基于功率權(quán)與容量權(quán)解耦的共享儲(chǔ)能組合拍賣機(jī)制

宮 瑤 張 婕 孫偉卿

基于功率權(quán)與容量權(quán)解耦的共享儲(chǔ)能組合拍賣機(jī)制

宮 瑤1張 婕2孫偉卿1

（1. 上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 上海 200093 2. 上海明華電力科技有限公司 上海 200090）

用戶側(cè)儲(chǔ)能有助于負(fù)荷聚合商規(guī)避因需求響應(yīng)偏差而導(dǎo)致的收益風(fēng)險(xiǎn)。共享儲(chǔ)能作為一種創(chuàng)新應(yīng)用模式，能夠節(jié)約用戶側(cè)儲(chǔ)能的投資容量并提升儲(chǔ)能利用效率。設(shè)計(jì)了一種面向負(fù)荷聚合商的共享儲(chǔ)能組合拍賣機(jī)制，以期通過提高共享儲(chǔ)能設(shè)備利用效率，進(jìn)一步降低負(fù)荷聚合商購買共享儲(chǔ)能服務(wù)的成本。首先，設(shè)計(jì)一種將共享儲(chǔ)能功率權(quán)與容量權(quán)以“與”投標(biāo)形式進(jìn)行組合拍賣的市場(chǎng)機(jī)制，以及該機(jī)制下各交易主體的參與方式及運(yùn)營流程；其次，在滿足投標(biāo)約束條件下，構(gòu)建以社會(huì)福利最大化為目標(biāo)的競(jìng)勝標(biāo)決定模型，設(shè)計(jì)在購售雙方之間合理分配社會(huì)福利的定價(jià)機(jī)制，以及中標(biāo)結(jié)算和違約懲罰相結(jié)合的資金結(jié)算機(jī)制，并分析各參與主體的效益；最后，通過算例驗(yàn)證該機(jī)制的有效性及優(yōu)越性。

負(fù)荷聚合商 共享儲(chǔ)能 “與”投標(biāo) 組合拍賣 機(jī)制設(shè)計(jì)

0 引言

隨著新型電力系統(tǒng)源荷不確定性的不斷加劇，系統(tǒng)快速平衡能力不足的問題加速顯現(xiàn)。因此，需求響應(yīng)（Demand Response, DR）[1]、儲(chǔ)能（Energy Storage System, ESS）、負(fù)荷聚合等技術(shù)正受到前所未有的廣泛關(guān)注。

DR通過市場(chǎng)化手段激勵(lì)用戶主動(dòng)參與電網(wǎng)運(yùn)行，促使供需雙向?qū)崟r(shí)平衡，以提高電力資源利用效率。負(fù)荷聚合商（Load Aggregator, LA）是盈利性質(zhì)主體，可通過專業(yè)的技術(shù)手段聚合中小用戶，通過挖掘需求側(cè)潛力參與DR以提高自身市場(chǎng)收益[2-3]。

由于中小用戶存在違約風(fēng)險(xiǎn)，使LA無法精準(zhǔn)按照中標(biāo)結(jié)果調(diào)節(jié)負(fù)荷從而面臨收益降低的風(fēng)險(xiǎn)。為此，有學(xué)者提出利用ESS配合參與DR[4-6]。文獻(xiàn)[7]建立基于LA市場(chǎng)等級(jí)化補(bǔ)償規(guī)則的ESS容量優(yōu)化模型，根據(jù)用戶合同違約百分比對(duì)LA實(shí)行等級(jí)化補(bǔ)償規(guī)則。文獻(xiàn)[8]提出用戶優(yōu)先對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)進(jìn)行響應(yīng)，再利用ESS響應(yīng)的DR策略。文獻(xiàn)[9-10]建立DR背景下ESS的不確定性響應(yīng)模型，提出對(duì)ESS的不同控制策略。上述研究證明，ESS對(duì)LA削減DR不確定性，提升市場(chǎng)收益具有重要意義。

然而，用戶側(cè)ESS面臨成本偏高、商業(yè)模式不成熟的發(fā)展瓶頸[11-13]，導(dǎo)致實(shí)際工程項(xiàng)目難以大規(guī)模推進(jìn)。2022年3月，國家發(fā)改委和國家能源局印發(fā)《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，強(qiáng)調(diào)要積極探索共享儲(chǔ)能（Shared Energy Storage System, SESS）、儲(chǔ)能聚合等商業(yè)模式應(yīng)用[14]。SESS有助于破解當(dāng)前市場(chǎng)下用戶側(cè)ESS面臨的壁壘[15]。文獻(xiàn)[16]建立社區(qū)共享光儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化模型，文獻(xiàn)[17]進(jìn)一步仿真測(cè)算共享模式能夠幫助每個(gè)家庭節(jié)省電費(fèi)開支。

此外，SESS使用權(quán)的出售需要市場(chǎng)化的拍賣平臺(tái)做支撐，在維護(hù)交易市場(chǎng)公平的前提下滿足售購雙方的差異化需求。現(xiàn)有的拍賣機(jī)制下，ESS使用權(quán)一般分為容量權(quán)或功率權(quán)。文獻(xiàn)[18]以組合拍賣的形式出售SESS的容量權(quán)。文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了功率權(quán)與容量權(quán)兩類SESS交易方案，基于此提出了SESS使用權(quán)的統(tǒng)一出清定價(jià)方法。

目前，針對(duì)聯(lián)合ESS參與DR的研究較多，而LA利用SESS參與DR市場(chǎng)的研究較少。此外，目前用戶側(cè)SESS商業(yè)模式較為單一，SESS研究大多對(duì)SESS容量權(quán)或者功率權(quán)分別進(jìn)行拍賣。換而言之，SESS銷售方向購買方出售的是ESS容量使用權(quán)或是ESS充放電能力，對(duì)應(yīng)按容量或者按充/放電量計(jì)費(fèi)。在此單一模式下，由于ESS電池容量與儲(chǔ)能變流器（Power Conversion System, PCS）功率具有耦合關(guān)系，易將造成資源浪費(fèi)。且當(dāng)前SESS商業(yè)模式下，SESS使用權(quán)常以1h為最小出售時(shí)長，而LA參與DR通常以10min或15min為最小響應(yīng)單位，造成購買SESS使用權(quán)與參與DR時(shí)間尺度不匹配。

例如，某LA參與以15min為時(shí)間尺度的DR項(xiàng)目，但受到現(xiàn)有交易機(jī)制的限制只能以1h為時(shí)間尺度購買SESS使用權(quán)，其預(yù)測(cè)在未來某小時(shí)內(nèi)4個(gè)時(shí)段的ESS需求分別為：0.4MW/0.1MW·h、0.8MW/0.2MW·h、1.2MW/0.3MW·h、1.6MW/0.4MW·h。若按功率權(quán)或容量權(quán)購買，需購買1.6MW/1.6MW·h的SESS服務(wù)。而按“與”投標(biāo)形式將功率權(quán)與容量權(quán)組合拍賣，則僅需購買1.6MW/1MW·h的SESS服務(wù)，不僅能夠幫助LA節(jié)約容量購買成本，還能提高ESS設(shè)備利用率，接納更多的買方需求。綜上所述，面向LA的基于功率權(quán)與容量權(quán)解耦的運(yùn)營機(jī)制對(duì)完善SESS商業(yè)模式和價(jià)格機(jī)制具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

本文提出一種面向LA的基于功率權(quán)與容量權(quán)解耦的SESS組合拍賣機(jī)制。首先，考慮在滿足投標(biāo)約束條件下將SESS的功率權(quán)與容量權(quán)以“與”投標(biāo)形式進(jìn)行組合拍賣。其次，以社會(huì)福利最大化為目標(biāo)，在滿足投標(biāo)約束條件的情況下，建立競(jìng)勝標(biāo)決定模型確定中標(biāo)者。充分考慮LA利用SESS削減DR不確定性的需求，允許LA在DR時(shí)段根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整充放電功率，并設(shè)計(jì)違約懲罰維護(hù)市場(chǎng)公平。最后，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)LA與SESS賣家進(jìn)行效益分析，驗(yàn)證此機(jī)制的有效性及優(yōu)越性。

1 共享儲(chǔ)能運(yùn)營機(jī)制

在本文提出的共享儲(chǔ)能運(yùn)營機(jī)制下，參與主體分為電網(wǎng)、共享儲(chǔ)能交易平臺(tái)、需求側(cè)管理平臺(tái)、負(fù)荷聚合商及共享儲(chǔ)能賣家五部分，各個(gè)主體之間交易框架如圖1所示。

圖1 各個(gè)主體之間的交易框架

在此機(jī)制下，SESS的功率權(quán)與容量權(quán)以“與”投標(biāo)形式進(jìn)行組合拍賣，即對(duì)SESS功率權(quán)與容量權(quán)進(jìn)行解耦，買賣雙方需對(duì)SESS功率權(quán)與容量權(quán)同時(shí)進(jìn)行購買及出售。

1.1 參與主體

1）電網(wǎng)

在組合拍賣結(jié)束后，經(jīng)調(diào)度中心安全校核通過后，SESS賣家及LA可通過電網(wǎng)進(jìn)行充放電。由于在物理層面受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制，參與拍賣的SESS買家與LA之間的電氣距離均較近。因此，忽略SESS拍賣過程中的電能損耗問題。

2）共享儲(chǔ)能交易平臺(tái)

在SESS組合拍賣過程中，SESS交易平臺(tái)負(fù)責(zé)組合拍賣中競(jìng)標(biāo)信息的收集、決定中標(biāo)者、資源匹配與定價(jià)、資金結(jié)算四個(gè)部分。起到促進(jìn)SESS買家和賣家達(dá)成交易的目的，并監(jiān)督合約履行過程。

3）需求側(cè)管理平臺(tái)

在DR項(xiàng)目開展過程中，需求側(cè)管理平臺(tái)根據(jù)LA日前申報(bào)情況進(jìn)行匯總、預(yù)出清，根據(jù)供給情況制定、分解DR計(jì)劃。最終，需求側(cè)管理平臺(tái)根據(jù)LA的實(shí)際響應(yīng)情況與承諾響應(yīng)量實(shí)施獎(jiǎng)懲。

4）負(fù)荷聚合商

共享儲(chǔ)能買家為區(qū)域內(nèi)與SESS交易平臺(tái)簽訂DR合同并有意向使用SESS來提高DR質(zhì)量及自身收益的LA集合。

集合中各LA按DR合同，在規(guī)定時(shí)段進(jìn)行DR。在DR過程中，LA需要掌握該區(qū)域內(nèi)的DR動(dòng)態(tài)特性并制定使得自身經(jīng)濟(jì)性最大的DR策略來引導(dǎo)用戶改變自身用電行為。包括合理制定RTP（real time price），并將各時(shí)段的RTP提前通知用戶[20]。與此同時(shí)，各LA按其不同的投標(biāo)策略競(jìng)爭(zhēng)SESS使用權(quán)來提高DR精度并規(guī)避SESS交易平臺(tái)懲罰。

首先，根據(jù)預(yù)估所需容量及功率對(duì)SESS使用權(quán)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)購買。其次，在SESS使用權(quán)中標(biāo)時(shí)段內(nèi)，LA根據(jù)中標(biāo)量及實(shí)際需求，靈活劃分不同DR時(shí)間段內(nèi)所需的SESS功率及容量。基于此，當(dāng)DR合同要求削減用電時(shí)，中標(biāo)LA可以通過上調(diào)RTP以及SESS放電進(jìn)行響應(yīng)；反之，鼓勵(lì)用電時(shí)，可以下調(diào)RTP以及令SESS充電進(jìn)行響應(yīng)。最終達(dá)到提高DR質(zhì)量及自身收益的目的。

5）共享儲(chǔ)能賣家

共享儲(chǔ)能賣家為該區(qū)域內(nèi)已有的共享儲(chǔ)能電站，此電站構(gòu)成一個(gè)SESS賣家集合。

SESS賣家以“與”投標(biāo)形式出售DR時(shí)段內(nèi)閑置儲(chǔ)能設(shè)備的功率權(quán)與容量權(quán)，并提供有關(guān)SESS功率權(quán)與容量權(quán)報(bào)價(jià)和報(bào)量。在拍賣結(jié)束后，負(fù)責(zé)按拍賣結(jié)果提供相應(yīng)的儲(chǔ)能服務(wù)并收取費(fèi)用[21]。再根據(jù)LA的實(shí)際使用情況與中標(biāo)情況制定懲罰機(jī)制，向LA收取懲罰費(fèi)用。

1.2 運(yùn)營流程

為滿足各LA及SESS賣家對(duì)不同時(shí)段內(nèi)投標(biāo)策略的調(diào)整需求，在第時(shí)段進(jìn)行第+1時(shí)段SESS功率權(quán)與容量權(quán)的拍賣。而非對(duì)所有時(shí)段SESS使用權(quán)同時(shí)拍賣。

雖然SESS賣家投標(biāo)時(shí)間顆粒和LA參與DR運(yùn)行時(shí)間顆粒不同，但為參與共享儲(chǔ)能市場(chǎng)，LA將按SESS賣家的投標(biāo)時(shí)間顆粒制定投標(biāo)策略。在SESS賣家以時(shí)段為投標(biāo)時(shí)間顆粒時(shí)，LA也需按時(shí)段的進(jìn)行投標(biāo)。在中標(biāo)后，LA可根據(jù)自身DR運(yùn)行時(shí)間顆粒，再將第時(shí)段內(nèi)SESS的中標(biāo)量分為個(gè)時(shí)段使用。其中，須為的整數(shù)倍，且分段不宜過細(xì)。例如：SESS使用權(quán)以1h為單位出售。而LA參與DR時(shí)需以15min為響應(yīng)單位，則SESS賣家與LA均需以1h為單位進(jìn)行投標(biāo)。在LA中標(biāo)1h的SESS使用權(quán)后，可將1h分為4個(gè)15min時(shí)段使用，在中標(biāo)功率與容量范圍內(nèi)靈活制定SESS策略以滿足參與DR的需求。

面向LA的SESS運(yùn)營機(jī)制流程如圖2所示。

圖2 面向LA的SESS運(yùn)營機(jī)制流程

該流程包括第時(shí)段中標(biāo)LA參與DR、第+1時(shí)段SESS使用權(quán)的拍賣和LA等待響應(yīng)三個(gè)部分。其中中標(biāo)LA參與DR和第+1時(shí)段SESS使用權(quán)的拍賣幾乎同時(shí)進(jìn)行。在拍賣結(jié)束后，中標(biāo)LA等待響應(yīng)。當(dāng)中標(biāo)LA在第時(shí)段開始參與DR后，即可根據(jù)DR時(shí)間顆粒靈活制定個(gè)時(shí)段的SESS使用計(jì)劃。在每個(gè)時(shí)段開始時(shí)，LA需及時(shí)向SESS交易平臺(tái)反饋當(dāng)前時(shí)段的SESS實(shí)際使用計(jì)劃。再根據(jù)實(shí)際響應(yīng)情況，與電網(wǎng)和SESS賣家分別進(jìn)行DR項(xiàng)目結(jié)算和違約懲罰。與此同時(shí)，SESS交易平臺(tái)向SESS賣家公布根據(jù)第+1時(shí)段SESS的剩余容量，SESS賣家根據(jù)時(shí)段中標(biāo)量及LA反饋的實(shí)際使用計(jì)劃，確認(rèn)+1時(shí)段的投標(biāo)容量。投標(biāo)容量確定后，SESS賣家則有權(quán)拒絕LA在時(shí)段臨時(shí)的違約請(qǐng)求，來保證其投標(biāo)容量的準(zhǔn)確，繼而開始對(duì)第+1時(shí)段SESS功率權(quán)與容量權(quán)的組合拍賣。組合拍賣流程分為各LA及SESS賣家投標(biāo)、決定中標(biāo)LA集合、資源定價(jià)、中標(biāo)LA與SESS賣家中標(biāo)結(jié)算。

2 組合拍賣機(jī)制

2.1 投標(biāo)階段

2.1.1 賣家投標(biāo)信息

2.1.2 買家投標(biāo)信息

2.1.3 買賣方投標(biāo)策略約束

在此機(jī)制下，賣家與買家需同時(shí)對(duì)SESS的功率權(quán)與容量權(quán)進(jìn)行投標(biāo)。對(duì)容量及功率的雙方報(bào)價(jià)受市場(chǎng)價(jià)的影響，符合市場(chǎng)規(guī)律。而對(duì)容量及功率的報(bào)量受SESS電站實(shí)際條件及運(yùn)行約束的影響，需滿足一定約束條件如下。

1） 賣家所報(bào)容量約束

在鼓勵(lì)用電時(shí)段，SESS充電，即

在削減用電時(shí)段，SESS放電，即

2）買家所報(bào)容量及功率約束

在鼓勵(lì)用電時(shí)段，SESS充電，即

在削減用電時(shí)段，SESS放電，即

2.2 競(jìng)勝標(biāo)決定模型

競(jìng)勝標(biāo)決定模型是用來解決拍賣者如何決定接受怎樣的投標(biāo)組合問題的模型，這依賴于拍賣者的目標(biāo)。比如收益最大化或經(jīng)濟(jì)效率最優(yōu)，還有速度、可操作性、競(jìng)標(biāo)者偏好、抵制競(jìng)標(biāo)者之間的合謀并鼓勵(lì)他們進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的必要性等因素[22-23]。買賣雙方投標(biāo)完成后，SESS交易平臺(tái)根據(jù)目標(biāo)確定中標(biāo)者。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

拍賣問題往往以社會(huì)福利最大化為目標(biāo)決定中標(biāo)者[24]。社會(huì)福利為賣家剩余與買家剩余之和，亦等于買家出價(jià)與賣家要價(jià)之差。所以在賣方作為壟斷一方時(shí)，社會(huì)福利最大化即為賣方福利最大化。在本文模式下，多個(gè)LA競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域內(nèi)同一運(yùn)營商調(diào)度下的SESS的功率權(quán)與容量權(quán)，且SESS電站只給出功率上下限而不進(jìn)行功率報(bào)量。基于此，提出以SESS拍賣者利益最大化目標(biāo)函數(shù)，即

2.2.2 約束條件

1）中標(biāo)系數(shù)約束

2）中標(biāo)容量及功率約束

上述競(jìng)勝標(biāo)決定問題，雖邏輯關(guān)系較為復(fù)雜，但本質(zhì)上是一個(gè)包含0-1決策變量、連續(xù)決策變量和不等式約束的混合整數(shù)線性規(guī)劃問題。求解后得到各個(gè)時(shí)段中標(biāo)的買家集合及買家、賣家中標(biāo)系數(shù)，進(jìn)而得到買家在中標(biāo)時(shí)段的功率及容量中標(biāo)量。

2.3 資源定價(jià)機(jī)制

定價(jià)機(jī)制本質(zhì)上是社會(huì)福利在買家和賣家之間的分配機(jī)制。一般而言，集中競(jìng)價(jià)交易模式下定價(jià)機(jī)制分為兩種：邊際統(tǒng)一出清和高低匹配出清[25]。邊際統(tǒng)一出清是按照資源匹配后買賣雙方的平均申報(bào)價(jià)格作為本次所有成交匹配后唯一的統(tǒng)一出清價(jià)格進(jìn)行出清。此模式下出清價(jià)格受所有買賣方報(bào)價(jià)的影響，不利于穩(wěn)定參與者價(jià)格預(yù)期[26]。

所以本模式采用高低匹配出清。每一個(gè)成交匹配對(duì)都按照各自買賣雙方的平均申報(bào)價(jià)格為成交價(jià)格，每一匹配對(duì)的成交價(jià)格不盡相同。此定價(jià)機(jī)制下，將社會(huì)福利在買家和賣家之間均分。

容量權(quán)交易定價(jià)及功率權(quán)交易定價(jià)分別為

2.4 資金結(jié)算機(jī)制

本模式下結(jié)算機(jī)制為兩部制結(jié)算。在資源匹配及定價(jià)后，首先按買賣雙方中標(biāo)電量及容量進(jìn)行一次結(jié)算。一次結(jié)算應(yīng)嚴(yán)格按照買賣雙方中標(biāo)電量、容量及其成交價(jià)格計(jì)算，在競(jìng)勝標(biāo)階段中完成，即為中標(biāo)結(jié)算。

但因DR具有不確定性，所以中標(biāo)LA對(duì)DR時(shí)段預(yù)計(jì)充放電功率的報(bào)量易有偏差，為了鼓勵(lì)LA參與SESS市場(chǎng)，且更好地解決DR帶來的不確定性。本模式提出在中標(biāo)LA進(jìn)行DR時(shí)段內(nèi)進(jìn)行的二次結(jié)算。在LA進(jìn)行DR時(shí)，其充放電功率不必嚴(yán)格按照中標(biāo)量進(jìn)行，在一定范圍內(nèi)可根據(jù)實(shí)際響應(yīng)情況進(jìn)行調(diào)整。二次結(jié)算即為違約懲罰。根據(jù)LA實(shí)際充放電功率與中標(biāo)充放電功率之間的偏差并結(jié)合各LA違約可能性，劃分不同的懲罰等級(jí)進(jìn)行違約懲罰。

2.4.1 中標(biāo)結(jié)算

由于區(qū)域內(nèi)SESS由同一運(yùn)營商調(diào)度，所以賣家在中標(biāo)結(jié)算中的總收益為

2.4.2 違約懲罰

當(dāng)中標(biāo)時(shí)段到來時(shí)，中標(biāo)LA開始進(jìn)行DR，并利用SESS解決DR的不確定性。由于功率權(quán)與容量權(quán)解耦，LA可在不超出容量中標(biāo)量的前提下，確定實(shí)際充放電功率。確定后與SESS開始二次結(jié)算即違約懲罰。

由于各LA聚合用戶資源規(guī)模不同，造成其參與需求響應(yīng)的不確定性與對(duì)SESS賣家的違約可能性也不同。若僅根據(jù)其實(shí)際違約量進(jìn)行違約懲罰將會(huì)有失公允，不利于LA參與SESS市場(chǎng)。所以本文提出，建立不同規(guī)模LA的違約概率模型，量化其違約可能性，劃分不同的懲罰等級(jí)。再結(jié)合實(shí)際違約量設(shè)置不同的懲罰金額。進(jìn)行違約懲罰，其流程如圖3所示。

圖3 違約懲罰流程

1）違約量隨機(jī)分布函數(shù)建模

LA利用SESS解決DR不確定性，而在本文中DR不確定性主要來源于用戶行為習(xí)慣及獨(dú)立意愿。所以LA對(duì)SESS的功率違約本質(zhì)上是LA預(yù)測(cè)用戶未按價(jià)格信號(hào)參與DR的偏差。對(duì)LA違約可能量建模就是對(duì)LA預(yù)測(cè)用戶參與DR偏差量的建模。由于用戶用電習(xí)慣和意愿相互獨(dú)立，且違約量分布在[0,]的非負(fù)區(qū)間內(nèi),其中表示DR時(shí)段內(nèi)LA預(yù)測(cè)的用戶參與DR的總量。因此，本文采用截?cái)嗾龖B(tài)分布來模擬LA違約量的隨機(jī)分布[7]。

2）計(jì)算違約可能百分比

3）劃分懲罰等級(jí)

4）設(shè)置懲罰金額

在設(shè)置懲罰等級(jí)后，按實(shí)際違約功率占中標(biāo)功率百分比，設(shè)置懲罰規(guī)則，有

3 效益分析

根據(jù)上述LA參與SESS市場(chǎng)解決DR不確定性的商業(yè)模式以及拍賣機(jī)制，可以得到各主體增加的市場(chǎng)利益。實(shí)際中，SESS賣家及LA需支付一定費(fèi)用于SESS交易平臺(tái)，此部分暫不考慮。

3.1 負(fù)荷聚合商效益分析

在此模式下，中標(biāo)LA增加的收入分為規(guī)避SESS交易平臺(tái)市場(chǎng)懲罰金額以及通過SESS向市場(chǎng)放電帶來的售電收入。同時(shí)也增加了購買SESS功率權(quán)與容量權(quán)的費(fèi)用、對(duì)違約功率的懲罰費(fèi)用以及向市場(chǎng)購電費(fèi)用。

參照PJM市場(chǎng)規(guī)則[29-30]，由于負(fù)荷水平不同，實(shí)際中往往根據(jù)負(fù)荷水平的高低分別設(shè)置不同的單位電量懲罰價(jià)格。

在參與SESS市場(chǎng)后，用戶違約電量小于各LA中標(biāo)SESS容量的部分均可以通過使用SESS功率權(quán)得到規(guī)避。所受懲罰變?yōu)?/p>

所以參與DR增加收益為

3.2 共享儲(chǔ)能賣家效益分析

在此模式下，出售空閑儲(chǔ)能資源的共享儲(chǔ)能賣家所增加收入為中標(biāo)LA支付的SESS功率權(quán)與容量權(quán)的使用費(fèi)用，以及對(duì)LA違約功率的懲罰費(fèi)用。

4 算例

4.1 場(chǎng)景概述及參數(shù)設(shè)置

拍賣共包含三個(gè)LA作為SESS買家和1個(gè)聚合區(qū)域內(nèi)所有空閑儲(chǔ)能資源的運(yùn)營商作為SESS賣家。其與SESS交易平臺(tái)簽訂的合同規(guī)定響應(yīng)量見表1。假設(shè)峰荷日內(nèi)SESS交易平臺(tái)對(duì)未達(dá)到響應(yīng)量的LA的懲罰費(fèi)用均為1 027元/(MW·h)[7]。在23:00～00:00時(shí)段，LA利用SESS向電網(wǎng)購電電價(jià)均為0.36元/(kW·h)；在9:00～10:00時(shí)段，利用SESS向電網(wǎng)售電電價(jià)均為0.88元/(kW·h)[16]。通過Matlab調(diào)用CPLEX求解器求解后得到滿足2.1.3節(jié)投標(biāo)約束條件的買家及賣家投標(biāo)數(shù)據(jù)見表2。各時(shí)段LA預(yù)計(jì)使用SESS需求見表3。

表1 DR合同規(guī)定LA響應(yīng)量

Tab.1 The amount of response about LA contract （單位：MW·h）

表2 賣家及買家投標(biāo)數(shù)據(jù)

Tab.2 Buyers and sellers′ bidding data

賣家投標(biāo)數(shù)據(jù)以（15,660;165）為例，表示SESS在22:45的投標(biāo)容量為15MW·h，容量投標(biāo)價(jià)格為660元/(MW·h)，功率投標(biāo)價(jià)格為165元/MW。買家投標(biāo)數(shù)據(jù)以（6.25,620;7,155）為例，表示LA1在22:45的投標(biāo)容量為6.25MW·h，容量投標(biāo)價(jià)格為620元/ (MW·h)，投標(biāo)功率為7MW，功率投標(biāo)價(jià)格為155元/MW。

表3 各時(shí)段LA預(yù)計(jì)使用SESS需求

Tab.3 LAs′ SESS demand expectation by period

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 競(jìng)勝標(biāo)結(jié)果分析

根據(jù)買賣雙方的投標(biāo)數(shù)據(jù)，求解競(jìng)勝標(biāo)確定問題優(yōu)化模型后，SESS交易平臺(tái)公布各時(shí)段買家及賣家中標(biāo)系數(shù)見表4。

表4 各時(shí)段買家及賣家中標(biāo)系數(shù)

Tab.4 Buyers and sellers′ bid-winning da coefficients in each period

4.2.2 資源定價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)競(jìng)勝標(biāo)決定結(jié)果，對(duì)各LA與SESS賣家進(jìn)行不同中標(biāo)時(shí)段的定價(jià)結(jié)果分析。

定價(jià)采用高低匹配出清。每一個(gè)成交匹配對(duì)都按照各自買賣雙方的平均申報(bào)價(jià)格為成交價(jià)格，各中標(biāo)LA與SESS賣家定價(jià)結(jié)果見表5。由表5可得，不同時(shí)段下，各LA與SESS賣家對(duì)容量及功率的報(bào)價(jià)不同，所以不同時(shí)段下的成交價(jià)格存在差異。同一時(shí)段下，由于不同LA的報(bào)價(jià)不同，所以不同的中標(biāo)LA成交價(jià)格也存在差異。買賣雙方平分社會(huì)福利的定價(jià)機(jī)制保障了交易的公平性，同時(shí)有利于穩(wěn)定參與雙方對(duì)成交價(jià)格的預(yù)期。

表5 LA與SESS賣家定價(jià)結(jié)果

Tab.5 The pricing results of LA and SESS seller

4.2.3 結(jié)算結(jié)果分析

依據(jù)中標(biāo)結(jié)算機(jī)制，得到在以上8個(gè)時(shí)段中標(biāo)LA與SESS賣家的結(jié)算結(jié)果。在23:00～00:00時(shí)段，LA1與LA2的中標(biāo)結(jié)算金額為3 625元、4 448.5元。在09:00～10:00時(shí)段LA2與LA3的中標(biāo)結(jié)算金額為9 751.8元、5 979.8元。

在違約懲罰中，首先，根據(jù)不同LA資源特性系數(shù)以及式（23）計(jì)算可得，LA對(duì)SESS的違約可能百分比分別為9.6%、12%和8%。所以其對(duì)應(yīng)懲罰等級(jí)分別為Ⅱ、Ⅲ和Ⅱ。其次，結(jié)合LA與SESS交易平臺(tái)簽訂的總負(fù)荷量，利用蒙特卡洛模擬方法模擬出未使用SESS時(shí)各LA向電網(wǎng)違約量。最后，各中標(biāo)LA向SESS的實(shí)際違約量為各LA中標(biāo)量與未使用SESS時(shí)各LA向電網(wǎng)的違約量之差。經(jīng)計(jì)算，可得實(shí)際違約量及實(shí)際違約百分比。進(jìn)而得到違約懲罰結(jié)果如圖4所示。

圖4 違約懲罰結(jié)果

由圖4可得各時(shí)段中標(biāo)LA向SESS賣家支付的違約金額。根據(jù)違約量懲罰機(jī)制，實(shí)際違約百分比小于5%的LA不給予懲罰，所以存在中標(biāo)LA在某時(shí)段無需繳納違約金額的情況。

4.2.4 效益分析

各LA利用SESS解決DR不確定性后參與DR響應(yīng)量對(duì)比如圖5所示。由圖5可得，各LA在中標(biāo)時(shí)段使用SESS解決DR不確定性后，與表1所示LA目標(biāo)響應(yīng)量相比，中標(biāo)時(shí)段DR響應(yīng)量均提升，且均達(dá)到目標(biāo)響應(yīng)量。

根據(jù)3.1節(jié)的LA效益分析模型，可得各LA在時(shí)段使用SESS后增加的收益見表6。正數(shù)表示收入，負(fù)數(shù)表示支出。由表6可得，各LA在8個(gè)時(shí)段內(nèi)增加收益總和分別為238.3元、7 172.2元和3 778.3元。證明此機(jī)制下，雖因競(jìng)標(biāo)原因存在LA個(gè)別時(shí)間段收益下降的情況，但使用SESS解決DR不確定性后中標(biāo)LA收益整體呈增加趨勢(shì)。

圖5 LA響應(yīng)量對(duì)比

表6 LA增加收益

Tab.6 The increased revenue of LA （單位：元）

（續(xù)）

因自身DR不確定性及競(jìng)標(biāo)情況不同，不同LA使用SESS所增加的收益也存在差異。但中標(biāo)時(shí)間段多的LA收益明顯高于中標(biāo)時(shí)間段少的LA；未使用SESS時(shí)向SESS交易平臺(tái)違約量高的LA即需解決DR不確定性高的LA，中標(biāo)后的收益明顯高于本身DR不確定性低的LA。證明此SESS機(jī)制對(duì)需解決DR不確定性高的LA友好，可有效利用儲(chǔ)能資源解決DR不確定性并提升中標(biāo)LA的收益。

由3.2節(jié)中SESS賣家效益分析模型，可得SESS賣家在出售SESS后獲得的收益。在以上兩時(shí)段中，SESS總收益分別為8 273.6元、15 786元；出售SESS收入為8 073.5元、15 731.7元；懲罰LA收入200.1元、54.3元。由此可知，將閑置的儲(chǔ)能資源統(tǒng)一調(diào)度作為SESS出售后，SESS賣家可在滿足自身儲(chǔ)能需求的同時(shí)使自身收益顯著提高。

4.2.5 功率權(quán)與容量權(quán)以“與”投標(biāo)拍賣優(yōu)越性分析

若SESS的使用權(quán)以容量權(quán)或功率權(quán)的形式單獨(dú)出售，其LA投標(biāo)容量或功率將發(fā)生變化，且雙方投標(biāo)容量價(jià)格或功率價(jià)格也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。“與”投標(biāo)模式下的容量價(jià)格及功率價(jià)格本質(zhì)上是將容量及功率解耦出售。而以容量權(quán)或功率權(quán)單獨(dú)出售，是將儲(chǔ)能使用價(jià)格歸算至容量側(cè)或功率側(cè)。基于此及表2、表3數(shù)據(jù)我們可以得到SESS以容量權(quán)或功率權(quán)單獨(dú)出售時(shí)的投標(biāo)數(shù)據(jù)見表7。

由表6數(shù)據(jù)，對(duì)不同模式下LA其對(duì)SESS的容量及LA購買SESS支出進(jìn)行對(duì)比，分別如表8和圖6所示。

表7 非“與”投標(biāo)模式下的投標(biāo)數(shù)據(jù)

Tab.7 Bidding data in non-"with" bidding mode

表8 不同模式下SESS的容量使用對(duì)比

Tab.8 Capacity usage of SESS in different modes（單位：MW·h）

圖6 不同模式下SESS容量費(fèi)用對(duì)比

由表8可得，在“與”投標(biāo)模式下，容量權(quán)與功率權(quán)解耦，LA可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行SESS容量權(quán)的購買，避免了對(duì)SESS容量的浪費(fèi)，提高了對(duì)SESS的利用率。

由圖6得，在非“與”投標(biāo)模式下，各LA在中標(biāo)時(shí)段購買容量總費(fèi)用分別增加50%、41.4%、42.8%。由此得到“與”投標(biāo)模式下，各LA容量購買費(fèi)用將明顯降低，有利于LA節(jié)約成本，最大化其收益。

綜上所述，將SESS的功率權(quán)與容量權(quán)以“與”投標(biāo)形式進(jìn)行組合拍賣，可在有效提高SESS利用率的同時(shí)，節(jié)約各LA購買容量的費(fèi)用，并有利于各LA利用SESS解決DR不確定性，規(guī)避市場(chǎng)懲罰。

5 結(jié)論

本文提出了面向LA的SESS組合拍賣機(jī)制，并介紹了該機(jī)制下的運(yùn)營流程及組合拍賣流程，經(jīng)過效益分析和算例仿真，得到的結(jié)論如下：

1）對(duì)SESS功率權(quán)與容量權(quán)以“與”投標(biāo)形式進(jìn)行組合拍賣，在有效提高SESS利用率的同時(shí)，平均節(jié)約各LA購買容量費(fèi)用40%以上。

2）中標(biāo)結(jié)算和違約懲罰相結(jié)合的結(jié)算機(jī)制，在維護(hù)拍賣市場(chǎng)公平性的前提下，給予LA靈活調(diào)整實(shí)際充放電功率的權(quán)利，最大程度上規(guī)避市場(chǎng)對(duì)中標(biāo)LA的懲罰，使各LA收益平均增加約7%。

3）采用面向LA的SESS模式后，SESS賣家與LA總收益均得到顯著提高，并避免了儲(chǔ)能的不足或限制，給予用戶側(cè)ESS商業(yè)模式發(fā)展新思路。

本文提出面向LA的SESS組合拍賣新機(jī)制，為靈活多樣地發(fā)展用戶側(cè)新型儲(chǔ)能，創(chuàng)新共享儲(chǔ)能商業(yè)模式提供了理論基礎(chǔ)，后續(xù)可進(jìn)一步結(jié)合各種主體的多樣化利益訴求，兼顧SESS拍賣過程中的電能損耗問題，對(duì)拍賣中的博弈均衡策略進(jìn)行研究。

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Auction Mechanism for Shared Energy Storage System Portfolios Based on Decoupling Power and Capacity Rights

Gong Yao1Zhang Jie2Sun Weiqing1

（1. University of Shanghai for Science and Technology School of Mechanical Engineering Shanghai 200093 China 2. Shanghai Minghua Electric Power Science & Technology Co. Ltd Shanghai 200090 China）

Customer-side energy storage system helps load aggregators hedge the revenue risk due to demand response deviations. As an innovative application model, shared energy storage system can save the investment capacity of user-side energy storage system and improve the efficiency of energy storage system utilization. A shared energy storage system portfolio auction mechanism for load aggregators is designed to further reduce the cost of shared energy storage system services purchased by improving the efficiency of shared energy storage system equipment utilization. Firstly, a market mechanism is designed to auction shared energy storage system capacity and power rights in the form of "with" bids, and the operation process of each trading entity under this mechanism. Secondly, under the constraints of bidding, a winning bid decision model is constructed with the objective of maximizing social welfare. A pricing mechanism is designed to share social welfare between buyers and sellers, as well as a capital settlement mechanism that combines winning bids and penalties for default, and the benefits of each participant are analyzed. Finally, the effectiveness and superiority of the mechanism is verified through arithmetic examples.

Load aggregators, shared energy storage system, "with" bids, combinatorial auction, mechanism design

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220945

TM73

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51777126）。

2022-05-29

2022-08-01

宮 瑤 女，1999年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)儲(chǔ)能、儲(chǔ)能商業(yè)模式。E-mail：15316070891@163.com

孫偉卿 男，1985年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、電力系統(tǒng)儲(chǔ)能、電力系統(tǒng)評(píng)估與優(yōu)化。E-mail：sidswq@163.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）