量變化如附錄A 圖A9 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立了多站融合模式下數(shù)據(jù)中心與多站融合運(yùn)營(yíng)商的儲(chǔ)能租賃博弈模型，獲得了各租賃價(jià)格下建設(shè)與租賃方案的帕累托最優(yōu)解，為多站融合運(yùn)營(yíng)商提供了決策參考。通過(guò)算例驗(yàn)證了本文所提運(yùn)營(yíng)模式在提高多站融合收益、提高儲(chǔ)能設(shè)備經(jīng)濟(jì)性、保障各參與主體參與積極性方面的優(yōu)越性。

本文暫未涉及多站融合運(yùn)營(yíng)商與電網(wǎng)公司之間的收益分配機(jī)制，將在下一步工作中進(jìn)行研究。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。