[论文解读] Optimal Sharing and Fair Cost Allocation of Community Energy Storage

Yu Yang, Guoqiang Hu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Smart Grid Energy Management参考文献 26被引用 5

一句话总结

本文提出了一种联盟博弈框架，用于最优社区储能（ES）共享，通过基于核心的 ex-post 成本分配方法，联合求解储能容量配置、运行优化及公平成本分摊问题。采用列生成法克服计算复杂性，仅需不到1%的特征函数评估即可实现近似最优的公平性，相较于传统方法，储能价值提升1.83倍，且在建筑与社区层面均实现更高的经济效益，优于独立储能模型。

ABSTRACT

This paper studies an energy storage (ES) sharing model which is cooperatively invested by multiple buildings for harnessing on-site renewable utilization and grid price arbitrage. To maximize the economic benefits, we jointly consider the ES sizing, operation, and cost allocation via a coalition game formulation. Particularly, we study a fair ex-post cost allocation based on nucleolus which addresses fairness by minimizing the minimal dissatisfaction of all the players. To overcome the exponential computation burden caused by the implicit characteristic function, we employ a constraint generation technique to gradually approach the unique nucleolus by leveraging the sparse problem structure. We demonstrate both the fairness and computational efficiency of the method through case studies, which are not provided by the existing Shapley approach or proportional method. Particularly, only a small fraction of characteristic function (less than 1% for 20 buildings) is required to achieve the cost allocation versus the exponential information required by Shapley approach. Though there exists a minor increase of computation over the proportional method, the proposed method can ensure fairness while the latter fails in some cases. Further, we demonstrate both the building-wise and community-wise economic benefits are enhanced with the ES sharing model over the individual ES (IES) model. Accordingly, the overall value of ES is considerably improved (about 1.83 times).

研究动机与目标

• 设计一种社区储能合作商业模式，以最大化多个建筑的经济收益。
• 联合优化共享储能系统中的储能容量配置、运行策略及成本分摊。
• 利用核心概念确保自利建筑在共享储能系统中实现公平成本分摊。
• 通过列生成法解决大规模联盟中核心计算的计算不可行性问题。
• 与Shapley值和比例分摊方法相比，证明本方法在公平性与计算效率方面的优越性。

提出的方法

• 将储能共享问题建模为整合容量配置、运行优化与成本分摊的联盟博弈。
• 采用核心作为公平性准则，以最小化所有参与方中最大不满程度。
• 应用列生成技术迭代逼近核心解，利用问题的稀疏结构避免指数级计算复杂度。
• 通过带能量与功率容量约束的混合整数线性规划（MILP）求解最优储能容量与运行策略。
• 采用动态规划方法计算每个联盟的特征函数，约束条件确保充电/放电不重叠，且可实现可再生能源的购售。
• 通过20栋建筑的案例研究验证方法性能，与Shapley值和比例分摊方法进行对比。

Figure 1: The configuration of a community energy storage (CES).

实验结果

研究问题

• RQ1 在社区场景下，如何实现储能的最优容量配置与运行，以最大化集体经济收益？
• RQ2 何种成本分摊机制可确保自利建筑在共享储能系统中实现公平分摊？
• RQ3 尽管核心计算具有指数级复杂度，能否高效计算大规模社区储能联盟中的核心值？
• RQ4 与Shapley值和比例分摊方法相比，所提方法在公平性与计算效率方面表现如何？
• RQ5 相较于独立部署储能，社区级储能共享在多大程度上提升了经济收益？

主要发现

• 所提出的基于核心的成本分摊方法通过最小化所有建筑中的最大不满程度，确保了公平性，在公平性指标上优于Shapley值与比例分摊方法。
• 仅需极小比例（不足1%）的特征函数值即可计算出核心解，显著降低了计算负担，远低于Shapley方法所需的指数级计算量。
• 该方法在计算效率上与比例分摊方法相当，同时保证了公平性，而后者在某些情况下无法确保公平性。
• 与独立储能部署相比，社区整体经济效益提升了约1.83倍，主要得益于更高的利用率与共享基础设施的优势。
• 对于具备可再生能源余量的建筑，其个体收益进一步提升，凸显了负荷与发电曲线在时间维度上的互补价值。
• 案例研究证实，联合优化容量配置、运行策略与成本分摊可使所有参与者获得更优的经济成果。

Figure 2: The building-wise (B1-B10) and community-wise (Com.) cost reduction with the IES and CES model: (a) $N=5$ . (b) $N=10$ (no ES as baseline ).