能源互聯網背景下中國光儲價值鏈效益協同模型研究

劉吉成，盧運媛，李穎歡

（華北電力大學經濟與管理學院；新能源電力與低碳發展研究北京市重點實驗室（華北電力大學），北京 102206）

能源是現代化的基礎和動力，迫于傳統能源應用導致的能源危機和環境壓力，以光伏為代表的清潔能源發電方式在全球范圍內得到了廣泛關注［1-3］。然而由于光伏發電的隨機性、波動性等特點，“棄能”成為其發展的主要障礙之一，在此背景下能源互聯網及儲能等技術應運而生。能源互聯網通過先進技術實現能源節點互聯及能量交互共享，而儲能不僅能改善電能質量、提升電網調度靈活性更能夠存儲余電、平抑發電波動、解決消納問題，光伏、能源互聯網及儲能的聯合應用被證明為降低光伏發電棄光率的合理路徑［4-6］。當前，中國光伏產業正處于蓬勃發展時期，多晶硅產量與光伏裝機量逐年攀升［7］，但在發電量巨大的同時棄光現象嚴重、政府補貼取消，為減少光伏發電棄光率、實現光伏平價上網及增強光伏行業的競爭力，將儲能、能源互聯網引入中國光伏行業并探究能源互聯網背景下光儲價值鏈的效益協同模式尤為重要。

近年來，中國光伏產品在全球范圍內保持較高的占有率，光伏價值鏈整體呈現出較好的發展勢頭，但當前中國光伏價值鏈發展仍存在諸多問題［8］。首先，相比于以制造能力為重的傳統產業，知識與創新在光伏產業發展中的地位明顯提高［9］，從而導致中國光伏價值鏈在創新體系、各環節發展均衡［10-11］、成本控制等方面存在的問題逐漸顯現［12］，鑒于此劉吉成等［13］對中國光伏企業價值創造能力進行了評價研究，并從整體和局部兩個方面提出了價值鏈增值策略［8］，陳斯琴等［14］則對宏觀形勢下中國光伏產業可持續發展進行了分析研究。其次，光伏發電的不穩定性在很大程度上對其發展形成了制約，儲能快速響應和雙向調節的技術特點恰能解決這一難題［15］，因此相關文獻分別從光儲系統、儲能投資者、光伏用戶角度對“光+儲”發展的技術可行性及經濟可行性進行了分析研究［16-18］，證明了儲能可有效應用于光伏產業并促進其發展。再次，為提高傳統能源系統資源配置能力以滿足未來能源系統發展需求，能夠實現“橫向多源互補，縱向源網荷儲協調”的能源互聯網概念被提出［19］。在能源互聯網背景下，相關文獻針對光伏及儲能產業升級、優化調度及經濟效益進行了分析研究［20-22］，證明了能源互聯網能進一步促進光儲產業的發展，能源互聯網背景下的光儲價值鏈構建及研究是實現產業升級與競爭力增強的有效途徑。

作為光伏及儲能等多節點多系統構成的價值鏈條，效益協同不可避免地成為研究關注點，也即如何在子系統最優情況下實現總系統最優運行［23］，目前效益協同研究主要集中在評價優化及利益分配方面。首先，諸多學者通過效益協同理論對發電方式、電動汽車協同、能源與環境等方面進行了評價研究［24-27］，證明了可再生能源及其與電動汽車和環境協同發展的可行性。其次，諸多研究采用效益協同理論對電力控制協同、知識協同、信息資源協同、配送協同等方面進行了優化研究［25,28-31］，證實了其能促進各行業優化提升。最后，更多效益協同研究集中在合作博弈模型及Shapley 模型等利益分配方面，涉及到礦業、農業、制造業、零售業、PPP 項目、電力等多個行業［32-42］，旨在通過建立利益分配模型及優化模型解決相關利益分配問題。一方面通過建立相關行業的合作博弈模型及Shapley 模型，解決了鏈條節點企業的利益分配問題，驗證了鏈條節點合作對鏈條利益優化所起的重要作用。另一方面通過對模型的優化，如引入大數據、修正因子、公平理論、模糊理論、灰色理論、努力因素等［37,43-47］，進一步提高了利益分配問題研究的精度與深度。在電力價值鏈利益分配方面，研究重點較多放在傳統電力發售電商間利益分配及協調方面，郭洪武等［41］通過Delphi 法優化Shapley 模型對發電商與購電商之間的利益分配問題進行了研究；陸秋瑜等［40］基于合作博弈理論研究了集群風儲聯合系統的廣域協調與利益分配問題；施泉生等［42］分別建立了多主體參與的單對多、多對多交易情形下的合作博弈模型，在優化利益分配的同時得到了相應最優電價。但是效益協同理論在光伏與儲能及能源互聯網相結合領域相關文獻較少，本文研究旨在填補這一空白。

本文對光儲價值鏈效益協同研究的思路如下：首先在通過對能源互聯網及光伏價值鏈的論述基礎上構建能源互聯網背景下的光儲價值鏈模型，然后以光伏發電商與儲能商為節點在考慮努力因素的基礎上構建光儲價值鏈效益協同模型，繼而根據改進逐對比較法確定努力因素、構建分散價值鏈Stackelberg 博弈模型、集成價值鏈模型、收益分享與努力成本共擔聯合契約模型、回購與努力成本共擔聯合契約模型，并對各模型的協調能力進行比較分析與數值驗證分析，以期為光儲供應鏈的效益協同模式做出理論與實踐貢獻。

1 能源互聯網與光儲產業價值鏈

1.1 能源互聯網背景

由于化石燃料的逐漸枯竭及其造成的環境污染問題，傳統能源利用模式正在走向終結，開發新的能源利用體系刻不容緩。隨著可再生能源的發展利用及互聯網的普及應用，“能源互聯網”這一概念由美國著名學者杰里米·里夫金于2011 年提出，他預言以新能源技術和信息技術的深入結合為特征的一種新的能源利用體系，即“能源互聯網”即將出現并具有以下四大特征：以可再生能源為主要一次能源；支持超大規模分布式發電系統與分布式儲能系統接入；基于互聯網技術實現廣域能源共享；支持交通系統的電氣化。而后董朝陽基于里夫金的能源互聯網愿景，給出了能源互聯網的初步定義：能源互聯網是以電力系統為核心，以互聯網及其他前沿信息技術為基礎，以分布式可再生能源為主要一次能源，與天然氣網絡、交通網絡等其他系統緊密耦合而形成的復雜多網流系統，并給出能源互聯網的基本架構如圖1 所示［48］。

圖1 能源互聯網基本框架

隨著清潔能源的發展，能源互聯網也引起了越來越多的關注，現在的能源互聯網可理解是綜合運用先進的電力電子技術、信息技術和智能管理技術，將大量由分布式能量采集裝置、分布式能量儲存裝置和各種類型負載構成的新型電力網絡、石油網絡、天然氣網絡等能源節點互聯起來，以實現能量雙向流動的能量對等交換與共享網，其架構關系如圖2所示。

圖2 能源互聯網關系圖

能源互聯網包括智能發電、智能電網調度、智能儲能、智能用電、智能能源市場、智能管理和服務六大板塊，以“物聯網+智能電網+可再生能源”為核心，以實現共享作為最終目的，圍繞“可再生、分布式、智能化”3 個關鍵詞，不僅影響了能源的生產方式，極大地改變了電力的生產，還徹底改變了能源的消費方式，打破了傳統以電網公司為中心的消費模式。在能源互聯網上，電力將可以自由地生產、消費、互換、交易，能源的生產和消費的效率將得以提升［49］。

1.2 能源互聯網背景下的光儲產業價值鏈

現階段中國光伏產業鏈條發展態勢良好，光伏價值鏈以晶體硅太陽能電池的研發生產為主線可分為上游、中游和下游［50-51］，并以上游硅材料提煉和硅片生產、中游電池片生產和組件封裝及下游光伏發電系統集成及光伏應用產品的生產和銷售為主鏈，加以輔料鏈和裝備鏈共同構成完整的光伏產業價值系統。通過價值鏈高效內部運轉及外部互動實現物流、信息流及價值流的協調，從而使光伏價值鏈呈現了較高的經濟效益與社會效益。

但是由于能源危機與環境壓力，單一光伏價值鏈不可避免的暴露出諸多問題，如：以單環節價值增值為導向、重視光伏價值鏈上各個環節價值增值的順序性、價值增值主要集中在制造環節、均從光電并網角度出發等，因此儲能技術、光儲價值鏈、能源互聯網及戰略聯盟的引入尤為重要。鑒于此，本文提出能源互聯網下光儲價值鏈模型如圖3所示。

圖3 能源互聯網背景下光儲價值鏈示意圖

光儲價值鏈即為能源互聯網背景下將光伏與儲能相結合所構成的價值鏈。一方面通過引入儲能技術使得具有很強間歇性、隨機性、波動性的風電變得“可控”“可調”，進而促進風電的利用，保障光伏發電系統的穩定運行，提高光伏發電的消納，進一步優化光伏價值鏈本身的價值；另一方面通過引入能源互聯網思維，實現信息共享，增加價值來源、快速響應電力用戶需求、提高資源配置效率，降低成本；與此同時，通過一定的協議、契約而形成的優勢互補或者強強聯合的風險共擔、利益共享的戰略聯盟形式，能夠在實現光儲價值鏈資源整合的同時保證價值鏈的柔性和靈活性，提升價值鏈的核心競爭力，通過光伏發電商與儲能商的協同與合作實現降低成本、快速響應客戶需求，進而達到提升光儲價值鏈效益的目的。

2 能源互聯網背景下光儲價值鏈效益協同模型

價值共創觀點是價值鏈價值實現與競爭力增強的重要途徑，為實現價值鏈的價值最大化，價值鏈節點企業均應積極參與價值鏈的價值創造活動以增加價值鏈效益。價值鏈效益即為各節點企業在價值共創的基礎上所實現的鏈條整體利潤，效益協同問題即各節點如何在實現自身效益最大化基礎上保證價值鏈總效益最大化已成為多節點價值鏈的研究重點。光儲價值鏈作為多節點組成的鏈條，價值共創與效益協同不可避免地成為研究重點，一方面各節點企業均應為實現價值共創付諸努力，另一方面價值鏈各節點企業間的效益協同形式應得到研究。鑒于此，本文將基于能源互聯網背景下由光伏發電商與儲能商組成的價值鏈，在考慮二者為提升價值鏈效益付諸積極努力的基礎上，探討價值鏈整體效益實現的協同模式與契約形式，具體模型框架如圖4 所示。

圖4 光儲價值鏈效益協同模型框架

在此模型設定下，光伏發電商與儲能商通過一定的交易機制與契約模式共同組成光儲價值鏈，與此同時，在能源互聯網背景下雙方均采取一定的努力方向與程度共同促成光儲價值鏈價值共創，模型假設如下所示：

（1）效益協同模型研究基于能源互聯網背景，各節點企業均通過能源互聯網實現信息交互。

（2）光伏發電商與儲能商各自投入的努力成本均為雙重努力因素，分別為且對市場用電需求有影響。

后文將在確定雙方努力方向的基礎上，構建由光伏發電商與儲能商組成并由光伏發電商主導的二級價值鏈，以此為框架根據節點企業合作方式分別進行分散價值鏈與集成價值鏈效益協同模型研究。

2.1 基于改進逐對比較法的努力因素識別

本文將節點企業參與價值鏈價值共創的方式與水平定義為努力因素，也即節點企業為實現效益增加選取相關方面進行投入，投入的方向與水平即為努力因素的種類和大小。為實現光儲價值鏈效益協同模型努力因素的精準識別，在確定基本評價指標范圍的基礎上，采取改進逐對比較法確定節點企業努力因素。

逐對比較法是確定指標重要性的有效方法，采取逐對比較法評價各指標即為在通過指標間兩兩比較得到評價值的基礎上，對各指標評價值進行匯總及歸一化處理確定各指標權重。而改進逐對比較法在逐對比較法基礎上改變了其原有比較賦值方式，使得指標評價值準確度得到了進一步的提升，采用改進逐對比較法對個待評價指標進行評價的步驟如下。

表1 改進逐對比較法賦值標準

表2 逐對比較法與改進逐對比較法計算表

在通過改進逐對比較法完成努力因素比較之后，可根據權重大小對各因素重要性進行排序，并以此為基礎根據一定原則進行努力因素選擇。本文研究是建立在光伏發電商及儲能商各自的雙重努力因素上進行的，因此節點努力因素入選原則為權重排序前兩位的指標。

2.2 分散價值鏈Stackelberg 博弈模型

分散價值鏈即為各節點企業均在不考慮鏈條整體效益的基礎上以自身利潤最大化為目標進行決策，在此條件下，光伏發電商與儲能商分別做出決策并通過能源互聯網進行信息交互與交易活動。構建由發電商主導的二級價值鏈Stackelberg 博弈模型，在發電商根據自身利潤最大化給定努力水平和單位批發價格的基礎上，儲能商依據自身利潤最大化確定努力水平、努力水平、購電量以及市場售電價，具體模型運算過程如下：

根據逆向歸納法，考慮儲能商的期望利潤函數

2.3 集成價值鏈模型

在分散情況下的各參數探討完之后，考慮價值鏈集成時的決策情況。在集成價值鏈的條件下，各節點企業緊密合作為實現鏈條整體利潤最大化共同努力。構建能源互聯網背景下的集成價值鏈模型，光伏發電商及儲能商通過能源互聯網進行充分的信息交流與共同決策，將兩者看作一個整體研究集成價值鏈的最優決策，具體模型運算過程如下：

根據模型基本定義，能源互聯網背景下集成價值鏈光伏發電商為提高電能質量并降低生產成本而產生的努力仍為儲能商做出的努力仍為市場需求仍為此時集成價值鏈的總期望利潤函數可以表達為

2.4 光儲價值鏈效益協同模型比較分析

綜合考慮兩種協同模型，對分散價值鏈以及集成價值鏈的購電量、努力水平及期望利潤進行對比如表3 所示。

表3 分散價值鏈、集成價值鏈參數對比

根據表3 進行對比可得

可以發現分散價值鏈與集成價值鏈在諸多方面存在差異，主要表現在以下幾個方面。

（1）購電量方面。相比于分散價值鏈，引入集成價值鏈思想后價值鏈購電量顯著提升，能在一定程度上促進行業發展。

（2）總利潤方面。集成價值鏈整體利潤明顯高于分散價值鏈，也即通過引入集成價值鏈思想能實現鏈條效益優化。

（3）努力投入方面。分散價值鏈節點企業以自身獲利水平為依據確定努力水平，而集成價值鏈努力投入與市場彈性有關，更能實現效益優化，符合管理理念。

根據以上分析可得，集成價值鏈效益明顯優于分散價值鏈，因此后文將以集成價值鏈效益指標為基準，在實現鏈條效益極大化及保證節點企業利益的基礎上，通過引入契約實現價值鏈效益在節點企業之間的協同。

3 能源互聯網下基于聯合契約的光儲價值鏈效益協同模型

在分散價值鏈博弈模型中，購電量與價值鏈總利潤均較低，節點企業努力投入積極性不足且不合理，為了增加節點企業的期望利潤以及優化價值鏈性能，將在引入能源互聯網的背景下采取一些激勵措施即聯合契約，促使發電商與儲能商投入更多努力，并增加購電量。本文將在分散價值鏈的基礎上考慮兩種激勵措施：一種是收益分享與努力成本共擔聯合契約（Revenue Sharing and Effort Cost Participation,RSECP），另一種是回購與努力成本共擔聯合契約（Buyback and Effort Cost Participation,BECP）。

3.1 收益分享與努力成本共擔契約

在分散價值鏈的基礎上引入收益分享及努力成本共擔聯合契約，引入收益分享參數以及成本共擔參數也即為了增加儲能商的訂購量，光伏發電商以較低的價格將電出售給儲能商，而儲能商將自身收益以比例分享給發電商。于此同時，雙方分別以的比例相互分擔對方的努力成本,即光伏發電商承擔努力成本儲能商承擔努力成本

在此基礎上，發電商首先確定購電價、收益分享比例及努力成本分享比例，然后儲能商確定其最優的購電量以及努力水平，此時儲能商的期望利潤函數為

由于RSECP 是在分散價值鏈的基礎上進行的，因此按照分散價值鏈推導過程可得

3.2 回購與努力成本共擔契約

在分散價值鏈的基礎上引入回購和努力成本共擔聯合契約，引入回購價格以及成本共擔參數也即光伏發電商以價格回購儲能商多余的電量。于此同時，雙方分別以的比例相互分擔努力成本。

在此基礎上，發電商首先確定批發價、回購價及努力成本分享比例，然后儲能商以自身利潤最大化為目標確定其最優的購電量以及努力水平，此時儲能商的期望利潤函數為

3.3 聯合契約比較分析

在上述研究論證基礎上，可以發現兩種聯合契約均能有效協調價值鏈，并實現集成價值鏈期望利潤在價值鏈成員之間的任意分配。在RSECP 契約中，供應商作為主導者，通過選擇合適的收益分享因子來實現集成利潤的分配；在BECP 契約中，供應商通過選擇合適的批發價格來實現集成利潤的分配。分析兩種聯合契約協調下供應商和零售商的期望利潤函數可知，當RSECP 契約中的收益分享因子與BECP 契約中的批發價格滿足時，價值鏈成員的利潤函數形式是相同的，如表4 所示。

表4 各協調機制參數比較

可以發現，在能源互聯網背景下兩種契約均能有效實現價值鏈效益協同，但在協同的效果上仍然存在一些區別。

（1）努力成本風險共享方面。相比于分散價值鏈，聯合契約的引入可以實現努力成本風險的共享，發電商和儲能商之間努力成本的投入將更加公平。

（2）庫存風險共享方面。在RSECP 契約下，庫存風險全部由儲能商承擔。而在BECP 契約下，若儲能商出現滯銷狀況，發電商將以單位回購價格回收成本，分擔儲能商的庫存風險。雖然表面上看，在RSECP 中發電商沒有分擔儲能商剩余產品的庫存風險，但收益分享契約本身就可以體現發電商分擔了儲能商庫存風險的本質，且其分享力度大于回購契約。

（3）價值鏈靈活性方面。在RSECP 契約中，發電商以較低的價格向儲能商提供電力產品，那么儲能商將會更加傾向于訂購更多的電量。而在BECP 契約中，發電商提供的批發價格，雖然剩余電量可以通過回購契約退還，但對于儲能商而言，其前期的投入較RSECP 時更大。

4 數值分析

為更直觀地展示各模型間的關系，參考相關文獻并結合中國實際市場狀況對發電成本、購電價、售電價、市場需求參數進行數值假設［57-59］，參考相關文獻對用電需求彈性系數做出數值假設［60］，在此基礎上通過MATLAB 進行具體數值分析以對各模型進行進一步對比說明。具體賦值情況如表5 所示。

表5 數值分析賦值表

4.1 基于改進逐對比較法的努力因素選擇數值分析

在能源互聯網背景下，選取能源互聯網六大板塊：智能發電努力、智能電網調度努力、智能儲能努力、智能用電努力、智能能源市場努力、智能管理和服務努力作為光儲價值鏈可采取的努力因素，分別就光伏發電商和儲能商對各因素進行逐對比較，得逐對比較矩陣如圖5 所示。

圖5 努力因素改進逐對比較矩陣

根據改進逐對比較法計算步驟，可得在光伏發電商可采取的各項努力因素中，各努力因素權重分別為0.27，0.25，0.09，0.12，0.14，0.13。因此對于光伏發電商而言，智能發電努力與智能調度努力權重更大，也對價值鏈整體效益影響更大，故將其作為光伏發電商的努力因素。同理，儲能商各努力因素權重分別為0.08，0.11，0.26，0.15，0.27，0.14，選取智能市場努力和智能儲能努力作為儲能商的努力因素進行下一步的能源互聯網背景下光儲價值鏈效益協同模型研究。

4.2 集成價值鏈、分散價值鏈數值分析

在上述數值假設及努力因素選擇的基礎上，根據各模型所得計算結果，可得到在數值假設下集成價值鏈及分散價值鏈儲能商購電量、努力投入水平及期望利潤參數情況如表6 所示。

表6 數值假設下模型參數值

表6 （續）

4.3 聯合契約協同模型數值分析

為了協調價值鏈，文章分別引入了RSECP 與BECP 這兩種不同類型的聯合契約形式。RSECP 聯合契約中，在模型推導與數值假設的基礎上可以得出節點企業期望利潤及價值鏈總體期望利潤如圖6所示。

圖6 RSECP 契約下節點企業期望利潤變化圖

對于BECP 聯合契約，繪制期望利潤圖如圖7所示。

圖7 BECP 契約下節點企業期望利潤變化圖

可以看出，在BECP 聯合契約下，節點企業期望利潤是購電價的線性函數，光伏發電商的期望利潤隨儲能商購電價的增加而增加，儲能商的期望利潤隨著儲能商購電價的增加而減少，兩者期望利潤之和為集成價值鏈期望利潤，可以通過調節購電價實現價值鏈效益協同。同時，當購電價處于之間時，發電商與儲能商的期望利潤均得到了增加，也即在一定的購電價格范圍內，能在保證鏈條整體效益最大化的同時使節點企業效益均得到增加，實現光儲價值鏈的價值增值共創與效益協同。

5 結論與展望

本文以由光伏發電商與儲能商組成的二級光儲價值鏈為對象，研究了能源互聯網背景下考慮努力因素的光儲價值鏈效益協同問題。首先在考慮光伏價值鏈所存在問題及能源互聯網與儲能特點的基礎上，構建了基于能源互聯網的光儲價值鏈。其次建立了能源互聯網背景下的光儲價值鏈效益協同模型，即通過改進的逐對比較法確定了兩節點企業各自的努力投入方向，分別構建了能源互聯網背景下由發電商主導的分散價值鏈Stackelberg 博弈模型以及將光伏發電商與儲能商視作一個整體的集成價值鏈模型，并研究使整體期望利潤最大化時的最優努力水平與購電量。通過對集成價值鏈與分散價值鏈進行對比，發現在引入價值鏈思想后，購電量與總利潤均得到提升，證明了集成價值鏈的優異性。因此建立了能源互聯網背景下基于聯合契約的光儲價值鏈效益協同模型，通過在分散價值鏈的基礎上引入RSECP 和BECP 兩種契約形式，探究在引入契約后的價值鏈價值協同能力及差異點，結果表明兩種契約形式均能在保證整體及各節點效益的前提下有效協調價值鏈實現總期望利潤在節點企業間的合理分配，只是在部分細節上有所不同。最后借助MATLAB 對上述建立的模型進行了數值分析，增強各模型的直觀性，進一步驗證了各效益協同模型的有效性及差異性。

綜上所述，本文所建立的模型能夠有效實現價值鏈效益協同，為光儲價值鏈的效益協同模式提供一定的參考。在后續研究中，將以價值鏈節點數量、各節點企業數量以及企業之間的相關關系作為研究重點，以期為光儲價值鏈協同研究做出進一步貢獻。