光伏微电网的多主体合作运营模式及效益分配

周楠，樊玮，刘念，林心昊，张建华，雷金勇

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.南方电网科学研究院，广东广州 510080）

光伏微电网的多主体合作运营模式及效益分配

周楠1，樊玮1，刘念1，林心昊1，张建华1，雷金勇2

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.南方电网科学研究院，广东广州 510080）

新电改方案允许拥有分布式电源的用户或微电网系统

光伏微电网；多主体运营；分时调度；合作博弈；Shapley值法

随着国家新能源政策的推广、智能电网的建设、海洋/海岛战略的实施以及电力市场改革的推进，微电网的重要性已逐步上升到国家战略层面，是“互联网+”在能源领域的创新性应用。在电力用户侧逐渐出现以分布式光伏和储能为核心元件、综合利用可控负荷资源的用户侧光伏微电网系统。基于现有的研究和实践经验，光伏微电网通常由多方经济主体构成，包括光伏运营商、储能运营商和用户等。各利益主体在项目实施过程中追求实现利益最大化。现阶段由于储能器件价格昂贵，配置储能后，光伏微电网整体上不具备直接的经济收益，储能运营商参与微电网的积极性低。

新电改方案“有序向社会资本放开配售电业务”[3]，鼓励社会资本投资成立售电主体，允许其从发电企业购买电量向用户销售，允许拥有分布式电源的用户或微电网系统参与电力交易。这有利于微电网内各主体经济效益的提高。因此，在电力市场环境下，将微电网内各主体的投资及获取的效益进行有效区分，尤其是对市场主体的经济效益分析，基本满足各利益主体的效益需求，并促使各方的效益相互间达到平衡，是直接决定光伏微电网项目是否可以顺利规模化发展的关键因素。

目前，对于光伏微电网的研究很多集中在系统优化[4-5]、控制保护[6-7]等方面，也有一些文献研究了分布式光伏的市场运营、经济分析[8-9]。文献[8]以微电网净收益最大为目标函数建立了分布式光伏余电上网的综合决策调度模型，评估了光伏容量及上网电价对微电网经济性的影响；文献[9]建立了分布式光伏发电的经济性评价流程，对统购统销、合同能源管理、自发自用3种运营模式进行了成本/效益分析。

从现有研究成果来看，大部分关注的是微电网整体运行时的优化设计、经济分析，很少有文献研究微电网内各经济主体的市场运营，用户侧光伏微电网作为一种新型的能源系统，其运营模式、用户需求、经济效益等方面尚不完善，其发展过程中面临众多的不确定因素和风险。本研究着重对光伏微电网内各主体的市场交易模型进行分析，提出各经济主体之间合作博弈的模型，分析形成联盟的动力，提出光伏微电网分时调度模型以最大化联盟收益，并采用Shapley值法根据各个主体的贡献度对收益进行分配，促进各方的效益相互间达到平衡。

1 系统结构及商业运营模式

1.1 系统结构

光伏微电网是有效融合了先进电力电子技术、分布式光伏发电技术、储能技术以及监控保护技术的小容量分散功能系统，本研究所述的光伏微电网结构如图1所示，主要包括光伏运营商（Photovoltaic，PV）、光伏DC/AC逆变器、储能（Battery Storage，BS）运营商、储能双向AC/DC变流器、用户（Users，U）和控制中心等组成，通过并网点与大电网相连。

1.2 光伏微电网商业模型

从价值观点出发建立光伏微电网商业模型如图2所示。光伏微电网的商业运营环境包括：政府、微电网投资商、微电网运营商、电网和用户。

1）政府：微电网运营的外部环境主要为政府规制，政府负责对电力的买卖活动进行监管，制定相关政策激励或者法律规定。

图1 光伏微电网系统结构图Fig.1 Structure diagram of PV-based microgrid

图2 光伏微电网商业模型Fig.2 Business model of the PV-based microgrid

2）微电网投资商：负责建设光伏微电网项目的总体规划、勘察和施工，分布式电源及二次系统等投资；项目完工后，或自身参与微电网运营，或以租赁方式交给微电网运营商进行后期运营管理，以保证较为稳定的收益、降低运营等风险，还可享受一系列优免政策和投资补贴。

3）微电网运营商：负责微电网的合理运营，减少微电网从外部电网买电支出，提高向外部电网卖电收益，降低系统运营成本。微电网的运营与收益息息相关。运营主体不同，其收益分配亦不同。微电网的运营主体分为单一运营主体和多方运营主体。

4）电网：与光伏微电网进行业务往来，主要包括：购售电业务、调峰调频业务、辅助服务业务等。再者，通过微电网辅助平衡电网负荷曲线等，电网可获得辅助服务收益。

5）用户：用户根据自身的用电特性从微电网运营商处购买分布式电源产生的电能，以此降低其电力支出，并获得部分收益，如热能或辅助服务等。其次，用户在高峰时段减少用电量，减少昂贵的高峰用电时间，不仅能减少电费还能够提高系统的效率和电能质量。

1.3 多主体合作运营模式

在现行的分布式光伏上网政策中，除去政府补贴后，按照燃煤机组标杆电价实行的上网电价明显低于工商业电价[10]。除政府补贴外，光伏系统发出的电能全部上网获得的收益低。本研究考虑光伏运营商、储能运营商和用户组成联盟，在联盟内共享光伏发电量，并以直供电价交易，减少以较低价格向大电网倒送的功率。

为消除直供电价相对于电网电价和上网电价的电价水平对各主体形成联盟收益提高的影响，设定直供电价等于电网电价。通常情况下，微电网内共享电能的直供电价低于电网电价，高于上网电价，能使买卖双方获益提高。

独立模式与合作模式下各主体运营方式对比如表1所示。

表1 独立和合作模式下各主体运营方式对比Tab.1 Comparison of economic entities’operation under independent and cooperation modes

1）光伏运营商：独立模式下光伏发电均由大电网按上网电价收购；联盟内仅包含光伏和用户时，首选光功率自消纳，光伏运营商与用户之间以电网电价结算，光功率过剩时由大电网按上网电价收购；联盟内同时包含光伏、用户和储能时，微电网执行合作模式下的分时调度。

2）储能运营商：为降低对电网的冲击，设定储能系统不能进行低储高发套利，仅可向用户供电。因此，独立模式下储能主要用于保证微电网可靠性，无直接经济效益；联盟内仅包含储能和用户时，储能在电价低谷充电，在电价高峰时供给用户负荷，储能运营商与用户之间以电网电价结算，功率缺额由大电网补充；联盟内同时包含光伏、用户和储能时，微电网执行合作模式下的分时调度。

3）用户：独立模式下，用户向电网购电满足负荷要求；联盟内含光伏时，优先选择消纳光伏系统发出的电能，其次，由储能系统低储高放为用户供电。

2 分时调度及各主体收益

2.1 独立模式

独立模式下，光伏运营商PV的光伏发电系统发出的电能，由电网公司以光伏上网电价收购，国家光伏财政补贴归光伏运营商所有；用户U以电网售电电价向电网买电。独立模式下电价机制如图3所示。

图3 独立模式下电价机制Fig.3 Electricity price mechanism in the independent mode

则独立模式下3个主体的收益分别为：

式中：CPV，0，CBS，0，CU，0分别为独立模式下光伏运营商、储能运营商和用户典型日收益；PPV（t），Pd（t）分别为光伏出力、负荷功率；Pb，c（t），Pb，dc（t）分别为储能充电、放电功率；Tc，Tdc，T分别为储能充放电时长和典型日时长（24 h）；Ve，Vi（t），VPV分别为光伏上网电价、电网售电电价及光伏补贴电价，元/（kW·h）。

2.2 合作模式

合作模式下，光伏微电网分时调度策略如图4所示。其中，假设储能电池中仅剩余刚性容量时对应的储能电池荷电状态（state of charge，SOC）为数值M。C1至C10分别表示Case1至Case10发生的次数。

1）光伏出力大于负荷时，Case1，电价高峰时段，光伏对负荷供电，且多余的光伏为储能电池充电；Case2，若储能电池已充满，多余光伏上网；Case3，电价低谷时段，储能电池未充满，多余光伏和主网共同为储能电池充电；Case4，若储能电池已充满，多余光伏上网；Case5，电价平时段，储能电池无充放，多余光伏上网。

图4 分时电价下微电网优化运行策略Fig.4 Optimal operation strategy of microgrid under TOU price

2）光伏出力小于负荷时，Case6，电价高峰时段，储能电池SOC高于M，光伏、储能电池和主网共同对负荷供电；Case7，储能电池不高于M，光伏和主网共同对负荷供电；Case8，电价低谷时段，储能电池未充满，除光伏和主网共同对负荷供电外，主网对储能电池充电；Case9，电价低谷时段，储能电池已充满，光伏和主网共同对负荷供电；Case10，电价平时段，储能电池无充放，光伏和主网共同对负荷供电。

光伏运营商PV以直供电价对用户直供光伏发电系统发出的电能，国家光伏财政补贴归光伏运营商所有；多余光伏一部分用于储能系统充电，另一部分由电网公司以光伏上网电价收购。储能运营商存储光伏余电，在光伏不足且在用电峰值电价时段对用户供电。用户所用的电能来源于光伏系统、储能及电网，电费均按当地电网公司售电电价进行结算。合作模式下电价机制如图5所示。

图5 合作模式下电价机制Fig.5 Electricity price mechanism in the cooperation mode

则合作模式下3个主体的收益分别为：

式中：CPV，1，CBS，1，CU，1分别为合作下模式光伏运营商、储能运营商和用户典型日收益；Pb，c，PV（t）、Pb，c，G（t）分别为光伏、电网向储能的充电功率；Pd，PV（t），Pb，dc（t）分别为光伏、储能向负荷供给的电能功率；Pe（t）为光伏上网功率。

2.3 储能运行约束

考虑到电池放电倍率对电池寿命的影响，结合文献[11]，储能充放电模型表达式为：

式中：Eb为储能电池容量；Pc、Pdc分别为储能充放电功率；εc，εdc为储能是否充放电的二进制数，1为充放电，二者其中必有一个为1；ηc、ηdc分别为储能充放电效率；SSOC为储能电池的荷电状态；SSOCmax、SSOCmin分别为荷电状态的最大值和最小值；DOD为储能电池的放电深度；Erate为储能电池的额定容量。储能电池需满足在典型日T个时段内完成一次充放电循环，即典型日结束时储能系统应仅保留刚性容量时储能电池的SOC值。

3 多主体合作收益分配模型

3.1 合作博弈理论

合作博弈是与非合作博弈对称的一种博弈类型，指参与者能够联合达成一个具有约束力且可强制执行的协议的博弈类型。合作博弈中最重要的两个概念是联盟和分配[12]。对于整个联盟来讲，整体收益大于其每个主体单独经营时的收益之和。对于分配来讲，每个参与者从联盟中分配到的收益不小于单独经营所得收益。合作之所以能够增进双方的利益，就是因为合作博弈能够产生一种合作剩余。至于合作剩余在博弈各方之间如何分配，取决于博弈各方的力量对比和制度设计。

独立和合作模式下各主体收益对比如图6所示，对于联盟内共享的电能，相对于光伏直接全部上网所增加的收益就是本合作博弈模型中的“合作剩余”。通过以合理的分配方式对这部分“合作剩余”进行分配，分布式光伏、储能和用户就可以分别提高自身的收益，因此三者之间有形成合作联盟的动力。

图6 独立和合作模式下各主体收益对比Fig.6 Comparison of Economic entities’revenue under independent and cooperation modes

3.2 Shapley值法

确定光伏微电网合作联盟总体收益之后，还需要所能分配的利益。所谓分配就是博弈的一个n维向量集合，即每个参与人都要得到相应的分配。n维的分配向量称为博弈的“解”。

定义：合作博弈（N，v），N={1，2，…，n}，对于每个参与人i∈N，给予一个实值参数xi，形成维向量x=（x1，x2，…，xn）且其满足：

则称x是联盟K的一个分配方案[13]。

Shapley值法是用于一种解决多人合作博弈问题的数学方法，用于解决多个个体合作的收益分配问题。它的优点就是将收益按主体的边际贡献进行分摊，参与人获得的收益等于他对所参与联盟边际贡献的平均值[14]。

假设个体集合为K={1，2，…，k}，对于K中的任一子集S（表示k个个体中的任一组合），定义效益函数F（S）为该子集的合作模型下社区的总收益，满足F（φ）=0，且F（S1+S2）≥F（S1）+F（S2），则该集合中所有个体的合作可以采用Shapley值法进行效益分配。

在k个主体的合作中，各个主体分配所得的效益为Vi，即成为Shapley值。它与效益函数有关，其计算公式为：

式中：S为集合K中所有包含第i个主体的子集；|S|为子集S中包含的主体个数。F（S）-F（S-{i}）体现了第i个主体对联盟S的贡献值。W（|S|）为联盟S出现的概率，计算公式为：

4 算例分析

4.1 研究对象及基础数据

选取广东某光伏微电网为研究对象，对独立模式和合作模式下光伏微电网的分时调度模型进行仿真。园区分布式光伏、逆变器等一些相关设备由某太阳能投资有限公司投资建设与运营，由某储能投资公司投资建设微电网设备资产（如中央控制器，储能设备等），从而组成光伏微电网。光伏系统的发电容量共157 kW，接入储能系统31.7 kW·h，逆变器44 kW，基本电气拓扑如图7示。

典型日光伏与负荷的功率曲线如图8所示。可见，9:00-17:00之间光伏出力大于负荷，此外，日耗电量在24 h内变化很大，基本呈现为白天处于负荷低谷、夜间处于用电高峰的规律，其中由于家庭傍晚做晚饭需要在19:00～21:00出现用电小高峰。

模型中电网售电电价Vi（t）取广州居民生活用电峰谷电价，如表2所示，光伏上网电价Ve为0.38元/（kW·h），光伏补贴为0.42元/（kW·h）。

图7 光伏微电网基本电气拓扑Fig.7 Basic electrical topology of the PV-based microgrid

图8 光伏出力与负荷的功率曲线Fig.8 Power curves of photovoltaic generation and load

表2 峰谷电价表Tab.2 Table of peak and valley electricity prices

4.2 收益分配分析

独立与合作模式的收益对比结果如表3所示。其中，负值表示成本，正值表示收益。

表3 收益对比结果Tab.3 Comparison result of revenues

由表3可知，3个主体在合作模式下相比于独立模式获得了更高的经济效益。增加的收益即为Shapley值法需要分配的总收益F（K）=78.13。

通过Shapley值法，可计算得到3个主体的收益分别如表4—表6所示。

表4 U的收益分配Tab.4 Revenue distribution of U

表5 PV的收益分配Tab.5 Revenue distribution of PV

表6 BS的收益分配Tab.6 Revenue distribution of BS

可得U应分配得到的收益为

可得PV应分配得到的收益，即光伏运营商的收益为

可得BS应分配得到的收益，即储能运营商的收益为

可见，3个主体分配得到的效益总和等于3个主体合作的总收益，即满足

通过Sharply分配，各主体最终的收益如表7所示。可以看出，合作模式下光伏运营商、储能运营商和用户均提高了可观的经济效益。

表7 各主体最终收益Tab.7 Ultimate revenue of each party

5 结论

基于现有的研究和实践经验，微电网通常由多方经济主体构成，包括光伏运营商、储能运营商和普通用户等。新电改方案允许拥有分布式电源的用户或微电网系统参与电力交易，有利于微电网内各主体经济效益的提高。

在电力市场环境下，本研究对光伏微电网内各主体的市场交易模型进行分析，分析形成联盟的动力，提出各经济主体之间合作博弈的模型。光伏微电网以最大化联盟收益为目标采用分时调度模型，对各主体的运行状态进行实时决策，并采用Shapley值法根据各个主体的贡献度对收益进行了分配。可以看出，合作模式下光伏运营商、储能运营商和用户均提高了经济效益，且各方的效益相互间达到平衡，有利于促进光伏微电网项目规模化发展。

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（编辑 徐花荣）

Multi-Subject Cooperative Operation Model and Profit Allocation of PV-Based Microgrid

ZHOU Nan1，FAN Wei1，LIU Nian1，LIN Xinhao1，ZHANG Jianhua1，LEI Jinyong2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Electric Power Research Institute，CSG，Guangzhou 510080，Guangdong，China）

The new electric power reform scheme allows the users of distributed generation or microgrid systems to participate in electricity trade，which is beneficial to the improvement of economical benefits of microgrids.Generally，microgrid is composed of several economic entities，including photovoltaic operators，storage operators，and users and so on.Based on the analysis on the impetus of operation consortia，market transaction mode and their cooperative game model among the economic entities of microgrids are proposed.The time-sharing scheduling model of the PV-based microgrid decides the operation status of entities to maximize the benefits of the whole alliance，and the revenue of each member in the alliance is allocated by the Shapley Value method.As can be seen，the revenue of photovoltaic operators，storage operators and users are increased in cooperation mode with the increase of the considerable revenue of the alliance，and achieve the parties’mutual balance.Besides，the computational complexity is relatively low，which contributes to the large-scale development of the PV-based microgrid.

PV-based microgrid；multi-object operation；time-sharing scheduling；cooperative game theory；Shapley value

2015-12-14。

周 楠（1992—），女，硕士研究生，研究方向为微电网储能配置与规划运营；

樊 玮（1992—），女，硕士研究生，研究方向为微电网能量管理与在线优化；

刘 念（1981—），男，博士，副教授，研究方向为电力信息安全、智能配用电与微电网、电动汽车；

林心昊（1992—），男，硕士研究生，研究方向为微电网规划设计；

张建华（1952—），男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统分析与控制；

雷金勇（1982—），男，工程师，博士，研究方向为新能源和智能电网。

国家863高技术基金项目（2014AA052001）；南方电网公司科技项目（K-KY2014-009）；南方电网科学研究院科技项目（SEPRI-K154001）。

Project Supported by National High Technology Research and Development of China 863 Program（2014AA052001）；Science& Technology Projects of CSG（K-KY2014-009）；Science&Technology Projects of SEPRI（SEPRI-K154001）.

1674-3814（2016）05-0134-08

TM315

A

参与电力交易，有利于微电网经济效益的提高。该研究针对由多方经济主体构成的微电网，包括光伏运营商、储能运营商和用户等，分析了电力市场环境下光伏微电网内各主体的市场交易模式，分析形成联盟的动力，提出各经济主体之间合作博弈的模型。光伏微电网以最大化联盟收益为目标采用分时调度模型，对各主体的运行状态进行实时决策，并采用Shapley值法根据各个主体的贡献度对收益进行了分配。可见，合作模式下光伏运营商、储能运营商和用户均提高了经济效益，各方的效益相互间达到平衡，计算复杂度低，有利于促进光伏微电网规模化发展。