壽笳男,崔維偉

(上海大學(xué) 管理學(xué)院,上海 200444)

為加強(qiáng)太陽能發(fā)電等綠色技術(shù)的推廣應(yīng)用,國家出臺(tái)了一系列激勵(lì)政策,助力我國光伏發(fā)電的裝機(jī)規(guī)模登臨世界第一[1]。近年來,相比集中式光伏電站的迅速發(fā)展,戶用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用并未達(dá)到預(yù)期。主要原因是系統(tǒng)初始投資較大,光伏發(fā)電固有的間歇性與隨機(jī)性導(dǎo)致發(fā)電效益較低,而儲(chǔ)能設(shè)施的使用成本非常高;對(duì)商業(yè)運(yùn)營中涉及的諸多利益相關(guān)者而言,缺少成熟的利益分配方案,各方無法就系統(tǒng)運(yùn)行的成本分?jǐn)偱c收入共享達(dá)成一致。因此,在新型社區(qū)建設(shè)或老舊社區(qū)改造中,必須設(shè)計(jì)公平合理的利益分配機(jī)制與運(yùn)營策略,才能推進(jìn)光儲(chǔ)一體化微電網(wǎng)系統(tǒng)的普及,這對(duì)我國早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和具有重要意義[2]。

當(dāng)前學(xué)界對(duì)于微電網(wǎng)的研究較多,與本文相關(guān)的研究主要分為如下3類:

(1) 將微電網(wǎng)作為單個(gè)主體,研究其參與外部電力市場(chǎng)電能交易的利益關(guān)系。針對(duì)微電網(wǎng)作為單個(gè)主體參與電力市場(chǎng)投標(biāo)競(jìng)爭(zhēng),王晛等[3]提出了同時(shí)考慮配電側(cè)多能源市場(chǎng)聯(lián)合博弈的均衡模型,以解決微電網(wǎng)發(fā)電不確定帶來的投標(biāo)偏差問題。Fang等[4]提出了多智能體的微電網(wǎng)模型與基于拍賣的微電網(wǎng)電力市場(chǎng),保證微電網(wǎng)效率的同時(shí)平衡市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)者的利益。龍勇等[5]提出了微電網(wǎng)利益相關(guān)者協(xié)調(diào)合作的雙層規(guī)劃模型,上層優(yōu)化模型以最小化社會(huì)成本為目標(biāo),下層優(yōu)化模型以最大化運(yùn)營商利潤為目標(biāo)。文獻(xiàn)[6-10]中采用博弈方法研究了由多個(gè)能源供應(yīng)商和終端用戶組成的多層次綜合能源系統(tǒng)的能源交易問題。上述文獻(xiàn)集中在追求微電網(wǎng)與外部多方利益相關(guān)者效益最大化的能源交易機(jī)制,并不關(guān)注微電網(wǎng)內(nèi)部用戶間的利益關(guān)系。

(2) 聚焦微電網(wǎng)系統(tǒng)自身以追求系統(tǒng)層面的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。Grover-Silva等[11]提出了考慮光照、負(fù)荷、溫度不確定性的微電網(wǎng)柔性資源日前調(diào)度優(yōu)化模型。徐婉迪等[12]基于場(chǎng)景聚類分析處理光伏發(fā)電的高維性,采用分布魯棒優(yōu)化降低光伏發(fā)電的不確定性,并建立了兩階段分布魯棒優(yōu)化模型以處理并網(wǎng)型光儲(chǔ)微電網(wǎng)容量規(guī)劃問題。譚嘉等[13]提出了基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)和長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的用電負(fù)荷一體化預(yù)測(cè)方法,提高用電負(fù)荷的聚合一致性。類似地,文獻(xiàn)[14-18]是從處理隨機(jī)性的角度對(duì)能量調(diào)度問題進(jìn)行了研究。此外,研究證實(shí),微電網(wǎng)與外部主體進(jìn)行電能交易的規(guī)模與驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遜于微電網(wǎng)內(nèi)部用戶間交易[19]。在對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部電能交易的研究方面,Li等[20]基于非合作博弈提出了一個(gè)微電網(wǎng)用戶間的交互框架。王瀚琳等[21]提出了基于主從博弈的電力市場(chǎng)交易優(yōu)化模型,重點(diǎn)研究了基于產(chǎn)消者模式的社區(qū)分布式光伏微電網(wǎng)內(nèi)用戶間的售電、購電行為。

(3) 側(cè)重智慧家庭的用電負(fù)荷控制策略。龍明溪[22]針對(duì)含分布式新能源的智能社區(qū),提出了集中式智能社區(qū)和分布式智能社區(qū)負(fù)荷調(diào)度模型。Alilou等[23]針對(duì)包含多個(gè)用戶個(gè)體的微電網(wǎng)系統(tǒng),假設(shè)用戶為可根據(jù)電價(jià)自動(dòng)響應(yīng)的智能體,并對(duì)智能社區(qū)中的各發(fā)電組件、用電行為的聯(lián)合調(diào)度問題進(jìn)行研究。郝允梁等[24]基于負(fù)荷控制和實(shí)時(shí)電價(jià),提出了結(jié)合實(shí)時(shí)電價(jià)與傾斜塊率的智慧家庭電器設(shè)備控制方法。潘志遠(yuǎn)等[25]基于分時(shí)電價(jià)探討了智慧家庭與公共電網(wǎng)間的最大交換功率以及柔性負(fù)荷間的協(xié)調(diào)機(jī)制對(duì)于用戶家庭收益的影響。范偉等[26]基于非合作博弈模型對(duì)家用負(fù)荷與用戶用電行為進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化,在其博弈中用戶可在社區(qū)微電網(wǎng)、分布式能源以及公用電網(wǎng)中擇優(yōu)購電。陶莉等[27]指出,從單一用戶角度進(jìn)行智能電網(wǎng)能量調(diào)度優(yōu)化會(huì)導(dǎo)致下載同步化,并提出了含儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式新能源復(fù)雜并網(wǎng)條件下的用戶用電優(yōu)化策略。羅京[28]基于智能電價(jià)提出家庭能量調(diào)度優(yōu)化模型,模擬智能電價(jià)的制定、家庭用戶的能耗、家用負(fù)荷的用電情況以及家庭能量管理系統(tǒng)調(diào)度機(jī)制。

以文獻(xiàn)[12]為代表,上述研究多將微電網(wǎng)的負(fù)荷端作為一個(gè)整體,場(chǎng)景中不涉及同一個(gè)微電網(wǎng)內(nèi)部多個(gè)用戶之間的利益紛爭(zhēng)。而且,上述對(duì)智慧家庭中用戶用電負(fù)荷的研究將用戶家庭視為智能家電的集合進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度,并未考慮作為人的用戶主觀行為對(duì)于整體系統(tǒng)的影響。因此,本文主要考慮不同用戶的個(gè)體偏好與用電行為習(xí)慣,基于社區(qū)用戶與系統(tǒng)開發(fā)商兩個(gè)角度研究社區(qū)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)的商業(yè)模式與運(yùn)營策略,重點(diǎn)分析用戶與開發(fā)商兩者間的交易機(jī)制、用戶與用戶之間的合作機(jī)制,為各參與主體制定最優(yōu)決策,確保各利益相關(guān)者積極支持低碳社區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)營。

1 問題描述

近年來,上海已成功創(chuàng)建3 批共31 個(gè)低碳社區(qū),如徐匯區(qū)梅隴三村在車棚頂部等空閑區(qū)域架設(shè)光伏板,利用光伏發(fā)電技術(shù)為小區(qū)路燈與其他公攤面積供電。然而,上述低碳社區(qū)中的光伏裝機(jī)規(guī)模很小,并不能為居民家庭生活用電供能。本文以推進(jìn)建設(shè)全部由光伏發(fā)電供能的低碳社區(qū)為目的,以安裝光儲(chǔ)系統(tǒng)的開發(fā)商和具有使用意愿的社區(qū)居民為研究對(duì)象,對(duì)社區(qū)光儲(chǔ)一體化微電網(wǎng)的系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)與商業(yè)運(yùn)營策略進(jìn)行探索,其實(shí)質(zhì)是研究社區(qū)開發(fā)商和社區(qū)用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)(PV 系統(tǒng))、儲(chǔ)能系統(tǒng)的交易問題及后期運(yùn)行機(jī)制。

已有研究表明,配置儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠顯著降低微電網(wǎng)的日常運(yùn)營成本[12],全國各地也陸續(xù)發(fā)文規(guī)定新建光伏項(xiàng)目必須配置一定比例的儲(chǔ)能設(shè)施。因此,本文考慮社區(qū)微電網(wǎng)由PV 系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)組成,其主要組件包括光伏發(fā)電陣列、光伏控制器、逆變器、儲(chǔ)能蓄電池、交流配電柜以及光伏支架。

微電網(wǎng)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用以自發(fā)自用為主、用戶側(cè)直接并網(wǎng)的PV 系統(tǒng),接入電壓等級(jí)較低的低壓電網(wǎng),不向中高壓電網(wǎng)饋電,避免對(duì)公共電網(wǎng)的影響(余電不上網(wǎng),就地存儲(chǔ))。但是,為確保居民的用電需求能夠隨時(shí)得到滿足,微電網(wǎng)系統(tǒng)仍保留外部公共電網(wǎng)向居民供電的接口?？紤]到微電網(wǎng)各組件具有一定的耦合關(guān)系,開發(fā)商統(tǒng)籌微電網(wǎng)系統(tǒng)的初始安裝成本時(shí)需考慮兩大決定系統(tǒng)規(guī)模的核心變量,即PV 系統(tǒng)的裝機(jī)規(guī)模NPV與蓄電池的規(guī)模NB。此外,開發(fā)商建設(shè)完成微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)施后,通過收取微電網(wǎng)系統(tǒng)售價(jià)Pf實(shí)現(xiàn)盈利。該價(jià)格一方面需要覆蓋微電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)成本,另一方面應(yīng)確保社區(qū)中所有用戶都愿意參與項(xiàng)目,避免引起居民之間以及與開發(fā)商的矛盾。

圖1 社區(qū)光儲(chǔ)一體化微電網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)

在所設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行框架中,雙方交易完后開發(fā)商不持有微電網(wǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)權(quán),也不提供后期運(yùn)維服務(wù),而是由用戶推選出業(yè)主委員會(huì)負(fù)責(zé)日常運(yùn)營維護(hù)工作。為集中調(diào)度用戶對(duì)微電網(wǎng)光伏產(chǎn)電需求,業(yè)主委員會(huì)根據(jù)各時(shí)段居民用電總需求與光伏發(fā)電總量、蓄電池儲(chǔ)量情況對(duì)光伏電能在各用戶間按比例分配;用戶在使用光伏產(chǎn)電的同時(shí)依據(jù)用電規(guī)模向業(yè)主委員會(huì)繳納光伏電費(fèi),而業(yè)主委員會(huì)于年末將支取維護(hù)費(fèi)后結(jié)余的資金以分紅的形式平均返予用戶。此外,業(yè)主委員會(huì)制定靈活的實(shí)時(shí)光伏電價(jià)以引導(dǎo)用戶的用電行為,一方面提高光伏發(fā)電的利用率,另一方面減少用戶用電費(fèi)用。對(duì)于單個(gè)社區(qū)用戶而言,首先將對(duì)比參與微電網(wǎng)前后用電費(fèi)用的變動(dòng)以決定是否付費(fèi)參與該項(xiàng)目,而選擇參與微電網(wǎng)系統(tǒng)的用戶則將受光伏電價(jià)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化自身用電行為,調(diào)整柔性負(fù)荷的使用以減少自身用電支出。

綜上所述,開發(fā)商和用戶間的博弈關(guān)系構(gòu)成了一個(gè)主從博弈的領(lǐng)導(dǎo)者-追隨者格局。本文通過建立基于主從博弈的雙層規(guī)劃模型來解決微電網(wǎng)系統(tǒng)的交易問題及后續(xù)運(yùn)營問題:外層模型中,作為博弈主方的開發(fā)商承擔(dān)建設(shè)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的成本,以建設(shè)項(xiàng)目的收益最大化為目標(biāo)決定微電網(wǎng)系統(tǒng)售價(jià)及規(guī)模;在內(nèi)層,社區(qū)用戶通過比較參與微電網(wǎng)項(xiàng)目前后的費(fèi)用決定是否參與,并優(yōu)化自身在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的用電行為。通過求解內(nèi)層模型獲得用戶的決策信息并反饋至外層,并在外層模型中尋找最優(yōu)系統(tǒng)規(guī)模配置與系統(tǒng)售價(jià),同時(shí)以實(shí)際的太陽輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行案例分析,以檢驗(yàn)商業(yè)模式的有效性與博弈雙方的利益關(guān)系。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 外層優(yōu)化模型

開發(fā)商需要決定微電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模,制定合理的系統(tǒng)售價(jià),追求建設(shè)社區(qū)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的利潤最大化,同時(shí)盡可能讓更多的用戶付費(fèi)參與微電網(wǎng)項(xiàng)目。在本文中,每個(gè)用戶指的是單個(gè)家庭,它是參與社區(qū)微電網(wǎng)項(xiàng)目用戶群體的基本單位。外層模型中共包含3個(gè)需要優(yōu)化的決策變量,包括微電網(wǎng)中PV 系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模NPV、蓄電池規(guī)模NB以及單位系統(tǒng)售價(jià)Pf。這3個(gè)決策變量的取值不但直接決定了開發(fā)商的建設(shè)支出與利潤,而且還影響了決定付費(fèi)參與微電網(wǎng)項(xiàng)目的家庭數(shù)量。另外,通過設(shè)置兩個(gè)0-1變量y與y k體現(xiàn)用戶的決策信息:當(dāng)用戶k選擇付費(fèi)時(shí),y k=1;否則,y k=0。當(dāng)全體用戶n都愿意付費(fèi)參與微電網(wǎng)項(xiàng)目時(shí),y=1;否則,y=0。外層優(yōu)化模型可表示為:

式(1)為外層模型的目標(biāo)函數(shù),即開發(fā)商尋求建設(shè)社區(qū)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的利潤最大化,其中:n為社區(qū)家庭總數(shù);CTotal為社區(qū)光儲(chǔ)微電網(wǎng)建設(shè)總成本。式(2)和式(4)表示只要有一戶家庭不同意則項(xiàng)目失敗。式(3)表示求解內(nèi)層優(yōu)化模型后反饋到外層的用戶決策的映射關(guān)系。

微電網(wǎng)建設(shè)成本CTotal分為PV 系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)(主要為蓄電池)兩部分的成本,各類型組件成本計(jì)算方式不同。其中,逆變器等組件的數(shù)量取決于居民戶數(shù),而光伏發(fā)電陣列等組件的裝機(jī)規(guī)模取決于微電網(wǎng)系統(tǒng)投建規(guī)模。此外,微電網(wǎng)系統(tǒng)中各組件需要在型號(hào)、規(guī)格上彼此匹配才能保證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的可行性與穩(wěn)定性。綜上所述,光儲(chǔ)一體化微電網(wǎng)建設(shè)成本具體計(jì)算如下所示:

式(5)為微電網(wǎng)建設(shè)成本CTotal的細(xì)分,包含光伏發(fā)電陣列、逆變器、光伏控制器、配電柜、蓄電池和光伏配件的成本。式(6)表示光伏發(fā)電陣列的費(fèi)用,其中:CPV為光伏組件的成本;pPV為光伏組件單位價(jià)格。式(7)中,Cinv為逆變器成本,pinv為逆變器的單位價(jià)格。式(8)中,CSE為配電設(shè)備費(fèi)用,pSE,AC為交流配電箱的單位費(fèi)用。式(9)中,CB為由蓄電池安裝容量決定的儲(chǔ)能系統(tǒng)成本,pB為蓄電池的單位成本。式(10)中,CAF為線纜、支架等附屬設(shè)施的成本,主要分為3類:pAF,1 為與PV 系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模直接相關(guān)的配件成本,pAF,2 為由用戶數(shù)量決定(每套微電網(wǎng)設(shè)施配屬一只設(shè)備)的配件成本,pAF,3為光伏電板間連接線的費(fèi)用,為光伏電板的單塊功率。式(11)中,CPVC為光伏控制器成本,pPVC為光伏控制器的單位成本。

2.2 內(nèi)層優(yōu)化模型

在內(nèi)層優(yōu)化模型中,基于給定的外層決策變量,即微電網(wǎng)系統(tǒng)售價(jià)與系統(tǒng)規(guī)模作為已知參數(shù)的前提下,用戶需要做出兩個(gè)決策:通過對(duì)比參與微電網(wǎng)項(xiàng)目前后電費(fèi)支出的凈現(xiàn)值,判斷是否參與;選擇付費(fèi)參與微電網(wǎng)系統(tǒng)的用戶受光伏電價(jià)驅(qū)動(dòng)參與需求響應(yīng),優(yōu)化每日用電行為。此外,本文在25 年的PV系統(tǒng)使用壽命期內(nèi)考慮微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。則內(nèi)層優(yōu)化模型可表示為:

2.2.1光伏發(fā)電定價(jià)子模塊 業(yè)主委員會(huì)根據(jù)每日光伏發(fā)電規(guī)模、當(dāng)?shù)毓夥l(fā)電上網(wǎng)電價(jià)以及公共電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)等情況制定次日各時(shí)段靈活的光伏電價(jià),促進(jìn)光伏產(chǎn)電及時(shí)得到利用。用戶根據(jù)實(shí)時(shí)光伏電價(jià)調(diào)整次日的購電策略與用電行為,將柔性負(fù)荷的使用轉(zhuǎn)至電價(jià)較低的時(shí)段。本文中以小時(shí)為時(shí)間間隔,并考慮25年的時(shí)間跨度內(nèi)微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況,設(shè):

由于各時(shí)段太陽輻射強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)一定的變化,微電網(wǎng)光伏發(fā)電量也會(huì)隨之出現(xiàn)波動(dòng),故制定光伏電價(jià)的原則如下:

原則1任何時(shí)段的光伏電價(jià)都應(yīng)低于當(dāng)?shù)毓搽娋W(wǎng)的基準(zhǔn)電價(jià)(居民生活用電電價(jià))。

原則2任何時(shí)段的光伏電價(jià)都應(yīng)低于當(dāng)?shù)毓夥l(fā)電上網(wǎng)指導(dǎo)電價(jià)psell。

原則3在光伏發(fā)電較多的時(shí)段,光伏電價(jià)較低。

基于上述原則,光伏發(fā)電定價(jià)子模塊的數(shù)學(xué)描述如下:

2.2.2用戶需求響應(yīng)子模塊 本文考慮兩類家用負(fù)荷:A類表示必須運(yùn)行,且運(yùn)行不受價(jià)格影響的固定負(fù)荷(例如冰箱、照明用電);B類表示受價(jià)格影響較大,能對(duì)用電時(shí)間或功率進(jìn)行調(diào)整的柔性負(fù)荷(例如電飯煲、洗衣機(jī)等,當(dāng)天的用電總量維持不變)。用戶受較低的光伏電價(jià)激勵(lì),將可轉(zhuǎn)移使用時(shí)間的柔性負(fù)荷轉(zhuǎn)至電價(jià)較低的時(shí)段以減少用電支出,其具體目的是最小化柔性負(fù)荷使用時(shí)長內(nèi)的平均光伏電價(jià)。用戶的用電需求為:

2.2.3社區(qū)用戶用電支出子模塊 本模塊根據(jù)用戶參與需求響應(yīng)后的各時(shí)段用電需求、微電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電量及儲(chǔ)能水平,計(jì)算參與微電網(wǎng)項(xiàng)目的用戶年度用電支出。在社區(qū)微電網(wǎng)中,儲(chǔ)能系統(tǒng)(蓄電池)在各時(shí)段期初的儲(chǔ)能水平由上一期期末的蓄電池儲(chǔ)能水平S i-1,j,l、光伏發(fā)電量E i-1,j,l、用戶用電需求總量D i-1,j,l以及蓄電池安裝規(guī)模NB決定,其遞推公式(電能平衡約束)為

由于任何時(shí)段光伏電價(jià)均保持低于公共電網(wǎng)電價(jià),故社區(qū)用戶優(yōu)先使用光伏產(chǎn)電,此時(shí)需要討論微電網(wǎng)系統(tǒng)光伏發(fā)電總量能否滿足用戶用電需求;若無法覆蓋全部需求,用戶需向公共電網(wǎng)購電。參與微電網(wǎng)系統(tǒng)的各用戶家庭光伏產(chǎn)電、用電并非獨(dú)立,而是由業(yè)主委員會(huì)統(tǒng)籌調(diào)度。當(dāng)該時(shí)段內(nèi)光伏發(fā)電總量E i,j,l+期初蓄電池儲(chǔ)能S i,j,l<此時(shí)期內(nèi)用戶用電總需求D i,j,l時(shí),通過設(shè)置光伏發(fā)電使用系數(shù)θi,j,l統(tǒng)一、公平的調(diào)節(jié)用戶對(duì)于光伏發(fā)電的需求。該系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

業(yè)主委員會(huì)依照θi,j,l將全部的光伏發(fā)電量按比例分配給每個(gè)用戶。用戶k每日的用電支出、光伏發(fā)電使用量與公共電網(wǎng)購電量的計(jì)算公式為:

根據(jù)前文所提出的運(yùn)營框架,各個(gè)用戶每年的用電支出等于支付給社區(qū)運(yùn)營委員會(huì)的光伏電費(fèi)與購買公共電網(wǎng)電能費(fèi)用之和,減去社區(qū)年底平均分配的分紅,具體公式為:

綜合上述3個(gè)子模塊,雙層規(guī)劃模型完整的數(shù)學(xué)表述如下:

3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 上海地區(qū)居民社區(qū)的商業(yè)模式應(yīng)用分析

本文所建雙層規(guī)劃模型無法使用線性規(guī)劃軟件直接求解,需要對(duì)內(nèi)外層模型分別求解并進(jìn)行循環(huán)迭代。首先,針對(duì)外層模型的連續(xù)型決策變量,以一定精度為變動(dòng)單位,利用枚舉法比較所有可能的配置方案;其次,針對(duì)每個(gè)配置方案,必須求解內(nèi)層模型以得到該方案的期望表現(xiàn)值。在內(nèi)層模型中,微電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模與售價(jià)已經(jīng)是給定參數(shù),只需要計(jì)算各個(gè)用戶的最優(yōu)用電模式,并匯總得到系統(tǒng)整體表現(xiàn)。本節(jié)依據(jù)第2章建立的微電網(wǎng)項(xiàng)目商業(yè)模式與后續(xù)運(yùn)營機(jī)制,對(duì)上海地區(qū)一處新建居民社區(qū)進(jìn)行社區(qū)光儲(chǔ)一體化微電網(wǎng)商業(yè)模式應(yīng)用分析,并使用visual studio community 2019軟件進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)仿真。表1展示了數(shù)值實(shí)驗(yàn)時(shí)部分關(guān)鍵的參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)來源。

表1 數(shù)值實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)來源

本節(jié)對(duì)于上海地區(qū)一處新建居民社區(qū)的微電網(wǎng)商業(yè)應(yīng)用的結(jié)果較為顯著,開發(fā)商獲得了一定的利潤,所有居民也都從中得益。對(duì)模型求解后,在所設(shè)決策變量枚舉區(qū)間內(nèi)得到最優(yōu)解,具體為:微電網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)售價(jià)為8 563.34元/戶,在此價(jià)格下開發(fā)商的總體利潤為32萬元,利潤率為18.68%;平均每戶PV系統(tǒng)的最優(yōu)裝機(jī)規(guī)模為1.4 k W,平均每戶蓄電池容量的最優(yōu)配置為266.67 AH,用戶平均收益(用戶收益等于未來25年方案1凈現(xiàn)值減去方案2凈現(xiàn)值的差值,即能夠節(jié)省的電費(fèi)支出凈現(xiàn)值)為2 561.39元,用戶平均收益率(用戶平均收益/單戶項(xiàng)目服務(wù)售價(jià))為29.91%。

表2中僅顯示了博弈的最終結(jié)果,為進(jìn)一步展示博弈過程中雙方的利益變化,做如下實(shí)驗(yàn)并記錄在圖2中。開發(fā)商保持表2 中的系統(tǒng)總體建設(shè)規(guī)模,并逐漸調(diào)整系統(tǒng)單位售價(jià)。圖2(a)說明,當(dāng)單位售價(jià)低于8 563.34元時(shí),小區(qū)中的200戶家庭都愿意加入微電網(wǎng)項(xiàng)目;之后,隨著價(jià)格提高,越來越多的用戶不愿加入此項(xiàng)目。圖2(b)說明,隨著系統(tǒng)售價(jià)的提高,開發(fā)商的利潤值逐漸增加、用戶的利潤值逐漸下降、總體得益值保持不變;當(dāng)價(jià)格高于8 563.34元時(shí),由于個(gè)別用戶的反對(duì)直接導(dǎo)致項(xiàng)目無法推進(jìn),各方的利潤值都為零。

圖2 不同系統(tǒng)售價(jià)下的數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 優(yōu)化求解后微電網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)配置

本文通過設(shè)置用戶家庭節(jié)電系數(shù)和用戶家庭成員人數(shù)的隨機(jī)數(shù)表現(xiàn)用戶家庭間的差異性,其中,用戶家庭節(jié)電系數(shù)表示不同用戶家庭成員由于年齡、偏好、經(jīng)濟(jì)情況、職業(yè)等影響因素帶來的用電行為的差異。因此,對(duì)于不同家庭成員人數(shù)和節(jié)電系數(shù)的用戶群體,其微電網(wǎng)項(xiàng)目參與的回報(bào)與收益程度各有不同。表3展示了不同家庭成員人數(shù)的用戶群體間的差異。顯然,家庭成員越多、用電需求越大的用戶參與微電網(wǎng)項(xiàng)目收益越多。此外,表4 體現(xiàn)了不同節(jié)電系數(shù)的用戶群體在收益上的差異,相似的是,在表4中同樣體現(xiàn)出用電需求較多的用戶參與微電網(wǎng)項(xiàng)目收益較多的結(jié)論。產(chǎn)生上述結(jié)論主要?dú)w因于社區(qū)內(nèi)部光伏電價(jià)在任意時(shí)段都低于公共電網(wǎng)電價(jià)的定價(jià)原則,雖然本文已通過設(shè)置光伏發(fā)電使用系數(shù)平均分配用戶對(duì)于光伏電量的需求、限制社區(qū)內(nèi)部光伏電價(jià)過低等舉措提高公平性,但是用戶使用光伏發(fā)電量越多、獲益越多的情況依然存在。

表3 不同家庭成員人數(shù)的用戶群體間差異

表4 不同節(jié)電系數(shù)的用戶群體間差異

通過靈敏度分析發(fā)現(xiàn),稍微改變不同家庭成員人數(shù)的用戶群體比例,系統(tǒng)售價(jià)、開發(fā)商利潤和利潤率以及系統(tǒng)安裝規(guī)模的優(yōu)化結(jié)果沒有發(fā)生改變。其背后原因是,模型要求必須所有家庭都能得益并同意該項(xiàng)目才能成功實(shí)施,只要某一類家庭存在而不論其具體數(shù)量都會(huì)產(chǎn)生相同影響;只有在極端情況下,如不存在2人的家庭,此時(shí)結(jié)果才會(huì)發(fā)生變化。此外,其他參數(shù)如光伏組件的價(jià)格下降、光電轉(zhuǎn)化的效率提高等,都會(huì)增大開發(fā)商與居民參與微電網(wǎng)項(xiàng)目的意愿強(qiáng)度,其背后原因非常直觀,不再展開論述。

3.2 考慮光伏補(bǔ)貼的上海居民社區(qū)商業(yè)模式應(yīng)用分析

本節(jié)考慮在社區(qū)光儲(chǔ)微電網(wǎng)項(xiàng)目獲得光伏補(bǔ)貼的條件下,針對(duì)上海地區(qū)一處新建居民社區(qū)進(jìn)行微電網(wǎng)商業(yè)模式應(yīng)用分析,其余參數(shù)、機(jī)制均與3.1節(jié)保持一致。

本文采用的戶用光伏發(fā)電補(bǔ)貼源于上海地區(qū)地方補(bǔ)貼政策。為提高光伏產(chǎn)電的利用率,從用電角度而不是產(chǎn)電角度進(jìn)行補(bǔ)貼計(jì)算,原地直接消納浪費(fèi)的光伏電能不在計(jì)算范圍之內(nèi)。綜合《上海市可再生能源和新能源發(fā)展專項(xiàng)資金管理辦法(2020版)》的信息與上述考量,假設(shè)整體居民作為獲得光伏補(bǔ)貼的主體,補(bǔ)貼時(shí)期持續(xù)5 年,用戶每使用1 k W·h的光伏產(chǎn)電,社區(qū)整體領(lǐng)取0.4元/k W·h的光伏補(bǔ)貼,然后平均分配給每個(gè)用戶。

本節(jié)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)所得最優(yōu)解如下:

微電網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)售價(jià)為11 563.34元/戶,在此價(jià)格下開發(fā)商的總體利潤為92 萬元,利潤率為39.78%,證實(shí)社區(qū)微電網(wǎng)商業(yè)模式在本節(jié)的情境中獲得了成功;平均每戶PV 系統(tǒng)的最優(yōu)裝機(jī)規(guī)模為1.4 k W,平均每戶蓄電池容量的最優(yōu)配置為266.67 AH;用戶平均收益為2 483.30元,用戶平均收益率為21.48%。表5對(duì)比了本節(jié)與3.1節(jié)數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果:與3.1節(jié)相比,本節(jié)中微電網(wǎng)項(xiàng)目最優(yōu)售價(jià)、開發(fā)商的總利潤與利潤率均有大幅提高,而單套PV系統(tǒng)最優(yōu)裝機(jī)規(guī)模與儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)配置與3.1節(jié)的結(jié)果保持一致;但是,本節(jié)中用戶收益率與平均收益相比3.1節(jié)未獲得補(bǔ)貼時(shí)呈現(xiàn)較明顯的下滑。用戶收益率下滑源于用戶選擇方案1時(shí)25年電費(fèi)凈現(xiàn)值未變動(dòng),而選擇方案2的用戶其25年電費(fèi)凈現(xiàn)值隨服務(wù)售價(jià)的提高(增幅為35.03%)而出現(xiàn)大幅上升。顯然,在本文提出的商業(yè)模式中,社區(qū)開發(fā)商作為主從博弈的主方獲得了絕大部分的光伏補(bǔ)貼收益,而社區(qū)用戶獲得光伏補(bǔ)貼帶來的收益較低。因此,政府在出臺(tái)補(bǔ)貼政策的同時(shí),應(yīng)配套出臺(tái)一系列相關(guān)政策,力爭(zhēng)改變市場(chǎng)上雙方的博弈結(jié)構(gòu),以便居民能夠真正獲益。

表5 有補(bǔ)貼情境與無補(bǔ)貼情境下數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.3 考慮各用戶獨(dú)立運(yùn)營的上海居民社區(qū)商業(yè)模式應(yīng)用分析

假設(shè)社區(qū)光伏系統(tǒng)不再是集中運(yùn)營的微電網(wǎng),而是每戶居民獨(dú)立的戶用分布式小型自發(fā)自用的形式,此時(shí)各居民用戶之間不存在博弈。在此情境中,社區(qū)運(yùn)維委員會(huì)依舊制定社區(qū)內(nèi)部光伏電價(jià),通過價(jià)格激勵(lì)使用戶參與需求響應(yīng)并將柔性負(fù)荷轉(zhuǎn)移至光伏電價(jià)最低的時(shí)段。各用戶參與微電網(wǎng)項(xiàng)目后,PV 系統(tǒng)的光伏產(chǎn)電自發(fā)自用、余電不上網(wǎng),每年再支出一筆微電網(wǎng)的維護(hù)費(fèi)用。此時(shí),業(yè)主委員會(huì)不再統(tǒng)一調(diào)度、公平分配光伏產(chǎn)電,用戶也不再向業(yè)主委員會(huì)繳納光伏電費(fèi),社區(qū)內(nèi)部的光伏電價(jià)只作為價(jià)格信號(hào)在用戶需求響應(yīng)中起到誘導(dǎo)作用。

本節(jié)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

微電網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)售價(jià)為5 767.67元/戶,在此價(jià)格下開發(fā)商的總體利潤為28 萬元,利潤率為24.27%,證實(shí)社區(qū)微電網(wǎng)商業(yè)模式在本節(jié)情境中獲得了成功;平均每戶PV 系統(tǒng)的最優(yōu)裝機(jī)規(guī)模為0.8 k W,平均每戶蓄電池容量的最優(yōu)配置為133.33 AH;用戶平均收益為1 606.07元,用戶平均收益率為18.04%。本節(jié)與3.1 節(jié)的結(jié)果對(duì)比如表6 所示。顯然,在各用戶獨(dú)立運(yùn)營的機(jī)制中,開發(fā)商投建的微電網(wǎng)系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模相比3.1節(jié)集中管理模式出現(xiàn)下降,微電網(wǎng)項(xiàng)目最優(yōu)售價(jià)、開發(fā)商利潤與用戶收益也隨之出現(xiàn)顯著下滑。其主要原因是,各家用戶的光伏系統(tǒng)發(fā)電量無法共享,使得某些家庭成員數(shù)量較少、用電量較少的用戶,對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的需求很小。

表6 獨(dú)立運(yùn)營與集中管理兩種模式的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.4 不同光照條件地區(qū)微電網(wǎng)應(yīng)用分析

由于各地的光伏政策與用電機(jī)制有較大的差異,故本節(jié)中僅分析太陽輻射強(qiáng)度差異對(duì)微電網(wǎng)商業(yè)模式運(yùn)營的影響,其余參數(shù)設(shè)置均與3.1節(jié)保持一致。除3.1節(jié)所選上海地區(qū)外,本文選取了光照條件差異較大、具備一定典型性的9個(gè)城市進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn),包括拉薩、嘉峪關(guān)、大同、烏魯木齊、北京、廣州、沈陽、成都和重慶。其中:拉薩是中國太陽輻射量最多的城市;廣州地區(qū)四季太陽輻射強(qiáng)度相對(duì)差距較小;成都、重慶地處四川盆地,雨多、霧多、晴天較少,太陽輻射資源較差;嘉峪關(guān)、大同、烏魯木齊地區(qū)的光照條件較好;北京、沈陽地處中國北方,光照峰值在上半年較早時(shí)(5月份)。

表7所示為本節(jié)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及與3.1節(jié)結(jié)果的對(duì)比。成都與重慶兩處城市的商業(yè)模式應(yīng)用失敗,其主要原因是兩地太陽輻射資源較差,用戶參與微電網(wǎng)項(xiàng)目后無法在25年內(nèi)實(shí)現(xiàn)正收益;社區(qū)微電網(wǎng)商業(yè)模式在其余地區(qū)的應(yīng)用仿真都獲得了成功的結(jié)果,即開發(fā)商與所有社區(qū)居民都能得益。

表7 各地商業(yè)模式應(yīng)用結(jié)果

在表7中,光照條件最為突出的拉薩地區(qū)的微電網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)售價(jià)、開發(fā)商總利潤以及開發(fā)商利潤率均明顯高于3.1節(jié)中上海地區(qū)的應(yīng)用情況,并且拉薩地區(qū)的開發(fā)商利潤率與開發(fā)商總利潤均在本文所選地區(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中位居第一。在光照條件較好的烏魯木齊地區(qū),其開發(fā)商總利潤與拉薩同居所列城市第一位,但其開發(fā)商利潤率由于戶均PV 系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模較大的原因低于拉薩地區(qū)。此外,光照條件較為突出的大同、嘉峪關(guān)地區(qū)同樣受戶均PV 系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模較大的影響,其開發(fā)商總利潤與利潤率均小于上海地區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而用戶的平均收益與平均收益率基本與上海地區(qū)維持同一水平。北京和沈陽的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,本文提出的商業(yè)模式在緯度更高的地區(qū)遇到較明顯的阻礙,在諸多城市案例中,這兩處城市的戶均PV 系統(tǒng)最優(yōu)裝機(jī)規(guī)模與戶均蓄電池容量均為最小,開發(fā)商總利潤最低,開發(fā)商利潤率也較低;與較差的開發(fā)商情況形成對(duì)比的是,北京和沈陽的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,雖然由于裝機(jī)規(guī)模較小,兩地的用戶平均收益在所列城市中排名最末,但是用戶平均收益率居于最高。

除光照條件較為突出的地區(qū)(烏魯木齊、大同、嘉峪關(guān))、緯度較高的地區(qū)(北京、沈陽)以及光照較差的四川盆地外,本文提出的商業(yè)模式在其余3個(gè)城市的戶均PV 系統(tǒng)最優(yōu)裝機(jī)規(guī)模均穩(wěn)定為1.4 k W。另一方面,各個(gè)城市的用戶收益率都維持在一個(gè)較為平穩(wěn)的水平(28%～31%);而開發(fā)商設(shè)置的微電網(wǎng)系統(tǒng)售價(jià)、開發(fā)商總利潤與開發(fā)商利潤率受太陽輻射強(qiáng)度差異影響較大,其中太陽輻射條件較好的地區(qū)由于戶均PV 系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模較大、微電網(wǎng)項(xiàng)目的建設(shè)成本較高,導(dǎo)致這些地區(qū)的開發(fā)商總利潤與利潤率相比于投建規(guī)模較小的上海地區(qū)出現(xiàn)下滑。

4 結(jié)論

針對(duì)投建微電網(wǎng)的開發(fā)商與社區(qū)用戶提出了社區(qū)光儲(chǔ)一體化微電網(wǎng)的商業(yè)模式,建立了基于主從博弈的雙層規(guī)劃模型,并在博弈中構(gòu)建了開發(fā)商與業(yè)主完成交易后完整的微電網(wǎng)運(yùn)營框架。通過模型求解與數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn),基于現(xiàn)有的市場(chǎng)數(shù)據(jù),本文發(fā)現(xiàn),只有在國內(nèi)光照資源較好的地區(qū),開發(fā)商才能通過優(yōu)化系統(tǒng)賣價(jià)與規(guī)模設(shè)置獲得較好的收益。對(duì)于居民而言,用電需求較多的用戶家庭通過參與微電網(wǎng)系統(tǒng)獲得更多的收益。然而,在開發(fā)商主導(dǎo)的微電網(wǎng)項(xiàng)目中,政府光伏補(bǔ)貼帶來的收益絕大部分被開發(fā)商攫取,用戶并未真正獲得更多收益。此外,數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)證實(shí),相比于用戶獨(dú)立產(chǎn)電用電的模式,集中對(duì)用戶光伏用電進(jìn)行管理分配的模式能同時(shí)為開發(fā)商和用戶帶來更多收益,并促進(jìn)開發(fā)商投建更大規(guī)模的微電網(wǎng)系統(tǒng)。

未來在本文的研究基礎(chǔ)上,可以在以下兩個(gè)方面進(jìn)行拓展。其一,在微電網(wǎng)系統(tǒng)建成之后的日常運(yùn)營過程中,結(jié)合機(jī)會(huì)維護(hù)策略研究平衡經(jīng)濟(jì)性與系統(tǒng)可靠性的智能維護(hù)策略,減少系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用的同時(shí)保障系統(tǒng)可靠性;其二,考慮工業(yè)園區(qū)中的智能微電網(wǎng)建設(shè),研究如何在發(fā)電不確定的情況下既保證生產(chǎn)車間的能耗需求又最小化車間的用能成本。