风水协同运行中的利益分配研究

尧瑶，杨秀媛

（北京信息科技大学自动化学院，北京市 海淀区 100192）

0 引言

近年来，随着我国新能源的快速发展，为促进清洁能源的消纳，利用清洁能源之间的互补性，将各种能源之间进行联合。利用水电的调节能力将随机的风电转化成可参与电力系统运行计划的电源，使风电场和水电厂向电力系统提供的总功率能按计划输出，这种方式称为风水协同运行[1]。国内外对风水协同运行已进行大量研究[2-5]，但是对于风水协同运行后的利益分配方法却没有得到广泛的关注，产生的收益得不到合理的分配，对于企业而言，是不愿意做亏本生意的，只有合理的进行利益分配，才能使合作能够长期进行。

利益分配就是将通过合作获得的利益在各参与者之间的分配。文献[6]基于利益相关者理论，对风电与水电联合运行利益相关者的主要矛盾冲突进行分析，也提到电网、政府和风力发电商之间的矛盾，并提出了解决方案，但并未提出一个合理的利益分配方案。文献[7]研究了风电场和抽水蓄能电站联合运营的利益分配问题，最后得出在该利润分配中采用沙普利值法较为合理。文献[8]分别计算风电和水电单独投标的收益和联合运行的收益，并采用沙普利值法对额外的利益进行分配。公平合理的利益分配能够促进合作的顺利进行，让合作者在联盟中积极性更高，进而保证联盟目标的达成和利益最大化的实现。因此本文对风水协同运行中的利益分配方法进行分析总结，以此推动研究的进一步开展。

1 风水协同运行

随着风力发电的快速发展，风电场在电力市场环境下的运行对于可再生能源的持续发展十分重要。但由于风能具有随机性、波动性和反调峰等特性，使得大规模风电场的风电并网容量大大受限，而水电能调节峰谷差，调节频率的不稳定性，可以用来应付间歇式能源给电网带来的影响，利用风电和水电的互补性将两者联合运行，使得联合输出的功率能按计划输出，增加了电力系统吸收大量风电的能力，也提高了电力系统运行的长久稳定性。图1所示为某地区一年内水电站发电量及风电场风速的变化情况。

图1 某地区全年水量及风速变化Fig. 1 Annual water volume and wind speed change in a certain area

风电和水电的协调运行已经在不同方面进行了研究。国内外关于风水协同运行的研究可概括为：1）以减少风电的波动性对电网的影响为目标[9-11]；2）以提高风电场的经济效益为目标[12-13]；3）考虑实时阶梯电价和电网传输容量的限制[14-15]；4）以优先消耗风电等无污染可再生能源为目标[16]。其协同方案都是依据优化目的，建立优化模型，并创建某种新的算法或者商业软件进行求解。在上述文献或其他文献当中，没有提到风水协同运行后对获得的利润进行分配的方案。

2 风水协同运行的利益分配

合理的利益分配不仅可以使参与者的合法权益得到保护，还可以保障合作长期稳定进行，企业之间若进行合作必然是合作后的利润收入要大于不合作时单独经营的利润之和，否则便没有进行合作的必要。由于合作联盟创造的最后收益是一定的，联盟中某个成员利益的增加就会导致其他成员利益的减少，企业都想使利益最大化，但“蛋糕”只有那么大，不可能使所有企业都获得最大收益，分配少的企业自然不满意，因此利益的分配必须依照一定的原则，科学合理系统的进行分配才能令所有企业成员都相对满意[17]。

2.1 风水协同运行中的利益分配原则

利益的分配，要公平、合理，让每个企业都觉得自己得到了自己应得的一部分，因此必须遵循一定的原则[18]：

1）互惠互利原则。使风电水电从协同运行中获取的收益要大于等于自己单独运行所获得的收益。如果水电分配后获得的总收益少于自己独立运行时获得的收益，那么水电是不会愿意参与合作的。假设vi(S)表示企业i在联盟S中获得的收益，v(i)为企业单独运行时获得的收益，则

2）风险补偿原则。利益分配要考虑参与者在联盟中承担的风险，体现风险收益。分配的利益和面临的风险大小是成正比的，风险大的企业，所分配的利润也适当增加，承担风险小的企业，利润分配适当减少。假设企业i在联盟中面临的风险Ri大于企业j面临的风险Rj，那么企业i的收益v(i)要大于企业j的收益v(j)，即

3）贡献分配原则。企业对联盟的贡献包括企业对联盟投入的资源，包括人力物力、管理技术、设备等。如果企业 i在联盟中投入的总资源 I(i)大于企业j的总资源I(j)，则企业i的收益v(i)要大于企业j的收益v(j)，即

4）利益分配过程必须公开透明化原则。在进行利益分配时，对于分配流程、分配方法、参与形式、总的净利润收益等都需要毫无保留地告诉参与企业，以此保证这个分配过程是公开透明、开诚布公的。

2.2 利益分配方法

风电水电联合运行，目的就是提高风电场的日运行经济效益，平稳风电的波动，使总的输出功率保持在一定要求范围内，满足市场平衡的需求，使得联合运行后获得更大的效益。文献[7]研究了风电场和抽水蓄能之间的利益分配问题，将均分策略、按容量分配策略、沙普利值3种分配方法进行实例分析，最后得出沙普利值法更适合联营模式下的利益分配。文献[8]对于风电和水电协调运行产生的收益，提出一种基于沙普利价值的新协作方案和公平透明的方法，用于分配由协调的投标和运营策略引起的额外价值。文献[19]研究了在大规模风、光、火电联合外送体系下的协调调度及利润分配问题，采用核仁理论对3方联合运行时的利润进行分配，采用算例计算得出最后该方法根据各方在联合收益中的贡献度能够合理分配各方利益。文献[20]研究了多个投资主体的增量配电网公司之间的利益分配问题，由于投入的资本和承担的风险各不相同，因此收益分配存在一定的差异，采用合作博弈理论中的Nash谈判模型求解增量配网收益分配，最后得到一个使增量配网各投资方都比较满意的分配方案。多人合作的利益分配模型如下。

1）均分策略。

即将获得的额外收益平均分配给每位参与者，各个联盟成员分配到的利益都一样，这样的方法在某种环境下有着一定的公平性，但是对于所有的联盟，合理性较差，有的企业可能投入的资金多，有的企业可能投入的资金少，如果对利益进行平均分配，企业肯定是不同意的，导致合作无法继续，使得联盟的利益出现损失，只有当联盟中各个企业对联盟的贡献相差不大且无法衡量时使用这种方法才可以[7]。

风电场水电站合作组成的联盟中只有两个参与者，风电场w和水电站p，分别获得的利润为x(w)和 x(p)表示为

式中v(w,p)为合作后的整体利润。

2）按容量分配策略。

该策略下，考虑每位参与者在合作中的贡献，收益与贡献成正比[7]。对于风电水电协调运行后的利益分配为：

式中：Ww为风电场在合作中贡献的电量；Wp为水电厂发出的电量。

3）Nash谈判模型。

在合作联盟利益分配的过程中，通过企业成员之间互相谈判和商议，如果每个企业都能遵守一定的“合理性假设”，那么 Nash谈判模型[21]就是满足这些假设的解。假设vi表示第i个企业单独运行获得的收益，Φi表示在合作博弈利益分配过程中，第 i个企业分配得到的收益，通过下列模型求得最优解：

式中v(N)表示合作联盟的总收益。

4）核仁理论。

利用核仁理论[19]对利润进行分配的目的是设法合理分配由各电场联合运行所产生的总利润。设Y={y1, y2,…,yn}表示合作博弈下各电厂分得的利润集合，X=(x1, x2,…,xn)表示各电场分得利润的转归集合，v(s)为不同运行联盟s的所得利润。则可利用核仁进行求解，其中e(s, x)为联盟s关于转归x的超出值，即表示联盟参与者对分配方案的不满意程度，e(s, x)=v(s)-x(s)。

设V(s)为联盟s的参与者之间相互作用而产生的利润，则

式中v(i)即为第i个参与者单独运行产生的利润。

最后，各个参与者所获得的利润为其分得的由相互运行获得的额外利润加上各参与者单独运行时所得利润，即

5）沙普利值法。

风电水电组成的合作联盟满足对称性、有效性和累加性，因此可用沙普利值法[22-24]进行利润分配。沙普利值法对风水协同的利益进行分配时，是基于各发电厂对联盟做出额外贡献大小为依据进行利益分配，与上述几种分配方法不同，它主要关注电场的资源有效利用率以及为联盟带来的额外效益。其基本模型是：n个成员从事具有经济利润的活动，每个成员都能从中获取一定的利润，当n个成员构成联盟后，联盟的总利润大于n个成员单独从事该项经济活动所取得的利润之和。沙普利值模型为解决n人合作博弈的利益分配问题提供了简单而方便的方法。

沙普利值法定义如下。

用xi表示集合N中博弈方i从联盟的最大收益v(N)中应该得到的一份收益。在联盟N的基础上，各博弈方的一个分配用x=(x1, x2,…,xn)表示。该联盟必须满足以下条件：

公式(9)表示联盟总的利益等于联盟总的分配，并且联盟中的任意成员从中获得的收益都不能小于其独立运行所得，这被称为个体合理性条件。在沙普利法中，示各博弈方所得到的利润。其中表示在联盟N下博弈方i所得到的分配，其计算公式为：

式中：si表示属于集合N中包含了博弈方i的子集；|s|表示联盟s中所含参与者的个数；v(s)表示联盟s合作时的总利润；v(si)表示联盟s没有局中人i加入时的收益；v(s)-v(si)表示局中人i对联盟的边际贡献；局中人依随机次序形成联盟，各种次序发生的概率为w(|s|)。

综上所述，这是目前对于风水协同运行利益分配常用的分配方法，其中沙普利值法由于更具合理性，被研究的更多。沙普利值法是按照各个企业对联盟的边际贡献来进行分配，即考虑每个企业加入联盟后，给联盟带来的额外收益进行分配，很显然，这种分配方法不符合利益分配原则，水电站为弥补风电的波动，承担的风险更大，起到的作用也更强，在实际情况中，需要考虑到对合作产生影响的各个因素，如各个电场面临的风险程度、初始投入资金等因素，对于承担风险较大的水电厂，应对其进行一定的利益补偿。

3 风水协同运行中的影响因素指标

考虑风水协同运行的特点，对合作利润产生影响的因素主要有承担风电能力指标、资源利用率指标、投入资源程度指标。其利益分配影响因素体系如图2所示。

图2 影响因素体系Fig. 2 Influencing factor system

3.1 承担风险能力指标MRi

沙普利值法默认各个参与者之间所面临的风险和承担风险的能力是一样的，但是在实际参与情况中，不同的参与者所面临的风险大小是不相同的。而就利益分配原则来讲，分配的利益和面临的风险大小是成正比的，风险大的成员，所分配的利润也适当增加，承担风险小的成员，利润分配适当减少[25]。这样才符合实际情况，使分配更加公平。由于在风电抽水蓄能联合运行过程中，为了弥补风电的随机性和不稳定性，抽水蓄能电站必须时刻根据风电场的出力大小来调整水电机组的输出功率，使得联合输出的功率能按计划输出。在评价成员风险时，可以采用相对风险分配法、协方差风险分配法、层次分析法等，在对各个参与者的风险值进行评价后，要进一步做归一化处理，方便比较及进行后续计算。即可得合作方的风险承担能力指标为

式中：Ri(i=1,2)表示成员i的风险程度评级结果；1、2表示风电场和抽水蓄能电站。

3.2 资源利用率指标MUi

不同电源(如核电、常规火电、水电、风电光伏)的年平均设备利用率是不同的。美国能源信息署以2008—2012年运行数据为基础，对全球16个不同国家和地区的不同电厂的设备利用率进行比较。可知水电设备利用率在30%～40%之间，至于风电、光伏，其平均利用率在20%上下。抽水蓄能电站能够很好的控制其输出大小，但风电由于其随机性，而且目前对于风电的预测还不能达到非常准确，现在的预测率只能达到80%以上，由于风电的装机容量逐渐增加，但是电网的承受能力有限，导致弃风严重。因此资源利用率也是一个重要指标：

式中Ui(i=1,2)表示成员i的资源利用率。

3.3 投入资源程度指标MPi

投入资源程度指标就是表示参与者在联盟中的资源投入的大小[26]。由于现在我国的风电产业发展迅速，风能资源丰富，对于风电场而言，风电场有足够的能量输出，在风电抽水蓄能联合运行中，抽水蓄能电站主要是作为旋转备用来平抑风电场的波动，因此风电的资源投入较大，而水电的资源投资相对较小。则资源投入度指标为

式中Pi(i=1,2)表示成员i的资源投入量。

4 风水协同运行中的利益分配研究展望

为更公平合理的对风水协同运行产生的利润进行分配，需要考虑对利润产生影响的各个因素，即风险承担能力、投入资源程度、资源利用率。

文献[21]考虑农产品供应链中利益分配不公平问题，提出需要综合考虑风险因素、合作意愿与质量投入等因素，引入综合修正因子，建立了改进沙普利值法的农产品供应链利益分配模型。文献[23]结合蔬菜供应链的特点，提出在沙普利值法的基础上，综合考虑风险因子、合作程度和社会责任度3个影响因子及权重改进模型，使分配更加公平合理。文献[25]通过构建生态工业园供应链中企业利益分配的沙普利值模型，考虑企业的经营成本、承担的风险，引入修正因子，确定权重并对供应链企业的增加收益分配额进行调整。文献[27]指出影响中小企业供应链利益分配的4个因素为创新资源贡献率、创新执行度、风险因素以及创新补贴，并以此建立沙普利值法修正模型。

目前对利益分配研究较多的为供应链方向，主要的分配方法为考虑综合影响因素对沙普利值法进行改进[26-29]，和风水协同运行的特点相对比，发现供应链和风水协同考虑的影响因素相差不大，因此可以将供应链的利益分配方法应用到风水协同运行中。

5 结论

风电水电由于存在互补性，为增加双方利益，进行协同运行后相比单独运行获得更多的收益，合理分配利益促使双方长期合作才能使利益最大化。合理的利益分配必须满足一定的原则，即互惠互利原则、风险补偿原则、贡献分配原则、利益分配过程必须公开透明化原则。

归纳总结了目前对风水协同运行中研究较多的利益分配方法，并简要介绍其数学模型和其优缺点，目前采用博弈论的沙普利值法对利益进行分配的研究较多。

考虑到风电水电运行的特点，指出风险承担能力、投入资源程度、资源利用率3个因素对分配结果产生的影响较大。对于风水协同运行中的利益分配需考虑综合影响因素，有必要对其进行深入研究。