基于云儲能的電力系統服務模式

文/滕學軍

在能源互聯網中，分布式蓄能以及可再生能源會成為未來主要的發展目標。通過分布式儲能，人們可以減少電費的支出，調節電力使用的多少，它的出現促進了能源互聯網的進步。

現在我國針對分布式蓄能的討論的重點放在微電網的運轉以及管理上，并且對電動汽車以及能量信息化也進行了分析。有相關資料提出對下垂控制方法進行改良，能夠讓微電網可以保持平穩運轉。有的提出了利用分布式蓄能以及分布式蓄能控制，可以對電動汽車更好的進行管理調度。

運轉分布式蓄能決策策略重點包含分散策略以及集中策略。根據相關典籍的記錄，其中分別提出了完全式的運轉策略，多代理合作控制方法，分布式蓄能和局部控制策略，二階椎松弛法控制外部數據等辦法。并且對分布式電池蓄能體系在動態電價下的套利進行分析，最終得到了帕累托最優套利方法。

由于蓄電開銷巨大，導致分布式蓄能無法大范圍使用。因為儲電的成本很高，導致電力價格也偏高，所以很難推廣。為了克服這個難題，有相關資料推出了新型蓄電形式：云儲能，它的出現可以為更多的用戶提供蓄電服務。

全文重點闡述了云儲能的定義和經營形式，構建了其大體研究結構。并且還對云儲能的消費者以及供應商構建模型辦法進行探討，更好的為以后的研究做好了鋪墊。

1 云儲能概念與商業模式

1.1 云儲能概念

圖1：云儲能系統概念圖

圖2：云儲能研究框架

由圖1可得，云儲能借助自身管理得電能為消費者進行分布式的電力儲存。無論是集中式還是分布式的儲備能源都式通過云儲能供應商來進行統一管理操作。消費者通過消費來獲得一段時間的儲存能源的服務。然后消費者能夠按照自身需要對儲備池進行充電以及用電。云儲能和現實中的儲能基本一致，但是要比實際蓄能使用起來更加便捷，不用安裝以及特殊管理。云儲能的供應商首先集中式和分布式設施的管理權限，根據消費者的實際需要，對儲備資源進行對應的調整，讓資源的利用率達到最大化，以此降低成本。

1.2 云儲能運行機制與商業模式

影響消費者選擇云儲能和使用量大小的原因來自用戶以前的記錄，有負荷曲線、家庭光伏出力曲線等。用戶通過以往的使用記錄等來決定需要儲存多少電力。用戶的云儲備池的特點和實際儲備設備基本一致，都具備充放電功能等。兩者的不同指出是實際儲備池的位置是在用戶側收到用戶的管理，而云儲備池受到云儲能供應商的管理。用戶能夠對云儲備池隨意進行充電放電，調整電價等，同時把命令傳達給云儲能供應商。用戶在進行充電時所產生的開銷，是要交給供應商的，再交給電網，而放電就無需交費了。

共享經濟的表現形式是云儲能的商業形式。云儲能提供商按照其使用該服務的用戶的需要進行投資以及租賃實際儲電設備和能源，在現實的運轉中按照用戶需求和未來信息估測來進行策略的改良。由于不同消費者歲儲能的需要是既有區別又相互補充，因此實際保存的能源加總的實際功率容量以及儲量通常要低于所有消費者的加總，以此來達到降低成本的目的。如果實際儲能資源無法滿足用戶需要，云儲能供應商會從電網進行買入，節省了投資成本。

圖3：運營主線示意圖

云儲能利用減少各方面的成本使利益最大化。所得到的利益會在用戶以及供應商兩者間均衡分配，不但可以使用戶感覺云儲能比實際蓄能更節約開支，而且也保證了供應商可以盈利。

云儲存資源分別具備虛擬化、界面友好、資源共享這幾個特點。虛擬化即消費者能夠借助網絡進行虛擬的電力調配；界面友好指的是消費者在使用云能源時操作簡單；資源共享指的是全體云儲能消費者對資源池中的電力都可以進行使用，根據用戶需要合理進行分配，實現資源使用最大化。由于上述特點使云儲能的優點更加突出：

（1）可以借助消費者的互補性，可以讓服務供應商投入少量的資金就可以達到用戶需要，因為不一樣的消費者，使用電力的時間段也不同。

（2）可以借助規模效應。因為集中式儲能設備規模較大，因此保存電力使用的成本要少于分散式的，進一步減少投入的總投資。

（3）借助各種信息，其服務的供應商能夠根據估測技術得到大量資料，比如精確的電價、消費者能源需要等，從而制定出優化策略。提升供應商收益，減少資金投入。

現在其他國家也展開了分布式儲能的商業形式的研究。具有代表性的SENEC.IES規定對使用者的能源具備管理權，而使用者能夠得到多余的能源。Ampard借助資源管理體系把使用者的儲備的電力進行集中來對電網進行供電。根據上述事例能夠為以后發展商業形式提供借鑒。

2 云儲能研究架構

在云儲能定義的基礎上，該文章研究出了云儲能研究架構，由圖2可見。針對云儲能能夠從經營主線、對象主線以及市場主線，這三個進行分析。每條主線不是單獨存在的，而是密切相關的，三者共同組成了未來云儲能主要研究內容。

2.1 云儲能運營

由于云儲能設施使用了新型經營方式以及商業形式，所以規劃和運轉都要重新進行調整，由圖3可見。規劃的目的在于用最少的經濟投入來獲得最能滿足用戶需要的設施組成多種儲能設備進行組合，例如使用壽命短和使用壽命長的進行匹配等，把設備各自具備的特點互為補充，使其發揮出最大的價值。因此需要研究不同類型儲能的技術特點，建立對應的充電放電模型、老化模型，采用線性或非線性優化的方法找出滿足需求的最優儲能搭配。

云儲能運轉的決定策略主要解決怎么在實際使用時可以有效進行充放電，以此來減少資金投入。在實體運轉時，云儲能用戶得到的是以前的參數和未來電價、負荷等資料的估測信息，所以不夠準確。所以云儲能供應商要使用合適的經營策略最大程度的克服由于不準確的信息造成的經濟損失。這就要求我們不斷要優化用戶需要估測法，還要設立控制模型。

云儲能的出現一定會對之前的電網帶來沖擊，每一條饋線上的功率會因為時間的變動而變化，偶爾會出現反送電的情況，并且用戶對于充放電的使用情況不同。所以，對于云儲能給電網和電壓的穩定帶來的影響要加強研究，優化運轉策略來降低負面干擾。

如何評判云儲能經營好壞要借助合適的指標。對于云儲能技術的研究是聯系上文對其規劃和運轉的有關信息進行整合構建出一個模型。運算得出總成本，同時利用經濟性指標對其進行檢測。

2.2 云儲能對象

圖4：對象主線示意圖

圖5：市場主線示意圖

云儲能商業形式里由眾多成員組成，其中由使用該服務的用戶、供應商、零售商、配電網等，由圖4可見。用戶使用云儲能可以減少費用，價格比實體服務要便宜。由于這一優勢，云儲能用戶會改變以往的消費方式以及管理模式。所以需要對用戶的規劃以及儲電容量、價格等之間的關系進行分析，以此來為后面的決策做鋪墊。

云儲能供應商是其中的主要成員。對云儲能供應商我們重點從規劃、運營、經濟性、安全性、價格等各方面進行闡述。而且要對用戶的電力使用特點和對配電網造成的影響進行研究。

零售商指的是電力市場里為用戶提供一對一服務的代理商家。零售商主要是售電，然而供應商主要是提供電力保存。零售商對于電力等有關項目進行定價會對其他成員產生很大的影響。所以要對價格策略進行研究。

電網為云儲能供應物力以及能源的幫助。儲電設備進行放電要通過電網才可以傳輸到用戶那里。所以要分析供應商以及用戶所利用的互聯網設備支付的費用以及費率和不同付款方式的影響。

除了上述的問題，要對云儲能供應商和零售商以及其他成員之間的關系進行分析。通過博弈論來進行闡述，利用該理論來計劃運轉，并且對云儲能體系和電力市場進行商業分析。同時由于各成員之間都存在一些不同種類的儲能設備，其中也會存在空閑的設備。所以要針對空閑的分散式儲電設備供應服務的策略和利潤分配制度機械進行分析。以此得出合理調配資源的最佳策略，拓展市場占有率。

2.3 云儲能市場

云儲能的廣泛使用是基于健全的市場，對服務項目以及定價規則進行分析，由圖5可見。因為各個成員間存在信息不對等的情況，各成員間不清楚用戶的用電需要以及使用時間。因此我們把區塊鏈技術投放到云儲能市場里進行應用，在保持信息透明的同時，還要聯系其他經濟有關原理來提升各成員的利益。

每個云儲能用戶的用電需求各種各樣，并且同一用戶的不同時間的使用規律也存在很大差別。所以對于用戶行為的干擾原因和規律進行研究，利用信息挖掘把用戶進行整合，推出服務套餐滿足不同用戶的需要。

在實際生活中使用云儲能服務時，不但要設計服務套餐，還要進行合理定價策略。來確保市場中的供應商獲得的利益最大。所以要對各種類型的功率容量以及能源價格進行分析，獲得用戶電力需求曲線，更好的為供應商決策來提供依據。

對云儲能的有關研究除了上文提到的內容，還包含其他問題，比如云儲能對環境以及可再生能源的干擾等。因不屬于重點研究問題，所以不歸納在研究架構里。在未來研究中可能會進行深入探討。

圖6：典型日及后一天全體用戶光伏、負荷與電價曲線

圖7：典型日及隨后一天用戶充放電總需求與光伏充電總功率

3 云儲能投資與規劃

我們必須對投資以及建立儲能設備的類別以及大小充分了解才可以更好的服務于消費者。因此提供商需要做到下列幾點：

一對用戶現實中的需要進行科學的估測。

二是要符合儲能設備優化投資決定。要做到下列幾點：通過各種技術手段減少支出；對全部用戶的用電情況進行分析來決定投資容量；云儲能供應商為了客戶需要，選用合適的技術以及容量，以此來使價值最大化。

通常用戶的放電會產生尖峰以及低谷，通常在尖峰的時候進行收放電來提升能源的可利用性。云儲能提供商利用各種各樣的蓄電技術來滿足消費者的需求，例如功率型儲能技術電池的以及能量型電容等。儲能設備由于進行多次的充電和放電，它的使用壽命會越來越短，因此會增加投資金額和服務費用。

算例使用Pecan Street美國德克薩斯州奧斯汀2018年夏季某月典型日的數據來進行模擬隨機選取了200個用戶參與云儲能服務。計算結果為用戶所購買的云端儲能總計功率容量和能量容量分別為409kW和898kW?h，云儲能提供商的實際儲能設施的功率容量和能量容量分別為317kW和556kW?h。圖6展示了待決策的典型日及其后一天的全體用戶光伏出力、負荷與電價的曲線，數據的時問分辨率為15min。

由于云儲能提供商的典型日決策的MPC模型需要用到當日及隨后一天的信息，因此根據用戶運行基礎模型利用每個用戶的負荷、光伏出力以及電價數據模擬出典型日及其后一天實際用戶充電、放電需求與用光伏給云端電池充電的功率，如圖7所示。圖中，充電功率用正值表示，放電功率用負值表示。可以看出，用戶使用光伏充電的功率較少，只有在中午幾光伏出力較大的時候才會有一些使用光伏充電的功率。

在實際運行中，用戶通過白家光伏發電所獲得的能量對于用戶來講兒乎是免費的，因此用戶需要為充電需求超出用光伏充電的那部分能量按照實時的電價支付一定量的充電費用。從圖7中還可以看出在同一時刻可能會發生用戶同時存在充電和放電需求的情況。事實上，對于單個用戶來說，不可能同時既充電又放電。然而不同用戶的充電和放電的時問不盡相同，這種時問上的錯位就導致了在某些時刻用戶加總的充電放電需求同時存在。

4 云儲能的運行及未來發展

4.1 運行

云儲能提供商的主要職責是利用最少的成本來滿足不同消費者的需要。想要完成該職能就需要對系統進行日前優化以及模型預估管理。日前優化主要是對消費者蓄能需要的具有科學性的估計，按照接下來一天的估測參數來提供儲能策略。通過開展此方法能夠調整各個設備的供電情況。

云儲能提供商要明確儲能設備的特性，即不同蓄能設備的功率，比方說其設備的充電放電功率要低于這個設備能夠許可的最大功率，其保存的實際電量要處于最小需求電量和最大蓄能電量之間。

除此之外，云儲能的運轉還會受到外界多種原因的干擾，從而造成儲電效果不穩定，所以在運轉的時候只有對鄰近的時間段進行估測得出的結果比較準確。為了可以提升云儲存處理問題的靈活程度，提供商可以利用信息技術對電價、負荷等信息的搜集來更好的做出決定。

4.2 展望

云儲能是共享經濟在用戶側儲能中的催生出的新形式，也是未來信息技術發展的主要方向。利用云儲能技術，電網能把分較為分散的儲能資源進行集中處理，合成較大的儲能電站，提高能源使用率。并且以后云儲能設備包含的能源種類較多。

5 結語

云儲能是共享經濟與電力系統儲能融合的產物，是未來電網的一個新的形態選擇。本文在給出了云儲能的定義并詳細闡述云儲能基本商業模式的基礎上對云儲能的投資規劃、運行、服務定價等子領域的研究方法、研究進展和研究思路進行了闡述。此外，本文還對未來云儲能研究中的關鍵問題進行了討論與展望。隨著云儲能研究的不斷深入，未來可能會出現與云儲能相關的工程實踐，屆時會對云儲能的理論研究產生進一步的推動作用。