考慮儲能性能差異的新能源場站群共享儲能交易模式

郝藝博，杜錫力，李笑竹，陳來軍，*

（1.青海大學新能源光伏產業研究中心，青海省 西寧市 810016；2.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京市 海淀區 100084）

0 引言

在“雙碳”目標下，新能源產業的蓬勃發展已不可阻擋，但當前新能源發電靈活性差、波動性強，給其消納與并網帶來巨大挑戰[1-5]。儲能作為支撐新能源發展、電網調峰填谷的重要技術和基礎設備，其規模化發展已成必然趨勢。目前，中國儲能應用的場景普遍存在獨立、分散、利用率低的情況[6]，而共享儲能可利用儲能資源在時間、空間上的互補性進一步提升儲能的利用率[7-9]。公平高效的共享儲能價格機制與收益分配方法是促進多方參與者形成共享儲能聯盟與保證其聯盟穩定的基石，因此亟需研究滿足多主體訴求、鼓勵促進多方共享儲能的交易模式。

目前共享儲能的交易模式可歸納為固定價格、雙邊交易、拍賣、利益或成本分攤等幾類。其中，固定價格雖然保證了共享儲能的合理收益，但未有效利用價格與儲能利益的激勵關系，抑制了共享儲能參與輔助服務市場交易的主動性與發展潛力[10-12]。雙邊交易能夠利用信息互動，充分調動更多市場主體的積極性，然而，隨著參與主體的數量不斷增加，雙邊交易結構的復雜程度呈幾何倍數增長，不可避免地帶來更多價格與交易量的風險[13-14]。拍賣機制可應對雙邊交易結算規則復雜[15]、時間獨立冗長[16]等問題，文獻[17-18]利用4個階段的雙向拍賣機制，應對共享儲能中用戶的互補性和替代性需求，然而，拍賣存在過度競爭、競價者不正當合作與非真實信息披露等缺陷。利益或成本分攤機制可在保證整體社會利益的同時提高個體利益，文獻[19]提出基于合作博弈的分布式產消者共享儲能模型，并根據Shapely值進行收益分配；文獻[20]構建多微電網租賃共享儲能的配電網博弈優化模型，利用Shapley值解決成本分攤問題；文獻[21]提出分布式儲能雙層合作共享策略，利用Shapley值分別解決上、下層社區間與社區內的成本分攤問題。但上述研究尚未考慮參與共享的不同儲能單元間的技術經濟差異，剖析各參與者技術經濟特性與共享儲能價格機制、收益分配間的復雜耦合關系。因此，在計及儲能性能差異的基礎上探討個體利益與整體利益間的交互影響規律，是促進多元儲能參與共享的關鍵。

此外，退役電池再次利用為建設發電側大規模共享儲能、降低儲能投資成本提供了新基礎，儲能電池的健康狀態成為其關鍵技術經濟特性之一。文獻[22]通過分析儲能電池內部的形成機理，提出一種利用儲能電池容量估計來表征儲能電池健康狀態的方法；文獻[23]通過使用自適應無跡卡爾曼濾波(adaptive unscented Kalman filter，AUKF)算法準確估計儲能電池的荷電狀態和健康狀態。在此基礎上，文獻[24]利用退役電池作為光儲微網的儲能單元，在降低儲能成本的同時緩解大批量電池回收的壓力；文獻[25]通過對比退役電池與新電池儲能的優勢，在經濟性最優的基礎上利用退役電池滿足平抑風電功率的需求；文獻[26]利用退役電池實現了光伏儲能系統中功率的平滑輸出與削峰填谷。隨著退役電池的廣泛應用，設計能夠兼顧交易效率與公平性的共享儲能價格機制與收益分配方法，來調動更多具有性能差異的儲能電池參與共享迫在眉睫。

基于上述分析，本文提出一種考慮儲能性能差異的新能源場站群共享儲能交易模式，以打破新能源場站在參與儲能資源共享互動時的掣肘。在此基礎上，構建基于合作博弈的發電側共享儲能價格機制與基于Shapley值多參與者收益分配的方案，厘清參與共享的儲能電池的技術經濟特性與共享儲能價格機制、收益分配間復雜的耦合關系。最后，利用算例對所提模式進行驗證。

1 考慮儲能性能差異的共享儲能交易模式

1.1 新能源場站群共享儲能的交易模式

共享儲能模式下各新能源場站、電網間能量的交互，不僅實現了能量的高效利用，避免了棄風棄光帶來的能量損失，而且已打破新能源場站參與儲能資源共享互動的重要掣肘，也對電網的穩定運行提供了安全保障，其具體交易模式如圖1所示。其中：Pshare，i，t為在t時刻新能源場站i儲能服務于其他新能源場站的功率；μshare，t為在t時刻新能源場站儲能服務于其他新能源場站的價格；Pfre，i，t為在t時刻新能源場站i儲能參與電網調頻的功率；μfre，t為在t時刻新能源場站儲能參與電網調頻的價格。

圖1 新能源場站群共享儲能交易模式Fig.1 Shared energy storage trading mode of new energy station group

風電場、光伏電場等新能源場站都含有自配儲能裝置，電網依據各場站調頻能力的大小設定其上網功率與預測功率偏差的允許范圍。當新能源場站實際出力與預測出力存在較大偏差時，各場站首先調配自配儲能彌補偏差功率，使其恢復到偏差功率的允許范圍內；而在自配儲能不能完全彌補偏差功率時，共享儲能協調參與彌補偏差；當自配儲能能夠彌補偏差功率且尚有余力時，其可以服務于其他新能源場站；共享儲能在必要時能夠參與電網調頻，以此達到利潤最大化。

1.2 儲能性能差異表征

儲能性能的差異主要表現在儲能電池的健康狀態程度。儲能電池的健康狀態不僅直接影響其使用壽命、充放電深度，而且對使用儲能電池時的建設成本有決定性作用。儲能電池的健康狀態由電池的容量保持率來表征。儲能電池的容量保持率越大，其健康狀態越好，使用壽命越長，充放電深度越深，新能源場站建設成本越高；反之，儲能電池的容量保持率越小，其自身的健康狀態越差，使用壽命越短，充放電深度越淺，新能源場站建設成本越低。

而儲能電池健康狀態一般利用儲能電池的容量保持率與循環次數之間的關系對其進行評估[27]：

式中：λ為儲能電池的容量保持率；n為充放電循環次數。

圖2為儲能電池不同容量保持率下其健康狀態與循環次數的關系。可以看出，儲能電池的健康狀態隨著充放電循環次數的增加不斷下降，并且不同容量保持率的健康狀態下降趨勢總體一致；在相同健康狀態下，初始容量保持率較高的儲能電池循環次數相對較大。

圖2 不同容量保持率下健康狀態與循環次數關系Fig.2 Relationship between health status and cycle times under different capacity retention rates

2 共享儲能交易模式合作博弈模型

2.1 博弈的基本元素

1）參與者

各個新能源場站作為該模型的參與者，用Ni表示，并記參與者的合集為Ni={N1，N2，…，Ni}。

2）策略

該 模 型 的 決 策 變 量 為μshare，t、Pshare，i，t、μfre，t和Pfre，i，t，策略集為Ω={μshare，t，Pshare，i，t，μfre，t，Pfre，i，t}。

3）支付

該模型的支付為各個新能源場站的收益函數，并將其定義為各個新能源場站的凈收益，則該模型的總體支付集合為I={IN1，IN2，…，INi}。

2.2 新能源場站收益

2.2.1 目標函數

1）新能源場站總收益

式中：Isel，i為新能源場站i的上網售電收益；Ishare，i為新能源場站i對其他新能源場站的輔助服務收益；Ifre，i為新能源場站i參與電網調頻的收益；Ces，i為新能源場站i自身配置儲能的成本；Cpu，i為新能源場站i的實際上網功率在未達到預測上網功率時的懲罰成本。

2）上網售電收益

式中：Pg，i，t為新能源場站i在t時刻的上網功率；kt為當前的市值系數；μg，t為新能源場站在t時刻的上網價格。

3）服務其他新能源場站收益

4）參與電網調頻收益

5）投資建設成本

新能源場站在投資建設時，根據儲能電池不同健康狀態下的使用壽命和儲能容量保持率λ的變化情況，決定自身場站儲能規模的大小，滿足以投資建設成本最小來參與場站間的交易合作，最大化自身利益。儲能電池不同健康狀態下的投資建設成本表示為

式中：Ees，i為新能源場站i的儲能容量；μes，i為新能源場站的單位投資建設成本；容量保持率λ在0～1取值。

6）誤差懲罰收益

式中：μpu為新能源場站誤差懲罰成本；Pp，i，t為新能源場站i在t時刻的預測發電功率。

2.2.2 約束條件

1）功率平衡約束

式中Ps，i，t為新能源場站i在t時刻自配儲能對自身場站服務的充放電功率。

2）儲能電池充放電功率約束

式中：fc、fd分 別為充電、放電標志位；Pess，i，t為新能源場站i在t時刻儲能電池的充放電狀態。Pess，i，t＞0表示儲能電池充電，此時fc=1，fd=0；Pess，i，t＜0表示儲能電池放電，此時fc=0，fd=1；Pess，i，t=0表示儲能電池不工作，此時fc=0，fd=0。

3）儲能電池充放電容量約束

式中：Ei，t為儲能電池在t時刻的容量；Emini、Emaxi分別為儲能電池容量的下限、上限。式(10)表示當前時段Ei，t與當前時段儲能充放電功率以及上一時段的儲能電量有關。式(11)表示Emaxi與儲能規模及儲能電池的容量保持率有關。

新能源場站一般使用的儲能電池容量保持率最大值為80%，最小值為40%，在儲能電池容量保持率λ達到運行的上下限時，儲能電池容量上限的取值由儲能規模大小決定，且儲能電池容量保持率在投資建設后會逐漸減小，儲能容量會根據儲能電池容量保持率的變化來調整設置的上限值。

2.3 不同儲能健康狀態下各場站收益分配

新能源場站采用Shapley值法對聯盟的利益進行分配，各場站通過自身對聯盟的邊際貢獻分配自身利益。新能源場站i從聯盟A總體利益中分得的利益[28]表示為

式中：nA表示聯盟A中新能源場站的個數；(nA-1)!(n-nA)!/n!表示新能源i在聯盟A中所占的權重；A{i}表示除新能源場站i以外聯盟A的集合，B(A)-B(A{i})表示新能源場站i參與不同合作時的邊際貢獻。

2.4 模型的策略式博弈分析

本文在對所構建模型進行求解時，將新能源場站間的功率、價格等信息公開，即模型的博弈互動關系為完全信息的策略式博弈。本文選取2個風電場與1個光伏電站，因此存在5種不同的策略式博弈模型，具體如表1所示。

表1 新能源場站策略式博弈模型Tab.1 New energy station strategic game model

基于表1，新能源場站間策略式博弈需滿足Nash均衡：

式中：μ*share，t、P*share，i，t、μ*fre，t、P*fre，i，t為其他2個新能源場站在決策最優時自身的最優決策；Ω*為最優策略集。

如編號1所示，新能源場站間都不參與合作時，{Ω*1},{Ω*2},{Ω*3}表示在其他2個新能源場站決策最優時自身的最優決策集。

如編號2所示，新能源場站間參與部分合作時，{Ω*1，Ω*2}，Ω*3表示新能源場站1、2參與合作，新能源場站3不參與合作的最優決策集。

如編號5所示，新能源場站間參與完全合作時，{Ω*1，Ω*2，Ω*3}表示3個新能源場站的最優決策集。

新能源場站群的策略式空間集合為Ω={ΩN1，ΩN2，…，ΩNi}，且屬于歐式空間非空緊凸集，其收益與決策變量在數學模型上呈線性關系。依據純策略Nash均衡與混合Nash均衡定理[29]，驗證了新能源場站間存在Nash均衡。

3 算例分析

3.1 基礎參數

本文選取我國青海省新能源場站在某一典型日的實際運行數據，具體包含2個風電場及1個光伏電站，規模分別為1 000、500、800 MW，基礎參數如表2所示。參考文獻[30]，并結合新能源場站上網電價的差異，設置風電場與光伏電站的上網電價與誤差懲罰成本。為了方便計算與分析，本文研究儲能中電池容量保持率分別為80%、60%、40%下的交易模式。參考文獻[31]，設置貼現率為3.24%。

表2 基礎參數Tab.2 Basic parameters

3.2 新能源場站的調節需求分析

典型日新能源場站出力與負荷情況如圖3所示，根據風電場、光伏電站的實際、預測出力，以及實際負荷與預測負荷的變化情況，分析各新能源場站間的調節需求。

從圖3可以看出：風電場1出力的主要波動范圍集中在09:00—15:00，且整體上實際出力低于預測出力；風電場2出力在典型日24個時段內的波動變化情況均比較明顯；光伏電站出力的波動范圍主要集中在08:00—18:00，且整體上實際出力大于預測出力，有較大余力可參與到服務其他新能源場站的能量交易中；此外，從新能源場站負荷整體變化趨勢來看，實際負荷與預測負荷基本保持一致。

圖3 新能源場站出力與負荷情況Fig.3 Output and load of new energy stations

3.3 不同儲能性能下共享儲能的交易模式分析

3.3.1 儲能性能差異對交易價格的影響

以新能源場站間完全合作模式為例，研究容量保持率80%、60%、40%下共享儲能服務于其他新能源場站、電網調頻的交易價格的變化情況，結果如圖4所示。

圖4 不同儲能性能下共享儲能的交易價格變化情況Fig.4 Trading price changes of shared energy storage under different energy storage performances

從圖4可以看出，容量保持率下降，造成共享儲能服務于其他場站的交易價格、服務于電網調頻的交易價格上升，且價格在一定范圍波動。這是由于儲能電池容量保持率的下降會導致新能源場站中儲能的利用率降低，其可進行的能量交易量減少，造成交易價格增加。此外，由于其場站間的調節需求波動較小(見圖3)，因此交易價格在05:00—07:00時段變化的波動范圍較小，以保證交易模式的穩定性。

不同儲能性能下新能源場站總收益變化情況如表3所示。可以看出，隨著共享儲能電池容量保持率的下降，新能源場站總收益也在逐漸降低，相較于容量保持率為80%，容量保持率為60%下的新能源場站總收益降低了2.7%，下降幅度較低，這是由于共享儲能交易價格的上升造成其收益變化的波動范圍較小。

表3 不同儲能性能下新能源場站總收益變化情況Tab.3 Total income changes of new energy stations under different energy storage performances

結合圖4和表3可以看出，在共享儲能的電池健康狀態變化時，其交易價格也會同步變化，以此來保證新能源場站群的總收益穩定在一個區間范圍內，激發場站加入共享儲能的主動性與積極性。

3.3.2 儲能性能差異對能量交易的影響

以新能源場站間完全合作模式為例，研究容量保持率80%、60%、40%下共享儲能服務于新能源場站自身、其他新能源場站、電網調頻出力的交易量變化情況，結果分別如圖5—7所示。

從圖5可以看出，隨著儲能電池容量保持率的下降，其服務于新能源場站自身出力的交易量呈下降趨勢，這主要是由于儲能電池容量保持率的下降造成儲能可利用能量的下降。結合圖6、7可知，共享儲能服務于其他新能源場站、電網調頻出力的交易量下降趨勢均不如其服務于新能源場站自身出力的交易量下降趨勢明顯，符合1.1節共享儲能交易模式的設計，即在新能源場站存在出力偏差時，共享儲能優先服務于新能源場站自身，以彌補功率偏差。

圖5 不同容量保持率下共享儲能服務于新能源場站自身出力的交易量Fig.5 Trading volume of shared energy storage serving new energy stations’own output under different capacity retention rates

圖6 不同容量保持率下共享儲能服務于其他新能源場站出力的交易量Fig.6 Trading volume of shared energy storage serving other new energy stations output under different capacity retention rates

此外，從圖5—7可以看出，在共享儲能交易模式中，光伏電站自配儲能出力的交易量占比較多，符合3.2節新能源場站的調節需求分析。

圖7 不同容量保持率下共享儲能服務于電網調頻出力的交易量Fig.7 Trading volume of shared energy storage serving grid frequency regulation output under different capacity retention rates

3.4 不同博弈模式下共享儲能的交易模式分析

結合2.4節5種策略式博弈模型分析，研究不同博弈模式下考慮儲能差異特性的共享儲能交易模式變化情況，結果如表4所示。

表4 不同博弈模式下新能源場站的總收益變化情況Tab.4 Total income changes of new energy stations under different game modes

從不同博弈模式下同一儲能性能的角度來看，隨著新能源場站間合作的程度加深，新能源場站的總收益逐步增加。需要指出的是，在部分合作博弈模式下，新能源場站總收益的變化與不同場站間的規模有關，以容量保持率80%為例，{N1，N3}，{N2}博弈模式下的收益為{N2，N3}，{N1}博弈模式的1.05倍。

從同一博弈模式下不同儲能性能的角度來看，儲能電池容量保持率的下降會造成新能源場站總收益的下降。需要指出的是，由于交易模式的穩定性與合理性，新能源場站收益變化保持在1%～3%。

綜上所述，可以通過增加不同新能源場站間的合作程度以及改善儲能電池的健康狀態來提高新能源場站參與合作的積極性，保證交易模式的公平性。

新能源場站間交易合作分配前、后收益分別如圖8、9所示，從整體來看，新能源場站間交易合作分配后的收益明顯高于分配前的收益；在新能源場站交易合作分配收益后，新能源場站在容量保持率80%情況下收益變化的程度較為顯著，且比容量保持率60%情況下高0.3%～0.6%，比容量保持率40%情況下高2.0%～2.8%。

圖8 新能源場站交易合作分配前收益Fig.8 Revenue before cooperative distribution of new energy station transaction

圖9 新能源場站交易合作分配后收益Fig.9 Revenue after cooperative distribution of new energy station transaction

4 結論

為解決新能源場站群在參與共享時因儲能性能差異而導致的價格機制、收益分配間復雜的耦合關系，促進發電側共享儲能的可持續性發展，提出了一種考慮儲能性能差異的新能源場站群共享儲能交易模式，主要結論如下：

1）設計的新能源場站群共享儲能交易模式能夠打破新能源場站在參與儲能資源共享互動時的重要掣肘，實現儲能資源的靈活性互補，同時平抑電網的頻率波動，提高電網運行的穩定性。

2）建立的共享儲能交易模式合作博弈模型能夠滿足不同主體的利益訴求，構建計及儲能單元不同技術經濟特性的共享儲能交易模型。儲能性能變化趨勢與能量交易變化趨勢一致，與交易價格變化趨勢相反。因此，所建模型能夠提高各場站參與共享儲能的積極性，保證共享儲能交易模式的公平性。

3）探討的共享儲能交易模式下新能源場站間儲能性能差異、博弈模式等因素，在不同程度上影響了新能源場站間的合作程度及儲能資源的共享程度。因此，所提模型能激勵共享儲能在滿足場站自身及其他場站需求的同時向電網提供服務。

下一步，將重點圍繞參與者行為不確定性對共享儲能交易模式的影響，進一步提高共享儲能交易模式的公平性，推動共享儲能的發展。