張思遠(yuǎn)，鐘浩

（梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002）

0 引言

儲(chǔ)能可以改變能量的時(shí)空特性，在平抑新能源出力波動(dòng)、調(diào)峰、調(diào)頻等方面發(fā)揮著重要作用［1-2］。然而儲(chǔ)能裝置投資成本較高，容量時(shí)常閑置或不足，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，這些因素嚴(yán)重限制了儲(chǔ)能的廣泛應(yīng)用。隨著共享經(jīng)濟(jì)與互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，共享經(jīng)濟(jì)理念與儲(chǔ)能相融合，“云儲(chǔ)能”的概念被提出［3］。云儲(chǔ)能的主要思想是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。由云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)聚合用戶儲(chǔ)能或建設(shè)集中式儲(chǔ)能，用戶繳納一定費(fèi)用即可獲得虛擬儲(chǔ)能的使用權(quán)［4-5］。與傳統(tǒng)儲(chǔ)能相比，云儲(chǔ)能在減少儲(chǔ)能成本，方便用戶使用等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

迄今為止已有較多學(xué)者對(duì)云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)模式［6-9］、容量配置［10-12］、定價(jià)問題［13-14］與相關(guān)技術(shù)［15-16］展開研究。文獻(xiàn)［6］建立了微電網(wǎng)內(nèi)的云儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)架，證明了云儲(chǔ)能融入微電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)多方共贏。文獻(xiàn)［7］提出了電動(dòng)汽車與云儲(chǔ)能協(xié)同運(yùn)作的體系結(jié)構(gòu)，居民用戶可將其電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能參與到云儲(chǔ)能系統(tǒng)中來獲取收益。文獻(xiàn)［8］對(duì)住宅微電網(wǎng)云儲(chǔ)能服務(wù)進(jìn)行研究，提出了用戶間通過云儲(chǔ)能進(jìn)行能量交易的模式。文獻(xiàn)［9］中社區(qū)用戶以團(tuán)購(gòu)交易模式購(gòu)買儲(chǔ)能，獲得團(tuán)體最小費(fèi)用后，根據(jù)用戶用電量情況將團(tuán)體費(fèi)用分配至各個(gè)用戶。文獻(xiàn)［10］將云儲(chǔ)能模式應(yīng)用于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱的綜合優(yōu)化配置。文獻(xiàn)［11］建立了基于云儲(chǔ)能的冷熱電多微網(wǎng)系統(tǒng)雙層優(yōu)化配置模型，實(shí)現(xiàn)了用戶與云儲(chǔ)能電站的互利共贏。文獻(xiàn)［12］針對(duì)電熱綜合能源微網(wǎng)，提出了云儲(chǔ)能的容量配置與動(dòng)態(tài)租賃模型，并基于納什議價(jià)方法對(duì)各微網(wǎng)的利益進(jìn)行分配。文獻(xiàn)［13］將虛擬儲(chǔ)能按容量單價(jià)與功率單價(jià)進(jìn)行交易，得出混合租賃功率型與能量型儲(chǔ)能的方案，較單一租賃方式更有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)［14］將虛擬儲(chǔ)能按流量單價(jià)進(jìn)行交易，流量單價(jià)越高，云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的收益越高，二者為線性關(guān)系。文獻(xiàn)［15］基于門控循環(huán)單元，提出了一種云儲(chǔ)能充放電策略的分步預(yù)測(cè)技術(shù)，證明云儲(chǔ)能模式能夠減少由光伏負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差所帶來的不利影響。文獻(xiàn)［16］提出了一種基于區(qū)塊鏈的共享儲(chǔ)能機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)交易的公開透明，保障了用戶對(duì)云儲(chǔ)能的可信度。

上述文獻(xiàn)皆是由云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商建立集中式儲(chǔ)能為用戶提供服務(wù)的模式，對(duì)于用戶已有儲(chǔ)能的合理利用尚有待研究。文獻(xiàn)［6-12］沒有考慮服務(wù)費(fèi)價(jià)格的變動(dòng)對(duì)各主體的影響。文獻(xiàn)［13-14］僅分析了價(jià)格不同時(shí)用戶和云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的經(jīng)濟(jì)情況，并沒有進(jìn)行深入研究。云儲(chǔ)能是儲(chǔ)能在共享經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用，現(xiàn)有關(guān)于共享經(jīng)濟(jì)的定價(jià)策略多是以商家利益最大為目標(biāo)，以用戶接入數(shù)量為變量進(jìn)行求解［17-18］，忽視了商家與用戶組成聯(lián)盟的整體利益。對(duì)于商家利益最大時(shí)是否能實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟利益最大尚無(wú)定論［19］。

基于以上問題，本文提出一種聚合微電網(wǎng)內(nèi)用戶儲(chǔ)能的云儲(chǔ)能容量配置方法，研究聚合價(jià)格和云儲(chǔ)能服務(wù)價(jià)格對(duì)儲(chǔ)能交易行為的影響，分析用戶與云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商組成聯(lián)盟的整體利益與個(gè)體利益，建立各主體模型與儲(chǔ)能交易定價(jià)模型。通過算例仿真分析各主體策略與聯(lián)盟獲利情況，并設(shè)置對(duì)比情景，驗(yàn)證本文所提方法的合理性。

1 云儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式

1.1 云儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能交易

儲(chǔ)能交易模式如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能交易示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy storage transaction

用戶分為兩類：儲(chǔ)能提供者與儲(chǔ)能需求者。儲(chǔ)能提供者擁有容量較為充裕的實(shí)體儲(chǔ)能，儲(chǔ)能需求者擁有容量較為缺乏的實(shí)體儲(chǔ)能或無(wú)實(shí)體儲(chǔ)能。

儲(chǔ)能提供者將擁有的實(shí)體儲(chǔ)能分為兩部分，一部分自己使用，稱為保留容量；另一部分提供給云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商，按聚合費(fèi)容量單價(jià)來獲取聚合費(fèi)，稱為聚合容量。儲(chǔ)能提供者獲得與其實(shí)體儲(chǔ)能保留容量等量的虛擬儲(chǔ)能，保持虛擬儲(chǔ)能容量與功率的比值和原實(shí)體儲(chǔ)能相同，而不再擁有實(shí)體儲(chǔ)能控制權(quán)。儲(chǔ)能提供者承擔(dān)保留容量的充放損耗，其聚合容量的充放損耗由云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商在聚合費(fèi)中補(bǔ)償。

儲(chǔ)能需求者按服務(wù)費(fèi)容量單價(jià)與服務(wù)費(fèi)功率單價(jià)購(gòu)買虛擬儲(chǔ)能，并向云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商支付服務(wù)費(fèi)。儲(chǔ)能需求者同時(shí)擁有實(shí)體儲(chǔ)能與虛擬儲(chǔ)能的控制權(quán)，承擔(dān)實(shí)體儲(chǔ)能的充放損耗，并向云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商在服務(wù)費(fèi)中支付虛擬儲(chǔ)能的充放損耗。

云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商發(fā)布儲(chǔ)能交易價(jià)格：聚合費(fèi)容量單價(jià)、服務(wù)費(fèi)容量單價(jià)與服務(wù)費(fèi)功率單價(jià)，以此來引導(dǎo)用戶成為儲(chǔ)能提供者或儲(chǔ)能需求者，根據(jù)儲(chǔ)能交易量和充放損耗結(jié)算儲(chǔ)能交易費(fèi)用。云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)控制聚合到的用戶實(shí)體儲(chǔ)能，并將其與自建的集中式儲(chǔ)能組成聯(lián)合儲(chǔ)能，為儲(chǔ)能需求者提供虛擬儲(chǔ)能服務(wù)。

1.2 云儲(chǔ)能系統(tǒng)能量流動(dòng)

本文只考慮云儲(chǔ)能系統(tǒng)與微電網(wǎng)進(jìn)行的電能量交易，由于儲(chǔ)能是按容量進(jìn)行交易，云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商與用戶皆可利用峰谷差價(jià)進(jìn)行套利，具體的能量流動(dòng)如圖2所示。用戶負(fù)荷與用戶新能源總稱為用戶自身，后文中的部分變量符號(hào)已在圖2中標(biāo)注，為方便分析聯(lián)合儲(chǔ)能整體的充放電情況，文中設(shè)定所有實(shí)體儲(chǔ)能容量與最大充放功率的比值相同。

圖2 能量流動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of energy flow

用戶的新能源出力優(yōu)先供負(fù)荷使用，若在某時(shí)刻大于負(fù)荷需求，過剩部分可充入儲(chǔ)能或向微電網(wǎng)售出，若無(wú)法滿足負(fù)荷需求，缺額部分可由儲(chǔ)能放電或從微電網(wǎng)購(gòu)入補(bǔ)足。當(dāng)用戶發(fā)出虛擬儲(chǔ)能與微電網(wǎng)交易的指令時(shí)，云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商不必立即響應(yīng)，可以選擇在合適的時(shí)刻控制聯(lián)合儲(chǔ)能與微電網(wǎng)交易。用戶控制虛擬儲(chǔ)能與微電網(wǎng)進(jìn)行充放電所產(chǎn)生費(fèi)用按照實(shí)時(shí)電價(jià)結(jié)算，由云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商代收或代付。當(dāng)聯(lián)合儲(chǔ)能電量無(wú)法滿足用戶放電需求時(shí)，云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商從微電網(wǎng)直接購(gòu)電來補(bǔ)足。

2 云儲(chǔ)能系統(tǒng)各主體模型

本文主要研究云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商與儲(chǔ)能提供者、儲(chǔ)能需求者之間的儲(chǔ)能容量交易關(guān)系。儲(chǔ)能提供者在聚合費(fèi)容量單價(jià)較高時(shí)會(huì)選擇將部分容量提供給云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商獲取聚合費(fèi)；儲(chǔ)能需求者需要向云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商支付服務(wù)費(fèi)來購(gòu)買虛擬儲(chǔ)能，各用戶間不進(jìn)行直接交易；云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商聚合儲(chǔ)能提供者的儲(chǔ)能并配置集中式儲(chǔ)能，為儲(chǔ)能需求者提供虛擬儲(chǔ)能服務(wù)?；诟髦黧w之間的交易關(guān)系構(gòu)建各主體模型，為后文云儲(chǔ)能交易定價(jià)模型建立基礎(chǔ)。

2.1 用戶模型

用戶根據(jù)負(fù)荷、新能源出力、實(shí)體儲(chǔ)能容量與儲(chǔ)能交易價(jià)格，來選擇是成為儲(chǔ)能提供者還是儲(chǔ)能需求者，并向云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商上報(bào)具體的儲(chǔ)能交易量，通過合理控制儲(chǔ)能進(jìn)行充放電來實(shí)現(xiàn)自身用電成本最小，忽略設(shè)備損耗和傳輸損耗。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

各用戶的目標(biāo)函數(shù)為典型日用電成本最小，具體如式（1）所示。

式中：為用戶k與云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商Y間的儲(chǔ)能交易費(fèi)用；為用戶k實(shí)體儲(chǔ)能日均成本；為用戶k實(shí)體儲(chǔ)能與微電網(wǎng)間電能交易的費(fèi)用；為用戶k虛擬儲(chǔ)能與微電網(wǎng)間電能交易的費(fèi)用；為用戶k自身與微電網(wǎng)間電能交易的費(fèi)用。

1）儲(chǔ)能交易費(fèi)用C k，Y

式中：為用戶k從云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商Y獲得的聚合費(fèi)，為負(fù)值；為用戶k向云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商Y支付的服務(wù)費(fèi)，為正值；φp、φd均為用戶狀態(tài)量，當(dāng)用戶為儲(chǔ)能提供者時(shí)，φp=1，φd=0；當(dāng)用戶為儲(chǔ)能需求者時(shí)φp=0，φd=1；αE為聚合費(fèi)容量單價(jià)；θk為用戶k實(shí)體儲(chǔ)能的保留率；為用戶k實(shí)體儲(chǔ)能可用容量；δ為單位流量的充放損耗；βE為服務(wù)費(fèi)容量單價(jià)；βP為服務(wù)費(fèi)功率單價(jià)；為用戶k虛擬儲(chǔ)能容量；為用戶k虛擬儲(chǔ)能最大充放功率；為儲(chǔ)能提供用戶k聚合容量?jī)?nèi)的總流量；為儲(chǔ)能需求用戶k購(gòu)買的虛擬儲(chǔ)能內(nèi)的總流量；為用戶k實(shí)體儲(chǔ)能容量；Smax、Smin分別為實(shí)體儲(chǔ)能最大、最小荷電狀態(tài)。

2）實(shí)體儲(chǔ)能日均成本CEPk

式中：為日均建設(shè)成本；為日均運(yùn)維成本；為日均充放損耗成本；γE、γP分別為儲(chǔ)能單位容量、功率的日均建設(shè)成本；為用戶k實(shí)體儲(chǔ)能功率；ψ為儲(chǔ)能單位功率的日均運(yùn)維成本；為儲(chǔ)能提供者k實(shí)體儲(chǔ)能保留容量?jī)?nèi)的總流量；為儲(chǔ)能需求者k實(shí)體儲(chǔ)能內(nèi)的總流量。

3）實(shí)體儲(chǔ)能與微電網(wǎng)交易費(fèi)用

式中：、分別為t時(shí)段用戶k控制實(shí)體儲(chǔ)能從微電網(wǎng)購(gòu)電功率、向微電網(wǎng)售電功率；、分別為t時(shí)段從微電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)、向微電網(wǎng)售電電價(jià)；Δt為單位調(diào)度時(shí)長(zhǎng)。

4）虛擬儲(chǔ)能與微電網(wǎng)交易費(fèi)用Cxk

5）用戶自身與微電網(wǎng)交易費(fèi)用Cmgk

結(jié)合式（1）—（5）可知一項(xiàng)在計(jì)算過程中被消掉，不影響式（1）的結(jié)果，即聚合容量的充放損耗成本在聚合費(fèi)中補(bǔ)償，不影響儲(chǔ)能提供者的決策。

2.1.2 約束條件

1）功率平衡約束

式中：ΔP t，k為t時(shí)段用戶k負(fù)荷功率與新能源出力功率的差值；為t時(shí)段用戶k負(fù)荷功率；為t時(shí)段用戶k新能源出力功率；、分別為t時(shí)段用戶k控制虛擬儲(chǔ)能與自身的充、放電功率；、分別為t時(shí)段用戶k控制實(shí)體儲(chǔ)能與自身的充、放電功率。

2）實(shí)體儲(chǔ)能約束

儲(chǔ)能提供者沒有實(shí)體儲(chǔ)能控制權(quán)，即實(shí)體儲(chǔ)能容量為0，而儲(chǔ)能需求者有實(shí)體儲(chǔ)能控制權(quán)。

式中：為t時(shí)段用戶k實(shí)體儲(chǔ)能電量；、分別為t時(shí)段用戶k控制實(shí)體儲(chǔ)能與自身、微電網(wǎng)的交易功率。其中：

3）虛擬儲(chǔ)能約束

儲(chǔ)能提供者根據(jù)實(shí)體儲(chǔ)能保留容量獲得等量虛擬儲(chǔ)能，儲(chǔ)能需求者直接購(gòu)買虛擬儲(chǔ)能。

式中：為t時(shí)段用戶k虛擬儲(chǔ)能電量；、分別為t時(shí)段用戶k控制虛擬儲(chǔ)能與自身、微電網(wǎng)的交易功率。其中：

2.2 云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商模型

云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商通過整合用戶策略，進(jìn)行集中式儲(chǔ)能配置并制定最優(yōu)充放電策略，以此來實(shí)現(xiàn)自身收益最大，忽略設(shè)備損耗和傳輸損耗。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的目標(biāo)函數(shù)為收益最大，具體如式（22）所示。

式中：為用戶儲(chǔ)能交易費(fèi)用的匯總；為用戶虛擬儲(chǔ)能與微電網(wǎng)電能交易費(fèi)用的匯總；為集中式儲(chǔ)能日均成本；為云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商與微電網(wǎng)電能交易的費(fèi)用。

1）儲(chǔ)能交易費(fèi)用匯總

式中K為用戶數(shù)量。

2）用戶虛擬儲(chǔ)能與微電網(wǎng)交易費(fèi)用匯總

3）集中式儲(chǔ)能日均成本

式中：為日均建設(shè)成本；為日均運(yùn)維成本；為日均充放損耗成本；、為集中式儲(chǔ)能容量、最大充放功率；LYs為聯(lián)合儲(chǔ)能內(nèi)的總流量。

4）云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商與微電網(wǎng)交易費(fèi)用

2.2.2 約束條件

將聚合到的用戶儲(chǔ)能與集中式儲(chǔ)能作為聯(lián)合儲(chǔ)能進(jìn)行整體分析。

式中：[x]為向上取整函數(shù)。為方便后文分析，定義聯(lián)合儲(chǔ)能可用容量為：

3 云儲(chǔ)能交易定價(jià)模型

在云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商與用戶組成的聯(lián)盟中，云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商處于壟斷地位，用戶為價(jià)格接受者且為完全理性人，只要用戶加入聯(lián)盟有利可圖就會(huì)選擇加入。在負(fù)荷與新能源出力一定時(shí)，儲(chǔ)能交易價(jià)格在某一范圍內(nèi)，用戶的儲(chǔ)能交易量不變，用戶的儲(chǔ)能交易量為交易價(jià)格的階梯函數(shù)，詳見5.4節(jié)。用戶k的儲(chǔ)能保留率與聚合費(fèi)容量單價(jià)的函數(shù)關(guān)系為：

3.1 目標(biāo)函數(shù)

由于用戶的儲(chǔ)能交易量為交易價(jià)格的階梯函數(shù)，在制定交易價(jià)格時(shí)，為兼顧聯(lián)盟整體利益最大與個(gè)體利益均衡，引入古典社會(huì)福利函數(shù)與納什社會(huì)福利函數(shù)［20］，定價(jià)模型的總目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Ω為極大正數(shù)；W1為古典社會(huì)福利函數(shù)；W2為納什社會(huì)福利函數(shù)。

1）古典社會(huì)福利函數(shù)

古典社會(huì)福利把社會(huì)福利看作是所有社會(huì)成員的福利或效用的簡(jiǎn)單加總，本文用來描述聯(lián)盟的整體利益，即：

式中：UY為云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的收益；U k為用戶k的收益；為用戶k不加入聯(lián)盟只與微電網(wǎng)進(jìn)行交易時(shí)的總成本。本文設(shè)定用戶加入聯(lián)盟減少的總成本為用戶的收益。

2）納什社會(huì)福利函數(shù)

納什社會(huì)福利定義為所有社會(huì)成員的福利或效用的乘積，其值越大，個(gè)體獲利越均衡，即：

3.2 約束條件

為確保云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商盈利，對(duì)聚合費(fèi)容量單價(jià)、服務(wù)費(fèi)容量單價(jià)和服務(wù)費(fèi)功率單價(jià)設(shè)置約束為：

4 求解流程

在MATLAB中使用粒子群算法搭配YALMIP工具箱調(diào)用Cplex求解器對(duì)云儲(chǔ)能交易定價(jià)模型進(jìn)行求解。外層使用粒子群算法尋找最優(yōu)儲(chǔ)能交易價(jià)格，將儲(chǔ)能交易價(jià)格粒子傳到內(nèi)層，內(nèi)層通過Cplex求解器對(duì)各主體模型進(jìn)行求解，計(jì)算出定價(jià)模型的總目標(biāo)函數(shù)值并將其返回給外層，通過迭代優(yōu)化求出結(jié)果，求解流程圖如圖3所示。

圖3 求解流程圖Fig.3 Flowchart of solution

具體的求解流程如下：

步驟1：外層初始化儲(chǔ)能交易價(jià)格粒子，初始粒子數(shù)為20，最大迭代次數(shù)為20，搜索空間維度為3，學(xué)習(xí)因子一取1.5，學(xué)習(xí)因子二取2.5，慣性權(quán)重取0.5；

步驟2：將生成的儲(chǔ)能交易價(jià)格傳到內(nèi)層；

步驟3：內(nèi)層將儲(chǔ)能交易價(jià)格和用戶原始數(shù)據(jù)傳到各用戶判斷層和云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商。利用Cplex求解器對(duì)每個(gè)用戶成為儲(chǔ)能提供者和儲(chǔ)能需求者兩種狀態(tài)進(jìn)行求解，選出總用電成本最小的狀態(tài)，得到該狀態(tài)下的用戶策略與用電成本；

步驟4：將各用戶策略傳到云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商，利用Cplex求解器對(duì)云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的收益進(jìn)行求解；

步驟5：將各用戶用電成本傳到聯(lián)盟，將云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的收益?zhèn)鞯铰?lián)盟，計(jì)算古典社會(huì)福利和納什社會(huì)福利，得出總目標(biāo)函數(shù)值；

步驟6：將總目標(biāo)函數(shù)值傳回外層；

步驟7：粒子群算法迭代優(yōu)化總目標(biāo)函數(shù)值，得出最優(yōu)的儲(chǔ)能交易價(jià)格，計(jì)算最優(yōu)價(jià)格時(shí)的各主體策略與獲利。

5 算例分析

5.1 算例概況

算例選取10個(gè)工業(yè)用戶的典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)，負(fù)荷曲線與新能源出力曲線見圖4，其中用戶2、6沒有新能源；用戶1、3、5、7、8都擁有光伏，且出力曲線相同；用戶4、9、10都擁有風(fēng)電，且出力曲線相同。

圖4 各用戶負(fù)荷與新能源曲線Fig.4 Load and new energy curves of each user

用戶1—5擁有實(shí)體儲(chǔ)能，其容量和功率如表1所示，用戶6—10沒有實(shí)體儲(chǔ)能。

表1 用戶1—5的實(shí)體儲(chǔ)能Tab.1 Entity storage of user 1—5

分時(shí)電價(jià)及時(shí)段劃分如表2所示。

表2 分時(shí)電價(jià)Tab.2 Time of use electricity price

實(shí)體儲(chǔ)能的參數(shù)如表3所示［21-24］，在充放電的過程中各儲(chǔ)能保持SOC均衡［25］，分析時(shí)將各儲(chǔ)能看成一體。參與聚合的實(shí)體儲(chǔ)能整體上每日最多在0.1～0.9荷電狀態(tài)之間進(jìn)行兩輪滿充滿放，因此本文不考慮充放次數(shù)對(duì)儲(chǔ)能壽命和用戶決策的影響。

表3 儲(chǔ)能主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of energy storage

5.2 結(jié)果分析

經(jīng)過粒子群算法迭代優(yōu)化，定價(jià)模型目標(biāo)函數(shù)取最大值時(shí)的儲(chǔ)能交易價(jià)格如表4所示，將表4中的值代入到內(nèi)層，得到表5—7以及圖5—6。

表4 儲(chǔ)能交易價(jià)格Tab.4 Energy storage transaction price元·kW-1

各用戶的儲(chǔ)能交易與獲利如表5所示，用戶1—4成為儲(chǔ)能提供者，用戶5—10成為儲(chǔ)能需求者，其中用戶5同時(shí)擁有虛擬儲(chǔ)能與原有實(shí)體儲(chǔ)能，所有用戶加入聯(lián)盟都可以獲利。

表5 各用戶儲(chǔ)能交易量與獲利Tab.5 Energy storage transaction and profit of each user

所有用戶虛擬儲(chǔ)能使用情況的加總、所有用戶與微電網(wǎng)交易功率的加總?cè)鐖D5所示?？梢钥闯?，受峰谷差價(jià)影響，用戶整體上在谷時(shí)段與第一個(gè)平時(shí)段對(duì)虛擬儲(chǔ)能進(jìn)行充電，在峰時(shí)段通過對(duì)虛擬儲(chǔ)能放電來減少了直接從微電網(wǎng)購(gòu)電的功率。

圖5 所有用戶交易功率加總Fig.5 Sum of allusers’transaction power

云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的儲(chǔ)能信息如表6所示。聯(lián)合儲(chǔ)能可用容量與功率明顯小于用戶虛擬儲(chǔ)能需求，從而表明云儲(chǔ)能在減少儲(chǔ)能容量配置，提高儲(chǔ)能利用率方面發(fā)揮著重要作用。

表6 云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商儲(chǔ)能信息Tab.6 Storage of cloud storage operator

云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的收益構(gòu)成如表7所示，聯(lián)合儲(chǔ)能使用情況如圖6所示。與圖5（a）相比，圖6中云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商只滿足了用戶自身的充放電需求，不必按照用戶控制虛擬儲(chǔ)能與微電網(wǎng)進(jìn)行交易的指令對(duì)聯(lián)合儲(chǔ)能進(jìn)行充放電。由于聯(lián)合儲(chǔ)能可用容量小于用戶虛擬儲(chǔ)能容量需求，當(dāng)聯(lián)合儲(chǔ)能電量不足時(shí)，云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商會(huì)選擇從微電網(wǎng)直接購(gòu)電來保障用戶的放電需求，因此云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的購(gòu)電費(fèi)用大于代收用戶電費(fèi)。

表7 云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商收益Tab.7 Profit of cloud storage operator 元

圖6 聯(lián)合儲(chǔ)能Fig.6 Combined energy storage

5.3 情景對(duì)比

5.3.1 不同目標(biāo)下的結(jié)果對(duì)比

為體現(xiàn)本文所提定價(jià)方法的合理性，設(shè)置情景二與情景三，5.2節(jié)為情景一計(jì)算結(jié)果。

情景一：保障聯(lián)盟整體利益最大情況下，實(shí)現(xiàn)個(gè)體利益均衡。

情景二：保障聯(lián)盟整體利益最大情況下，實(shí)現(xiàn)云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商利益最大。

情景三：實(shí)現(xiàn)云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商利益最大，不考慮聯(lián)盟整體利益。

不同情景儲(chǔ)能交易價(jià)格對(duì)比結(jié)果如表8所示。

表8 儲(chǔ)能交易價(jià)格對(duì)比Tab.8 Comparison of energy storage transaction price元·kWh-1

由于用戶擁有的新能源種類不同，對(duì)容量與功率的需求也不同，為了適應(yīng)所有用戶，不同情景的功率單價(jià)皆取到了最小值0.01。

不同情景中的用戶、云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商與聯(lián)盟利益對(duì)比結(jié)果如表9所示，與情景一相比，情景二的聯(lián)盟整體利益不變，云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的利益顯著增大，用戶1—4的利益顯著減少。與情景二相比，情景三的云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商利益顯著增大，但聯(lián)盟整體利益減少，用戶5—10利益顯著減少?？傮w上說，情景一既實(shí)現(xiàn)了聯(lián)盟整體利益最大，又實(shí)現(xiàn)了聯(lián)盟內(nèi)個(gè)體獲利均衡。

表9 各主體利益與聯(lián)盟利益對(duì)比Tab.9 Comparison of the interests of each subject and the alliance 元

5.3.2 聚合與不聚合的結(jié)果對(duì)比

為體現(xiàn)出聚合的益處，增設(shè)情景四，保持與情景一服務(wù)費(fèi)容量單價(jià)和功率單價(jià)相同，不聚合用戶儲(chǔ)能。

情景一與情景四的部分結(jié)果對(duì)比如表10所示，表明聚合用戶儲(chǔ)能可以提高云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商利益與聯(lián)盟利益，同時(shí)大幅減少集中式儲(chǔ)能的容量配置。

表10 情景一與情景四部分結(jié)果對(duì)比Tab.10 Comparison of part results of scenario 1 and 4

情景一與情景四中用戶1的儲(chǔ)能電量對(duì)比如圖7所示，本文中用戶1在任意時(shí)刻都沒有過剩光伏，因此只能從微電網(wǎng)購(gòu)電充入儲(chǔ)能。情景四中用戶1的實(shí)體儲(chǔ)能可以分為兩部分：兩次滿充滿放的部分A，一次滿充滿放的部分B。情景一中用戶1的虛擬儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)了兩次滿充滿放，且其容量等于情景四部分A的容量，表明用戶1將部分B提供給云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商。部分A為谷時(shí)段充電第一個(gè)峰時(shí)段放電，第一個(gè)平時(shí)段再充電第二個(gè)峰時(shí)段再放電，考慮充放損耗，不計(jì)儲(chǔ)能成本的情況下，部分A單位容量一日節(jié)省的電費(fèi)為：

圖7 用戶1儲(chǔ)能電量對(duì)比Fig.7 Comparison of energy storage charge of user 1

部分B為谷時(shí)段充電第二個(gè)峰時(shí)段放電，考慮充放損耗，不計(jì)儲(chǔ)能成本的情況下，部分B單位容量一日節(jié)省的電費(fèi)為：

因此，當(dāng)聚合費(fèi)容量單價(jià)為0.93元/kWh時(shí)，用戶1將部分A保留，將部分B租給云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商來?yè)Q取聚合費(fèi)。

5.4 用戶策略分析

為研究?jī)?chǔ)能交易價(jià)格對(duì)用戶策略的影響，分析在不同聚合費(fèi)容量單價(jià)下用戶1—5的儲(chǔ)能保留率，結(jié)果如圖8所示，圖中臨界值的定義為使某部分被提供出去的最小聚合費(fèi)容量單價(jià)值。

圖8 儲(chǔ)能保留率隨聚合費(fèi)容量單價(jià)變化圖Fig.8 Relationship between energy storage retention rate and aggregation capacity price

可以看出，用戶的儲(chǔ)能保留率為聚合費(fèi)容量單價(jià)的遞減階梯函數(shù)，價(jià)格過高時(shí)用戶5也成為了提供者。綜合5.3.2節(jié)的分析，部分A的臨界值為1.19，部分B的臨界值為0.77。本文中用戶2儲(chǔ)能容量較充足，用戶3、5在某些時(shí)刻有過剩光伏，因此其儲(chǔ)能不僅包括部分A與B，還包括其他未定義部分；用戶4擁有的新能源為風(fēng)電，因此用戶4與擁有光伏的用戶的儲(chǔ)能組成部分不同。每部分單位容量節(jié)省的電費(fèi)是固定值，當(dāng)聚合費(fèi)容量單價(jià)大于此值時(shí)，這部分容量就會(huì)被提供出去，否則就會(huì)被保留下來，由于每個(gè)用戶的儲(chǔ)能組成有異同，使用戶策略改變的單價(jià)也有異同。

保持服務(wù)費(fèi)功率單價(jià)為0.01元/kWh，分析不同服務(wù)費(fèi)容量單價(jià)下用戶6—10的虛擬儲(chǔ)能容量，結(jié)果如圖9所示，可用看出，用戶的虛擬儲(chǔ)能容量為服務(wù)費(fèi)容量單價(jià)的遞減階梯函數(shù)。虛擬儲(chǔ)能同樣可以分為幾部分，當(dāng)服務(wù)費(fèi)容量單價(jià)過高時(shí)，用戶就會(huì)舍棄某部分。

圖9 虛擬儲(chǔ)能容量隨服務(wù)費(fèi)容量單價(jià)變化圖Fig.9 Relationship between virtualenergy storage capacity and service capacity price

綜上所述，用戶的儲(chǔ)能可看作由若干部分組成，儲(chǔ)能交易價(jià)格的改變會(huì)到導(dǎo)致用戶將某部分全部保留或舍棄，因此儲(chǔ)能交易量是儲(chǔ)能交易價(jià)格的階梯函數(shù)。本文通過聚合費(fèi)來激勵(lì)用戶提供出實(shí)體儲(chǔ)能創(chuàng)造價(jià)值較低的部分給儲(chǔ)能需求者使用，從而讓這部分創(chuàng)造出更高的價(jià)值，提高聯(lián)盟的收益。

6 結(jié)論

為提高微電網(wǎng)內(nèi)用戶儲(chǔ)能的利用率和減少集中式儲(chǔ)能配置，本文提出一種聚合用戶儲(chǔ)能的云儲(chǔ)能容量配置方法，并研究了儲(chǔ)能交易價(jià)格對(duì)交易策略的影響。算例結(jié)果表明：

1）本文提出的方法可以充分利用用戶實(shí)體儲(chǔ)能，減少集中式儲(chǔ)能的容量配置；

2）聯(lián)盟整體利益最大時(shí)有多組定價(jià)，云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商利益最大時(shí)用戶獲利極少；

3）儲(chǔ)能交易價(jià)格在某一范圍內(nèi)，用戶的儲(chǔ)能交易量不變；

4）聯(lián)盟的收益一方面來自于用戶使用云儲(chǔ)能減少了聯(lián)盟的儲(chǔ)能成本，另一方面來自于需求者充分利用了提供者儲(chǔ)能創(chuàng)造價(jià)值較低的那部分容量。

因此在制定儲(chǔ)能交易價(jià)格時(shí)應(yīng)兼顧聯(lián)盟整體利益與個(gè)體利益。文中對(duì)所有用戶定價(jià)相同，未來的工作將圍繞對(duì)不同類型用戶設(shè)計(jì)套餐展開研究。