閆慶友，于振華

（華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206）

0 引言

在環(huán)保壓力加劇、能源供應(yīng)緊缺的狀況下，提高能源利用效率、實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)互通、保障可再生能源消納成為必然選擇。綜合能源系統(tǒng)作為一種人類社會(huì)能源的承載形式，可以實(shí)現(xiàn)多種類型的能源耦合，靈活接入和消納分布式能源，逐漸進(jìn)入人們視野。國(guó)家電網(wǎng)有限公司在確定了向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略后，于2020 年又進(jìn)一步確立了“建設(shè)中國(guó)特色國(guó)際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)”的新戰(zhàn)略［1］，其中能源互聯(lián)網(wǎng)在功能上要實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)互動(dòng)，保障綜合化服務(wù)需求，綜合能源系統(tǒng)已經(jīng)成為未來(lái)能源系統(tǒng)的發(fā)展方向［2-3］。伴隨著綜合能源系統(tǒng)研究的逐步深入，相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)將產(chǎn)生新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)，形成不同的商業(yè)模式。園區(qū)的能源需求包括冷、熱、電等多種形式，并且園區(qū)本身具備各種分布式電源之間的互聯(lián)條件，因此成為分布式綜合能源系統(tǒng)的重要應(yīng)用場(chǎng)景［4］。隨著電改的逐步深入，電源運(yùn)營(yíng)主體向用戶直接售電成為可能。園區(qū)內(nèi)各參與主體如何在協(xié)同優(yōu)化配置資源的同時(shí)保障各方利益，成為促進(jìn)分布式綜合能源系統(tǒng)建設(shè)的重要研究?jī)?nèi)容。

關(guān)于綜合能源系統(tǒng)收益分配，目前已有研究側(cè)重于非合作模式下的收益問(wèn)題或僅考慮部分主體的收益。例如楊崢等［5］針對(duì)三方市場(chǎng)主體，提出了以能源運(yùn)營(yíng)商為主體的市場(chǎng)交易框架，建立了三方理性追求自身利益最大非合作博弈模型。馬恒瑞等［6］建立了儲(chǔ)能參與調(diào)頻服務(wù)的區(qū)域綜合能源運(yùn)營(yíng)優(yōu)化模型，保證了電能與調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)總體利潤(rùn)最大。王旭東等［7］從整體角度出發(fā)提出了多主體商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，但未考慮整體收益如何分配至各參與主體。薛金花等［8］提出了3 種光伏運(yùn)營(yíng)模式，并分析了用戶及能源投資商在不同運(yùn)營(yíng)模式中的效益，但并未考慮用戶負(fù)荷和光伏系統(tǒng)之間的聯(lián)系。WANG 等［9］針對(duì)多能交易問(wèn)題，提出一種基于分層Stackelberg 博弈模型用以解決交易中各主體的利益均衡問(wèn)題。LEE 等［10］重點(diǎn)研究了微網(wǎng)間分布式能源交易機(jī)制，提出收入按銷售額比例進(jìn)行分配。Shapley 值法具有計(jì)算方便、所得解唯一的特點(diǎn)，廣泛用于研究供應(yīng)鏈利益分配問(wèn)題，付秋芳等［11］將TOPSIS 與Shapley 值相結(jié)合，并將之應(yīng)用于供應(yīng)鏈利益分配。李軍等［12］在研究企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟利益分配問(wèn)題時(shí)，對(duì)Shapley 值法進(jìn)行改進(jìn)，使其聯(lián)盟更加穩(wěn)定。Shapley 值近年來(lái)也逐漸應(yīng)用到能源領(lǐng)域，閆慶友等［13］構(gòu)建了基于Shapley 值的碳排放因素分解模型，并分析了京津冀火電行業(yè)碳排放因素。周長(zhǎng)城等［14］建立了工業(yè)園區(qū)綜合能源的合作博弈模型及效用函數(shù)，但未能建立不同運(yùn)營(yíng)模式的收益模型。

鑒于目前研究較多集中在多能系統(tǒng)的單獨(dú)運(yùn)營(yíng)，只追求單方利益最大，對(duì)合作模式下的多主體行為和各主體的收益分配研究較少。以分布式綜合能源系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)園區(qū)分布式綜合能源系統(tǒng)商業(yè)模式和運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，建立各市場(chǎng)主體在不同運(yùn)營(yíng)模式下的收益計(jì)算模型；在此基礎(chǔ)上，考慮多方主體合作運(yùn)營(yíng)的整體利益，運(yùn)用Shapley 值法對(duì)增量收益進(jìn)行分配；并將其應(yīng)用到一個(gè)由分布式光伏、熱電聯(lián)產(chǎn)和用戶三方主體組成的分布式綜合能源系統(tǒng)中。

1 園區(qū)分布式綜合能源運(yùn)營(yíng)模式

分布式能源作為一個(gè)系統(tǒng)工程，包含眾多子系統(tǒng)。如圖1 所示，所研究的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中主要參與的主體包括光伏系統(tǒng)（Photovoltaic，PV）、熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng) （Combined Heating and Power，CHP）、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)（Distributed Energy Storage System，DESS） 以及園區(qū)內(nèi)的工商業(yè)用戶（User，U）。其中分布式儲(chǔ)能采取恰當(dāng)?shù)某浞烹姴呗?，保障園區(qū)供電可靠，提高能源利用；光伏和熱電聯(lián)產(chǎn)為園區(qū)提供電能，CHP 將低品位的熱量為用戶供熱。

圖1 園區(qū)分布式綜合能源系統(tǒng)能量流動(dòng)

在合作供能模式下，各參與主體可以組建合作聯(lián)盟，按照一定規(guī)則合理調(diào)配各種資源，該模式下的能量流和資金流如圖2（b）所示。

圖2 園區(qū)各參與主體供能模式

1.1 傳統(tǒng)單獨(dú)供能模式下收益模型

1）儲(chǔ)能主體收益：儲(chǔ)能在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，在日內(nèi)未進(jìn)行充放電操作，所以沒(méi)有直接的經(jīng)濟(jì)收益。即

2）光伏主體收益：在傳統(tǒng)獨(dú)立供能模式下，光伏主體的收益主要來(lái)源于光伏全額上網(wǎng)的收益和補(bǔ)貼收益。即

3）熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組收益：由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱出力按成本價(jià)出售給市政部門，其收益來(lái)源主要是發(fā)電全額上網(wǎng)。即

選擇培養(yǎng)基，從牦牛酸醡肉中共分離純化得到乳酸菌11株、芽孢桿菌10株、真菌17株(不排除同種菌)，一一編號(hào)，保存于4 ℃冰箱備用。

4）用戶收益：用戶收益主要包括用電和用熱所花費(fèi)用的總和，主要和用能單價(jià)和用能負(fù)荷有關(guān)。即

1.2 綜合能源合作供能模式下收益模型

1）儲(chǔ)能收益：儲(chǔ)能收益主要為賺取峰谷價(jià)差。即

2）光伏收益：主要包括政府補(bǔ)貼、余電上網(wǎng)收益以及出售給儲(chǔ)能企業(yè)的收益。即

3）熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組收益：主要包括出售給用戶的電收益和熱收益。即

4）用戶收益：主要包括購(gòu)熱收益和從熱電聯(lián)產(chǎn)、光伏、儲(chǔ)能以及電網(wǎng)的購(gòu)電收益。即

式中：LG（t）為t 時(shí)刻園區(qū)用戶的購(gòu)電量。

2 基于Shapley 值的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)利益分配

Shapley 值法最早由美國(guó)學(xué)者提出［15］，該方法將聯(lián)盟成員所應(yīng)分配的利益與成員貢獻(xiàn)相匹配，同時(shí)可以體現(xiàn)聯(lián)盟成員之間的個(gè)體博弈，可以體現(xiàn)分配的公平性，被廣泛用于解決動(dòng)態(tài)聯(lián)盟中多人的收益分配問(wèn)題。本文研究的合作供能模式即是多主體參與的合作博弈問(wèn)題，根據(jù)各個(gè)主體在合作項(xiàng)目中的貢獻(xiàn)來(lái)對(duì)收益進(jìn)行合理分配，即主體i 的收益等于i對(duì)其所參與聯(lián)盟的邊際貢獻(xiàn)均值。

假設(shè)I=｛1，2，3，…，n｝為n 個(gè)參與合作項(xiàng)目的主體集合，對(duì)于I 的任一子集S∈I，均對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)數(shù)函數(shù)F（S），該函數(shù)滿足：

式中：F（S）為聯(lián)盟S 的合作收益，即使聯(lián)盟人數(shù)增加，其收益也不會(huì)減少。聯(lián)盟內(nèi)主體i 的利益分配所得值為

式中：S 為包含成員i 的所有子聯(lián)盟；｜S｜為子聯(lián)盟S中成員的個(gè)數(shù)；F（S＼i）為子聯(lián)盟S 除去成員i 后的收益；F（S）－F（S＼i）為成員i 對(duì)子聯(lián)盟S 的邊際貢獻(xiàn)；θ（｜S｜）為聯(lián)盟S 出現(xiàn)的概率，計(jì)算公式為

園區(qū)分布式綜合能源系統(tǒng)中由多個(gè)主體進(jìn)行合作時(shí)，根據(jù)理性原則，合作收益應(yīng)不小于各主體單獨(dú)供能時(shí)的各主體收益之和。園區(qū)主體通過(guò)合作聯(lián)盟增加的收益包含兩部分：聯(lián)盟參與者增加投資所產(chǎn)生的收益和聯(lián)盟內(nèi)部對(duì)于所掌控資源的合理配置所產(chǎn)生的協(xié)作收益，兩者合稱增量收益，可由式（12）表示?；诖?，應(yīng)用Shapley 值法對(duì)增量收益進(jìn)行分配。

3 算例分析

3.1 園區(qū)基本情況

以某工業(yè)園區(qū)為研究對(duì)象，園區(qū)位于我國(guó)北方區(qū)域，存在冬季供暖負(fù)荷，供暖季為國(guó)家法定121 天，供暖建筑面積為10 萬(wàn)m2，選取冬季典型日的園區(qū)電熱負(fù)荷曲線作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖3 所示，典型日時(shí)長(zhǎng)取24 h。園區(qū)內(nèi)主體主要包括分布式光伏運(yùn)營(yíng)商、熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)營(yíng)商以及用戶三大主體。分布式光伏出力特性曲線如圖4 所示，其他邊界計(jì)算條件分別為：光伏全額上網(wǎng)電價(jià)0.65 元／kWh，光伏余額上網(wǎng)補(bǔ)貼電價(jià)為0.32 元／kWh，光伏直供電價(jià)為0.7 元／kWh。園區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采用人馬座40 型號(hào)的機(jī)組，燃機(jī)出力為3 418 kW，熱電比為164.59%，天然氣消耗量為1 280 m3／h，當(dāng)?shù)氐奶烊粴鈨r(jià)為2.31 元／m3。園區(qū)儲(chǔ)能裝置暫未投入使用。用戶從市政購(gòu)熱價(jià)格實(shí)行兩部制熱價(jià)，基礎(chǔ)熱價(jià)為18 元／m2，計(jì)量熱價(jià)為0.25元／kWh，用戶從熱電聯(lián)產(chǎn)直購(gòu)熱價(jià)為91 元／GJ，從電網(wǎng)購(gòu)電的分時(shí)電價(jià)如表1 所示，從熱電聯(lián)產(chǎn)購(gòu)電的直供電價(jià)如表2 所示。

圖3 冬季典型日?qǐng)@區(qū)負(fù)荷曲線

圖4 冬季典型日?qǐng)@區(qū)光伏出力特性曲線

表1 電網(wǎng)購(gòu)電分時(shí)電價(jià)

應(yīng)用構(gòu)建的園區(qū)各主體收益模型，分別測(cè)算園區(qū)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)模式以及合作運(yùn)營(yíng)模式下的總體收益可得，獨(dú)立模式系統(tǒng)總體收益為-9.943 8 萬(wàn)元，合作運(yùn)營(yíng)模式下總體收益為-5.889 3 萬(wàn)元，兩種模式相比，其增量收益為4.054 5 萬(wàn)元。由于用戶用能需求量以及系統(tǒng)內(nèi)的能源供應(yīng)量均不會(huì)隨著模式轉(zhuǎn)換而改變，增量收益主要來(lái)源于在因合作運(yùn)營(yíng)模式下對(duì)系統(tǒng)內(nèi)能源的合理調(diào)度。兩種模式下總收益為負(fù)是因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)電能和熱能供應(yīng)不足，需要從外部電網(wǎng)、熱網(wǎng)獲取能源。

表2 熱電聯(lián)產(chǎn)直供電價(jià)

3.2 增量收益分配

將園區(qū)內(nèi)3 個(gè)主體通過(guò)合作運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造出來(lái)的增量收益作為分配的總收益，直接應(yīng)用Shapley 值法可得各種在主體的分配結(jié)果，分別如表3—表5 所示。

表3 用戶收益分配

表4 分布式光伏收益分配

表5 熱電聯(lián)產(chǎn)收益分配

將表3 中最后一列數(shù)字相加得到園區(qū)內(nèi)用戶應(yīng)分配的增量收益φU（u）=2.276 2 萬(wàn)元，同理，可得園區(qū)內(nèi)光伏運(yùn)營(yíng)商應(yīng)分配的增量收益為φPV（u）=0.271 7 萬(wàn)元，園區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)營(yíng)商的收益為φCCHP（u）=1.506 6 萬(wàn)元。從計(jì)算結(jié)果可以看出，合作模式下用戶的用電用熱成本降低，其余主體的收入均有所增加；因此系統(tǒng)內(nèi)各主體直接進(jìn)行電量和熱的交易有益于降低運(yùn)行成本，提高收益。合作供能模式中，用戶用能成本降低2.276 2 萬(wàn)元，光伏系統(tǒng)增加收益0.271 7 萬(wàn)元，熱電聯(lián)產(chǎn)增加收益1.506 6 萬(wàn)元。因此園區(qū)分布式綜合能源系統(tǒng)更適合采用合作供能運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)分布式綜合能源的特點(diǎn)，得出園區(qū)內(nèi)多個(gè)主體參與下的2 種運(yùn)營(yíng)模式，即獨(dú)立供能模式和合作供能模式；通過(guò)對(duì)2 種模式下不同主體的行為分析，建立各主體收益函數(shù)和總體增量收益函數(shù)；應(yīng)用Shapley 值法對(duì)增量收益進(jìn)行分配。計(jì)算結(jié)果表明，園區(qū)內(nèi)多主體進(jìn)行合作聯(lián)盟，在合作供能模式下能增加整個(gè)系統(tǒng)的總體收益，有效應(yīng)用提升整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，Shapley 值可以較為公正合理的對(duì)增量收益進(jìn)行分配，有利于加強(qiáng)合作聯(lián)盟的整體協(xié)作，保障園區(qū)分布式綜合能源系統(tǒng)創(chuàng)造的社會(huì)效益。