能源互联网背景下中国光储价值链效益协同模型研究

刘吉成，卢运媛，李颖欢

（华北电力大学经济与管理学院；新能源电力与低碳发展研究北京市重点实验室（华北电力大学），北京 102206）

能源是现代化的基础和动力，迫于传统能源应用导致的能源危机和环境压力，以光伏为代表的清洁能源发电方式在全球范围内得到了广泛关注［1-3］。然而由于光伏发电的随机性、波动性等特点，“弃能”成为其发展的主要障碍之一，在此背景下能源互联网及储能等技术应运而生。能源互联网通过先进技术实现能源节点互联及能量交互共享，而储能不仅能改善电能质量、提升电网调度灵活性更能够存储余电、平抑发电波动、解决消纳问题，光伏、能源互联网及储能的联合应用被证明为降低光伏发电弃光率的合理路径［4-6］。当前，中国光伏产业正处于蓬勃发展时期，多晶硅产量与光伏装机量逐年攀升［7］，但在发电量巨大的同时弃光现象严重、政府补贴取消，为减少光伏发电弃光率、实现光伏平价上网及增强光伏行业的竞争力，将储能、能源互联网引入中国光伏行业并探究能源互联网背景下光储价值链的效益协同模式尤为重要。

近年来，中国光伏产品在全球范围内保持较高的占有率，光伏价值链整体呈现出较好的发展势头，但当前中国光伏价值链发展仍存在诸多问题［8］。首先，相比于以制造能力为重的传统产业，知识与创新在光伏产业发展中的地位明显提高［9］，从而导致中国光伏价值链在创新体系、各环节发展均衡［10-11］、成本控制等方面存在的问题逐渐显现［12］，鉴于此刘吉成等［13］对中国光伏企业价值创造能力进行了评价研究，并从整体和局部两个方面提出了价值链增值策略［8］，陈斯琴等［14］则对宏观形势下中国光伏产业可持续发展进行了分析研究。其次，光伏发电的不稳定性在很大程度上对其发展形成了制约，储能快速响应和双向调节的技术特点恰能解决这一难题［15］，因此相关文献分别从光储系统、储能投资者、光伏用户角度对“光+储”发展的技术可行性及经济可行性进行了分析研究［16-18］，证明了储能可有效应用于光伏产业并促进其发展。再次，为提高传统能源系统资源配置能力以满足未来能源系统发展需求，能够实现“横向多源互补，纵向源网荷储协调”的能源互联网概念被提出［19］。在能源互联网背景下，相关文献针对光伏及储能产业升级、优化调度及经济效益进行了分析研究［20-22］，证明了能源互联网能进一步促进光储产业的发展，能源互联网背景下的光储价值链构建及研究是实现产业升级与竞争力增强的有效途径。

作为光伏及储能等多节点多系统构成的价值链条，效益协同不可避免地成为研究关注点，也即如何在子系统最优情况下实现总系统最优运行［23］，目前效益协同研究主要集中在评价优化及利益分配方面。首先，诸多学者通过效益协同理论对发电方式、电动汽车协同、能源与环境等方面进行了评价研究［24-27］，证明了可再生能源及其与电动汽车和环境协同发展的可行性。其次，诸多研究采用效益协同理论对电力控制协同、知识协同、信息资源协同、配送协同等方面进行了优化研究［25,28-31］，证实了其能促进各行业优化提升。最后，更多效益协同研究集中在合作博弈模型及Shapley 模型等利益分配方面，涉及到矿业、农业、制造业、零售业、PPP 项目、电力等多个行业［32-42］，旨在通过建立利益分配模型及优化模型解决相关利益分配问题。一方面通过建立相关行业的合作博弈模型及Shapley 模型，解决了链条节点企业的利益分配问题，验证了链条节点合作对链条利益优化所起的重要作用。另一方面通过对模型的优化，如引入大数据、修正因子、公平理论、模糊理论、灰色理论、努力因素等［37,43-47］，进一步提高了利益分配问题研究的精度与深度。在电力价值链利益分配方面，研究重点较多放在传统电力发售电商间利益分配及协调方面，郭洪武等［41］通过Delphi 法优化Shapley 模型对发电商与购电商之间的利益分配问题进行了研究；陆秋瑜等［40］基于合作博弈理论研究了集群风储联合系统的广域协调与利益分配问题；施泉生等［42］分别建立了多主体参与的单对多、多对多交易情形下的合作博弈模型，在优化利益分配的同时得到了相应最优电价。但是效益协同理论在光伏与储能及能源互联网相结合领域相关文献较少，本文研究旨在填补这一空白。

本文对光储价值链效益协同研究的思路如下：首先在通过对能源互联网及光伏价值链的论述基础上构建能源互联网背景下的光储价值链模型，然后以光伏发电商与储能商为节点在考虑努力因素的基础上构建光储价值链效益协同模型，继而根据改进逐对比较法确定努力因素、构建分散价值链Stackelberg 博弈模型、集成价值链模型、收益分享与努力成本共担联合契约模型、回购与努力成本共担联合契约模型，并对各模型的协调能力进行比较分析与数值验证分析，以期为光储供应链的效益协同模式做出理论与实践贡献。

1 能源互联网与光储产业价值链

1.1 能源互联网背景

由于化石燃料的逐渐枯竭及其造成的环境污染问题，传统能源利用模式正在走向终结，开发新的能源利用体系刻不容缓。随着可再生能源的发展利用及互联网的普及应用，“能源互联网”这一概念由美国著名学者杰里米·里夫金于2011 年提出，他预言以新能源技术和信息技术的深入结合为特征的一种新的能源利用体系，即“能源互联网”即将出现并具有以下四大特征：以可再生能源为主要一次能源；支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系统接入；基于互联网技术实现广域能源共享；支持交通系统的电气化。而后董朝阳基于里夫金的能源互联网愿景，给出了能源互联网的初步定义：能源互联网是以电力系统为核心，以互联网及其他前沿信息技术为基础，以分布式可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统，并给出能源互联网的基本架构如图1 所示［48］。

图1 能源互联网基本框架

随着清洁能源的发展，能源互联网也引起了越来越多的关注，现在的能源互联网可理解是综合运用先进的电力电子技术、信息技术和智能管理技术，将大量由分布式能量采集装置、分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点互联起来，以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网，其架构关系如图2所示。

图2 能源互联网关系图

能源互联网包括智能发电、智能电网调度、智能储能、智能用电、智能能源市场、智能管理和服务六大板块，以“物联网+智能电网+可再生能源”为核心，以实现共享作为最终目的，围绕“可再生、分布式、智能化”3 个关键词，不仅影响了能源的生产方式，极大地改变了电力的生产，还彻底改变了能源的消费方式，打破了传统以电网公司为中心的消费模式。在能源互联网上，电力将可以自由地生产、消费、互换、交易，能源的生产和消费的效率将得以提升［49］。

1.2 能源互联网背景下的光储产业价值链

现阶段中国光伏产业链条发展态势良好，光伏价值链以晶体硅太阳能电池的研发生产为主线可分为上游、中游和下游［50-51］，并以上游硅材料提炼和硅片生产、中游电池片生产和组件封装及下游光伏发电系统集成及光伏应用产品的生产和销售为主链，加以辅料链和装备链共同构成完整的光伏产业价值系统。通过价值链高效内部运转及外部互动实现物流、信息流及价值流的协调，从而使光伏价值链呈现了较高的经济效益与社会效益。

但是由于能源危机与环境压力，单一光伏价值链不可避免的暴露出诸多问题，如：以单环节价值增值为导向、重视光伏价值链上各个环节价值增值的顺序性、价值增值主要集中在制造环节、均从光电并网角度出发等，因此储能技术、光储价值链、能源互联网及战略联盟的引入尤为重要。鉴于此，本文提出能源互联网下光储价值链模型如图3所示。

图3 能源互联网背景下光储价值链示意图

光储价值链即为能源互联网背景下将光伏与储能相结合所构成的价值链。一方面通过引入储能技术使得具有很强间歇性、随机性、波动性的风电变得“可控”“可调”，进而促进风电的利用，保障光伏发电系统的稳定运行，提高光伏发电的消纳，进一步优化光伏价值链本身的价值；另一方面通过引入能源互联网思维，实现信息共享，增加价值来源、快速响应电力用户需求、提高资源配置效率，降低成本；与此同时，通过一定的协议、契约而形成的优势互补或者强强联合的风险共担、利益共享的战略联盟形式，能够在实现光储价值链资源整合的同时保证价值链的柔性和灵活性，提升价值链的核心竞争力，通过光伏发电商与储能商的协同与合作实现降低成本、快速响应客户需求，进而达到提升光储价值链效益的目的。

2 能源互联网背景下光储价值链效益协同模型

价值共创观点是价值链价值实现与竞争力增强的重要途径，为实现价值链的价值最大化，价值链节点企业均应积极参与价值链的价值创造活动以增加价值链效益。价值链效益即为各节点企业在价值共创的基础上所实现的链条整体利润，效益协同问题即各节点如何在实现自身效益最大化基础上保证价值链总效益最大化已成为多节点价值链的研究重点。光储价值链作为多节点组成的链条，价值共创与效益协同不可避免地成为研究重点，一方面各节点企业均应为实现价值共创付诸努力，另一方面价值链各节点企业间的效益协同形式应得到研究。鉴于此，本文将基于能源互联网背景下由光伏发电商与储能商组成的价值链，在考虑二者为提升价值链效益付诸积极努力的基础上，探讨价值链整体效益实现的协同模式与契约形式，具体模型框架如图4 所示。

图4 光储价值链效益协同模型框架

在此模型设定下，光伏发电商与储能商通过一定的交易机制与契约模式共同组成光储价值链，与此同时，在能源互联网背景下双方均采取一定的努力方向与程度共同促成光储价值链价值共创，模型假设如下所示：

（1）效益协同模型研究基于能源互联网背景，各节点企业均通过能源互联网实现信息交互。

（2）光伏发电商与储能商各自投入的努力成本均为双重努力因素，分别为且对市场用电需求有影响。

后文将在确定双方努力方向的基础上，构建由光伏发电商与储能商组成并由光伏发电商主导的二级价值链，以此为框架根据节点企业合作方式分别进行分散价值链与集成价值链效益协同模型研究。

2.1 基于改进逐对比较法的努力因素识别

本文将节点企业参与价值链价值共创的方式与水平定义为努力因素，也即节点企业为实现效益增加选取相关方面进行投入，投入的方向与水平即为努力因素的种类和大小。为实现光储价值链效益协同模型努力因素的精准识别，在确定基本评价指标范围的基础上，采取改进逐对比较法确定节点企业努力因素。

逐对比较法是确定指标重要性的有效方法，采取逐对比较法评价各指标即为在通过指标间两两比较得到评价值的基础上，对各指标评价值进行汇总及归一化处理确定各指标权重。而改进逐对比较法在逐对比较法基础上改变了其原有比较赋值方式，使得指标评价值准确度得到了进一步的提升，采用改进逐对比较法对个待评价指标进行评价的步骤如下。

表1 改进逐对比较法赋值标准

表2 逐对比较法与改进逐对比较法计算表

在通过改进逐对比较法完成努力因素比较之后，可根据权重大小对各因素重要性进行排序，并以此为基础根据一定原则进行努力因素选择。本文研究是建立在光伏发电商及储能商各自的双重努力因素上进行的，因此节点努力因素入选原则为权重排序前两位的指标。

2.2 分散价值链Stackelberg 博弈模型

分散价值链即为各节点企业均在不考虑链条整体效益的基础上以自身利润最大化为目标进行决策，在此条件下，光伏发电商与储能商分别做出决策并通过能源互联网进行信息交互与交易活动。构建由发电商主导的二级价值链Stackelberg 博弈模型，在发电商根据自身利润最大化给定努力水平和单位批发价格的基础上，储能商依据自身利润最大化确定努力水平、努力水平、购电量以及市场售电价，具体模型运算过程如下：

根据逆向归纳法，考虑储能商的期望利润函数

2.3 集成价值链模型

在分散情况下的各参数探讨完之后，考虑价值链集成时的决策情况。在集成价值链的条件下，各节点企业紧密合作为实现链条整体利润最大化共同努力。构建能源互联网背景下的集成价值链模型，光伏发电商及储能商通过能源互联网进行充分的信息交流与共同决策，将两者看作一个整体研究集成价值链的最优决策，具体模型运算过程如下：

根据模型基本定义，能源互联网背景下集成价值链光伏发电商为提高电能质量并降低生产成本而产生的努力仍为储能商做出的努力仍为市场需求仍为此时集成价值链的总期望利润函数可以表达为

2.4 光储价值链效益协同模型比较分析

综合考虑两种协同模型，对分散价值链以及集成价值链的购电量、努力水平及期望利润进行对比如表3 所示。

表3 分散价值链、集成价值链参数对比

根据表3 进行对比可得

可以发现分散价值链与集成价值链在诸多方面存在差异，主要表现在以下几个方面。

（1）购电量方面。相比于分散价值链，引入集成价值链思想后价值链购电量显著提升，能在一定程度上促进行业发展。

（2）总利润方面。集成价值链整体利润明显高于分散价值链，也即通过引入集成价值链思想能实现链条效益优化。

（3）努力投入方面。分散价值链节点企业以自身获利水平为依据确定努力水平，而集成价值链努力投入与市场弹性有关，更能实现效益优化，符合管理理念。

根据以上分析可得，集成价值链效益明显优于分散价值链，因此后文将以集成价值链效益指标为基准，在实现链条效益极大化及保证节点企业利益的基础上，通过引入契约实现价值链效益在节点企业之间的协同。

3 能源互联网下基于联合契约的光储价值链效益协同模型

在分散价值链博弈模型中，购电量与价值链总利润均较低，节点企业努力投入积极性不足且不合理，为了增加节点企业的期望利润以及优化价值链性能，将在引入能源互联网的背景下采取一些激励措施即联合契约，促使发电商与储能商投入更多努力，并增加购电量。本文将在分散价值链的基础上考虑两种激励措施：一种是收益分享与努力成本共担联合契约（Revenue Sharing and Effort Cost Participation,RSECP），另一种是回购与努力成本共担联合契约（Buyback and Effort Cost Participation,BECP）。

3.1 收益分享与努力成本共担契约

在分散价值链的基础上引入收益分享及努力成本共担联合契约，引入收益分享参数以及成本共担参数也即为了增加储能商的订购量，光伏发电商以较低的价格将电出售给储能商，而储能商将自身收益以比例分享给发电商。于此同时，双方分别以的比例相互分担对方的努力成本,即光伏发电商承担努力成本储能商承担努力成本

在此基础上，发电商首先确定购电价、收益分享比例及努力成本分享比例，然后储能商确定其最优的购电量以及努力水平，此时储能商的期望利润函数为

由于RSECP 是在分散价值链的基础上进行的，因此按照分散价值链推导过程可得

3.2 回购与努力成本共担契约

在分散价值链的基础上引入回购和努力成本共担联合契约，引入回购价格以及成本共担参数也即光伏发电商以价格回购储能商多余的电量。于此同时，双方分别以的比例相互分担努力成本。

在此基础上，发电商首先确定批发价、回购价及努力成本分享比例，然后储能商以自身利润最大化为目标确定其最优的购电量以及努力水平，此时储能商的期望利润函数为

3.3 联合契约比较分析

在上述研究论证基础上，可以发现两种联合契约均能有效协调价值链，并实现集成价值链期望利润在价值链成员之间的任意分配。在RSECP 契约中，供应商作为主导者，通过选择合适的收益分享因子来实现集成利润的分配；在BECP 契约中，供应商通过选择合适的批发价格来实现集成利润的分配。分析两种联合契约协调下供应商和零售商的期望利润函数可知，当RSECP 契约中的收益分享因子与BECP 契约中的批发价格满足时，价值链成员的利润函数形式是相同的，如表4 所示。

表4 各协调机制参数比较

可以发现，在能源互联网背景下两种契约均能有效实现价值链效益协同，但在协同的效果上仍然存在一些区别。

（1）努力成本风险共享方面。相比于分散价值链，联合契约的引入可以实现努力成本风险的共享，发电商和储能商之间努力成本的投入将更加公平。

（2）库存风险共享方面。在RSECP 契约下，库存风险全部由储能商承担。而在BECP 契约下，若储能商出现滞销状况，发电商将以单位回购价格回收成本，分担储能商的库存风险。虽然表面上看，在RSECP 中发电商没有分担储能商剩余产品的库存风险，但收益分享契约本身就可以体现发电商分担了储能商库存风险的本质，且其分享力度大于回购契约。

（3）价值链灵活性方面。在RSECP 契约中，发电商以较低的价格向储能商提供电力产品，那么储能商将会更加倾向于订购更多的电量。而在BECP 契约中，发电商提供的批发价格，虽然剩余电量可以通过回购契约退还，但对于储能商而言，其前期的投入较RSECP 时更大。

4 数值分析

为更直观地展示各模型间的关系，参考相关文献并结合中国实际市场状况对发电成本、购电价、售电价、市场需求参数进行数值假设［57-59］，参考相关文献对用电需求弹性系数做出数值假设［60］，在此基础上通过MATLAB 进行具体数值分析以对各模型进行进一步对比说明。具体赋值情况如表5 所示。

表5 数值分析赋值表

4.1 基于改进逐对比较法的努力因素选择数值分析

在能源互联网背景下，选取能源互联网六大板块：智能发电努力、智能电网调度努力、智能储能努力、智能用电努力、智能能源市场努力、智能管理和服务努力作为光储价值链可采取的努力因素，分别就光伏发电商和储能商对各因素进行逐对比较，得逐对比较矩阵如图5 所示。

图5 努力因素改进逐对比较矩阵

根据改进逐对比较法计算步骤，可得在光伏发电商可采取的各项努力因素中，各努力因素权重分别为0.27，0.25，0.09，0.12，0.14，0.13。因此对于光伏发电商而言，智能发电努力与智能调度努力权重更大，也对价值链整体效益影响更大，故将其作为光伏发电商的努力因素。同理，储能商各努力因素权重分别为0.08，0.11，0.26，0.15，0.27，0.14，选取智能市场努力和智能储能努力作为储能商的努力因素进行下一步的能源互联网背景下光储价值链效益协同模型研究。

4.2 集成价值链、分散价值链数值分析

在上述数值假设及努力因素选择的基础上，根据各模型所得计算结果，可得到在数值假设下集成价值链及分散价值链储能商购电量、努力投入水平及期望利润参数情况如表6 所示。

表6 数值假设下模型参数值

表6 （续）

4.3 联合契约协同模型数值分析

为了协调价值链，文章分别引入了RSECP 与BECP 这两种不同类型的联合契约形式。RSECP 联合契约中，在模型推导与数值假设的基础上可以得出节点企业期望利润及价值链总体期望利润如图6所示。

图6 RSECP 契约下节点企业期望利润变化图

对于BECP 联合契约，绘制期望利润图如图7所示。

图7 BECP 契约下节点企业期望利润变化图

可以看出，在BECP 联合契约下，节点企业期望利润是购电价的线性函数，光伏发电商的期望利润随储能商购电价的增加而增加，储能商的期望利润随着储能商购电价的增加而减少，两者期望利润之和为集成价值链期望利润，可以通过调节购电价实现价值链效益协同。同时，当购电价处于之间时，发电商与储能商的期望利润均得到了增加，也即在一定的购电价格范围内，能在保证链条整体效益最大化的同时使节点企业效益均得到增加，实现光储价值链的价值增值共创与效益协同。

5 结论与展望

本文以由光伏发电商与储能商组成的二级光储价值链为对象，研究了能源互联网背景下考虑努力因素的光储价值链效益协同问题。首先在考虑光伏价值链所存在问题及能源互联网与储能特点的基础上，构建了基于能源互联网的光储价值链。其次建立了能源互联网背景下的光储价值链效益协同模型，即通过改进的逐对比较法确定了两节点企业各自的努力投入方向，分别构建了能源互联网背景下由发电商主导的分散价值链Stackelberg 博弈模型以及将光伏发电商与储能商视作一个整体的集成价值链模型，并研究使整体期望利润最大化时的最优努力水平与购电量。通过对集成价值链与分散价值链进行对比，发现在引入价值链思想后，购电量与总利润均得到提升，证明了集成价值链的优异性。因此建立了能源互联网背景下基于联合契约的光储价值链效益协同模型，通过在分散价值链的基础上引入RSECP 和BECP 两种契约形式，探究在引入契约后的价值链价值协同能力及差异点，结果表明两种契约形式均能在保证整体及各节点效益的前提下有效协调价值链实现总期望利润在节点企业间的合理分配，只是在部分细节上有所不同。最后借助MATLAB 对上述建立的模型进行了数值分析，增强各模型的直观性，进一步验证了各效益协同模型的有效性及差异性。

综上所述，本文所建立的模型能够有效实现价值链效益协同，为光储价值链的效益协同模式提供一定的参考。在后续研究中，将以价值链节点数量、各节点企业数量以及企业之间的相关关系作为研究重点，以期为光储价值链协同研究做出进一步贡献。