閆東翔，陳 玥

（香港中文大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系，香港 999077）

0 引言

隨著環(huán)境污染與氣候變化加劇，大力發(fā)展可再生能源、實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)清潔與低碳化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為了重要趨勢(shì)［1-2］。在能源供給側(cè)，可再生能源如風(fēng)電、光伏等快速發(fā)展，2020 年全球風(fēng)電與光伏裝機(jī)容量較2019 年分別增加超過(guò)65 GW（增速10.4%）和107 GW（增速18.3%）［3］?？稍偕茉淳哂虚g歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性，給電網(wǎng)供需平衡帶來(lái)了愈加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［4］。在能源需求側(cè)，隨著電動(dòng)汽車(chē)等電氣化設(shè)備的接入，負(fù)荷出現(xiàn)陡然增長(zhǎng)且負(fù)荷波動(dòng)變得更為劇烈，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［5］。電網(wǎng)需要對(duì)線路進(jìn)行擴(kuò)容并強(qiáng)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以應(yīng)對(duì)需求側(cè)的峰值沖擊，這無(wú)疑增加了投資成本。此外，峰值負(fù)荷持續(xù)時(shí)間一般較短，這也導(dǎo)致了備用設(shè)備的利用率低。

儲(chǔ)能是應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的有效手段，并已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻、平抑可再生能源出力波動(dòng)、需求側(cè)響應(yīng)、提高用戶供電可靠性等場(chǎng)景［6］。以需求側(cè)配置儲(chǔ)能為例，儲(chǔ)能通過(guò)在電網(wǎng)電價(jià)谷時(shí)段存儲(chǔ)電能、在電價(jià)峰時(shí)段釋放電能供給用戶，可以為用戶節(jié)省用電開(kāi)支，同時(shí)緩解電網(wǎng)的調(diào)峰壓力。盡管儲(chǔ)能具有極大的潛力，其發(fā)展仍面臨著如下幾個(gè)問(wèn)題：

1）儲(chǔ)能投資成本高。通常一個(gè)家庭用戶所需要的儲(chǔ)能容量較小，無(wú)法享受到規(guī)模效應(yīng)帶來(lái)的成本低廉的好處［7］。盡管使用儲(chǔ)能可以降低用戶用電成本，但其前期高額投入導(dǎo)致的投資回收周期長(zhǎng)和投資回報(bào)率低，會(huì)阻礙儲(chǔ)能在用戶側(cè)的普及。

2）用戶所需儲(chǔ)能容量定制化難。市面上廠家提供的可供用戶選擇的儲(chǔ)能產(chǎn)品容量種類(lèi)有限，用戶難以買(mǎi)到恰好與其負(fù)荷曲線相匹配的儲(chǔ)能容量模塊［8］。同時(shí)，儲(chǔ)能的購(gòu)買(mǎi)是一次性投資，但用戶的用電負(fù)荷是逐年變化的，這種不確定性加劇了用戶匹配儲(chǔ)能的難度。容量過(guò)大會(huì)使得用戶的投資負(fù)擔(dān)大，容量過(guò)小則無(wú)法滿足用戶的能源需求。

3）儲(chǔ)能設(shè)備利用率低。以峰谷套利型的儲(chǔ)能為例，其在電價(jià)便宜的時(shí)段充電，在電價(jià)高昂的時(shí)段放電。然而，當(dāng)用戶的負(fù)荷波動(dòng)性較強(qiáng)時(shí)，若尖峰電價(jià)時(shí)段的負(fù)荷恰好較低，用戶則可能有未使用的儲(chǔ)能容量。單用戶單儲(chǔ)能的配置與運(yùn)營(yíng)模式使用戶無(wú)法將這部分閑置的容量賣(mài)給其他用戶使用，從而導(dǎo)致儲(chǔ)能設(shè)備利用率低［9］。

以上因素制約著儲(chǔ)能的商業(yè)化快速發(fā)展，而共享經(jīng)濟(jì)作為一種提高資源利用效率的嶄新范式，為上述問(wèn)題的解決提供了新思路。共享經(jīng)濟(jì)已在租房（Airbnb）、交通出行（滴滴、Uber）等領(lǐng)域獲得許多成功的應(yīng)用，受到各界的關(guān)注［10］。共享儲(chǔ)能可通過(guò)用戶共同分擔(dān)儲(chǔ)能成本、充分利用用電負(fù)荷互補(bǔ)性等方式，使得所有用戶分享儲(chǔ)能所帶來(lái)的收益，有望突破儲(chǔ)能面臨的瓶頸問(wèn)題。本文詳細(xì)分析了共享儲(chǔ)能面臨的挑戰(zhàn)，給出了共享儲(chǔ)能的概念及應(yīng)用，總結(jié)了共享儲(chǔ)能在商業(yè)模式、定價(jià)機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)方面的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

1 共享儲(chǔ)能的概念及應(yīng)用

1.1 共享儲(chǔ)能的概念

共享儲(chǔ)能通常指代由一個(gè)公共儲(chǔ)能設(shè)備為多個(gè)用戶提供儲(chǔ)能服務(wù)的模式［11］。該公共儲(chǔ)能設(shè)備可以由所有用戶共同投資運(yùn)營(yíng)［12］，或者由第三方投資運(yùn)營(yíng)［13］。共享儲(chǔ)能利用不同用戶負(fù)荷曲線的差異性和互補(bǔ)性，通過(guò)統(tǒng)籌優(yōu)化以提升儲(chǔ)能設(shè)備的利用率、可再生能源的消納水平、用戶的收益，實(shí)現(xiàn)價(jià)值創(chuàng)造。另外，當(dāng)用戶擁有自有儲(chǔ)能時(shí)，用戶間通過(guò)互聯(lián)并共享能量以間接實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能共享的方式［14］，也可以歸為共享儲(chǔ)能的范疇。

1.2 共享儲(chǔ)能帶來(lái)的機(jī)遇

1）降低用戶的一次投資成本。共享儲(chǔ)能可以由第三方投資運(yùn)營(yíng)，用戶通過(guò)租賃儲(chǔ)能服務(wù)的方式獲得儲(chǔ)能的使用權(quán)。當(dāng)建設(shè)一個(gè)大型儲(chǔ)能設(shè)施來(lái)服務(wù)多用戶時(shí)，用戶可以間接享受到規(guī)模效應(yīng)帶來(lái)的低成本優(yōu)勢(shì)。

2）降低用戶的用電成本。儲(chǔ)能可用于需求響應(yīng)，通過(guò)在低谷電價(jià)時(shí)段充電、在高峰電價(jià)時(shí)段放電，用戶可實(shí)現(xiàn)峰谷套利，并直接減少其在用電高峰時(shí)段的購(gòu)電量，有效節(jié)省用戶的用電開(kāi)支。而共享儲(chǔ)能可突破單個(gè)儲(chǔ)能容量的限制，有望進(jìn)一步降低用戶用電成本。

3）提高儲(chǔ)能設(shè)備的利用率。單用戶單儲(chǔ)能的配置與運(yùn)營(yíng)模式容易造成儲(chǔ)能有閑置的時(shí)段或有多余的容量無(wú)法被使用，成為閑置資源。共享儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)閑置儲(chǔ)能資源的優(yōu)化配置，為用戶帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)效益。

4）節(jié)省用戶的安裝空間。安裝一套儲(chǔ)能系統(tǒng)難免要占用一定的空間，對(duì)于公寓式住宅等可用空間有限的用戶來(lái)說(shuō)，盡管普遍具有能耗高的特點(diǎn)，其安裝儲(chǔ)能的意愿并不高。共享儲(chǔ)能不占用用戶的空間，通過(guò)一個(gè)公共儲(chǔ)能服務(wù)多個(gè)用戶，可以解決該類(lèi)用戶的困擾。

5）促進(jìn)可再生能源就地消納。用戶的供需具有多樣性，如有的用戶因配置的光伏容量較小，對(duì)外表現(xiàn)為負(fù)荷，而另一些用戶則具有過(guò)剩的可再生能源發(fā)電量。此時(shí)，后者可將多余的能量供前者使用或者儲(chǔ)存到儲(chǔ)能電池中，不必因棄電而造成可再生能源的浪費(fèi)。

6）提升電網(wǎng)側(cè)運(yùn)行穩(wěn)定性。隨著可再生能源接入比例的不斷提高，可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性和不確定性將是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一。相比于分散控制的單用戶小儲(chǔ)能，獨(dú)立建造或聚合分散用戶小儲(chǔ)能得到的共享儲(chǔ)能規(guī)?？蛇_(dá)到兆瓦級(jí)，能夠作為可供電網(wǎng)側(cè)調(diào)控的資源以增強(qiáng)電網(wǎng)的靈活性。誠(chéng)然，用戶側(cè)共享儲(chǔ)能的主要目的是滿足用戶的儲(chǔ)能使用需求。但當(dāng)共享儲(chǔ)能容量規(guī)模足夠大時(shí)，可考慮劃分一定比例的容量用于電網(wǎng)側(cè)調(diào)控，作為一種與電網(wǎng)側(cè)共享的方式。為保證用戶側(cè)儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)的獨(dú)立性，此處的“調(diào)控”更多是以價(jià)格為媒介的間接調(diào)控方式。例如，文獻(xiàn)［15］以一個(gè)配置了1 MW 儲(chǔ)能的大型商業(yè)用戶為研究對(duì)象，提出了利用儲(chǔ)能同時(shí)進(jìn)行負(fù)荷削峰和向電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)的收益模型，說(shuō)明了利用大型用戶側(cè)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)控的可行性。

基于上述多種優(yōu)勢(shì)，共享儲(chǔ)能的模式受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

1.3 共享儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景

源、網(wǎng)、荷是電力系統(tǒng)最基本的三要素。文獻(xiàn)［16］指出，隨著電源、電網(wǎng)和負(fù)荷逐漸具備柔性特征，電力系統(tǒng)的控制模式將由傳統(tǒng)的源隨荷動(dòng)逐漸變?yōu)椤霸?網(wǎng)-荷”互動(dòng)。文獻(xiàn)［17］指出，隨著儲(chǔ)能的發(fā)展應(yīng)用，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理、促進(jìn)可再生能源應(yīng)用和提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性等，將給電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面帶來(lái)重大變革。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將貫穿于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、用電的各個(gè)環(huán)節(jié)，可緩解高峰負(fù)荷供電需求，提高現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備的利用率和電網(wǎng)的運(yùn)行效率［18］。文獻(xiàn)［19］進(jìn)一步提出了“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化的理念，通過(guò)統(tǒng)籌考慮、協(xié)調(diào)規(guī)劃，可以更經(jīng)濟(jì)、高效、安全地提高電力系統(tǒng)的功率動(dòng)態(tài)平衡能力。儲(chǔ)能作為一種靈活資源，可以應(yīng)用于電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，如圖1 所示。

圖1 共享儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景Fig.1 Application scenarios of shared energy storage in power systems

1.3.1 電源側(cè)共享儲(chǔ)能

與傳統(tǒng)火電、水電相比，風(fēng)電、光伏等可再生能源出力受天氣條件影響大，具有間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性。這使得新能源場(chǎng)站的可調(diào)控能力差，給電網(wǎng)規(guī)劃與調(diào)度帶來(lái)挑戰(zhàn)。同時(shí)，短時(shí)間內(nèi)功率過(guò)?；蛉鳖~的頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致了大量的棄風(fēng)棄光，影響了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。可再生能源將作為新型電力系統(tǒng)中的重要發(fā)電主體，其接入比例將不斷提高。因此，亟需有效的技術(shù)手段解決可再生能源的并網(wǎng)消納問(wèn)題。有效手段之一是在新能源場(chǎng)站中配置儲(chǔ)能：儲(chǔ)能可將可再生能源的生產(chǎn)和消納環(huán)節(jié)解耦，提高新能源場(chǎng)站電能的消納和外送能力［20］。然而，常規(guī)的配套儲(chǔ)能項(xiàng)目一般僅服務(wù)于單一新能源場(chǎng)站，各電站的儲(chǔ)能裝置彼此沒(méi)有直接聯(lián)系，商業(yè)模式較為簡(jiǎn)單，并不足以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的高效利用。

采用共享儲(chǔ)能模式后，地理位置相距較近的新能源場(chǎng)站可作為共享儲(chǔ)能的目標(biāo)用戶。文獻(xiàn)［21-22］分別從運(yùn)行模式和容量規(guī)劃2 個(gè)方面對(duì)電源側(cè)共享儲(chǔ)能進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［21］指出，共享儲(chǔ)能是解決新能源消納難題的有效措施：一方面，可利用共享儲(chǔ)能在新能源發(fā)電過(guò)剩時(shí)存儲(chǔ)電量，在用電高峰或新能源出力低谷時(shí)段釋放電量，解決棄風(fēng)棄光的問(wèn)題；另一方面，當(dāng)共享儲(chǔ)能存在閑置容量時(shí)，其可參與電力調(diào)峰輔助服務(wù)。但該文獻(xiàn)未考慮輸電成本和網(wǎng)損的影響。文獻(xiàn)［22］研究了發(fā)電側(cè)風(fēng)電廠共享儲(chǔ)能的容量規(guī)劃問(wèn)題，提出了風(fēng)電廠的合作博弈模型，驗(yàn)證了共享儲(chǔ)能模式可以降低風(fēng)電廠對(duì)儲(chǔ)能容量的需求，并提高所有參與者的總收益。但是，該文獻(xiàn)假設(shè)儲(chǔ)能共享僅在聯(lián)盟內(nèi)部進(jìn)行，未計(jì)及共享儲(chǔ)能參與其他電力輔助服務(wù)進(jìn)一步提高收益的情形。

1.3.2 電網(wǎng)側(cè)共享儲(chǔ)能

隨著可再生能源的大量接入和電氣化設(shè)備數(shù)量的急劇增加，電網(wǎng)輸電線路將出現(xiàn)重載、過(guò)載現(xiàn)象，變電站面臨用電峰谷差增大、電能質(zhì)量惡化等問(wèn)題，電網(wǎng)供電可靠性降低。解決上述問(wèn)題的傳統(tǒng)方法是棄風(fēng)棄光、線路升級(jí)擴(kuò)容和預(yù)留備用等［7］，但這導(dǎo)致了可再生能源的利用率低或投資效益不理想的問(wèn)題。在電網(wǎng)側(cè)變電站內(nèi)部署儲(chǔ)能是一種新的解決思路，輸電網(wǎng)可以利用儲(chǔ)能緩解線路阻塞和提供調(diào)頻服務(wù)，配電網(wǎng)也可以利用儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)的削峰填谷。但是，如何在最大限度地利用儲(chǔ)能資源的同時(shí)滿足上述各種不同的服務(wù)需求是亟須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

文獻(xiàn)［23-25］研究了輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)共享儲(chǔ)能的問(wèn)題。其中，文獻(xiàn)［23］期望利用共享儲(chǔ)能緩解輸電網(wǎng)線路阻塞和實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并提出了一種多階段調(diào)度方案。文獻(xiàn)［24］從提高大電網(wǎng)可靠性的角度出發(fā)，通過(guò)協(xié)調(diào)配電網(wǎng)側(cè)的共享儲(chǔ)能降低大電網(wǎng)的失負(fù)荷概率。但是，以上文獻(xiàn)均沒(méi)有考慮在輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)共享儲(chǔ)能容量時(shí)所造成的線路損耗問(wèn)題。文獻(xiàn)［25］探討了如何利用儲(chǔ)能解決輸電線路阻塞的問(wèn)題。研究結(jié)果表明，實(shí)施阻塞管理雖然會(huì)帶來(lái)運(yùn)行成本的增加，但保障了線路運(yùn)行的安全性。文獻(xiàn)［26］指出，通過(guò)與用戶分?jǐn)傠娋W(wǎng)側(cè)共享儲(chǔ)能電站的建造成本，可在提高用戶供電可靠性的同時(shí)節(jié)約電網(wǎng)投資運(yùn)營(yíng)成本。但其分析結(jié)果是建立在儲(chǔ)能每天完成2 次完整充放電的假設(shè)基礎(chǔ)上的，而實(shí)際情況將更為復(fù)雜。

1.3.3 負(fù)荷側(cè)共享儲(chǔ)能

隨著人們生活水平的不斷提高和電動(dòng)汽車(chē)等大功率用電設(shè)備的逐漸普及，用戶用電負(fù)荷及用電成本持續(xù)攀升。盡管在用戶側(cè)部署分布式可再生能源發(fā)電設(shè)備，如屋頂光伏等，可抵消一部分用電負(fù)荷，但光伏出力曲線與用戶負(fù)荷曲線并不重合，在某些時(shí)段反而會(huì)導(dǎo)致峰谷差增大。一種更為實(shí)用的解決方案是將儲(chǔ)能與分布式可再生能源發(fā)電相結(jié)合：儲(chǔ)能在日間吸收光伏的剩余能量并在晚上用電高峰時(shí)段釋放，配合需求響應(yīng)策略，可節(jié)省用戶的用電開(kāi)支。但如前文所述，目前常見(jiàn)的單用戶單儲(chǔ)能的配置與運(yùn)營(yíng)模式面臨著成本高、安裝空間受限等問(wèn)題。

在負(fù)荷側(cè)部署共享儲(chǔ)能以服務(wù)多方用戶的方式，使得用戶無(wú)須安裝自有儲(chǔ)能也可享受同樣的儲(chǔ)能服務(wù)。文獻(xiàn)［14］指出，共享儲(chǔ)能在方便服務(wù)用戶、發(fā)揮儲(chǔ)能效益、降低投資成本等方面具有巨大的潛力。文獻(xiàn)［27］對(duì)比了用戶側(cè)使用共享儲(chǔ)能服務(wù)與獨(dú)立配置儲(chǔ)能2 種方式的差異，指出引入共享儲(chǔ)能可以顯著降低用戶群的日運(yùn)行成本。文獻(xiàn)［28］以社區(qū)綜合運(yùn)營(yíng)商為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)施共享儲(chǔ)能降低了社區(qū)用戶的用能費(fèi)用。

此外，在故障或應(yīng)急場(chǎng)景下，大容量共享儲(chǔ)能可以與可再生能源場(chǎng)站或用戶組成微電網(wǎng)。此時(shí)，共享儲(chǔ)能有能力提供事故備用電源、黑啟動(dòng)等故障和應(yīng)急場(chǎng)景服務(wù)。文獻(xiàn)［29］提出在線路故障情況下，通過(guò)儲(chǔ)能可保障區(qū)內(nèi)重要負(fù)荷的供電、緩解線路短時(shí)擁塞。文獻(xiàn)［30］研究了在停電時(shí)利用多類(lèi)型儲(chǔ)能協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷恢復(fù)。文獻(xiàn)［31］提出了通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)中配置的大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)為附近電廠熱電機(jī)組進(jìn)行黑啟動(dòng)的方案。以上方案可在共享儲(chǔ)能設(shè)計(jì)中加以借鑒。但相比一般儲(chǔ)能而言，共享儲(chǔ)能還涉及多方參與者的交互和博弈，這也是在第3 章定價(jià)機(jī)制中所重點(diǎn)討論的問(wèn)題。

1.4 國(guó)內(nèi)外共享儲(chǔ)能典型工程實(shí)踐

中國(guó)于2019 年在青海省開(kāi)展了電源側(cè)共享儲(chǔ)能的示范工程項(xiàng)目，國(guó)網(wǎng)青海省電力公司組織3 家新能源發(fā)電商開(kāi)展共享儲(chǔ)能調(diào)峰輔助服務(wù)試點(diǎn)交易［20］。2019 年，在中國(guó)湖南省長(zhǎng)沙市進(jìn)行了電網(wǎng)側(cè)電池儲(chǔ)能電站的共享商業(yè)模式試點(diǎn)。據(jù)測(cè)算，儲(chǔ)能商每天收益可達(dá)1.2 萬(wàn)元，每年可獲利近367.2 萬(wàn)元［4，25］。此外，英國(guó)、歐盟、美國(guó)和澳洲等都相繼開(kāi)展了共享儲(chǔ)能的工程試點(diǎn)和應(yīng)用［12］。英國(guó)在2012年啟動(dòng)的SoLa BRISTOL 項(xiàng)目［32］，旨在通過(guò)在用戶側(cè)部署儲(chǔ)能裝置并共享儲(chǔ)能的方式，克服配電網(wǎng)側(cè)線路的過(guò)熱、過(guò)負(fù)荷問(wèn)題，同時(shí)為用戶提供經(jīng)濟(jì)的電力服務(wù)。歐盟在2016 年資助的SHAR-Q 項(xiàng)目［33］通過(guò)連接部署在社區(qū)內(nèi)的分布式儲(chǔ)能來(lái)構(gòu)建一個(gè)儲(chǔ)能共享平臺(tái)，用于減少社區(qū)內(nèi)所需的儲(chǔ)能容量。美國(guó)加州公用事業(yè)公司SMUD 在2019 年推出了共享儲(chǔ)能項(xiàng)目［34］，允許參與項(xiàng)目的客戶共同投資一個(gè)戶外儲(chǔ)能系統(tǒng)，參與的客戶可以使用該戶外儲(chǔ)能節(jié)省用電開(kāi)支，而無(wú)須投資建設(shè)自有儲(chǔ)能。2019 年，特斯拉啟動(dòng)了Connected Solutions 項(xiàng)目［35］，該計(jì)劃擬通過(guò)向客戶提供激勵(lì)，將美國(guó)馬薩諸塞州的電池連接起來(lái)。在電力需求高峰期，電力供應(yīng)商可以利用這些并網(wǎng)電池中存儲(chǔ)的能量，減少峰值負(fù)荷時(shí)期的電力供應(yīng)。澳大利亞公用事業(yè)公司ShinHub 在2020年開(kāi)展了儲(chǔ)能共享項(xiàng)目［36］，將分布式儲(chǔ)能集成到虛擬電廠中向電網(wǎng)提供電力輔助服務(wù)。

共享儲(chǔ)能在以上場(chǎng)景中的成功應(yīng)用需要行之有效的商業(yè)模式支撐。共享儲(chǔ)能參與者的所屬關(guān)系不同，所采用的商業(yè)模式也將有所區(qū)別。第2 章將對(duì)共享儲(chǔ)能商業(yè)模式的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理。

2 共享儲(chǔ)能的商業(yè)模式

本章根據(jù)公共儲(chǔ)能與用戶參與者的所屬關(guān)系不同將共享儲(chǔ)能的商業(yè)模式劃分為3 類(lèi)：用戶投資和共享公共儲(chǔ)能、用戶共享運(yùn)營(yíng)商投資的公共儲(chǔ)能、用戶共享自有儲(chǔ)能。

2.1 用戶投資和共享公共儲(chǔ)能

該方式下所有用戶共同投資一個(gè)公共儲(chǔ)能設(shè)備，以一個(gè)公共儲(chǔ)能設(shè)備滿足多個(gè)用戶的儲(chǔ)能需求，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。通過(guò)對(duì)已有研究進(jìn)行綜述，此方式下的運(yùn)行策略可分為基于容量分配和基于能量統(tǒng)一匯聚2 類(lèi)。

圖2 用戶共同投資運(yùn)營(yíng)的共享儲(chǔ)能架構(gòu)Fig.2 Architecture of shared energy storage with joint investment and operation by users

2.1.1 基于容量分配的方式

基于容量分配的方式要求預(yù)先分配好各用戶可使用的儲(chǔ)能容量，然后各用戶根據(jù)分配好的容量獨(dú)自制定儲(chǔ)能充放電計(jì)劃。

文獻(xiàn)［10］提出了一種基于平均容量的分配方式。首先，每個(gè)用戶從共享儲(chǔ)能處獲得相等的容量；然后，各用戶可再對(duì)分配的容量進(jìn)行微調(diào)以降低自身的用電成本。但是，用戶可使用的儲(chǔ)能容量受限于預(yù)先的分配值，可能存在某一時(shí)刻其中一方用戶具有閑置的儲(chǔ)能容量，而另一方用戶恰好出現(xiàn)儲(chǔ)能容量不足的情況。由于儲(chǔ)能容量分配已確定，無(wú)法進(jìn)行能量交換，導(dǎo)致儲(chǔ)能無(wú)法被充分利用。文獻(xiàn)［37］針對(duì)一個(gè)共享儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)服務(wù)居民用戶和小型商業(yè)用戶的情景，提出了一種用戶內(nèi)部基于協(xié)商流程確定儲(chǔ)能容量份額的優(yōu)化方法。在初始容量分配方案的基礎(chǔ)上，不同用戶之間通過(guò)協(xié)商的方式逐步改進(jìn)分配方案。相比于固定不變的容量份額分配方式，該變?nèi)萘康姆椒呻S時(shí)間動(dòng)態(tài)調(diào)整分配給不同用戶的儲(chǔ)能容量份額，有效提高了共享儲(chǔ)能的使用率，但隨著參與者數(shù)量的增長(zhǎng)，計(jì)算也將變得更復(fù)雜。另外，考慮到儲(chǔ)能具有運(yùn)行靈活、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，除服務(wù)負(fù)荷用戶以降低其用電成本外，儲(chǔ)能還可參與到多種電力服務(wù)市場(chǎng)之中。文獻(xiàn)［38］旨在將儲(chǔ)能容量份額合理地分配到3 種電力市場(chǎng)（能量套利市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)、配電網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)）中，分別用于峰谷套利、提供調(diào)頻服務(wù)、緩解線路阻塞，不同時(shí)間段的容量份額不同，可采用投資組合理論最大化儲(chǔ)能收益并降低可能的風(fēng)險(xiǎn)成本。

除儲(chǔ)能容量分配方式外，用戶與共享儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行與控制也受到了很多研究的關(guān)注。由于負(fù)荷、可再生能源發(fā)電存在不確定性，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)［39］提出了一種基于李雅普諾夫優(yōu)化的、以時(shí)間平均成本最小化為目標(biāo)的在線控制方法。另外，考慮到用戶的隱私保護(hù)問(wèn)題，相比于需要知悉用戶私有信息的集中式解決方案，分布式優(yōu)化方法被廣泛采用［40］。分布式優(yōu)化方法只需要多主體之間交互少量的信息即可實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)［41］，但其實(shí)施需要用戶之間的多次通信交互與迭代，這離不開(kāi)信息通信技術(shù)的有效支撐［42］。

2.1.2 基于能量統(tǒng)一匯聚的方式

基于能量統(tǒng)一匯聚的方式是指共享儲(chǔ)能匯集所有用戶與儲(chǔ)能的能量交互曲線，然后確定共享儲(chǔ)能的整體充電和放電計(jì)劃，而不是拆分容量的方式。文獻(xiàn)［13］以住宅用戶共同投資運(yùn)營(yíng)公共儲(chǔ)能為例，研究結(jié)果顯示，相比于用戶單獨(dú)投資儲(chǔ)能，用戶共同投資運(yùn)營(yíng)共享儲(chǔ)能可以使總成本降低2.4%。文獻(xiàn)［43］研究了住宅區(qū)部署共享儲(chǔ)能的典型場(chǎng)景，各用戶通過(guò)輸電線路與共享儲(chǔ)能設(shè)備以及電網(wǎng)相連，共享儲(chǔ)能統(tǒng)一匯集用戶的充放電需求，省去了將儲(chǔ)能容量預(yù)先分配給各用戶的步驟。文獻(xiàn)［44］進(jìn)一步針對(duì)住宅用戶部署共享儲(chǔ)能的場(chǎng)景，構(gòu)建了最小化用電成本和碳排放的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，利用共享儲(chǔ)能充當(dāng)集中的能量緩沖裝置，應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電和負(fù)荷的波動(dòng)，間接實(shí)現(xiàn)了用戶間的用能互補(bǔ)。由于屬于集中調(diào)控，該方式下用戶對(duì)儲(chǔ)能使用的獨(dú)立自主性有所下降。

2.2 用戶共享運(yùn)營(yíng)商投資的公共儲(chǔ)能

家庭用戶、小規(guī)模商業(yè)用戶等所需儲(chǔ)能容量往往較小，且對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的價(jià)格較為敏感，難以從市面上買(mǎi)到恰好符合其容量需求的儲(chǔ)能模塊。因此，由第三方負(fù)責(zé)投資建設(shè)并運(yùn)營(yíng)的共享儲(chǔ)能模式（見(jiàn)圖3）不失為一種有效的解決方案。在此方式下，共享儲(chǔ)能由獨(dú)立于各用戶的第三方機(jī)構(gòu)即共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)投資建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)。運(yùn)營(yíng)商為用戶提供儲(chǔ)能服務(wù)，服務(wù)方式大致可分為2 類(lèi)：一是向用戶提供儲(chǔ)能使用容量；二是向用戶提供充放電服務(wù)。由于用戶眾多，共享儲(chǔ)能的使用率得以提高。同時(shí)，用戶用電負(fù)荷的多樣性和用戶之間用電行為的互補(bǔ)性為共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商選擇儲(chǔ)能投資容量、充放電功率和時(shí)機(jī)提供了優(yōu)化空間。

圖3 運(yùn)營(yíng)商管理共享儲(chǔ)能的架構(gòu)Fig.3 Architecture of shared energy storage managed by operator

2.2.1 向用戶租賃儲(chǔ)能使用容量的方式

文獻(xiàn)［9］提出了一種基于價(jià)格的兩階段方法。共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商在第1 階段以投資運(yùn)行總成本最小化為目標(biāo)設(shè)定其投資容量和用戶購(gòu)買(mǎi)儲(chǔ)能使用容量的價(jià)格，用戶在第2 階段根據(jù)發(fā)布的價(jià)格策略性地調(diào)整其所需要購(gòu)買(mǎi)的儲(chǔ)能使用容量。文獻(xiàn)［45-46］站在共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的角度，提出了云儲(chǔ)能的概念、運(yùn)營(yíng)機(jī)制及其容量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法。用戶使用云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商提供的虛擬儲(chǔ)能來(lái)代替用戶側(cè)的實(shí)體儲(chǔ)能，并根據(jù)自身儲(chǔ)能使用需求確定儲(chǔ)能充放電功率及時(shí)機(jī)，以達(dá)到使用云端虛擬儲(chǔ)能就如同使用實(shí)體自安裝儲(chǔ)能一樣的效果。在這種方式下，云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商主要向用戶提供虛擬儲(chǔ)能容量，不干涉用戶對(duì)虛擬儲(chǔ)能的充放電行為，用戶使用儲(chǔ)能的充放電功率由用戶自身的需求決定。

在文獻(xiàn)［45］的研究中，共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商將所有用戶的儲(chǔ)能充放電策略聚合起來(lái)，根據(jù)聚合的結(jié)果，以總成本（共享儲(chǔ)能的年投資成本加上通過(guò)電網(wǎng)為共享儲(chǔ)能充放電的年運(yùn)行成本，減去提供充電服務(wù)所獲得的收益）最小化為目標(biāo)，統(tǒng)籌進(jìn)行共享儲(chǔ)能容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該研究側(cè)重于證明投資建設(shè)共享儲(chǔ)能相比于單獨(dú)為用戶配置儲(chǔ)能可以節(jié)約更多的運(yùn)行成本。文獻(xiàn)［47］提出了一種在線儲(chǔ)能容量分配方法，允許用戶每天改變租賃的儲(chǔ)能容量，與文獻(xiàn)［45-46］相比更為靈活。總體上，共享儲(chǔ)能模式優(yōu)于分散式的儲(chǔ)能模式，用戶決定所使用的儲(chǔ)能容量并向儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商購(gòu)買(mǎi)，但該方式下的用戶可能進(jìn)行頻繁的充放電，會(huì)對(duì)電池壽命造成一定的影響。2.2.2 節(jié)中租賃充放電服務(wù)的方式可以對(duì)用戶的儲(chǔ)能充放電行為加以約束。

基于容量分配的方式（2.1.1 節(jié)）和向用戶租售儲(chǔ)能使用容量的方式（2.2.1 節(jié)）的相同之處在于：都是用戶從共享儲(chǔ)能獲得一部分儲(chǔ)能使用容量；不同之處在于，2 種方式中共享儲(chǔ)能的所有者主體不同，2.1.1 節(jié)中共享儲(chǔ)能由用戶共同投資和享有，用戶的容量分配更關(guān)注公平性，如文獻(xiàn)［11］提出的基于平均容量的分配方式及其改進(jìn)，而2.2.1 節(jié)中的共享儲(chǔ)能由第三方獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商投資和運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)商旨在最大化自身收益或最小化成本，用戶的儲(chǔ)能使用容量受到實(shí)際使用需求和獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商的共同影響。因此，2 種方式雖有相似之處，但存在本質(zhì)區(qū)別。

2.2.2 向用戶租賃充放電服務(wù)的方式

在該方式下，共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商根據(jù)用戶實(shí)際產(chǎn)生的充放電行為進(jìn)行收費(fèi)。文獻(xiàn)［48］以配有儲(chǔ)能和光伏設(shè)施的公寓住宅樓為研究對(duì)象，將儲(chǔ)能等設(shè)施的運(yùn)營(yíng)商與用戶之間的交互作用建模為雙層優(yōu)化問(wèn)題。其中，儲(chǔ)能等分布式能源設(shè)施為第三方所有，住宅樓內(nèi)的用戶可以選擇從儲(chǔ)能等設(shè)施或電網(wǎng)購(gòu)電以滿足其日常用電需求?？紤]到投資建設(shè)一個(gè)規(guī)?；墓蚕韮?chǔ)能設(shè)施的費(fèi)用較為昂貴，共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商通過(guò)調(diào)整儲(chǔ)能充放電服務(wù)價(jià)格可以間接影響用戶的儲(chǔ)能需求，從而在減少投資成本與保證用戶效益之間尋求最佳的平衡?？紤]到多個(gè)用戶之間的策略性交互關(guān)系及其對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)的影響，文獻(xiàn)［49］進(jìn)一步將雙層Stackelberg 模型中的下層建模為一個(gè)非合作博弈問(wèn)題，其納什均衡解作為用戶最終的策略。此時(shí)，運(yùn)營(yíng)商和用戶、用戶內(nèi)部都存在利益沖突，使該方式與租賃容量的方式相比更為復(fù)雜。文獻(xiàn)［50］指出，可以利用價(jià)格機(jī)制調(diào)動(dòng)用戶參與共享儲(chǔ)能交易的積極性，并提出了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法求解共享儲(chǔ)能服務(wù)的價(jià)格。但相比于優(yōu)化的方法，其需要花費(fèi)較多的訓(xùn)練時(shí)間和訓(xùn)練次數(shù)方能得到一個(gè)收斂的解。

2.3 用戶共享自有儲(chǔ)能

此方式下，每個(gè)用戶安裝有單獨(dú)的儲(chǔ)能設(shè)備，用戶之間可以進(jìn)行能量交易，如圖4 所示。

圖4 用戶自有儲(chǔ)能共享的架構(gòu)Fig.4 Architecture of shared energy storage owned by each user

用戶共享自有儲(chǔ)能可分為自有儲(chǔ)能用戶群體內(nèi)部共享儲(chǔ)能、自有儲(chǔ)能用戶群體向外部（如電網(wǎng)）共享儲(chǔ)能2 種方式。在前者中，用戶既可能將自有的儲(chǔ)能共享給其他用戶使用，又可能共享使用其他用戶的儲(chǔ)能，即共享是雙向的；在后者中，用戶將自有儲(chǔ)能共享給電網(wǎng)等使用，而電網(wǎng)側(cè)的儲(chǔ)能則一般不會(huì)共享給用戶使用，即共享是單向的。

2.3.1 自有儲(chǔ)能用戶群體內(nèi)部共享儲(chǔ)能

出于對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的考慮，在某些情況下（如電壓、頻率超過(guò)允許的范圍），來(lái)自用戶側(cè)的分布式可再生能源發(fā)電被禁止并網(wǎng)。此時(shí)，用戶過(guò)剩的發(fā)電量只能被削減或棄用，導(dǎo)致能量利用率變低。通過(guò)用戶之間共享儲(chǔ)能，結(jié)合合理的運(yùn)營(yíng)方式，可以有效降低所有用戶的用電成本，提高分布式可再生能源發(fā)電的就地消納水平，而不是將過(guò)剩的電能直接反饋給電網(wǎng)端，減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

文獻(xiàn)［15］針對(duì)工業(yè)園區(qū)內(nèi)多個(gè)負(fù)荷用戶進(jìn)行儲(chǔ)能投資決策的場(chǎng)景，比較了有儲(chǔ)能共享與沒(méi)有儲(chǔ)能共享2 種情況下的總成本。結(jié)果顯示，用戶之間儲(chǔ)能共享可以有效減少儲(chǔ)能的安裝容量，并提高用戶的平均收益。但是，該研究對(duì)分時(shí)電價(jià)曲線進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，可能使得該研究結(jié)果無(wú)法適應(yīng)真實(shí)的情況。文獻(xiàn)［51］基于實(shí)際分時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)，研究了微電網(wǎng)之間的能量共享問(wèn)題，其中每個(gè)微電網(wǎng)可看作是一個(gè)配置有儲(chǔ)能裝置的參與者。相比于各微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行即無(wú)儲(chǔ)能共享的場(chǎng)景，微電網(wǎng)之間通過(guò)儲(chǔ)能共享的方式有效降低了所有用戶的總成本。

2.3.2 自有儲(chǔ)能用戶群體向外部共享儲(chǔ)能

用戶與外部共享儲(chǔ)能是指用戶將自身的一部分儲(chǔ)能容量供外部設(shè)施使用，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的多功能利用。文獻(xiàn)［52-53］研究了單一用戶將自有的部分儲(chǔ)能容量共享給配電網(wǎng)側(cè)使用的場(chǎng)景，屬于“一對(duì)一”的情況。其中，文獻(xiàn)［52］提出一種基于比例的方式將儲(chǔ)能容量一分為二，一部分儲(chǔ)能容量用于負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)，另一部分儲(chǔ)能容量供配電網(wǎng)用于變壓器端的削峰填谷。通過(guò)容量共享有效地減少了用戶的購(gòu)電成本并緩解了電網(wǎng)側(cè)的調(diào)峰壓力，實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的雙贏。考慮到配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和電網(wǎng)價(jià)格的時(shí)變特性，文獻(xiàn)［53］進(jìn)一步提出一種動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能容量分配方法。研究結(jié)果顯示，在典型冬季日下，結(jié)合共享儲(chǔ)能的靈活運(yùn)行方式，可以為用戶多節(jié)省16.11 歐元的用電開(kāi)支。

隨著儲(chǔ)能的不斷普及和在用戶側(cè)的持續(xù)滲透，出現(xiàn)多個(gè)家庭用戶都配有儲(chǔ)能的情況。因此，多個(gè)用戶共享自有儲(chǔ)能給公共設(shè)施利用的這種“多對(duì)一”的情況成為可能。文獻(xiàn)［54］針對(duì)社區(qū)內(nèi)多個(gè)家庭用戶共用公共用電設(shè)施的場(chǎng)景，提出一種社區(qū)用戶將自身儲(chǔ)能共享給公共設(shè)施使用的拍賣(mài)機(jī)制，用于確定各家庭用戶愿意與社區(qū)公共設(shè)施共享儲(chǔ)能容量的比例。以此類(lèi)推，目前針對(duì)“多對(duì)多”場(chǎng)景，即多用戶與多外部設(shè)施共享儲(chǔ)能研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。

表1 總結(jié)了以上3 類(lèi)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。此分類(lèi)方式的優(yōu)勢(shì)在于，可體現(xiàn)共享儲(chǔ)能所有權(quán)和使用權(quán)的主體歸屬關(guān)系及物理特征的不同，而這正是導(dǎo)致共享儲(chǔ)能參與者的利益訴求和采用的策略有所區(qū)別的關(guān)鍵。進(jìn)一步，針對(duì)三大類(lèi)中的每一類(lèi)，結(jié)合不同的利益訴求，又進(jìn)行了策略層面上的細(xì)分，從而更全面地反映各類(lèi)共享儲(chǔ)能方式的特點(diǎn)。

表1 3 類(lèi)共享儲(chǔ)能商業(yè)模式的對(duì)比與總結(jié)Table 1 Comparison and summary of three kinds of business modes for shared energy storage

3 共享儲(chǔ)能的定價(jià)機(jī)制

在上述共享儲(chǔ)能的諸多商業(yè)模式下，用戶之間、用戶與共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商之間通過(guò)儲(chǔ)能共享，提升了儲(chǔ)能的利用率，降低了用戶的用電成本，提高了系統(tǒng)的總運(yùn)行效益?？紤]到用戶和共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商作為獨(dú)立的決策主體，追求自身成本最小化或收益最大化，彼此間存在利益沖突，因此，如何設(shè)計(jì)有效的激勵(lì)機(jī)制以調(diào)動(dòng)參與共享儲(chǔ)能的積極性是關(guān)鍵。共享儲(chǔ)能的定價(jià)機(jī)制或成本分配方案的相關(guān)研究大致可以分為以下3 類(lèi)，劃分依據(jù)如下：

1）基于邊際價(jià)格的方式。首先，求解一個(gè)集中優(yōu)化問(wèn)題，并將相關(guān)約束對(duì)偶變量的值作為價(jià)格。為實(shí)現(xiàn)此定價(jià)，需要收集所有用戶的負(fù)荷、儲(chǔ)能需求等信息?？紤]到用戶隱私保護(hù)和通信、計(jì)算復(fù)雜度等，此方式適用于小型系統(tǒng)，如共享儲(chǔ)能社區(qū)。

2）基于博弈論的方式。這類(lèi)方式側(cè)重于考慮參與者之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，期望通過(guò)合適的機(jī)制協(xié)調(diào)參與者的行為。此方法不一定能實(shí)現(xiàn)社會(huì)最優(yōu)，但一般可實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)。

3）其他基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的定價(jià)機(jī)制。與上述兩種方式具有成熟、普適的方法/理論相比，這類(lèi)方法的特點(diǎn)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則或?qū)＜业闹R(shí)，針對(duì)共享儲(chǔ)能特定場(chǎng)景的特點(diǎn)，構(gòu)造適用于特例的定價(jià)機(jī)制。

3.1 基于邊際價(jià)格的定價(jià)機(jī)制

邊際定價(jià)方案因其公平性和對(duì)擁堵定價(jià)的能力而被廣泛應(yīng)用于電力市場(chǎng)中［55］。包含用戶和共享儲(chǔ)能系統(tǒng)的社區(qū)可看作一個(gè)小型的電力市場(chǎng)，該市場(chǎng)旨在通過(guò)優(yōu)化資源分配最大限度地提高整個(gè)社區(qū)的效益。類(lèi)似地，市場(chǎng)內(nèi)部交易的電價(jià)可通過(guò)負(fù)荷分配問(wèn)題最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的對(duì)偶變量值決定，此對(duì)偶變量的值反映了邊際成本。文獻(xiàn)［43］以最小化社區(qū)的總用電成本為目標(biāo)，對(duì)共享儲(chǔ)能社區(qū)按照邊際成本定價(jià)，并通過(guò)不動(dòng)點(diǎn)方法交替固定電價(jià)和負(fù)荷需求2 個(gè)變量進(jìn)行迭代求解。但是，該方法需要較多的迭代次數(shù)，當(dāng)參數(shù)選擇不合理時(shí)面臨求解不收斂的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 基于博弈論的定價(jià)機(jī)制

在共享儲(chǔ)能的研究中，存在用戶與共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商等多個(gè)利益主體，如何分析多方利益主體在使用共享儲(chǔ)能時(shí)的策略性行為，提出合適的成本利益分配或定價(jià)協(xié)調(diào)機(jī)制，是共享儲(chǔ)能場(chǎng)景中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前，利用博弈論進(jìn)行共享儲(chǔ)能定價(jià)的研究可按照博弈的類(lèi)型分為基于非合作博弈和基于合作博弈的方式兩大類(lèi)。

3.2.1 基于非合作博弈的方式

1）基于拍賣(mài)理論的定價(jià)機(jī)制

拍賣(mài)本質(zhì)上是一個(gè)不完全信息條件下的非合作博弈的納什均衡。拍賣(mài)理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)的能源管理中，特別是電力市場(chǎng)交易和需求側(cè)管理之中［56］。根據(jù)拍賣(mài)物品的類(lèi)型，拍賣(mài)可以分為單一類(lèi)型拍賣(mài)和組合拍賣(mài)。在單一類(lèi)型拍賣(mài)中，拍賣(mài)物品單一如只有儲(chǔ)能容量，而在組合拍賣(mài)中，可拍賣(mài)物品更多樣，可包括儲(chǔ)能容量、充電功率、放電功率等［57］。按照賣(mài)方和買(mǎi)方的對(duì)應(yīng)關(guān)系，拍賣(mài)又可以分為單向拍賣(mài)和雙向拍賣(mài)。單向拍賣(mài)即單一賣(mài)家、多方買(mǎi)家的“一對(duì)多”結(jié)構(gòu)，雙向拍賣(mài)則具有“多對(duì)多”的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)。因此，單向拍賣(mài)常面臨著賣(mài)家壟斷問(wèn)題，而雙向拍賣(mài)盡管可避免壟斷問(wèn)題，但需要統(tǒng)一調(diào)控平臺(tái)協(xié)調(diào)，當(dāng)參與者眾多時(shí)計(jì)算量大［58］。

在進(jìn)行拍賣(mài)前，將參與者劃分為買(mǎi)方和賣(mài)方，如可以根據(jù)參與者的凈負(fù)荷的正負(fù)確定。然后，投標(biāo)人進(jìn)行密封投標(biāo)，這保證了其他投標(biāo)參與者的出價(jià)情況對(duì)投標(biāo)者保密。投標(biāo)上標(biāo)注有買(mǎi)方和賣(mài)方各自的報(bào)價(jià)和對(duì)應(yīng)的需求電量或發(fā)電量信息，這些投標(biāo)被第三方拍賣(mài)商或平臺(tái)集中收集和管理，并利用預(yù)先定好的交易規(guī)則匹配交易雙方，決定最終的交易價(jià)格和交易數(shù)量。上述過(guò)程中交易規(guī)則是關(guān)鍵，文獻(xiàn)［54］利用Vickrey 拍賣(mài)規(guī)則確定共享儲(chǔ)能價(jià)格，文獻(xiàn)［59］則根據(jù)匹配好的買(mǎi)賣(mài)雙方價(jià)格差的絕對(duì)值大小順序進(jìn)行交易價(jià)格的確定。文獻(xiàn)［60］將雙向拍賣(mài)理論應(yīng)用于儲(chǔ)能共享中，儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商和用戶在拍賣(mài)商的組織下進(jìn)行組合雙向拍賣(mài)，并提出了在買(mǎi)賣(mài)雙方之間均分社會(huì)福利的定價(jià)機(jī)制。由于參與者的市場(chǎng)地位（作為買(mǎi)方或賣(mài)方）需事先確定，基于拍賣(mài)的方式限制了參與者的靈活性［61］。

2）基于Stackelberg 博弈的方式

Stackelberg 博弈是非合作博弈中的典型代表。將Stackelberg 博弈應(yīng)用于共享儲(chǔ)能中，可研究用戶與共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商之間的相互作用和雙方的最優(yōu)策略。具體來(lái)說(shuō)，共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商作為先行者，通過(guò)制定價(jià)格以最大化運(yùn)營(yíng)收益；用戶作為跟隨者，通過(guò)調(diào)整儲(chǔ)能的充放電策略，以最小化用電成本。運(yùn)營(yíng)商定價(jià)的高低將會(huì)影響用戶對(duì)儲(chǔ)能的使用，運(yùn)營(yíng)商和用戶之間構(gòu)成Stackelberg 博弈關(guān)系。Stackelberg 博弈的求解可通過(guò)：

（1）將下層問(wèn)題以其KKT 條件替代，將雙層問(wèn)題轉(zhuǎn)換為單層問(wèn)題求解。

（2）通過(guò)上下兩層交互迭代的方式求解：

步驟1：初始化共享儲(chǔ)能使用價(jià)格；

步驟2：跟隨者根據(jù)先行者發(fā)布的價(jià)格，優(yōu)化決策儲(chǔ)能的充放電策略，并反饋給先行者；

步驟3：先行者根據(jù)跟隨者反饋的充放電策略，在考慮自身決策調(diào)整可能會(huì)對(duì)跟隨者策略的影響的情況下，調(diào)整優(yōu)化共享儲(chǔ)能價(jià)格，以最大化自身收益；

步驟4：若在相鄰2 次迭代中價(jià)格或策略變化很小，則退出迭代并報(bào)告最優(yōu)策略，否則返回步驟2。

值得注意的是，與求解納什均衡不同，在求解Stackelberg 均衡時(shí)，先行者更新策略時(shí)需考慮跟隨者可能的反應(yīng)。步驟3 可通過(guò)遺傳算法［62］等實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)［48］研究了在住宅樓內(nèi)實(shí)施共享儲(chǔ)能的問(wèn)題，其中，提供共享儲(chǔ)能服務(wù)的第三方作為Stackelberg 博弈模型中的先行者，期望通過(guò)調(diào)整價(jià)格實(shí)現(xiàn)收益最大化；用戶作為跟隨者以用電成本最小化為目標(biāo)，策略性地調(diào)整自身對(duì)儲(chǔ)能和電網(wǎng)的購(gòu)電計(jì)劃，并通過(guò)基于拍賣(mài)理論的定價(jià)機(jī)制求解該問(wèn)題。文獻(xiàn)［63］將電力零售商視為用戶與社區(qū)共享儲(chǔ)能系統(tǒng)的接口，由電力零售商集中代表用戶作為跟隨者進(jìn)行需求響應(yīng)決策，并提出通過(guò)基于Stackelberg 博弈的方式，即上下層迭代的方式，求解該博弈問(wèn)題。需要注意的是，在基于非合作博弈的定價(jià)機(jī)制下，各參與者獨(dú)立決策，以自身成本最小化為目標(biāo)，彼此間存在利益沖突，可能導(dǎo)致博弈均衡偏離社會(huì)最優(yōu)點(diǎn)［64］，即調(diào)度決策無(wú)法實(shí)現(xiàn)社會(huì)福利最大化，或者難以保證資源配置的公平性。

3.2.2 基于合作博弈的方式

基于合作博弈的定價(jià)機(jī)制能夠促使共享儲(chǔ)能參與者合作，從而以更低的社會(huì)總成本實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能資源的高效分配。為此，需設(shè)計(jì)公平、有效的再分配機(jī)制，合理地衡量每個(gè)參與者的貢獻(xiàn)。

1）基于Shapley 值的分配方法

Shapley 值法是根據(jù)博弈參與者對(duì)其所參與的聯(lián)盟的邊際貢獻(xiàn)，對(duì)所得合作收益進(jìn)行分配的方式，可兼顧分配的合理性和公平性。文獻(xiàn)［65］將Shapley 值法應(yīng)用于社區(qū)共享儲(chǔ)能的功率分配和定價(jià)機(jī)制中。文獻(xiàn)［66］在研究多微電網(wǎng)共享儲(chǔ)能的優(yōu)化配置及其成本分?jǐn)倖?wèn)題時(shí)，提出了基于線路功率損耗的改進(jìn)Shapley 值法，考慮了各微電網(wǎng)由于地理位置差異而導(dǎo)致向共享儲(chǔ)能充放電的線路損耗不同。常規(guī)的Shapley 值法只考慮了邊際成本因素，而假設(shè)所有參與者的風(fēng)險(xiǎn)偏好是相同的，文獻(xiàn)［67］提出一種改進(jìn)的Shapley 值法，將參與者的不同風(fēng)險(xiǎn)偏好類(lèi)型納入分配模型中?；赟hapley 值的分配方式存在且唯一，但其計(jì)算復(fù)雜度隨著參與者數(shù)量的增加而迅速增長(zhǎng)。Shapley 值法側(cè)重于分配的公平性，但不一定是穩(wěn)定的分配。事實(shí)上，某些空核博弈不存在穩(wěn)定分配方式，但仍可計(jì)算其Shapley值。此時(shí)，某些成員通過(guò)組成的小聯(lián)盟可以獲得比在大聯(lián)盟中更多的收益，因此，小聯(lián)盟對(duì)某些成員來(lái)說(shuō)可能更具吸引力，而大聯(lián)盟不穩(wěn)定。文獻(xiàn)［68］證明，當(dāng)博弈為凸博弈時(shí)，Shapley 值法的分配是穩(wěn)定分配。

2）基于核仁（nucleolus）的分配方法

Shapley 值法得到的分配方案不能保證用戶不會(huì)背離聯(lián)盟，即不能保證聯(lián)盟的穩(wěn)定性，另一種可行的分配方法是核仁法。核仁法是一種旨在最小化合作博弈中聯(lián)盟的最大不滿意程度的分配方法。文獻(xiàn)［69］提出一種基于合作博弈的模型研究風(fēng)電和光伏電站的共享儲(chǔ)能容量分配問(wèn)題，并利用核仁法進(jìn)行利益分配。文獻(xiàn)［70］綜合考慮共享儲(chǔ)能的規(guī)劃、運(yùn)行與成本分配問(wèn)題，構(gòu)建了合作博弈模型并基于核仁法進(jìn)行事后成本分配，以解決各參與者的分配公平問(wèn)題。核仁法可以避免利益分配上的平均主義，能保證分配結(jié)果的存在性、唯一性和穩(wěn)定性，但隨著參與者數(shù)量的增加，核仁法同樣面臨著計(jì)算量大的問(wèn)題。

3）基于納什討價(jià)還價(jià)的分配方法

納什討價(jià)還價(jià)（Nash bargaining）是一種博弈參與者期望通過(guò)達(dá)成一致協(xié)議，在最大化個(gè)人利益的同時(shí)避免談判破裂的方法。該方法可提高每個(gè)參與者的經(jīng)濟(jì)效益［71-72］，同時(shí)限制每個(gè)人的受益程度，保證了結(jié)果的公平性。文獻(xiàn)［71］指出，納什討價(jià)還價(jià)方法可以產(chǎn)生帕累托有效且公平的結(jié)果。針對(duì)光伏產(chǎn)消者和社區(qū)共享儲(chǔ)能的場(chǎng)景，文獻(xiàn)［72］提出了基于納什討價(jià)還價(jià)的利益共享模型，鼓勵(lì)用戶和社區(qū)共享儲(chǔ)能參與合作。由于納什討價(jià)還價(jià)旨在提升所有參與者的收益，該方法可以有效激勵(lì)和引導(dǎo)參與者合作，但該方法要求已知每個(gè)參與者談判破裂點(diǎn)的收益值，在現(xiàn)實(shí)中較難實(shí)施。

3.3 其他基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的定價(jià)機(jī)制

1）中間市場(chǎng)價(jià)格

區(qū)別于從電網(wǎng)買(mǎi)賣(mài)電量的價(jià)格，該方式用于確定共享儲(chǔ)能參與者內(nèi)部交易即買(mǎi)賣(mài)儲(chǔ)能充放電量的價(jià)格?；谥虚g市場(chǎng)價(jià)格的方式直接將從電網(wǎng)購(gòu)電的價(jià)格和向電網(wǎng)售電的價(jià)格的平均值確定為內(nèi)部電量交易價(jià)格［73］。因此，參與者可以以低于從電網(wǎng)買(mǎi)電的價(jià)格從其他參與者處購(gòu)電，以高于向電網(wǎng)售電的價(jià)格賣(mài)電給其他參與者，實(shí)現(xiàn)了用電成本的減少。該方式較為直接，而且由于不同時(shí)間段從電網(wǎng)的購(gòu)電價(jià)格不同，該方法得到的共享價(jià)格自然也是隨時(shí)間變化的，可以歸納為一種分時(shí)定價(jià)機(jī)制。

2）賬單分?jǐn)偡绞?/p>

賬單分?jǐn)倷C(jī)制根據(jù)用戶消耗（生產(chǎn)）的電量來(lái)分擔(dān)總成本（收益）［59］。首先，分別計(jì)算出有儲(chǔ)能共享和沒(méi)有儲(chǔ)能共享2 種情況下的電網(wǎng)購(gòu)售電量；然后，根據(jù)兩者的比例對(duì)電網(wǎng)的購(gòu)售電價(jià)進(jìn)行一定的修正；最后，每個(gè)用戶依據(jù)修正后的電價(jià)進(jìn)行用電成本的核算，故計(jì)算上較為滯后。

3）供需比率動(dòng)態(tài)定價(jià)機(jī)制

供需比率動(dòng)態(tài)定價(jià)（supply demand ratio dynamic pricing，SDRDP）機(jī)制是一種根據(jù)社區(qū)內(nèi)在不同時(shí)間段的能源供需情況決定內(nèi)部交易價(jià)格的方式。與中間市場(chǎng)價(jià)格類(lèi)似，SDRDP 機(jī)制的內(nèi)部交易價(jià)格同樣被限制在從電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格和向電網(wǎng)售電價(jià)格之間，但同時(shí)考慮了用戶之間供需比的差異性［74］。若用戶的供需比率小于1，則說(shuō)明該用戶需要從其他用戶處購(gòu)買(mǎi)電量。用戶供需比率越低，說(shuō)明其購(gòu)電意愿越強(qiáng)烈，可承受的購(gòu)電價(jià)格越高。若用戶的供需比率大于1，則供需比率越高的用戶在當(dāng)前時(shí)段的發(fā)電量更為過(guò)剩，該用戶出售這部分過(guò)剩能量的意愿也更為強(qiáng)烈。因此，其售電價(jià)格可以比供需比率稍低的用戶更低一些。從以上分析可以看出，SDRDP 機(jī)制相比于中間市場(chǎng)價(jià)格機(jī)制能夠進(jìn)行更細(xì)致的利益分配。

文獻(xiàn)［75］對(duì)以上3 種基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的定價(jià)機(jī)制進(jìn)行效益比較，得出SDRDP 機(jī)制總體上最優(yōu)，其次是基于中間市場(chǎng)價(jià)格的方式，最后是賬單分?jǐn)偡绞??；诠┬璞嚷屎椭虚g市場(chǎng)價(jià)格的方式都能保證參與者的收益增加和成本下降。

4 研究展望

共享儲(chǔ)能為提高儲(chǔ)能設(shè)備利用效率、應(yīng)對(duì)分布式可再生能源接入所帶來(lái)的挑戰(zhàn)開(kāi)辟了新途徑，相關(guān)研究方興未艾。未來(lái)研究可針對(duì)多共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商參與、電動(dòng)汽車(chē)聚合作為移動(dòng)共享儲(chǔ)能2 個(gè)場(chǎng)景深入挖掘。

1）多共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商參與的運(yùn)營(yíng)機(jī)制

目前的研究大多針對(duì)多個(gè)用戶與單個(gè)共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的情形，但考慮到當(dāng)前儲(chǔ)能成本仍然較高，單一共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的情況需要較大投資，對(duì)儲(chǔ)能投資者而言經(jīng)濟(jì)上不友好，不利于共享儲(chǔ)能模式的推廣。因此，多個(gè)儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商分別投資運(yùn)營(yíng)多個(gè)小共享儲(chǔ)能設(shè)施并共同服務(wù)一群用戶的方案有望成為應(yīng)對(duì)該問(wèn)題的思路之一。目前，關(guān)于多共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的研究尚不多見(jiàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題及其衍生出來(lái)的相關(guān)問(wèn)題，給出以下可行的研究方向和具體措施。

（1）由于每個(gè)儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商都可以為用戶提供儲(chǔ)能服務(wù)，而儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的目的是最大化自己的收益，多個(gè)儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商之間無(wú)形中存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，故不同儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商之間的策略可以利用非合作博弈理論進(jìn)行建模與分析。

（2）對(duì)于多個(gè)共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商的情形，用戶的選擇必將多樣化，每個(gè)用戶可選擇一個(gè)或多個(gè)運(yùn)營(yíng)商，由每個(gè)運(yùn)營(yíng)商滿足用戶的一部分需求。因此，用戶與儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商之間的優(yōu)化匹配問(wèn)題需要進(jìn)行詳細(xì)研究，而這種優(yōu)化匹配可以通過(guò)建立指派問(wèn)題進(jìn)行研究。

（3）考慮到用戶的負(fù)荷類(lèi)型不同，對(duì)于爬坡大的負(fù)荷需要儲(chǔ)能快速響應(yīng)，對(duì)儲(chǔ)能沖擊大，有損儲(chǔ)能的壽命，而波動(dòng)小的負(fù)荷對(duì)儲(chǔ)能相對(duì)友好，故對(duì)于不同類(lèi)型的負(fù)荷，共享儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商可選擇提供差異化的儲(chǔ)能服務(wù)收費(fèi)，而不是目前一視同仁的收費(fèi)模式。

2）電動(dòng)汽車(chē)作為移動(dòng)共享儲(chǔ)能

隨著純電動(dòng)汽車(chē)的普及和性能提升，除去交通工具屬性以外，電動(dòng)汽車(chē)的移動(dòng)儲(chǔ)能屬性得到重視。一方面，電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載電池包容量不斷提升，如特斯拉的電動(dòng)汽車(chē)電池包容量已達(dá)到100 kW·h；另一方面，電動(dòng)汽車(chē)一天內(nèi)大部分時(shí)間處于停車(chē)狀態(tài)，而停車(chē)場(chǎng)所在的商業(yè)建筑、工業(yè)園區(qū)等又恰好屬于大用電負(fù)荷用戶。此時(shí)，若利用閑置的處于停車(chē)狀態(tài)的電動(dòng)汽車(chē)群為這類(lèi)用戶提供需求響應(yīng)服務(wù)，可在降低用戶用電支出的同時(shí)為電動(dòng)汽車(chē)賺取額外收益。

電動(dòng)汽車(chē)聚合作為共享儲(chǔ)能可視為一種具有前景的方案，不僅提高了電動(dòng)汽車(chē)的利用效率，為電動(dòng)汽車(chē)創(chuàng)造了額外收益，而且商業(yè)建筑也無(wú)須再額外購(gòu)置儲(chǔ)能或減少購(gòu)買(mǎi)儲(chǔ)能的容量，實(shí)現(xiàn)商業(yè)建筑與電動(dòng)汽車(chē)用戶的雙贏。在這一特定場(chǎng)景下可能的研究方向包括：

（1）電動(dòng)汽車(chē)作為共享儲(chǔ)能的運(yùn)營(yíng)機(jī)制，特別是如何在運(yùn)營(yíng)機(jī)制中考慮電動(dòng)汽車(chē)充電和出行相關(guān)的時(shí)空關(guān)聯(lián)型的不確定性因素，是亟待研究的問(wèn)題。因此，需要對(duì)與電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)的不確定性因素進(jìn)行詳細(xì)的研究，建立電動(dòng)汽車(chē)的隨機(jī)出行模型，進(jìn)而利用處理不確定性的技術(shù)手段如隨機(jī)優(yōu)化、魯棒優(yōu)化指導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)聚合作為共享儲(chǔ)能的優(yōu)化運(yùn)行。

（2）電池頻繁充放電會(huì)加速電池的老化，影響電池的性能，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用戶不利。因此，需要融合精確的電池衰減模型將電池容量衰減因素納入考慮，進(jìn)行詳細(xì)的成本效益分析，為電動(dòng)汽車(chē)用戶參與共享儲(chǔ)能提供決策參考。

此外，當(dāng)前的大多數(shù)文獻(xiàn)集中在共享儲(chǔ)能商業(yè)模式層面的研究，更深入地討論共享儲(chǔ)能導(dǎo)致的額外潮流損耗、擁塞及其導(dǎo)致的額外成本分?jǐn)偟葐?wèn)題的文獻(xiàn)較少，隨著共享儲(chǔ)能的發(fā)展和實(shí)際部署，上述問(wèn)題同樣值得深入研究。

共享儲(chǔ)能的蓬勃發(fā)展離不開(kāi)先進(jìn)的技術(shù)支撐和政策保障。所需依賴(lài)的技術(shù)支撐包括：一是先進(jìn)信息通信技術(shù)。作為信息流動(dòng)的載體，共享儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、決策計(jì)算和控制執(zhí)行中的數(shù)據(jù)流需要信息通信技術(shù)的支撐；二是儲(chǔ)能技術(shù)本身。儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展與突破可進(jìn)一步提升儲(chǔ)能的性能、降低儲(chǔ)能的成本、促進(jìn)儲(chǔ)能的普及，進(jìn)而帶動(dòng)共享儲(chǔ)能的發(fā)展；三是隱私保護(hù)技術(shù)。共享儲(chǔ)能參與者眾多，若采用集中式管理，各用戶的私有數(shù)據(jù)面臨泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，隨著隱私保護(hù)逐漸受到社會(huì)的關(guān)注，亟需相應(yīng)的隱私保護(hù)技術(shù)作為支撐。共享儲(chǔ)能的發(fā)展需要依賴(lài)的政策保障包括：首先，分時(shí)電價(jià)是用戶側(cè)儲(chǔ)能得以進(jìn)行峰谷套利的基礎(chǔ)，因此需要有實(shí)時(shí)電價(jià)或峰谷電價(jià)等電價(jià)機(jī)制的支持；其次，持續(xù)推進(jìn)分布式可再生能源發(fā)展的相關(guān)政策，也可帶動(dòng)共享儲(chǔ)能的發(fā)展，這是因?yàn)閼?yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電的間歇性、波動(dòng)性、不確定性需要儲(chǔ)能的配合。此外，為使用戶較好地理解與接納共享儲(chǔ)能，也需要制定相關(guān)政策提高對(duì)用戶的宣傳力度。

5 結(jié)語(yǔ)

共享儲(chǔ)能為降低用戶用電成本、提高儲(chǔ)能設(shè)備的利用率、促進(jìn)可再生能源消納、保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行提供了可行方案。本文給出了共享儲(chǔ)能的概念，分析了其可能帶來(lái)的機(jī)遇，介紹了共享儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景與工程實(shí)踐，并對(duì)共享儲(chǔ)能商業(yè)模式和定價(jià)機(jī)制方面的相關(guān)研究進(jìn)行了綜述。在此基礎(chǔ)上，對(duì)共享儲(chǔ)能未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。所提共享儲(chǔ)能商業(yè)模式，通過(guò)用戶之間的供需互補(bǔ)和運(yùn)營(yíng)商的協(xié)調(diào)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)參與者雙贏的局面，具有廣闊的發(fā)展前景。

本文研究受香港中文大學(xué)科研啟動(dòng)基金、香港中文大學(xué)科研直接資助基金(4055169)資助,特此感謝！