考慮多主體電能交易的云儲(chǔ)能服務(wù)機(jī)制

王苗苗, 李華強(qiáng), 何永祥

(1.智能電網(wǎng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(四川大學(xué)), 成都市 610065；2.國網(wǎng)四川省電力公司遂寧供電公司, 四川省遂寧市 629000)

0 引 言

隨著十四五期間“雙碳”目標(biāo)的提出[1]，電力體制改革正如火如荼地進(jìn)行，加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)勢在必行[2]。未來30年內(nèi)，電力系統(tǒng)將逐漸進(jìn)入高比例可再生能源和大規(guī)模儲(chǔ)能的時(shí)代[3]。與此同時(shí)，大規(guī)模新能源并網(wǎng)且消納能力不足等問題亟待解決[4-5]。而儲(chǔ)能因發(fā)用電的時(shí)空解耦性，能緩解可再生能源發(fā)電與負(fù)荷用電之間的矛盾[6-7]，在電力系統(tǒng)的地位和價(jià)值與日俱增，成為一種廣泛應(yīng)用的資源。在此發(fā)展大趨勢下，因儲(chǔ)能行業(yè)缺乏多元化商業(yè)模式，必然存在儲(chǔ)能容量利用率不足等問題[8]。同時(shí)，近年來共享經(jīng)濟(jì)的理念在能源行業(yè)有效地促進(jìn)了資源的高效利用?；谏鲜霰尘?，云儲(chǔ)能概念的提出對于提升儲(chǔ)能資源利用率、降低用戶用能成本等方面具有重要意義。

目前，對于云儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究已涵蓋多方面的成果。文獻(xiàn)[9-10]將云儲(chǔ)能定義為一種基于已建成的現(xiàn)有電網(wǎng)的共享式儲(chǔ)能技術(shù)，由集中式或分布式的儲(chǔ)能設(shè)施構(gòu)成，并對云儲(chǔ)能概念的運(yùn)行機(jī)制和商業(yè)模式進(jìn)行了詳細(xì)的理論闡述，證明了云儲(chǔ)能業(yè)務(wù)的合理性和發(fā)展?jié)摿ΑＮ墨I(xiàn)[11]從最大化投資回報(bào)率和最大化利潤率角度做云儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)效益分析，對比原來配備光伏發(fā)電的單個(gè)分布式儲(chǔ)能，得出電力消費(fèi)者和產(chǎn)消者購買云儲(chǔ)能服務(wù)會(huì)使多方獲利的結(jié)論。文獻(xiàn)[12]從售電公司的角度研究共享模式下的儲(chǔ)能優(yōu)化配置方案，并建立了基于售電公司貢獻(xiàn)度的利益分配機(jī)制，驗(yàn)證了售電公司共享儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[13]從共享儲(chǔ)能電站的角度，建立了基于納什談判理論的各主體合作運(yùn)行模型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)收益最大化和電能交易談判支付。文獻(xiàn)[14]提出一種基于共享儲(chǔ)能電站的工業(yè)用戶日前優(yōu)化經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，從服務(wù)收益、投資回收期及定價(jià)等方面分析其商業(yè)化運(yùn)營模式。文獻(xiàn)[15]提出了社區(qū)清潔電力的共享機(jī)制且考慮了居民用電總費(fèi)用和清潔能源消納量雙目標(biāo)。文獻(xiàn)[16]在微電網(wǎng)架構(gòu)中引入云儲(chǔ)能為用戶提供“虛擬分布式儲(chǔ)能”服務(wù)，以博弈的方式完成多智能體優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多方共贏。文獻(xiàn)[17]提出一種以云儲(chǔ)能平臺(tái)為核心的商業(yè)模式，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能盈余資源和儲(chǔ)能需求用戶的匹配機(jī)制和存儲(chǔ)容量及功率容量的定價(jià)機(jī)制，有效驗(yàn)證平臺(tái)經(jīng)濟(jì)下儲(chǔ)能資源交易的可行性。文獻(xiàn)[18-19]設(shè)計(jì)了考慮峰谷電價(jià)的云儲(chǔ)能服務(wù)方案，將儲(chǔ)能分為僅能量型儲(chǔ)能、僅功率型儲(chǔ)能和兩者的混合形式儲(chǔ)能三種模式進(jìn)行租賃，并從用戶的角度分析了方案的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[20]將云儲(chǔ)能租賃機(jī)制引入輔助服務(wù)市場，得到風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合最優(yōu)競價(jià)策略以及云儲(chǔ)能的最優(yōu)電力市場投標(biāo)策略，以多途徑競標(biāo)實(shí)現(xiàn)云儲(chǔ)能租賃服務(wù)的價(jià)值。

從研究現(xiàn)狀來看，目前云儲(chǔ)能業(yè)務(wù)在發(fā)展路徑、容量配置、運(yùn)營模式、交易機(jī)制等方面已有一定程度探索，但多數(shù)研究集中于對儲(chǔ)能資源共享模式的規(guī)劃性研究，鮮有針對云儲(chǔ)能平臺(tái)的市場化服務(wù)機(jī)制及商業(yè)模式在具體實(shí)施時(shí)的細(xì)節(jié)探討，在一定程度上阻礙了云儲(chǔ)能平臺(tái)的規(guī)模化發(fā)展。具體而言，存在以下不足之處：1)聚焦于用戶效益的研究居多，弱化了云儲(chǔ)能平臺(tái)的角色，缺乏云儲(chǔ)能服務(wù)業(yè)務(wù)的商業(yè)化實(shí)施指導(dǎo)；2)采用博弈的方式實(shí)現(xiàn)個(gè)體效益最大化，無法達(dá)到全局最優(yōu)的效果；3)云儲(chǔ)能的服務(wù)方案多限于儲(chǔ)能資源的轉(zhuǎn)讓使用，未發(fā)掘存儲(chǔ)電能可交易的潛在價(jià)值；4)缺乏必要的競爭機(jī)制來提升平臺(tái)運(yùn)行效率，目前的效益分配方案多采用貢獻(xiàn)度固定的分配機(jī)制，會(huì)使用戶在平臺(tái)上的自主性不高，沒有起到激勵(lì)作用，不利于參與主體通過提升競爭力提高整體的經(jīng)濟(jì)效益。

針對上述問題，本文從參與主體、服務(wù)設(shè)計(jì)、運(yùn)營策略展開對云儲(chǔ)能服務(wù)機(jī)制的設(shè)計(jì)。具體而言，首先對用戶用能行為及特征進(jìn)行分析，搭建云儲(chǔ)能服務(wù)架構(gòu)并設(shè)計(jì)詳細(xì)的業(yè)務(wù)流程；其次，依據(jù)供需雙方情況，以保證用戶整體效益最優(yōu)為目的構(gòu)建日前電能調(diào)度模型及策略；然后，引入競爭機(jī)制建立供需雙方的電能交易競價(jià)及匹配策略；此外，設(shè)計(jì)違約處理及費(fèi)用結(jié)算模型，明確各參與主體的效益情況；最后，以某園區(qū)為例驗(yàn)證所提服務(wù)機(jī)制的可行性及有效性。結(jié)果表明，該機(jī)制有利于挖掘儲(chǔ)能資源與可再生能源匹配的價(jià)值，促進(jìn)可再生能源最大程度就地消納，降低用戶用能成本，提升各主體積極性和自主性，實(shí)現(xiàn)用戶間良性競爭與多方共贏。

1 云儲(chǔ)能服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)及業(yè)務(wù)流程

1.1 總體架構(gòu)

本文所提的云儲(chǔ)能服務(wù)機(jī)制架構(gòu)計(jì)及參與主體包含四類，分別為：云儲(chǔ)能服務(wù)商(以下簡稱“服務(wù)商”)、園區(qū)可再生能源發(fā)電商(以下簡稱“發(fā)電商”)、園區(qū)可再生能源產(chǎn)消用戶(以下簡稱“產(chǎn)消用戶”)、無任何分布式發(fā)電設(shè)備的電力用戶(以下簡稱“純負(fù)荷用戶”)。參與主體間的關(guān)系可表現(xiàn)為：以云儲(chǔ)能服務(wù)商為核心，其余主體為其服務(wù)業(yè)務(wù)開展的靶向目標(biāo)用戶。云儲(chǔ)能服務(wù)商基于云儲(chǔ)能服務(wù)平臺(tái)，在發(fā)電商、產(chǎn)消用戶、純負(fù)荷用戶之間搭建具有價(jià)值的信息通道，充分利用用戶之間對電能需求的差異性及互補(bǔ)性提供虛擬儲(chǔ)能服務(wù)。同時(shí)，發(fā)電商、產(chǎn)消用戶、純負(fù)荷用戶在云儲(chǔ)能服務(wù)商的信息決策下，通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各主體之間的電能交易。該服務(wù)機(jī)制以區(qū)域內(nèi)最大程度消納可再生能源為目的，因此在云儲(chǔ)能的最優(yōu)決策下用戶行為表現(xiàn)為：內(nèi)部交易不能完全滿足負(fù)荷時(shí)用戶從電網(wǎng)購電僅限于自用，不進(jìn)行套利即從整體上減少電網(wǎng)購電量，或由服務(wù)商在容量、經(jīng)濟(jì)性等限制下規(guī)定用戶的出清電量，使這部分與電網(wǎng)交互的費(fèi)用由服務(wù)商墊付或代收，并在日內(nèi)結(jié)束時(shí)進(jìn)行費(fèi)用結(jié)算。基于各參與主體間的關(guān)系，提出云儲(chǔ)能服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 云儲(chǔ)能服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Architecture of cloud energy storage platform

此外，目前園區(qū)的用戶設(shè)備種類不一、用能特征多樣，同一用戶其電能的供需關(guān)系也會(huì)根據(jù)自身產(chǎn)用能狀況隨時(shí)變化產(chǎn)消角色。因此，為方便研究，本文將產(chǎn)消用戶既歸為供給用戶，又歸為需求用戶。

1.2 云儲(chǔ)能服務(wù)機(jī)制業(yè)務(wù)流程

平臺(tái)經(jīng)濟(jì)的有效實(shí)現(xiàn)離不開業(yè)務(wù)流程的設(shè)計(jì)。云儲(chǔ)能服務(wù)商需要規(guī)范的業(yè)務(wù)流程助力平臺(tái)在開展服務(wù)時(shí)高效運(yùn)行[21]。本文構(gòu)建的云平臺(tái)服務(wù)機(jī)制業(yè)務(wù)流程劃分為說明、申報(bào)、簽約、供需提交、信息決策、競價(jià)匹配、運(yùn)行、違約處理、費(fèi)用結(jié)算，如圖2所示。

圖2 云儲(chǔ)能服務(wù)機(jī)制業(yè)務(wù)流程Fig.2 Business process of cloud platform service mechanism

1) 說明階段：云儲(chǔ)能服務(wù)商制定儲(chǔ)能資源服務(wù)條款，條款內(nèi)容包括服務(wù)商與用戶方的權(quán)力、義務(wù)及租賃單價(jià)等，并向園區(qū)內(nèi)所有目標(biāo)用戶告知。

2) 申報(bào)階段：在充分了解服務(wù)條款且愿意參與云儲(chǔ)能服務(wù)的用戶需申報(bào)自己的用戶類型和參與服務(wù)的時(shí)限(至少1天)等。

3) 簽訂階段：云儲(chǔ)能服務(wù)商審核用戶提交的申報(bào)材料，并與合格的用戶簽訂云儲(chǔ)能服務(wù)業(yè)務(wù)合同。

4) 供需提交階段：已參與服務(wù)的用戶在日前向云平臺(tái)提交的信息包括：供給用戶對運(yùn)行日每時(shí)段的預(yù)測發(fā)電量；需求用戶的用電負(fù)荷需求。

5) 信息決策階段：云儲(chǔ)能服務(wù)商梳理每時(shí)段總供給電量、總需求電量，根據(jù)電網(wǎng)電價(jià)及云儲(chǔ)能資源的實(shí)際容量，進(jìn)行信息決策并將日前電能調(diào)度策略的結(jié)果進(jìn)行發(fā)布。

6) 競價(jià)匹配階段：云儲(chǔ)能服務(wù)商撮合各主體進(jìn)行集合競價(jià)，確定匹配的供需雙方、成交電量和成交價(jià)格，以此實(shí)現(xiàn)多主體電能交易。需強(qiáng)調(diào)的是供給用戶整體必須履行滿足供給總量的義務(wù)，否則服務(wù)商有權(quán)依據(jù)合同條款對用戶采取強(qiáng)制性懲罰措施(如剝奪用戶參與服務(wù)的權(quán)利)。

7) 運(yùn)行階段：在實(shí)際運(yùn)行日開始，云儲(chǔ)能服務(wù)商將日前預(yù)交易計(jì)劃傳達(dá)給相應(yīng)的參與用戶，用戶根據(jù)收到的指令對虛擬云儲(chǔ)能資源進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電力交割。若有用戶不能遵守日前預(yù)交易計(jì)劃，則采取違約處理。此階段是為了激勵(lì)用戶精準(zhǔn)預(yù)測、誠信上報(bào)，為平臺(tái)營造信譽(yù)良好的運(yùn)營環(huán)境。

8) 費(fèi)用結(jié)算階段：在實(shí)際運(yùn)行日后，云儲(chǔ)能服務(wù)商與參與用戶進(jìn)行租賃費(fèi)用、電能墊付和代收費(fèi)用及競拍費(fèi)用的結(jié)算。

2 日前電能調(diào)度模型及策略

鑒于實(shí)際情況中可再生能源發(fā)電設(shè)備種類繁多，本文從普適性角度出發(fā)，主要考慮了園區(qū)內(nèi)常見的光伏(photovoltaic，PV)、風(fēng)機(jī)(wind power generator，WPG)和蓄電池類型的儲(chǔ)能設(shè)備(energy storage device，ESD)。在此基礎(chǔ)上，本節(jié)針對前述內(nèi)容進(jìn)行全方位電能優(yōu)化，展開模型及策略構(gòu)建。

日前電能調(diào)度模型由目標(biāo)函數(shù)、涉及的約束條件及云儲(chǔ)能租賃服務(wù)定價(jià)構(gòu)成，日前電能調(diào)度策略由發(fā)布的決策變量制定。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

云儲(chǔ)能服務(wù)商以四類主體的整體凈用能成本(用電成本、出清收入和云儲(chǔ)能服務(wù)成本)最小為目標(biāo)制定決策，即以可再生能源最大程度就地消納的方式實(shí)現(xiàn)整體利益最大化。建立的目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)

2.2 約束條件

2.2.1 各用戶的電力平衡約束

四類主體包含的用戶在各時(shí)刻都應(yīng)保證功率平衡約束。按照與電能的供需關(guān)系，可做具體細(xì)分。其中，需求用戶約束可描述為：

(2)

供給用戶約束可描述為：

(3)

供需雙方功率平衡約束可描述為：

(4)

2.2.2 云儲(chǔ)能約束

本文所述的云儲(chǔ)能服務(wù)考慮的設(shè)備約束主要包括云儲(chǔ)能充放電行為約束、充放電功率約束、容量連續(xù)變動(dòng)約束、云儲(chǔ)能狀態(tài)約束、日凈充電量約束，分別可描述為：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

2.3 云儲(chǔ)能租賃服務(wù)價(jià)格

各時(shí)刻用戶使用云儲(chǔ)能的功率變化表現(xiàn)為其在儲(chǔ)能設(shè)備中存儲(chǔ)的能量狀態(tài)，因此采用一種對各用戶各時(shí)段占用云儲(chǔ)能資源的能量容量狀態(tài)的模式進(jìn)行收取服務(wù)費(fèi)。該計(jì)價(jià)模式不同于將固定容量的虛擬儲(chǔ)能按日整租的方式，而是從類似于“流量”的角度對能量按時(shí)間計(jì)費(fèi)，體現(xiàn)了“用多少、付多少”的定價(jià)模式，以用戶間靈活使用儲(chǔ)能設(shè)備的方式促進(jìn)利用率，并且制定的單價(jià)須使云儲(chǔ)能服務(wù)商能夠收回成本且還有利潤空間。

蓄電池儲(chǔ)能的全壽命周期成本包括初始投資成本、輔助設(shè)施成本、運(yùn)維成本、更新成本、報(bào)廢處理成本和剩余殘值[11]。由于儲(chǔ)能成本較高，并且云儲(chǔ)能租賃服務(wù)的定價(jià)方法不作為本文的研究重點(diǎn)，本文僅考慮儲(chǔ)能的初始投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本。初始投資成本是設(shè)備投建初期一次性投入的固定資金，由額定功率容量成本及能量容量成本共同構(gòu)成，且計(jì)及貼現(xiàn)率[22]。運(yùn)行維護(hù)成本主要受儲(chǔ)能的額定功率影響[8]。具體可用如下公式表示:

(10)

(11)

式中：Cinv為初始投資成本；Com為運(yùn)行維護(hù)成本；ppinv為儲(chǔ)能單位功率容量投資費(fèi)用；pcinv為儲(chǔ)能單位能量容量投資費(fèi)用；pop為儲(chǔ)能單位功率容量維護(hù)費(fèi)用；ε為貼現(xiàn)率；y為儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定壽命。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行壽命受其多次充放電導(dǎo)致的容量損耗過程影響[23]，本文不作為研究重點(diǎn)，采用儲(chǔ)能系統(tǒng)額定運(yùn)行壽命。儲(chǔ)能系統(tǒng)在每天的實(shí)際運(yùn)行中可將各時(shí)刻荷電狀態(tài)等效表示為全天平均荷電狀態(tài)，從而根據(jù)全天平均荷電狀態(tài)、額定運(yùn)行壽命和盈利系數(shù)計(jì)算服務(wù)單價(jià)，即可表示為：

(12)

式中：δ為全天各時(shí)刻平均荷電狀態(tài)；G為服務(wù)商設(shè)置的盈利系數(shù)。

2.4 日前電能調(diào)度策略

求解2.1—2.3節(jié)的日前電能調(diào)度模型，可以得到四類用戶在云儲(chǔ)能資源支撐下能夠發(fā)布的日前電能調(diào)度計(jì)劃，并下發(fā)公布給參與用戶，作為后續(xù)競價(jià)匹配階段的信息條件。具體可劃分為需求用戶需求策略，產(chǎn)消用戶自給策略，需求用戶購電策略，供給用戶總電能調(diào)度策略。首先是需求用戶的需求策略，該策略為其余策略制定的前提，即以必須滿足需求用戶各時(shí)刻需求為目標(biāo)：

(13)

其次是產(chǎn)消用戶的自給策略，即各時(shí)段產(chǎn)消用戶從實(shí)時(shí)自發(fā)自用和提取自存電量跨時(shí)段自用的總量策略：

(14)

再次是需求用戶日前各時(shí)段的購電策略，作為參與競價(jià)匹配階段后仍不能滿足負(fù)荷需求且考慮服務(wù)成本的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)方案：

(15)

最后是供給用戶總電能調(diào)度策略：

(16)

(17)

3 電能交易競價(jià)及匹配策略

針對2.4節(jié)已發(fā)布的日前電能調(diào)度策略，云儲(chǔ)能服務(wù)平臺(tái)上以滿足fSTR1為目標(biāo)，在既定的決策下撮合雙方自主進(jìn)行電能交易，由競價(jià)機(jī)制及供需匹配兩方面共同確定各時(shí)段成功交易的匹配對象、成交電量、成交價(jià)格。具體的交易競價(jià)及匹配過程如下：

1) 供需競價(jià)階段：此階段競價(jià)主體參與報(bào)價(jià)。本文采用類似于金融市場的集合競價(jià)模式，在各時(shí)段進(jìn)行多輪次集合競價(jià)。

首先設(shè)定競價(jià)主體的出價(jià)規(guī)則。市場運(yùn)營參數(shù)有：需求用戶直接從電網(wǎng)購電的實(shí)時(shí)電價(jià)pb,t；供給用戶將余電上網(wǎng)的出清價(jià)格ps。假設(shè)供需用戶都采取理性報(bào)價(jià)，即所有用戶的報(bào)價(jià)區(qū)間為[ps,pb,t]。將區(qū)間[ps,pb,t]做R等分，表明競價(jià)交易過程有R+1個(gè)競拍價(jià)格可供選擇，分別是：ps,ps+(pb,t-ps)/R,…,pb,t；其中，可用F表示競價(jià)價(jià)格變化的最小步長，F(xiàn)=(pb,t-ps)/R。供需雙方的報(bào)價(jià)可用式(18)描述：

(18)

式中：pSUP(r)、pDEM(r)分別為供、需用戶選擇的競價(jià)價(jià)格；r表示報(bào)價(jià)區(qū)間等分后的價(jià)格序號(hào)，r∈{0,1,…,R}。

對于供給用戶，假設(shè)首輪報(bào)價(jià)為pSUP(r)，若其首輪交易失敗，則下輪報(bào)價(jià)價(jià)格將以上輪報(bào)價(jià)為基礎(chǔ)根據(jù)用戶意愿下調(diào)一個(gè)或多個(gè)步長F，依此類推，直至報(bào)價(jià)下限ps。同理，對于需求用戶，假設(shè)首輪報(bào)價(jià)為pDEM(r)，若其首輪交易失敗，則下輪報(bào)價(jià)價(jià)格將以上輪報(bào)價(jià)為基礎(chǔ)根據(jù)用戶意愿上調(diào)一個(gè)或多個(gè)步長F，依此類推，直至報(bào)價(jià)上限pb,t。

各參與用戶按照訂單的形式上報(bào)“意愿競價(jià)，意愿電量”，云平臺(tái)記錄各訂單的上報(bào)時(shí)間，訂單最后被確認(rèn)的信息用式(19)表示：

(19)

2) 供需匹配階段：此階段確定供需雙方的匹配信息。首先根據(jù)各用戶的訂單信息按價(jià)格和時(shí)間的優(yōu)先級順序排序形成供需匹配隊(duì)列。供給價(jià)格按“由低到高”以低價(jià)在前排列；需求價(jià)格按“由高到低”以高價(jià)在前排列，分別計(jì)算出每個(gè)價(jià)位上位于隊(duì)列前方的供給和需求訂單上報(bào)總電量，作為累積供給量和累積需求量。某個(gè)價(jià)格的可成交電量是取該價(jià)格及以下的累積供給量和該價(jià)格及以上累積需求量二者中的較小值。集合競價(jià)以最大成交量為原則，選取成交價(jià)格，確保以此價(jià)格成交能夠得到最大的成交量[24]。集合競價(jià)規(guī)則示意圖如圖3所示。

圖3 集合競價(jià)規(guī)則Fig.3 Collective bidding rules

(20)

集合競價(jià)規(guī)則只產(chǎn)生一個(gè)成交價(jià)格，用戶之間的電量不同匹配方式?jīng)]有實(shí)質(zhì)的差異，本文只簡單采用訂單時(shí)間順序進(jìn)行匹配。云平臺(tái)根據(jù)該價(jià)格和成交量確認(rèn)在此輪競價(jià)中可交易的訂單。需要注意的是有的訂單只部分成交，因此平臺(tái)發(fā)布最終成交的訂單信息為:

(21)

本輪報(bào)價(jià)中成功匹配的用戶退出隊(duì)列，未成功匹配的用戶調(diào)整報(bào)價(jià)步長繼續(xù)按“意愿競價(jià)，待匹配電量”為信息上報(bào)，云平臺(tái)記錄上報(bào)時(shí)間。以此方式進(jìn)行下一輪競價(jià)，直至第H輪需求量全部被滿足，此輪未匹配成功的供給競拍量按2.4節(jié)的fSTR4決定上網(wǎng)出清情況，從而結(jié)束集合競價(jià)。

以此方式，從某一初始時(shí)刻開始進(jìn)行連續(xù)時(shí)段的多輪次集合競價(jià)，最終確定包含用戶成交訂單信息的日前電能交易競價(jià)結(jié)果及匹配策略。

4 違約處理及費(fèi)用結(jié)算模型

4.1 違約處理模型

可再生能源出力預(yù)測誤差和用戶負(fù)荷預(yù)測誤差的客觀存在，使供需雙方需要承擔(dān)由于自身預(yù)測誤差帶來的影響，以維護(hù)市場運(yùn)營秩序及可持續(xù)性[25]。因此，云儲(chǔ)能服務(wù)商需制定必要的違約處理方法。本文設(shè)計(jì)的違約處理形式較一般懲罰機(jī)制或直接上網(wǎng)出清不同，而是采取訂單轉(zhuǎn)移優(yōu)先的方式。具體流程如下:

1) 需求用戶若預(yù)判自身存在違約情況，需在下一時(shí)刻進(jìn)行電力交割前提交用電申請“剩余/超額電量”；供給用戶若預(yù)判自身存在違約情況，需在下一時(shí)刻進(jìn)行電力交割前提交發(fā)電申請“缺額電量”，需要強(qiáng)調(diào)的是供給用戶可能存在超額發(fā)電量，也可提交申請“超額發(fā)電量”至平臺(tái)，但其超額發(fā)電量本不屬于違約而是潛在利潤。這些信息由云平臺(tái)集中撮合處理。

2) 對于需求側(cè)用戶，當(dāng)存在需求用戶的實(shí)際需求電量少于得拍量即有剩余電量時(shí)，若同時(shí)存在超額用電的需求用戶，則可優(yōu)先在需求用戶之間進(jìn)行電能訂單的轉(zhuǎn)移。訂單轉(zhuǎn)移規(guī)則為：按本時(shí)刻有剩余電量的需求用戶其最高訂單成交價(jià)格轉(zhuǎn)移，且剩余電量按超額電量需求的比例進(jìn)行分配。若訂單轉(zhuǎn)移后仍存在有剩余電量的需求用戶，則由其自行上網(wǎng)出清并承擔(dān)競價(jià)訂單差價(jià)。若訂單轉(zhuǎn)移后仍存在超額用電的需求用戶，如果同時(shí)有超額供給用戶，即可由平臺(tái)組織下一輪競價(jià)及匹配電量，否則由需求用戶自身從電網(wǎng)購電。

3) 對于供給側(cè)用戶，當(dāng)存在供給用戶的實(shí)際供給量少于成交量即有缺額電量時(shí)，若同時(shí)存在超額發(fā)電的供給用戶，則可優(yōu)先在供給用戶之間進(jìn)行電能訂單的轉(zhuǎn)移。訂單轉(zhuǎn)移規(guī)則為：按本時(shí)刻有缺額電量的供給用戶其最高訂單成交價(jià)格轉(zhuǎn)移，且超額發(fā)電量按缺額電量的比例分配。若訂單轉(zhuǎn)移后仍存在供給缺額用戶，則由其自身從電網(wǎng)實(shí)時(shí)購電并按簽訂的訂單成交價(jià)格與需求用戶交易。

在以訂單轉(zhuǎn)移為主的違約處理措施下，給可再生能源就地消納又提供了途徑，而預(yù)測誤差帶來的經(jīng)濟(jì)成本增量也完全由相關(guān)主體在合理范圍內(nèi)承擔(dān)，不存在惡意懲罰的行為，從而能夠有效穩(wěn)固交易市場秩序。

4.2 費(fèi)用結(jié)算模型

實(shí)際運(yùn)行日前，各用戶結(jié)算金額如式 (22)所示：

(22)

式中：φfinal(i)表示供給用戶i在競價(jià)匹配、向電網(wǎng)購電、上網(wǎng)出清、使用云儲(chǔ)能服務(wù)后的日前收益。

(23)

式中：φfinal(j)表示需求用戶j在競價(jià)匹配、上網(wǎng)出清、使用云儲(chǔ)能服務(wù)后的日前支出。

實(shí)際運(yùn)行日當(dāng)日，各用戶最終費(fèi)用結(jié)算需通過4.1節(jié)模型處理其違約情況，在日前金額的基礎(chǔ)上核算最終交易金額并與同電網(wǎng)墊付和代收的云儲(chǔ)能服務(wù)商結(jié)算。

5 算例分析

5.1 算例設(shè)置

為驗(yàn)證本文所提考慮多主體電能交易的云儲(chǔ)能服務(wù)機(jī)制的可行性和有效性，本文選取某園區(qū)5家工商業(yè)用戶作為算例對象，以冬季某典型日為運(yùn)行日。用戶間的用能習(xí)慣存在差異性，本文將用戶1、2設(shè)置為產(chǎn)消用戶，用戶3、4設(shè)置為純負(fù)荷用戶，用戶5設(shè)置為可再生能源發(fā)電商。附錄A給出了該典型日內(nèi)用戶1—4的用電負(fù)荷數(shù)據(jù)。用戶1、2、5的分布式設(shè)備容量及服務(wù)商選用的集中式儲(chǔ)能設(shè)備容量設(shè)置如表1所示。

表1 參與用戶的設(shè)備容量信息Table 1 Capacity information of each user’s devices

結(jié)合所在地區(qū)的溫度、光照、風(fēng)速等歷史數(shù)據(jù)[26]，風(fēng)光機(jī)組的功率比曲線如附錄B所示。該地區(qū)的一般工商業(yè)分時(shí)電價(jià)：在時(shí)段1—6、23—24為0.416 0元/(kW·h)，在時(shí)段7—10、19—22為1.248 2元/(kW·h)，在時(shí)段11—18為0.832 1元/(kW·h)；上網(wǎng)出清電價(jià)采用0.401 2元/(kW·h)。儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行時(shí)荷電狀態(tài)取0.05～0.95，充放電效率η取95%，儲(chǔ)能單位功率容量投資費(fèi)用ppinv、儲(chǔ)能單位能量容量投資費(fèi)用pcinv分別為3 500元/kW、1 000元/(kW·h),單位儲(chǔ)能功率容量維護(hù)費(fèi)用pop為40元/kW，貼現(xiàn)率為3%[8]，儲(chǔ)能系統(tǒng)額定壽命一般取8年，全天最低平均荷電狀態(tài)δ設(shè)定為60%，租賃服務(wù)的盈利系數(shù)G設(shè)為5%，則云儲(chǔ)能租賃服務(wù)單價(jià)為每時(shí)段0.03元/(kW·h)。在進(jìn)行競價(jià)匹配的過程中，用戶的報(bào)價(jià)行為和匹配順序受自身的成本優(yōu)勢、風(fēng)險(xiǎn)偏好、訂單上報(bào)時(shí)間等多種因素影響，并由實(shí)際的匹配結(jié)果自行決定最終交易結(jié)果。本文為實(shí)驗(yàn)方便，假設(shè)供給用戶中其競爭力排序由高到低是按照用戶1、2、5排序。本文采用MATLAB軟件進(jìn)行編程，并調(diào)用YALMIP工具箱對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。

5.2 電能調(diào)度結(jié)果分析

根據(jù)用戶負(fù)荷情況(見附錄A)進(jìn)行算例求解。云儲(chǔ)能設(shè)備的充放電反映了用戶使用云儲(chǔ)能設(shè)備的電能調(diào)度情況。云儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行日內(nèi)的實(shí)際充/放電情況、設(shè)備能量容量情況如圖4所示。

圖4 云儲(chǔ)能設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況Fig.4 Actual operation scheme of the cloud energy storage

可以看出用戶1—5在平、谷時(shí)段租用云儲(chǔ)能進(jìn)行充電，且集中在峰時(shí)段放電，符合利用儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)“低充高放”的特點(diǎn)。并且，受儲(chǔ)能設(shè)備充/放電效率的物理因素影響，在以最小化全體凈用能成本為目標(biāo)時(shí)，不會(huì)存在同一時(shí)段不同用戶同時(shí)有充/放電需求，即用戶間的電能交互由所提的競價(jià)匹配交易機(jī)制直接完成，因此每時(shí)段的充/放電情況在圖4中表現(xiàn)為單一方向。此外，該算例參數(shù)下運(yùn)行日內(nèi)云儲(chǔ)能設(shè)備的平均能量容量利用率可達(dá)71.76%，此結(jié)果超過預(yù)設(shè)的全天最低平均荷電狀態(tài)。因此，隨著用戶數(shù)量及類型的增多，云儲(chǔ)能設(shè)備的利用率將更高，服務(wù)商在此機(jī)制下存在潛在且可觀的商業(yè)價(jià)值。

用戶1—5整體參與服務(wù)前后的電網(wǎng)購電量情況如圖5所示。

圖5 用戶1—5參與服務(wù)前后總電網(wǎng)購電量對比Fig.5 Comparison of total grid electricity purchases before and after users 1 to 5 participate in the service

用戶側(cè)方面，參與云儲(chǔ)能服務(wù)前，用戶群體每天需從電網(wǎng)購買的電能總量為7 861.48 kW·h，而參與服務(wù)后從電網(wǎng)的購電量為2 779.61 kW·h，顯著下降了64.64%，說明在用電負(fù)荷需求不改變的情況下，該云儲(chǔ)能服務(wù)提高了分布式設(shè)備的整體利用率。用戶只在平、谷時(shí)段購電體現(xiàn)了可租賃云儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，其中平段總量較小、谷段總量較大，并且明顯減少了與主網(wǎng)交互的頻次。電網(wǎng)側(cè)方面，用戶在峰時(shí)段不從電網(wǎng)購電，為電網(wǎng)削峰做出了一定貢獻(xiàn)。用戶群體的出清電量對比情況如附錄C所示，可見通過參與云儲(chǔ)能服務(wù)，能夠最大程度實(shí)現(xiàn)可再生能源就地消納。

可見，通過此云儲(chǔ)能服務(wù)機(jī)制，能有效減少因可再生能源利用率不高帶來與主網(wǎng)頻繁交互的問題，同時(shí)降低用戶用能成本，促進(jìn)可再生能源最大程度就地消納，挖掘了儲(chǔ)能資源與可再生能源匹配的價(jià)值。

5.3 交易匹配及價(jià)格分析

電能交易過程中采用的是多輪次集合競價(jià)的形式，實(shí)際應(yīng)用場景中，競價(jià)匹配結(jié)果由參與交易的主體自主決定。本文為了方便展示競價(jià)匹配結(jié)果，假定供給用戶按照1、2、5從低到高的順序出價(jià)，且價(jià)格連續(xù)分布。結(jié)合附錄D給出的每時(shí)段競價(jià)匹配結(jié)果，可分析每時(shí)段供需雙方的具體成交訂單信息并計(jì)算每時(shí)段的平均成交價(jià)格，如圖6所示。以時(shí)段11為例，結(jié)合圖6給出的此時(shí)段參與競價(jià)的總需求量為154.9141 kW·h，總潛在可供給量為313.5607 kW·h，該時(shí)段的具體交易匹配結(jié)果如表2所示。

圖6 電能交易的成交價(jià)格情況Fig.6 The transaction price of electricity trading

對該時(shí)段成交訂單信息簡要分析如下：第1輪競價(jià)成功時(shí)，用戶1與用戶3以當(dāng)前的最大成交量60.139 9 kW·h成交，而用戶1的供給量仍有約24 kW未滿足。用戶1將再與需求隊(duì)列中的下一位用戶4在第2輪競價(jià)中匹配，以滿足其24.135 8 kW·h的待售出電量需求，由此得到表2中

表2 交易匹配結(jié)果Table 2 Trade marketing results

前兩行的匹配結(jié)果。用戶4的剩余需求電量在第3、4輪競價(jià)中分別與用戶2、5匹配，由此得到此時(shí)段的最終完整交易匹配結(jié)果。運(yùn)行日內(nèi)的其余時(shí)段以相同方式確定成交信息。

由圖6可見，每時(shí)段的成交均價(jià)都介于分時(shí)電價(jià)和出清價(jià)格之間。在時(shí)段1—5、23—24由于谷時(shí)段電價(jià)和上網(wǎng)出清電價(jià)接近，成交價(jià)格都為0.408 6元/(kW·h)。結(jié)合圖4，在時(shí)段14—18的成交均價(jià)與上網(wǎng)出清電價(jià)相當(dāng)，而此時(shí)段將達(dá)到全天的最大存儲(chǔ)容量狀態(tài)，且在時(shí)段17—18總需求量趨于零，說明在總潛在可供給量遠(yuǎn)大于需求量的買方市場下，此競價(jià)機(jī)制可為買方爭取最大程度價(jià)格優(yōu)勢。對比兩個(gè)峰時(shí)段的成交均價(jià)情況，時(shí)段19—22較時(shí)段7—10的總潛在可供給量與總需求量之比減小得更快，因此時(shí)段19—22較時(shí)段7—10的價(jià)格變化更大，且在時(shí)段22達(dá)到全天最高成交價(jià)格0.824 6元/(kW·h)。

由此可見，通過競爭機(jī)制的引入，使市場供需間的變化關(guān)系合理地體現(xiàn)在成交價(jià)格上，實(shí)現(xiàn)了供需雙方的公平交易。本文的交易控制方法以保證用戶提交的需求電量為前提，若賣方各時(shí)段競價(jià)都失敗，將按日前電能調(diào)度策略被強(qiáng)制出清，因此會(huì)積極參與競價(jià)，從而降低了用戶購電的單價(jià)。同時(shí)，交易匹配產(chǎn)生的成交價(jià)格可引導(dǎo)用戶調(diào)整可再生能源的配置，提升市場效率。

5.4 費(fèi)用結(jié)算結(jié)果及效益分析

業(yè)務(wù)流程的費(fèi)用結(jié)算階段，將明確用戶1—5和服務(wù)商在內(nèi)的各主體的各項(xiàng)收支情況及其參與服務(wù)后的收益。各參與主體的費(fèi)用結(jié)算情況如表3所示，其中待支出的成本項(xiàng)用正值表示，相對應(yīng)的收入項(xiàng)用負(fù)值表示。服務(wù)商在一個(gè)運(yùn)行日內(nèi)可獲得服務(wù)費(fèi)為503.09元；而用戶1—5參與服務(wù)后雖都支付了服務(wù)費(fèi)，但整體上均節(jié)約了日用能成本，其下降幅度分別為：82.83%、51.64%、32.92%、35.98%、28.56%。用戶1成本降幅最大，一方面是因?yàn)閰⑴c服務(wù)前獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的凈用能成本基數(shù)最低，大約為523元，另一方面是因?yàn)樵诟們r(jià)交易過程中用戶1最具競爭力且配置的光伏容量較大，加之云儲(chǔ)能與其他用戶的用能行為互補(bǔ)性較強(qiáng)等多種因素，使其競價(jià)交易收入在需求用戶中最大。用戶1—5最終只需與服務(wù)商統(tǒng)一進(jìn)行各項(xiàng)費(fèi)用的結(jié)算，體現(xiàn)了云儲(chǔ)能服務(wù)機(jī)制的簡潔友好性。

表3 各參與主體費(fèi)用結(jié)算情況Table 3 Fee settlement of each participant

6 結(jié) 論

本文基于園區(qū)級別的應(yīng)用場景，對考慮多主體電能交易的云儲(chǔ)能服務(wù)機(jī)制展開研究，基本結(jié)論如下：

1)基于用戶用能行為所提出的云儲(chǔ)能服務(wù)架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程，可為云儲(chǔ)能服務(wù)機(jī)制的商業(yè)化推廣與實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

2)云儲(chǔ)能服務(wù)商以日前電能調(diào)度模型及發(fā)布的策略為依據(jù)，制定各參與主體的電能調(diào)度計(jì)劃，有效提升了全體用戶的用能經(jīng)濟(jì)性，保證了可再生能源最大程度就地消納，充分挖掘了儲(chǔ)能資源與可再生能源匹配的價(jià)值。

3)基于電能交易競價(jià)及匹配策略可實(shí)現(xiàn)用戶間的互利共贏，為用戶參與服務(wù)商對整體規(guī)劃的同時(shí)，創(chuàng)造了效益競爭空間，提高了用戶自主性和交易效率，有助于激勵(lì)用戶調(diào)整可再生能源的資源配置并提升競爭力，促進(jìn)用戶間的良性競爭。

本文提出的考慮多主體電能交易的云儲(chǔ)能服務(wù)機(jī)制，為云儲(chǔ)能商業(yè)化業(yè)務(wù)提供了一種新的思維方式。考慮更全面的分布式儲(chǔ)能資源和集中式儲(chǔ)能相結(jié)合的方式，以套餐方式針對不同類型用戶制定更多元的云儲(chǔ)能服務(wù)形式，以及搭建基于充分競爭的可再生能源價(jià)格發(fā)現(xiàn)和交易市場，是下一步研究的方向。