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图1 基于能源细胞-组织框架的共享储能框架
Fig.1 Shared energy storage model based on energy cell-organization framework
按照本地负荷类型,可以将能源细胞分为工业、商业和居民3类,不同类型的负荷在日峰谷差、日平均负荷、预测误差等方面存在较大差异,如工业用户能源消费平均水平较高,峰谷差较小;而居民负荷具有明显的峰谷时段,不确定性更大。而每个能源细胞内部都配有一定的储能资源,当多个具有明显个体异质性的细胞参与联盟,可将其视作一个组织个体,通过联合配置能更合理地调度共享储能资源,充分实现多方优势互补。
在联盟情况下,组织将内部的储能设备进行联合配置,优化各个细胞内的储能设备容量。同时不同的细胞之间可以产生一定功率交互,定义图片为第 i 个细胞在时刻t与组织外环境的交互功率,其值为正则代表细胞从外界接收功率,为负则代表细胞向外输出功率。同时,能源组织为维持内部功率平衡,需要与主网进行功率交互,将这部分功率定义为联络线功率 PTL,t ,当组织内负荷较大时为正,须从电网购电,反之当前时段发电量较多时可向电网售电,联络线功率为负。
2 共享储能优化模型
3 基于Shapley值分配的联盟博弈
3.1 联盟博弈稳定性分析
由于分布式能源发电功率的间歇性和不确定性,需要配置足够的储能容量才能更好地满足细胞内供电需求。而能源细胞间形成相互合作的联盟-组织时,能有效根据自身能源的盈缺,与联盟其他成员进行能源的交互,从而减少储能容量的配置和能源的浪费。本节建立了一个适合于细胞-组织架构的联盟博弈模型,并解决了联盟内部的利益分配问题。相比于独立运行,形成联盟会增加一部分过网税费的支出,但是同时联盟模式下的运营成本又会因参与者之间的能源互补而降低,因此各参与者需要判断加入联盟能否为自己带来更多利益。将博弈定义为 (N;v) , N 为所有参与者的集合,在本文中表示各能源细胞, v 为量化联盟的价值函数。多个细胞形成联盟 S 的价值函数为 v(S) ,不同联盟状态参与者能获得的收益不同。当联盟博弈满足以下条件时,参与者没有退出联盟的动机,该联盟是稳定的。
(1)联盟具有超可加性,形成联盟 S 相比于部分成员不参与联盟,其整体的运营收益要更高。对于细胞而言,若参与联盟整体的收益高于不合作时的收益之和,细胞就愿意加入联盟。
(2)联盟的核心是非空的,联盟的核心是所有成员同意的一种可行的报酬分配。这种分配模式下,大联盟不能通过进一步划分为子联盟,使子联盟中的参与者能获得更多利益。
3.2 利益分配机制与联盟博弈过程
若细胞独立运行,价值函数包括储能成本、联络线功率波动和售购电成本,若细胞参与联盟,价值函数还须增加过网税费。因此如果参与联盟带来的收益大于过网税费,并且各成员的利益能得到合理分配,多能源细胞就能形成稳定联盟。
Shapley值可以有效衡量每个参与者对联盟的贡献值,合理且公平地分配合作收益以满足各方要求[22],Shapley证明满足匿名性、有效性、虚拟性和可加性的分配对策是唯一的[23]。能源细胞合作投资共享储能的成本可以使用Shapley值进行成本分配。假设一共有 |N| 位参与者,其中部分参与者可能形成联盟 S ,而当一位新的参与者 i 加入联盟 S 时,其边际贡献 δ(i,S) 为
虽然Shapley值能按照成员对联盟的贡献大小分配各成员所得,但需要计算所有联盟合作的收益,存在计算量较大的缺陷。而本文的优化策略本身需要计算不同联盟合作的收益并进行对比,选择最优联盟情况,因此引入Shapley值分配不会增加计算复杂度。利用Shapley 值法进行利益分摊时,每个能源细胞分摊到的成本取决于其加入联盟后,为联盟带来的成本增值大小。传统分配方法仅须考虑各细胞自身收益计算边际成本,但在实际情况中,存在一些细胞因地理位置相隔较远或日负荷波动较大,因而在联盟成员进行交易的过程中需要支付更多的过网税费,导致其实际上很难为联盟带来更多收益。本文将细胞间能源交易的成本计入联盟的边际成本,使交易成本更大的能源细胞适量增加其分摊量,若分摊成本大于其单独运行,细胞便不会参与联盟,从而形成稳定可靠的合作关系。
当2个细胞形成联盟时,若联盟 S 的收益低于细胞独立运行之和,联盟即满足超可加性,通过Shapley值分配联盟收益就能形成稳定联盟。而当第三者参与联盟时,首先需要判断原有联盟 S 与新成员是否满足超可加性,若不能,则无法参与联盟。然后判断是否存在更优的子联盟使其中的参与者成本更低,若存在,则大联盟将瓦解形成子联盟。在得到稳定的联盟后,采用Shapley值法分配利益,能使细胞个体的收益相比独立运行时更高,同时系统整体的收益也是组织优化运行的最优解。
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