需求側(cè)能量共享：概念、機(jī)制與展望

陳 玥，劉 鋒，魏 韡，梅生偉

（1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京市100084；2. 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,清華大學(xué),北京市100084）

0 引言

為應(yīng)對(duì)氣候變化和能源短缺,大力開發(fā)分布式可再生能源已成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向［1］。盡管國(guó)內(nèi)分布式能源起步較晚,但勢(shì)頭強(qiáng)勁。2019 年國(guó)內(nèi)分布式光伏新增裝機(jī)容量12.2 GW,同比增長(zhǎng)達(dá)41.3%；新增生物質(zhì)能發(fā)電裝機(jī)容量4.73 GW,且有望于2020 年達(dá)到30 GW［2］?？稍偕茉吹姆植际浇尤霝橛行Ы鉀Q全球氣候變暖、能源匱乏等問題提供了新途徑,但其出力隨機(jī)性強(qiáng)、單機(jī)容量較小、數(shù)量龐大、分布廣泛等特點(diǎn)給電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)帶來了新挑戰(zhàn),主要體現(xiàn)在如下3 個(gè)方面。

1）用戶行為更隨機(jī)。海量分布式可再生能源的接入,促使傳統(tǒng)“消費(fèi)者”向既能生產(chǎn)電能又能消費(fèi)電能的“產(chǎn)消者”轉(zhuǎn)型［3］。產(chǎn)消者可通過對(duì)電能生產(chǎn)和使用的協(xié)調(diào)分配,主動(dòng)參與需求側(cè)能量管理,有望提高能源利用效率［4］。產(chǎn)消者擁有更靈活的調(diào)節(jié)手段和更大的調(diào)節(jié)空間,且自身發(fā)電規(guī)模較小,其行為難以預(yù)測(cè),導(dǎo)致用戶行為更具隨機(jī)性。

2）能量管理更困難。分布式接入的能源常隸屬于不同的主體,利益不一致和信息不對(duì)稱的現(xiàn)象廣泛存在［5］。各主體單獨(dú)決策以最大化自身收益,常造成顯著的需求側(cè)供需不匹配問題,即在部分主體生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力短缺的同時(shí),另一部分主體有大量閑置能力未得到充分利用。

3）設(shè)備利用更低效。需求側(cè)日益增高的可再生能源滲透比,伴隨著隨機(jī)性增大的用戶行為,對(duì)系統(tǒng)的不確定性消納能力提出了更高的要求。為保證電能的可靠穩(wěn)定供應(yīng),需配備更多的儲(chǔ)能等作為備用,設(shè)備利用效率低。

面對(duì)上述新挑戰(zhàn),傳統(tǒng)零售商集中管理用戶的模式［6］一方面難以滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)計(jì)算復(fù)雜度和信息私密度的要求,另一方面難以協(xié)調(diào)各參與者間的利益不一致性［7］。因此,亟需提出一種能打破常規(guī)的需求側(cè)運(yùn)營(yíng)新模式。事實(shí)上,類似的矛盾也廣泛存在于日常生活之中,而近年來興起的共享經(jīng)濟(jì),為解決此類問題提供了新范式［8］。將“共享”思維引入電力領(lǐng)域,允許用戶直接交易,通過競(jìng)爭(zhēng)形成合理共享市場(chǎng)價(jià)格,有望達(dá)到鄰近供需配對(duì)、就地平衡、物盡其用的效果。

本文詳細(xì)分析了分布式能源海量化帶來的挑戰(zhàn),提出了需求側(cè)能量共享的概念,總結(jié)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外能量共享機(jī)制設(shè)計(jì)方面的研究進(jìn)展,并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 需求側(cè)能量共享

1.1 需求側(cè)能量共享的概念

分布式能源海量化對(duì)需求側(cè)運(yùn)營(yíng)模式提出了新要求,一種可能的思路是借鑒共享經(jīng)濟(jì)的理念。從初始的近鄰間的簡(jiǎn)單交換,到以云儲(chǔ)能［9］為代表的集中管理資源、分布式租用的共享平臺(tái),再到以Uber 和Airbnb 為代表的大規(guī)模用戶間相互交換的共享模式,共享的對(duì)象日益豐富、范圍日趨廣泛。共享經(jīng)濟(jì)的本質(zhì)是資源的擁有者在某段時(shí)間內(nèi)讓渡資源的“使用權(quán)”,使其暫為“公共資源”,供有需要的人使用；而使用者在不擁有資源“所有權(quán)”的前提下得以使用該資源,即實(shí)現(xiàn)了資源“所有權(quán)”和“使用權(quán)”的兩權(quán)暫時(shí)分離。本文將共享的理念拓展至電力領(lǐng)域,并提出“能量共享”的概念。

定義：能量共享是一種擁有閑置電能的一方有償暫時(shí)讓渡電能使用權(quán)給另一方,利用閑置電能創(chuàng)造價(jià)值的運(yùn)營(yíng)模式。

在此定義中,能量共享的主體包括可響應(yīng)負(fù)荷、產(chǎn)消者、儲(chǔ)能擁有者等有調(diào)節(jié)能力的參與者；買賣關(guān)系是其主要的實(shí)現(xiàn)形式（一般認(rèn)為無償共享是贈(zèng)與）。在能量共享中,“閑置”的是優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力,并最終通過電能的實(shí)際使用體現(xiàn)出來,在參與者間形成共享。作為一種基本的電網(wǎng)物理規(guī)律,在任何時(shí)間點(diǎn)注入電網(wǎng)的發(fā)電量總等于用電量（包括儲(chǔ)能的存儲(chǔ)電量）加上傳輸損耗,從這個(gè)角度,電能總是實(shí)時(shí)平衡的。同時(shí),為促進(jìn)電網(wǎng)高效運(yùn)營(yíng),更希望達(dá)到的是“理想”的發(fā)電/用電量實(shí)時(shí)平衡,而不只是“實(shí)際”發(fā)電/用電量實(shí)時(shí)平衡。所謂“理想”,即是達(dá)到發(fā)電/用電量實(shí)時(shí)平衡的“最佳”策略,如成本最低、收益最大等。由于優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力的閑置所導(dǎo)致的“理想”發(fā)電/用電量與“實(shí)際”發(fā)電/用電量間的差額,稱為“閑置電能”。

能量共享的兩大特征是：①“使用而不擁有”,電能的需求方通過共享暫時(shí)性地從讓渡方處獲得生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力的使用權(quán),以相對(duì)于購(gòu)買而言較低的成本完成使用目標(biāo),如暫時(shí)從調(diào)節(jié)成本低的負(fù)荷處獲得電能（調(diào)節(jié)能力）,以完成需求側(cè)響應(yīng)的指令,其對(duì)象是優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力,體現(xiàn)形式是電能；②“不使用即浪費(fèi)”,其本質(zhì)是將一種作為沉沒成本的閑置電能進(jìn)行其他用途的再利用。例如：用戶a、b 參與負(fù)荷響應(yīng)計(jì)劃,均被要求削減5 p.u.。其中,用戶a的單位調(diào)節(jié)成本為0.1 p.u.,用戶b 的單位調(diào)節(jié)成本為0.2 p.u.。則在不允許共享時(shí),二者的調(diào)節(jié)總成本為1.5 p.u.。當(dāng)用戶a 與用戶b 進(jìn)行共享時(shí),可由用戶a 削減10 p.u.,并將多余的從電網(wǎng)購(gòu)買的5 p.u.電賣給用戶b 使用。此時(shí),二者調(diào)節(jié)總成本為1 p.u.。在上述例子中,閑置的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力為用戶a的低成本生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力,共享的電能是用戶a 賣給用戶b 的5 p.u.電能,并通過共享達(dá)到了理想狀態(tài)下的實(shí)時(shí)平衡,即各用戶用最低成本實(shí)現(xiàn)了供需平衡。

此外,本文所提共享的概念既包括狹義的共享,也包括分享。這里,狹義的共享是指由協(xié)調(diào)者統(tǒng)一管理各方資源,再分租給用戶的模式,如共享儲(chǔ)能；而分享是指大規(guī)模用戶之間相互交換自有資源的模式,如Airbnb 等。實(shí)際上,不同的能源形式如熱能、燃?xì)庵g均可進(jìn)行共享。但考慮到電能具有易于傳輸和高效轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn),在積極推進(jìn)電能替代的大背景下,本文集中討論電能的共享。其他能源形式的共享可以通過電能作為紐帶進(jìn)行,這對(duì)于能量共享的概念和方法并不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。此外,電力領(lǐng)域的“資源”包括風(fēng)、光等自然資源以及儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等設(shè)備資源,而這些資源的共享本質(zhì)上都是通過共享“電能”實(shí)現(xiàn)的。

前文中提到,共享可實(shí)現(xiàn)資源“所有權(quán)”和“使用權(quán)”的暫時(shí)分離,具體而言,在能量共享中,“所有權(quán)”和“使用權(quán)”的主體都是電能。本文從以下3 個(gè)方面闡明所提能量共享模式與常規(guī)能源市場(chǎng)、直接共享能量發(fā)生裝置的區(qū)別。

1）從目的和角色上來說：在常規(guī)能源交易中,銷售方（如發(fā)電廠）和購(gòu)買方（如用戶）一般有著明確的劃分,發(fā)電廠生產(chǎn)電能的目的是為了銷售；而在能量共享之中,參與者生產(chǎn)電能的首要目的是自己使用,其次才是出售（購(gòu)買）多余（不足）部分的電能。此外,在能量共享中,參與者的市場(chǎng)角色可以由市場(chǎng)出清內(nèi)生決定而不必事先確定,并且一個(gè)參與者可在銷售方和購(gòu)買方2 個(gè)市場(chǎng)角色間靈活轉(zhuǎn)換。

2）從權(quán)利的角度來理解：這里的“所有權(quán)”是對(duì)該能量發(fā)生裝置產(chǎn)生的所有電能的整體所有權(quán),而非針對(duì)單個(gè)時(shí)段的電能。值得注意的是,傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,所有權(quán)的主體一般是“有形的物”,即能夠生產(chǎn)電能的設(shè)備、自行車、充電寶等看得見摸得著的物。但隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展,無形能源如電能、熱能、天然氣等被廣泛使用。這些能源具備很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,具有可支配性,且屬于動(dòng)產(chǎn),因此也可作為“所有權(quán)”的主體。例如,“偷電行為”構(gòu)成盜竊罪正是認(rèn)可了電能的所有權(quán)而將盜電行為視為盜竊財(cái)物。電能的所有權(quán)者和使用權(quán)者的區(qū)別在于,前者擁有處分的權(quán)利,即可以決定是否及何時(shí)出售電能。其次,所提能量共享可實(shí)現(xiàn)所有權(quán)和使用權(quán)的“暫時(shí)”分離,即兩權(quán)重合是常態(tài),分離是例外；而在常規(guī)能源交易中,兩權(quán)分離是常態(tài)。

3）以現(xiàn)實(shí)中的例子來更好地說明常規(guī)能源交易、能量共享和共享能量發(fā)生裝置3 種模式的區(qū)別,如圖1 所示。在出行領(lǐng)域,存在3 種商業(yè)模式：出租車、順風(fēng)車和汽車租賃。如果將“能量發(fā)生裝置”類比為“汽車”,“電能”類比為“運(yùn)載服務(wù)”,那么,“常規(guī)能源交易”可類比為出租車,提供運(yùn)載服務(wù)對(duì)出租車司機(jī)而言是工作,是主要收入來源；“能量共享”可類比為順風(fēng)車,提供運(yùn)載服務(wù)對(duì)順風(fēng)車司機(jī)而言是兼職,是額外收入,是對(duì)順風(fēng)車的閑置運(yùn)載能力的再利用；“共享能量發(fā)生裝置”可類比為汽車租賃,是需求方直接駕駛汽車,而非僅作為乘客享受運(yùn)載服務(wù)。由于電能的特殊性,即電能通過物理網(wǎng)絡(luò)傳輸至用戶,使用電能并不需要直接占有能量發(fā)生裝置,且能量發(fā)生裝置不易搬運(yùn),因此直接租用占有能量發(fā)生裝置是不現(xiàn)實(shí)且不必要的。本文所提能量共享是通過電能“所有權(quán)”和“使用權(quán)”的暫時(shí)分離實(shí)現(xiàn)的。

圖1 電力市場(chǎng)與交通市場(chǎng)類比Fig.1 Similarity between electricity market and transportation market

能量共享與常規(guī)能源交易的區(qū)別主要體現(xiàn)在“不使用即浪費(fèi)”。面對(duì)日益增長(zhǎng)的負(fù)荷需求,能量共享鼓勵(lì)各參與者提供閑置的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力,是對(duì)“現(xiàn)有”資源的更優(yōu)化配置；而常規(guī)能源交易則是通過增大電網(wǎng)投資建設(shè)、創(chuàng)造新資源來實(shí)現(xiàn)的。“使用而不擁有”的特點(diǎn)將參與者共享能量與參與者增大自身生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力區(qū)別開來。如當(dāng)產(chǎn)消者負(fù)荷增加時(shí),前者對(duì)應(yīng)于從其他產(chǎn)消者處購(gòu)買閑置電能,后者對(duì)應(yīng)于配備容量更大數(shù)量更多的發(fā)電設(shè)備以增加出力。電能雙邊交易和集中交易是能源市場(chǎng)2 種常見的運(yùn)行方式。鑒于電能的特殊屬性（消耗品）,不管是本文所提能量共享還是常規(guī)能源市場(chǎng),不管是以雙邊交易還是集中交易的方式進(jìn)行,都是對(duì)電能的“一次性交割”。在常規(guī)能源市場(chǎng)中,參與者的市場(chǎng)角色是事先確定的,即發(fā)電廠作為銷售方,用戶作為購(gòu)買方。在能量共享市場(chǎng)中,參與者是銷售還是購(gòu)買可無須事先確定,而由市場(chǎng)出清內(nèi)生給出。此外,能量共享市場(chǎng)既可以通過集中方式進(jìn)行（所有參與者申報(bào)意愿,市場(chǎng)出清決定哪些作為銷售方哪些作為購(gòu)買方,以及相應(yīng)的電量和價(jià)格）,也可以以雙邊交易的方式進(jìn)行（雙方參與者根據(jù)各自的情況商議哪一方銷售/購(gòu)買,交割量為多少等）,因此具有較高的靈活性。

1.2 能量共享帶來的機(jī)遇

需求側(cè)能量共享帶來的機(jī)遇體現(xiàn)在3 個(gè)方面。

1）平抑不確定性。單一分布式可再生能源出力具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性,但不同電源出力之間具有互補(bǔ)特性［10］。例如,風(fēng)力發(fā)電出力較大的時(shí)段主要為風(fēng)速較大的夜間,而光伏發(fā)電則集中在白天。如果允許配備分布式風(fēng)機(jī)的產(chǎn)消者與配備分布式光伏的產(chǎn)消者進(jìn)行能量共享,則可有效平抑二者整體出力的不確定性［11］。

2）提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)產(chǎn)消者參與到需求側(cè)管理中時(shí),有的產(chǎn)消者調(diào)節(jié)負(fù)荷帶來的負(fù)效用較低,而有的產(chǎn)消者負(fù)荷剛性大、負(fù)效用高。通過允許二者進(jìn)行能量共享,負(fù)效用較低的產(chǎn)消者調(diào)節(jié)更多,并將多余的“調(diào)節(jié)量”出售給負(fù)效用較高的產(chǎn)消者,可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)消者的共贏,提升整體經(jīng)濟(jì)性。

3）提高設(shè)備利用率。為保證大型數(shù)據(jù)中心的安全穩(wěn)定運(yùn)行,常為每個(gè)中心單獨(dú)配備不間斷電源（UPS）。但這些備用電源在壽命周期內(nèi)被使用的頻率極低,資源浪費(fèi)嚴(yán)重。現(xiàn)實(shí)中,多個(gè)數(shù)據(jù)中心同時(shí)出現(xiàn)故障的概率較低,通過允許數(shù)據(jù)中心間共享后備電源,可在確保安全性的前提下有效提高設(shè)備的利用效率。類似的,文獻(xiàn)［9］針對(duì)家庭用戶和小商業(yè)用戶提出了“共享儲(chǔ)能（云儲(chǔ)能）”的概念,由儲(chǔ)能提供商建立儲(chǔ)能共享資源池,而用戶可以根據(jù)意愿進(jìn)行使用并付費(fèi),以達(dá)到降低提供儲(chǔ)能服務(wù)成本的效果。在儲(chǔ)能共享中,用戶并不直接物理占有該儲(chǔ)能以使用,其本質(zhì)仍是共享所存儲(chǔ)的電能,即共享儲(chǔ)能可視為能量共享的一種特殊實(shí)現(xiàn)形式。

需要指出的是,所提能量共享是一種考慮物理交割（網(wǎng)絡(luò)約束）的商業(yè)模式,但不一定是建立商業(yè)“同盟”關(guān)系。即各參與者并非一定結(jié)成“同盟”合作關(guān)系,而仍是追求各自利益的最大化。以上述風(fēng)電和光伏聯(lián)合平抑不確定性為例：當(dāng)配備分布式風(fēng)電機(jī)組（光伏）的產(chǎn)消者單獨(dú)運(yùn)行時(shí),由于負(fù)荷不足可能需要棄風(fēng)（棄光）,但若允許二者交換電能,雙方都可以獲得一定的收益。從此視角看,實(shí)際上是釋放了雙方的靈活性。但值得注意的是,雙方均應(yīng)是自利的決策主體,并不一定按照可實(shí)現(xiàn)二者總成本最小化的方式交換電能,即不一定是合作的。此外,所提能量共享模式并不直接產(chǎn)生物理上的改變,即不需要另外增設(shè)設(shè)備或者搭建線路。但各參與者可能會(huì)根據(jù)共享下的效用變化調(diào)整自己的行為,如因可進(jìn)行共享而增加風(fēng)電裝機(jī),從而可能間接產(chǎn)生物理上的改變。

1.3 能量共享涉及的基本框架

結(jié)合電力系統(tǒng)運(yùn)行特性,能量共享涉及的基本框架可表示為如圖2 所示的3 層結(jié)構(gòu)。其中,最底層為物理層,包含電力系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及相關(guān)約束。能量共享市場(chǎng)的出清結(jié)果最終需通過物理網(wǎng)絡(luò)完成交割,由基爾霍夫定律決定的物理約束會(huì)影響能量共享市場(chǎng)均衡,因此物理層為能量共享框架最基本也是不可或缺的組成部分。當(dāng)能量共享發(fā)生在一個(gè)小范圍（如小區(qū)）內(nèi)時(shí),可以對(duì)問題進(jìn)行簡(jiǎn)化,忽略電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)約束的限制；但當(dāng)能量共享發(fā)生在較大范圍（如跨城市）時(shí),需將網(wǎng)絡(luò)約束納入考慮,且由于物理層的主體為電網(wǎng)調(diào)度,假設(shè)其知曉網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及相關(guān)約束是合理的［12-13］。最上層為交易層,該層直接面向參與者,組織參與者進(jìn)行競(jìng)價(jià)出清過程。交易層主要由供求關(guān)系等經(jīng)濟(jì)規(guī)律主導(dǎo),主體為參與者,可不直接考慮物理網(wǎng)絡(luò)約束。中間層為調(diào)度層,對(duì)上接收參與者報(bào)價(jià),起到支撐交易層的作用；對(duì)下根據(jù)物理約束進(jìn)行安全校核,起到承接物理層的作用。

圖2 能量共享涉及的基本框架Fig.2 Fundamental framework involved in energy sharing

事實(shí)上,對(duì)于交易層中的單個(gè)參與者而言,一般無法獲知物理網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)約束,且是否滿足該約束條件還取決于其他參與者的決策行為,因此要求交易層中的主體在決策時(shí)考慮物理網(wǎng)絡(luò)約束是不現(xiàn)實(shí)的?，F(xiàn)行電力市場(chǎng)也并不直接在交易層中考慮物理約束,而是通過調(diào)度層進(jìn)行安全校核保證出清結(jié)果可行。在能量共享市場(chǎng)中,盡管參與者可不直接考慮物理網(wǎng)絡(luò)約束,但該約束的信息可蘊(yùn)含在市場(chǎng)價(jià)格之中。當(dāng)市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)合理時(shí),各參與者決策下的市場(chǎng)均衡自動(dòng)滿足物理網(wǎng)絡(luò)約束。

上述3 層間的交互依賴于信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)。能量共享模式面臨著多主體數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一、難以對(duì)接,位置分散信息難以收集,相對(duì)獨(dú)立信息不對(duì)稱等問題。而“互聯(lián)網(wǎng)+能量共享”的新思路,可為解決上述難題提供技術(shù)手段,起到支撐電力物聯(lián)網(wǎng)的作用。文獻(xiàn)［14］總結(jié)了儲(chǔ)能云網(wǎng)平臺(tái)涉及的底層技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景。具體來說,海量信息的采集與處理涉及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理技術(shù)［15］；大數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)［16］等技術(shù)可揭示部分隱藏信息,削弱信息的不對(duì)稱性；區(qū)塊鏈技術(shù)［17］具有去中心化、集體維護(hù)、數(shù)據(jù)透明等優(yōu)點(diǎn),完美契合地理位置分散的各主體能量共享這一應(yīng)用場(chǎng)景的需求。能量共享是一個(gè)全新的概念,相關(guān)技術(shù)路線均有待探索。本文重點(diǎn)分析其機(jī)制問題,對(duì)于支撐信息與計(jì)算機(jī)技術(shù),僅簡(jiǎn)單列舉其面臨的難題和可能的解決方案,供感興趣的讀者深入探索挖掘。

1.4 能量共享的特征及基本要求

基于上述交易-調(diào)度-物理3 層框架,除共享市場(chǎng)的共性特點(diǎn)（如所有權(quán)與使用權(quán)的暫時(shí)分離）外,能量共享還具有以下特征。

1）能量要求實(shí)時(shí)平衡。在當(dāng)前技術(shù)條件下,電能大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)成本較高。因此,與Uber 等具有一定時(shí)間緩沖余地的共享形式不同,能量共享要求滿足實(shí)時(shí)平衡。

2）出清結(jié)果滿足物理約束。為保證能量共享結(jié)果具備物理可行性,在進(jìn)行能量共享市場(chǎng)出清時(shí),需考慮相關(guān)物理約束。特別地,當(dāng)進(jìn)行跨區(qū)域共享時(shí),出清結(jié)果必須滿足傳輸線約束,出清價(jià)格還應(yīng)正確反映線路堵塞情況。

以共享儲(chǔ)能為例,有2 類主流的形式：一是由協(xié)調(diào)者統(tǒng)一管理儲(chǔ)能,用戶根據(jù)需求“租用”該儲(chǔ)能［18］,此方式并不涉及儲(chǔ)能裝置的物理移交；二是用戶之間交換儲(chǔ)能設(shè)備使用,如用戶a 將電池交給用戶b 使用一段時(shí)間。在當(dāng)前技術(shù)條件下,電能無法大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ),從電能的產(chǎn)生和消耗來看,上述2 種方式仍需滿足“實(shí)時(shí)平衡”。此外,由于儲(chǔ)能裝置體積一般較大,第2 類直接共享儲(chǔ)能設(shè)備的方式具有一定的局限性。能量共享的本質(zhì)是電能在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的重新高效分配,這里更關(guān)心的是稍大范圍內(nèi)的能量共享問題。故本文所涉及的能量共享指的是交換能量發(fā)生裝置所產(chǎn)生的電能而不是裝置本身,該電能仍通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,需滿足“物理約束”。實(shí)際上,無論共享儲(chǔ)能的形式如何,只要使用的電能仍需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,理論上就不可避免需要滿足“物理約束”。即使是對(duì)于后一種形式的共享（即直接共享儲(chǔ)能裝置）而言,當(dāng)用戶a 將儲(chǔ)能裝置交給用戶b使用后,兩者所需從電網(wǎng)購(gòu)買的電能仍會(huì)發(fā)生變化,而變化后的電能依然需要滿足“實(shí)時(shí)平衡”和“物理約束”等。

結(jié)合上述特征,能量共享機(jī)制有如下基本要求：①各參與者可自由選擇購(gòu)買/銷售,其最終作為購(gòu)買方還是銷售方由能量共享市場(chǎng)根據(jù)其申報(bào)的意愿內(nèi)生確定；②能量共享市場(chǎng)有效出清,即既滿足實(shí)時(shí)功率平衡要求,也滿足相關(guān)物理約束；③機(jī)制易于執(zhí)行,均衡性質(zhì)良好。這要求能量共享機(jī)制應(yīng)便于實(shí)施,盡可能保護(hù)用戶信息私密性,且能有效激勵(lì)參與者加入。鑒于1.3 節(jié)中的現(xiàn)實(shí)情況和上述需求分析,需提出行之有效的市場(chǎng)機(jī)制加以引導(dǎo),將物理網(wǎng)絡(luò)約束信息蘊(yùn)含于共享價(jià)格之中,通過“無形的手”間接調(diào)節(jié)參與者行為,使得共享參與者無須直接考慮物理網(wǎng)絡(luò)約束,但所達(dá)到的市場(chǎng)均衡自發(fā)滿足該約束。

一般意義下,能量共享仍屬于電力市場(chǎng)的范疇,但它是一種區(qū)別于傳統(tǒng)買賣的商業(yè)模式,體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）共享側(cè)重于對(duì)現(xiàn)有資源的更優(yōu)化配置。如面對(duì)日益增長(zhǎng)的負(fù)荷需求,能量共享鼓勵(lì)各參與者提供閑置的現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)能力；而常規(guī)能源交易則是通過增大電網(wǎng)投資建設(shè)等方式,以增大發(fā)電能力。能量共享為達(dá)到實(shí)時(shí)平衡提供了更多的選擇。

2）參與者在參與共享的時(shí)候,其角色并不事先固定,可能時(shí)而為銷售方時(shí)而為購(gòu)買方,是資源優(yōu)化配置的“內(nèi)生”結(jié)果。在傳統(tǒng)能源買賣中,進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)參與主體已明確哪些是銷售方（如發(fā)電廠）、哪些是購(gòu)買方（如用戶）,再經(jīng)由市場(chǎng)出清確定交易量和交易價(jià)格,一般通過以量定價(jià)或以價(jià)定量的方式進(jìn)行,因此其角色是“外生”的。在能量共享市場(chǎng)中,進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)參與者的最佳市場(chǎng)角色是未知的,是由共享市場(chǎng)出清“內(nèi)生”確定的。以參與負(fù)荷響應(yīng)計(jì)劃為例,假設(shè)用戶a、b、c 的調(diào)節(jié)成本分別為高、中、低,若用戶a 和b 共享,則用戶a 為購(gòu)買方而b 為銷售方；若用戶b 和c 共享,則用戶b 為購(gòu)買方而c 為銷售方。若如傳統(tǒng)能源買賣那樣要求事先確定市場(chǎng)角色,則會(huì)限制參與者的靈活性,從而產(chǎn)生“閑置資源”的浪費(fèi),增加不必要的成本。因此,市場(chǎng)角色、交易量和交易價(jià)格同時(shí)由共享市場(chǎng)內(nèi)生決定更為合理。

上述區(qū)別導(dǎo)致：①買賣過程（建模）的改變,由于市場(chǎng)角色不確定導(dǎo)致無法以量定價(jià),也難以以價(jià)定量,需設(shè)計(jì)新的買賣競(jìng)價(jià)模式以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)角色、交易量、交易價(jià)格三者同時(shí)內(nèi)生決定；②購(gòu)銷決策模型的改變,單個(gè)參與者不知道市場(chǎng)中的其他參與者的情況,也無法確定自己在共享中是銷售還是購(gòu)買,因此增加了決策難度。

由于上述優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn),能量共享的新模式受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注［19-20］,相關(guān)研究項(xiàng)目包括英國(guó)Piclo 項(xiàng)目［21］、P2P3M 項(xiàng)目［22］、美國(guó)TransActive Grid項(xiàng)目［23］等等。該模式成功實(shí)施的關(guān)鍵在于能量共享機(jī)制的設(shè)計(jì)。在給定機(jī)制下,各參與者策略性調(diào)整其行為以最大化自身收益；在均衡處,各參與者均不能通過單方面改變其行為獲利。工程博弈論為分析多參與者下的市場(chǎng)均衡提供了理論和技術(shù)支撐［24-25］。第2 章將對(duì)國(guó)內(nèi)外能量共享機(jī)制設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理,將5 種典型機(jī)制歸納為合作博弈和非合作博弈2 類,如附錄A 表A1 所示。

2 能量共享機(jī)制

2.1 基于合作博弈的能量共享

在合作博弈中,參與者通過形成小群體,集中加入管理,提高其收益。具體來說,群體內(nèi)部參與者首先共同簽訂再分配協(xié)議,接著,各參與者在計(jì)及可能獲得的再分配的前提下進(jìn)行優(yōu)化決策,如附錄B 圖B1 所示。合作博弈成功的關(guān)鍵在于有效的再分配機(jī)制的設(shè)計(jì),使得參與者單獨(dú)決策的均衡結(jié)果符合整體決策目標(biāo),如社會(huì)福利最大化?；诤献鞑┺牡哪芰抗蚕砜捎孟率瞿Ｐ捅硎荆?/p>

式中：ci(?)為參與者i的成本函數(shù)；fi(?)為參與者i獲得的再分配；si為參與者i自身生產(chǎn)的電量；bi為其能量共享競(jìng)價(jià)；b-i為除參與者i外其余參與者的競(jìng)價(jià)；b：=(bi,?i)；Di為參與者的負(fù)荷量；gi(?)為運(yùn)行條件方程；qi為獲得的共享電量,qi＞0 代表其為購(gòu)買方,qi＜0 代表其為銷售方,qi=0 代表其不參與能量共享,qi的值由所有參與者競(jìng)價(jià)b決定,因此在目標(biāo)函數(shù)中包含了競(jìng)標(biāo)售電、競(jìng)標(biāo)購(gòu)電和不參與共享3 種情況。每個(gè)參與者力圖最大化其凈收益。約束si+qi(b)=Di為電量平衡條件,gi(si,qi(b))≤0為相關(guān)運(yùn)行約束。

上述基于合作博弈的能量共享問題式（1）中,最關(guān)鍵的因素是再分配機(jī)制fi(?)的設(shè)計(jì)。一個(gè)有效的再分配機(jī)制應(yīng)根據(jù)參與者的貢獻(xiàn)進(jìn)行公平分配,并鼓勵(lì)參與者合作。著名的Vickrey-Clarke-Groves（VCG）機(jī)制是其中典范［26］,可證明該機(jī)制滿足激勵(lì)相容原則,即每個(gè)參與者均會(huì)按照其真實(shí)成本進(jìn)行申報(bào),而不會(huì)通過隱藏私人信息獲利,且可實(shí)現(xiàn)參與者整體最優(yōu)。但該機(jī)制的缺點(diǎn)是難以保證預(yù)算平衡,即為確保該市場(chǎng)持續(xù)運(yùn)行,常需從外部額外提供補(bǔ)助?；赟hapley 值制定再分配方案是另一種常見的策略,其反映了每個(gè)參與者在合作中的邊際貢獻(xiàn)期望［27］。文獻(xiàn)［28］對(duì)分布式儲(chǔ)能進(jìn)行優(yōu)化,最小化其合作運(yùn)行成本。文獻(xiàn)［29］將共享儲(chǔ)能納入綜合能源系統(tǒng)之中,以用戶整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的用戶費(fèi)用分?jǐn)偡椒āＮ墨I(xiàn)［30］針對(duì)智能電網(wǎng)中的2 種場(chǎng)景,分別提出了共享儲(chǔ)能成本的再分配方案。針對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行,在考慮網(wǎng)絡(luò)約束的前提下,文獻(xiàn)［31］提出了相鄰節(jié)點(diǎn)間能量共享的激勵(lì)方案。文獻(xiàn)［32］將產(chǎn)消者間的能量共享建模為帶有平衡約束的數(shù)學(xué)問題（mathematical programs with equilibrium constraints,MPEC）,并將合作收益在零售商和產(chǎn)消者間分配。文獻(xiàn)［33］采用Shapley值法分配虛擬電廠的合作收益。文獻(xiàn)［34］利用隨機(jī)采樣的方法近似點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能量交易下的Shapley 值。文獻(xiàn)［35］進(jìn)一步對(duì)比了基于Shapley 值的再分配機(jī)制與3 種傳統(tǒng)的分配機(jī)制（賬單分享、中間市場(chǎng)利率和供求比率）的效果。文獻(xiàn)［36］利用K-means 聚類技術(shù)提高了計(jì)算效率。

上述關(guān)于再分配機(jī)制的設(shè)計(jì)可以分為以下3 類。

1）Shapley 值法［31,33-35］。根據(jù)參與者對(duì)所參與的每個(gè)聯(lián)盟的邊際貢獻(xiàn)的平均值,對(duì)收益進(jìn)行分配。設(shè)P(N)為集合N={1,2,…,n}的排列,共有n!種,對(duì)于集合中某個(gè)選定的元素i和π∈P(N),令Sπ(i)為排列π中元素i之前元素構(gòu)成的集合。對(duì)任意子集C?N,定義δi(C)=v(C∪{i})-v(C),其中v(?)為價(jià)值函數(shù),則對(duì)于合作博弈G=N,v,參與者i的Shapley 值可由下式計(jì)算得到。

2）核仁（nucleolus）法［28,36］。旨在最小化最大的不滿意度。設(shè)x,y∈X為2 種分配方式,X為分配方式集合。對(duì)n個(gè)參與者組成的2n個(gè)聯(lián)盟下的不滿意度 進(jìn) 行 排 序,得 到θ(x)= (θ1(x),θ2(x),…,θ2n(x))和θ(y)=(θ1(y),θ2(y),…,θ2n(y))。若滿足θi(x)≤θi(y),?i且?i,θi(x)＜θi(y),則θ(x)＜θ(y)。核仁法所得分配滿足：

3）啟發(fā)式的設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)［29］根據(jù)用戶電、熱總能耗量來決定用戶在合作團(tuán)體中分得的能耗費(fèi)用。文獻(xiàn)［30］的再分配方案與儲(chǔ)能的單位成本、電力市場(chǎng)價(jià)格、用戶的消費(fèi)量和儲(chǔ)能的使用量相關(guān)。文獻(xiàn)［32］通過計(jì)算用戶參與共享時(shí)和單獨(dú)與零售商交易時(shí)的成本差,對(duì)用戶和零售商進(jìn)行利益再分配。此類方法較之前2 種方法計(jì)算簡(jiǎn)便,操作易行。

基于合作博弈的能量共享機(jī)制可實(shí)現(xiàn)參與者整體福利最大化,但對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)而言,尤其是在面臨信息不對(duì)稱、用戶隱私保護(hù)等情況下,如何設(shè)計(jì)有效的再分配方案亟待解決。

2.2 基于非合作博弈的能量共享

基于非合作博弈的能量共享機(jī)制考慮各參與者的利益沖突及策略行為下的均衡,大致可分為基于拍賣的模式和基于雙邊合同的模式。基于拍賣的能量共享模式又可進(jìn)一步分為以平臺(tái)為主導(dǎo)的和以參與者為主導(dǎo)的。下文將分別介紹各種模式。

2.2.1 平臺(tái)主導(dǎo)的拍賣模式

該模式可描述為一個(gè)兩階段決策過程,如圖3所示。在第1 階段中,平臺(tái)作為先行者,發(fā)布能量共享的購(gòu)買或銷售價(jià)格,旨在最大化自身收益或最優(yōu)化社會(huì)福利；在第2 階段中,接收到能量共享價(jià)格后,每個(gè)參與者決定其共享電量以最小化自身成本/負(fù)效用。在該機(jī)制下,平臺(tái)作為先決策的一方擁有主動(dòng)權(quán),因此稱為“平臺(tái)主導(dǎo)”的能量共享模式；參與者是價(jià)格的被動(dòng)接受者。該兩階段決策問題可以建模為下述Stackelberg 博弈問題。

圖3 平臺(tái)主導(dǎo)-拍賣模式的能量共享Fig.3 Energy sharing based on platform-dominating auction mode

一階段（平臺(tái)）：

式中：ti(?)為參與者i參與能量共享的支付；si+qi=Di為供需平衡條件；gi(si,qi)≤0 為運(yùn)行限制約束。為得到此Stackelberg 博弈問題的市場(chǎng)均衡,一種常見的方法是將二階段參與者問題式（5）用其Karush-Kuhn-Tucker（KKT）最優(yōu)性條件替代,進(jìn)而將整個(gè)問題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixed integer linear programming,MILP）問題,并通過成熟商業(yè)軟件或者利用啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。

此類能量共享機(jī)制,以平臺(tái)為主導(dǎo),并考慮其最優(yōu)定價(jià)［37］、客戶忠誠(chéng)度計(jì)劃［38］等問題。文獻(xiàn)［39］在計(jì)及電力市場(chǎng)價(jià)格和可再生能源出力不確定性的前提下,將能量共享問題建模為一個(gè)兩階段魯棒優(yōu)化問題。文獻(xiàn)［40］證明了兩階段能量共享問題的Stackelberg 均衡存在且唯一。文獻(xiàn)［41］揭示了以平臺(tái)凈利潤(rùn)最大化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的共享價(jià)格可能導(dǎo)致社會(huì)福利下降的現(xiàn)象,并給出了相應(yīng)的福利損失上界。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景,文獻(xiàn)［42-43］討論了分布式光伏用戶之間的能量共享效率。文獻(xiàn)［44］探討了當(dāng)二階段產(chǎn)消者可以結(jié)成小聯(lián)盟時(shí),對(duì)能量共享效果的影響。文獻(xiàn)［45］采用Stackelberg 博弈描述共享儲(chǔ)能社區(qū)的能源管理,其中儲(chǔ)能提供商為領(lǐng)導(dǎo)者（leader）,用戶為跟隨者（follower）。文獻(xiàn)［46］構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)共享儲(chǔ)能的拍賣機(jī)制,并將拍賣商和用戶之間的關(guān)系建模為Stackelberg 博弈。此類機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是由平臺(tái)統(tǒng)一決策出清,可使共享結(jié)果達(dá)到社會(huì)最優(yōu),且便于拓展考慮物理網(wǎng)絡(luò)約束和實(shí)現(xiàn)預(yù)算平衡。缺點(diǎn)是需要統(tǒng)一的調(diào)控者（平臺(tái)）協(xié)調(diào)；當(dāng)參與者眾多時(shí)計(jì)算量大；參與者是價(jià)格是接受者,其參與能量共享市場(chǎng)的能動(dòng)性受到抑制。

2.2.2 參與者主導(dǎo)的拍賣模式

與平臺(tái)主導(dǎo)的能量共享機(jī)制相對(duì)應(yīng)的另一類機(jī)制是由參與者主導(dǎo)的拍賣模式。在此機(jī)制下,不存在獨(dú)立的第三方平臺(tái),如附錄B 圖B2 所示,或者第三方平臺(tái)僅提供輔助支撐服務(wù),如圖4 所示。參與者可以通過其策略性行為影響其他參與者的決策,進(jìn)而影響能量共享均衡價(jià)格。

圖4 參與者主導(dǎo)-拍賣模式的能量共享（有第三方平臺(tái)）Fig.4 Energy sharing based on participant-dominating auction mode (with third-party platform)

1）當(dāng)不存在獨(dú)立第三方平臺(tái)時(shí),一般來說參與者在市場(chǎng)中的地位需要事先確定,即一部分參與者作為銷售方,另一部分參與者作為購(gòu)買方。銷售方在考慮購(gòu)買方可能反應(yīng)的情況下設(shè)計(jì)并發(fā)布銷售價(jià)格,購(gòu)買方根據(jù)發(fā)布的價(jià)格決定各自的購(gòu)買量,如附錄B 圖B2 所示。該兩階段決策過程可以建模為下述多主-多從博弈問題。

銷售方i：

購(gòu)買方j(luò)：

文獻(xiàn)［47］采用演化博弈刻畫購(gòu)買方動(dòng)態(tài)選擇銷售方的過程。文獻(xiàn)［48］將受物理約束限制的一組產(chǎn)消者抽象為虛擬微電網(wǎng),并將產(chǎn)消者間的能量交換過程建模為Stackelberg 博弈。文獻(xiàn)［49］采用納什討價(jià)還價(jià)博弈研究了電動(dòng)汽車充放電的能量共享。在此類機(jī)制下,由于參與者的市場(chǎng)角色須事先確定,限制了其供需地位動(dòng)態(tài)切換的靈活性。文獻(xiàn)［50］進(jìn)一步基于快速交替方向乘子法（alternating direction method of multipliers,ADMM）在各產(chǎn)消者地位對(duì)等的情況下,給出能量共享分配的方法,以最小化社會(huì)總成本。此類機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是無須統(tǒng)一調(diào)控者,容易達(dá)到預(yù)算平衡,且決策過程符合單個(gè)參與者的個(gè)體利益。缺點(diǎn)是參與者的市場(chǎng)地位（作為銷售方/購(gòu)買方）須事先確定,限制了參與者的靈活性；無統(tǒng)一調(diào)控者協(xié)調(diào)干預(yù),難以考慮物理網(wǎng)絡(luò)約束；參與者之間的相互匹配需時(shí)復(fù)雜。

2）當(dāng)存在第三方共享平臺(tái)時(shí),首先參與者作為“先行者”向平臺(tái)報(bào)價(jià)；收集到所有報(bào)價(jià)后,平臺(tái)對(duì)能量共享市場(chǎng)進(jìn)行出清,給出相應(yīng)的均衡價(jià)格和共享電量,如圖4 所示。因參與者間的策略性行為會(huì)影響到其他參與者的策略集,上述過程可建模為下述廣義納什博弈［51］。

參與者i：

平臺(tái)：

參與者i的決策變量為自產(chǎn)電量si和報(bào)價(jià)bi；共享電量qi和能量共享價(jià)格λi均為b的函數(shù)。當(dāng)平臺(tái)收到所有參與者的競(jìng)價(jià)bi,?i后,其在運(yùn)行約束和市場(chǎng)出清條件的限制下,求解優(yōu)化問題式（9）,給出共享電量q：=(qi,?i)和能量共享價(jià)格λ：=(λi,?i)。

此類競(jìng)價(jià)機(jī)制與傳統(tǒng)電力市場(chǎng)［52］的發(fā)電廠和用電方同時(shí)競(jìng)價(jià)出清的模式類似。其主要區(qū)別體現(xiàn)在2 個(gè)方面：①能量共享市場(chǎng)的參與者在自產(chǎn)電量和通過共享獲取能量之間取舍,而傳統(tǒng)發(fā)電廠僅生產(chǎn)電量；②能量共享市場(chǎng)的每個(gè)參與者可以自由地選擇作為銷售方還是購(gòu)買方,其市場(chǎng)地位在共享市場(chǎng)出清過程中根據(jù)申報(bào)自動(dòng)確定。在文獻(xiàn)［53］提出的新型城鎮(zhèn)配電系統(tǒng)交易機(jī)制中,產(chǎn)消者通過非合作博弈競(jìng)價(jià)爭(zhēng)取最大售電收益,電網(wǎng)收取過網(wǎng)費(fèi)并提供保底供電服務(wù)。文獻(xiàn)［54］給出了考慮儲(chǔ)能投資成本和實(shí)時(shí)市場(chǎng)收益的共享儲(chǔ)能廣義納什博弈模型,并證明了該博弈均衡的若干性質(zhì)。文獻(xiàn)［55］提出一種基于廣義供求函數(shù)的能量共享機(jī)制,并嚴(yán)格證明了該機(jī)制下市場(chǎng)均衡的存在性、唯一性、漸近特性、遞減特性等性質(zhì)。文獻(xiàn)［56］將一種分布式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)共享機(jī)制刻畫為廣義納什博弈,并證明了變分均衡集與社會(huì)最優(yōu)解集相同。在廣義納什博弈下,各參與者的策略集依賴于其他參與者所選擇的策略,均衡通常不唯一且可能以低維流形的形式出現(xiàn)［24］,其均衡性質(zhì)及求解方法都是亟待解決的難題。此類機(jī)制下,用戶不再是價(jià)格的被動(dòng)接受者,而可以通過競(jìng)標(biāo)影響均衡價(jià)格,更有利于激發(fā)起能動(dòng)性；決策結(jié)果符合參與者個(gè)體利益；由統(tǒng)一調(diào)控者協(xié)調(diào)出清,易于達(dá)到預(yù)算平衡。同時(shí),此機(jī)制須統(tǒng)一的調(diào)控者（平臺(tái)）進(jìn)行協(xié)調(diào),當(dāng)參與者眾多時(shí)計(jì)算量大；單個(gè)參與者決策時(shí)并不直接考慮物理網(wǎng)絡(luò)約束,如何將相關(guān)約束信息蘊(yùn)含于交易價(jià)格之中進(jìn)行間接引導(dǎo)是一大難點(diǎn)；參與者以自身利益最大化為目標(biāo)進(jìn)行競(jìng)價(jià),均衡結(jié)果難以實(shí)現(xiàn)社會(huì)最優(yōu)。

2.2.3 雙邊合同模式

與基于拍賣的能量共享模式不同,基于雙邊合同的模式主要依賴于申報(bào)、撮合完成交易配對(duì)。首先,參與者登記為銷售方或購(gòu)買方,在交易時(shí)段向平臺(tái)進(jìn)行申報(bào),并尋找最佳匹配方。當(dāng)一個(gè)合同配對(duì)成功后,經(jīng)過平臺(tái)運(yùn)行者的允許,交易達(dá)成,相應(yīng)的申報(bào)從列表中去除［57］。此機(jī)制可在異步模式下運(yùn)行,符合參與者個(gè)體利益,且易于達(dá)到預(yù)算平衡,其關(guān)鍵點(diǎn)在于如何進(jìn)行匹配以及匹配結(jié)果的可行性。文獻(xiàn)［58］提出了一種基于雙邊合同的日前-實(shí)時(shí)市場(chǎng)模型。文獻(xiàn)［59］提出了一種以風(fēng)險(xiǎn)最小化為目標(biāo)的參與者匹配方案?？傮w上,由于配對(duì)過程較難刻畫分析,此類機(jī)制相關(guān)研究較少,且在該機(jī)制下,參與者的市場(chǎng)地位（作為購(gòu)買方/銷售方）需事先確定。如何對(duì)參與者進(jìn)行匹配以及如何保證出清結(jié)果符合物理網(wǎng)絡(luò)約束都是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

3 研究展望

需求側(cè)能量共享為提高系統(tǒng)資源利用效率,應(yīng)對(duì)海量分布式可再生能源接入所帶來的挑戰(zhàn)開辟了新途徑,相關(guān)研究方興未艾。未來研究可從能量共享市場(chǎng)內(nèi)部設(shè)計(jì)和與外部的銜接關(guān)系2 個(gè)方面進(jìn)一步深入挖掘。

1）能量共享市場(chǎng)內(nèi)部設(shè)計(jì)

能量共享市場(chǎng)內(nèi)部可分為市場(chǎng)主體（包括共享平臺(tái)和參與者）及傳遞流（包括能量流、信息流和價(jià)值流）兩部分,如圖5 所示。

圖5 能量共享市場(chǎng)內(nèi)部未來研究方向Fig.5 Future research direction inside energy sharing market

針對(duì)市場(chǎng)主體,目前研究主要考慮單個(gè)平臺(tái)下完全理性參與者的市場(chǎng)均衡分析,可能的拓展方向包括：①當(dāng)存在多個(gè)能量共享平臺(tái)時(shí),平臺(tái)間競(jìng)爭(zhēng)下的市場(chǎng)均衡分析,這涉及多個(gè)帶均衡約束的均衡問題（equilibrium programs with equilibrium constraint,EPEC）的復(fù)雜聯(lián)立求解；②各平臺(tái)如何盡可能多地?fù)屨际袌?chǎng)并保持客戶粘性,這涉及用戶補(bǔ)貼計(jì)劃的設(shè)計(jì)問題；③如何有效劃分參與者群體,使得每個(gè)能量共享群體內(nèi)部均衡下的資源分配效率最高；④當(dāng)參與者為有限理性時(shí),會(huì)對(duì)市場(chǎng)均衡產(chǎn)生怎樣的影響,可結(jié)合展望理論進(jìn)行分析。

針對(duì)傳遞流,目前研究主要考慮對(duì)稱信息下單種能源以現(xiàn)金計(jì)價(jià)的共享模式,可能的拓展方向包括：①多種能量同時(shí)進(jìn)行共享時(shí)的市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì),這將涉及綜合能源系統(tǒng)的建模及均衡分析；②考慮非對(duì)稱信息下的共享機(jī)制設(shè)計(jì),具體可考慮逆向選擇和道德風(fēng)險(xiǎn)兩類問題；③采用現(xiàn)金結(jié)算外的其他價(jià)值結(jié)算方式（如信用積分）下的共享機(jī)制設(shè)計(jì)。

2）能量共享市場(chǎng)與外部的關(guān)系

能量共享市場(chǎng)可分布式地實(shí)現(xiàn)資源的更高效分配,具有廣闊的發(fā)展前景。為實(shí)現(xiàn)能量共享市場(chǎng)的應(yīng)用,如何將其與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度和市場(chǎng)交易體系相結(jié)合是關(guān)鍵。針對(duì)運(yùn)行調(diào)度而言,大量分布式可再生能源接入下的不確定性給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來沖擊,而且面向海量分布式電源時(shí),傳統(tǒng)的集中調(diào)度模式效率低下且實(shí)施困難。能量共享可由每個(gè)參與者單獨(dú)決策,市場(chǎng)均衡自發(fā)達(dá)到接近社會(huì)最優(yōu)的效果,有望解決這一問題。如何將傳統(tǒng)的集中調(diào)度與分布式的能量共享方案相結(jié)合,是需要深入研究的問題。針對(duì)市場(chǎng)交易,對(duì)內(nèi)大量參與者進(jìn)行能量共享提高資源分配效率,對(duì)外參與者群體可與傳統(tǒng)能源市場(chǎng)進(jìn)行交易,參與到能量管理中來。為此,需回答各參與者群體如何參與傳統(tǒng)能源市場(chǎng)交易,交易的成本/收益如何在參與者群體內(nèi)部有效分配等系列問題,涉及工程博弈論的系列理論和分析工具。

4 結(jié)語

需求側(cè)能量共享為適應(yīng)海量分布式可再生能源接入下的新挑戰(zhàn)提供了范式參考。本文給出了需求側(cè)能量共享的概念,分析了其可能帶來的機(jī)遇,闡明了其設(shè)計(jì)的基本要求與關(guān)鍵點(diǎn),并對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行綜述。在此基礎(chǔ)上,對(duì)能量共享未來研究方向進(jìn)行了展望。所提需求側(cè)能量共享方案,通過“所有權(quán)”和“使用權(quán)”的暫時(shí)分離,達(dá)到物盡其用的效果,具有廣闊的發(fā)展前景。

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