雲儲能，是一種基於電網的儲能服務，它使得用戶可以隨時、隨地、按需使用電網級的共享儲能資源池中的資源，可以顯著地降低提供儲能服務的成本。風電與太陽能發電等間歇性可再生能源的快速發展增加了電力系統對儲能的需求，共享經濟的迅速發展為儲能的套用帶來新的商業機會，基於儲能設施共享的雲儲能可能成為未來電力系統新的形態特徵之一。
基本介紹
- 中文名：雲儲能
- 外文名：Cloud storage
- 類型：共享服務
- 作用：降低儲能服務的成本
- 領域： 能源
- 學科：電氣工程
概述與定義,運行與模式,投資與規劃,服務與定價,發展與展望,
概述與定義
近年來，風電與太陽能發電等可再生能源在全球範圍內發展迅猛，其發電比例在各國均有顯著提高。未來30年內，電力系統將逐漸步人高比例可再生能源的時代，其重要特徵之一是電力系統中靈活資源稀缺化。一方面，大規模集中式的可再生能源發電出力具有很大間歇性 ，進而導致系統實時電價的大幅度變化，這些波動性需要有儲能來平抑。另一方面，分散式的可再生能源電源也需要配備分散的儲能裝置，以滿足用戶存儲和使用可再生能源所產生的過剩電能的需求。儲能在電力系統中的價值逐漸增加，將成為未來電力系統中的一類重要而廣泛的資源。而目前電力系統中的儲能資源主要以大型抽水蓄能電站為主，基於電池的儲能設備由於成本較高等原因尚未在電力系統範圍內廣泛套用。
近年來，全球範圍內廣泛開展了共享經濟模式的商業實踐。Uber(優步)和Airbnb(愛彼迎)作為共享經濟的典型代表，已經獲得了較大的商業成功。電力系統的核心任務是為用戶提供穩定可靠的電能，這一提供商品與服務的過程就是電力系統的商業本質之所在。而在目前的電力系統商業模式中，用戶大多被動地“共享”電網基礎設施，而較少真正主動地通過共享的方式與電力系統產生互動。文對此進行了一定的研究，提出了雲儲能這一理念，並對其盈利能力進行了論證。可以預見，將共享經濟模式與電力系統深度融合將會產生未來電力系統的新形態，為用戶釋放更多的紅利。雲儲能很可能成為未來高比例可再生能源電力系統的新形態特徵之一。
對雲儲能及相關概念的定義如下：
雲儲能，是一種基於已建成的現有電網的共享式儲能技術，使用戶可以隨時、隨地、按需使用由集中式或分散式的儲能設施構成的共享儲能資源，並按照使用需求而支付服務費。
雲儲能，依賴於共享資源而達到規模效益，使得用戶可以更加方便地使用低價的電網電能和自建的分散式電源電能。雲儲能可以綜合利用集中式的儲能設施或聚合分散式的儲能資源為用戶提供儲能服務。雲儲能可將原本分散在用戶側的儲能裝置集中到雲端，用雲端的虛擬儲能容量來代替用戶側的實體儲能。雲端的虛擬儲能容量以大規模的儲能設備為主要支撐，以分散式的儲能資源為輔助，可以為大量的用戶提供分散式的儲能服務。
雲儲能，提供商投資大規模的儲能設備可以充分利用規模效應，而使用分散式的儲能資源可以提高現有的閒置儲能的利用率。使用雲儲能的用戶可以根據實際需求向雲儲能提供商購買一定期限內的虛擬儲能的使用權。雲儲能用戶使用雲端的虛擬儲能如同使用實體儲能，通過公共網際網路，用戶可以控制其雲端虛擬電池充電和放電，但與使用實體儲能不同的是，雲儲能用戶免去了用戶安裝和維護儲能設備所要付出的額外成本。而雲儲能提供商把原本分散在各個用戶處的儲能裝置集中起來，通過統一建設、統一調度、統一維護，以更小的成本為用戶提供更
運行與模式
傳統意義上，用戶想要使用儲能來降低綜合用電費用，需要在本地自己投資建設儲能系統，並進行日常的維護。而與之不同的是，雲儲能是基於共享經濟的一種新型的儲能商業模式，其內涵主要通過圖2中的要素體現，具體闡述如下。
1)價值主張：雲儲能以“共享”為主要價值取向，通過用戶共享儲能資源而提高資源利用效率，進而實現綜合成本的降低，並在此基礎上可以進一步滿足更多用戶的儲能使用需求。雲儲能致力於為用戶提供與實體儲能一致的服務，用戶使用雲端虛擬電池就如同使用實體的分散式儲能一樣。用戶在雲儲能模式中的參與感大大增強，他們可以按照自己的意願去控制雲端電池的充電和放電，雲儲能提供商會做出相應的回響。雲儲能商業模式以服務用戶為核心，全力為用戶提供簡便易用、質優價廉的儲能服務。
2)消費者目標群體：根據目前的研究，雲儲能所針對的細分市場為家庭用戶和小商業用戶。這類用戶數量龐大，每個用戶都有使用儲能設備來降低用電費用的動力。然而這類用戶中單一用戶儲能需求量較小，對於價格較為敏感，但是市面上難以買到恰好符合其容量需求的儲能設備，這就為用戶共享儲能資源提供了可能性。此外，家庭用戶之間以及小商業用戶之間的用電行為存在著一定的互補性。因此，為了產生更大更可觀的聚合效益，雲儲能服務應當大量吸收這類用戶。
3)行銷渠道：雲儲能商業模式可以直接通過售電商或者節能服務公司來進行行銷。隨著售電側市場的不斷發展，雲儲能將作為能源增值服務中的一個品種，建立線上線下相結合的靈活行銷渠道。同時結合大數據技術，能夠根據用戶用能習慣實現差異化精準行銷。
4)客戶關係：雲儲能提供商與雲儲能用戶之間是互惠互利的關係。雲儲能提供商能夠提供儲能服務，為用戶降低用電成本，另一方面也能通過提供儲能服務而盈利，此外，雲儲能提供商也通過提供雲儲能服務而改善了用戶的負荷曲線，緩解了系統供需平衡壓力。
5)資源配置：雲儲能提供商的儲能資源配置主要分為兩部分，一部分是集中式的儲能設施，另一部分是分散式的儲能資源。集中式的儲能設施由雲儲能提供商投資建設，方便調度控制，是提供雲儲能服務的主要儲能實體。分散式的儲能資源的所有者一般為用戶或者電網，雲儲能提供商主要通過租賃的
方式獲得分散式儲能資源的使用權。雲儲能提供商所聚集的這些分散式儲能資源是其集中式儲能資源的重要補充。
6)核心能力：雲儲能提供商成功的關鍵是要聚攏大量的具有互補性的用戶並實現規模效益。因此，它需要有數據分析、最佳化、通信、預測等多種技術作為支撐
7)服務流程：雲儲能提供商根據其所掌握的技術經濟信息為用戶設定雲儲能服務價格。用戶根據云儲能服務的價格和自己的用電情況決定購買多少雲端電池容量。雲儲能提供商根據用戶購買雲端電池容量的情況和所模擬出的用戶充放電需求投資建設集中式的儲能設施和租賃分散式的儲能資源。用戶向雲儲能提供商購買儲能容量使用權之後，在運行中根據自身儲能使用需求向其所購買的雲端電池發出充電和放電指令。雲儲能提供商通過合理地選
擇儲能設施的充放電時機以及充放電功率，以期達到儘可能小的自身成本。在運行過程中，配電網為雲儲能充當備用，當儲能設施中的電能不足以滿足用戶的放電需求時，雲儲能提供商從電網直接購買電能供用戶使用。
8)結算方法：用戶使用雲儲能服務需要向雲儲能提供商支付服務費從而獲得雲端電池容量的使用權。在實際運行中，用戶控制雲端電池充電所產生的充電電費按照運行時的實時電價結算，由雲儲能提供商代收。用戶控制雲端電池放電不產生直接費用。用戶控制雲端電池放電的功率超過用戶負荷而產生的向電網反送電的收益將首先由雲儲能提供商代為支付。用戶的負荷不能被雲端電池放電所滿足的部分將由用戶直接與電網結算，支付相應的用電費用。雲儲能提供商向電網支付儲能設施充電的電費、儲能設施電量不能滿足用戶放電需求時從電網獲得功率的電費。儲能設施放電超過用戶放電需求而產生的向電網反送電的收益將由電網支付給雲儲能提供商。因此，在實際運行中的結算次序首先是雲儲能提供商、用戶與電網進行結算，然後是雲儲能提供商和用戶之間進行結算。結算周期可視實際情況設定為每天、每周或每月。
9)成本結構：雲儲能提供商的成本可分為投資成本和運行成本。投資成本包括雲儲能提供商建設集中式儲能設施的成本和租賃分散式儲能資源的成本。運行成本包括兩項正成本和一項負成本。兩項正成本分別是雲儲能提供商充電成本和用戶發出放電需求但是儲能資源中能量不足從而需要從電網直接購電的成本。負成本為用戶因操作其雲端電池充電而產生的充電成本。因此，雲儲能提供商的運行成本為上述兩項正成本之和再扣除用戶充電費用。其他類型的成本，例如財務費用等，暫時未子以考慮。
10) 收入結構：在雲儲能商業模式開展的初期，雲儲能提供商的 收入主要是用戶支付的雲儲能服務費。用戶支付給雲儲能提供商服務費從而獲得未來一定時期內的一定容量的雲端電池的使用權。值得指出的是，為了吸引用戶使用雲儲能服務而不是自己投資分散式儲能，雲儲能提供商為用戶設定的雲儲能服務費單價應低於用戶自建分散式儲能的單位成本的年值。此外，由於雲儲能服務費單價與用戶購買雲端電池的容量的大小呈負相關關係，雲儲能提供商需要進行有策略的定價方式以追求利潤的最大化。
11)利潤來源：雲儲能提供商可以充分利用用戶的儲能使用需求在時間上的互補性，其所投資的儲能設施的容量可以顯著低於所有用戶購買的雲端電池容量的加總。而用戶購買雲端電池容量使用權所繳納的雲儲能服務費是雲儲能提供商的 收入，這就給雲儲能提供商提供了利潤空間。雖然雲儲能提供商實際投資儲能容量低於用戶購買雲端電池容量會導致雲儲能提供商運行成本增加，即其需要在儲能裝置電量不足以滿足用戶放電需求時從電網購買高價的電能以供用戶使用，但是這種情況不經常發生，並且這部分增加的運行成本可以被雲儲能提供商減小容量投資所帶來的收益完全覆蓋。雲儲能提供商通過權衡投資成本和運行成本實現總成本最小化。此外，由於雲儲能提供商可以投資建設集中式的儲能裝置，因此可利用規模效應降低單位容量投資成本，進一步擴大其利潤。
12)裂變模式：目前對於雲儲能的研究主要在於儲存電能，隨著未來商業模式的鋪開以及相關研究的推進，雲儲能也可能會涵蓋儲熱、儲氣等領域。
此外，值得指出的是，雲儲能商業模式和虛擬電廠商業模式。有著一些本質的不同之處。首先是概念提出的初衷不同，虛擬電廠要實現對大量的分散式電源的控制，服務於電網;雲儲能要實現儲能資源的共享，服務於用戶。第二是功能定位不同:虛擬電廠強調其對外的特性是作為一個電廠，是夏售市場中的一個主體;雲儲能強調其儲能設施的本質是滿足用戶的需求，用戶和雲儲能提供商都是零售市場的主體。第三是盈利模式不同:虛擬電廠依靠向電網出售電能和輔助服務獲利;雲儲能的 收入來源於其向用戶收取的雲儲能服務費。第四是負荷的可控性不同:虛擬電廠中包含一些可控負荷;雲儲能不試圖控制用戶負荷。第五是分散式電源依賴性不同:虛擬電廠如果沒有內部的分散式電源則無法很好地運行;雲儲能只要保證零售電價隨時間變化即有盈利的可能。
投資與規劃
雲儲能提供商想要為用戶提供雲儲能服務，首先就是要確定其所需要投資和建設的儲能設施的種類及相應的容量。為了解決這一問題，雲儲能提供商需要進行兩方面的工作，一方面是要對用戶使用雲儲能服務的需求進行有效的估計，另一方面是根據所估計出的用戶儲能需求進行最最佳化的投資決策，如圖3所示。
為了估計用戶使用雲儲能的需求，雲儲能提供商需要根據用戶的歷史用電數據推測其最優的儲能使用行為。雲儲能提供商應當考慮雲儲能服務費用的單價、實時電價以及用戶使用儲能時的各項約束，建立以用戶年度綜合投資和用電成本最小化為目標的儲能最佳化投資模型。通過該模型雲儲能提供商能夠篩選出那些使用雲儲能的總成本低於其不使用儲能時的總成本的用戶，將這類用戶作為目標客戶。用戶充電的時機選擇一般與電價波動具有較強的相關性，而其放電時機的選取則在很大程度上取決於用戶的負荷，即實際用電需求。用戶之間實際用電需求較大的差異性導致了其具有較強的互補性，因此將全部用戶的充放電需求加總之後的放電需求最大值低於單個用戶放電需求最大值的加總。這一特徵為下一步雲儲能提供商削減投資成本奠定了基礎。
雲儲能提供商所決定投資的儲能容量並非是每個用戶所需要的儲能容量的簡單加總，而應當是根據全體用戶的放電需求和可再生能源充電需求所最佳化決策出的結果。由於用戶的放電需求和使用可再生能源充電的需求在最佳化模型中的位置一致但符號相反，故可將其歸併為放電需求，因此雲儲能提供商的任務就是通過最佳化的方法找到最優的儲能技術組合及相應的容量，使儲能系統能夠以最小的綜合成本去滿足用戶的放電需求。
對於用戶的尖峰放電需求，雲儲能提供商不必投人對應量的儲能設施子以保障，而可以在這種需求出現時通過直接向電網購買高價電能的方式來滿足用戶的尖峰需求，從而進一步節約投資成本，保持較高的儲能裝置利用率。雲儲能提供商能夠利用多種儲能技術為用戶提供性價比更高的儲能服務，一些功率型的儲能技術，如超級電容等，可以用於滿足用戶放電曲線中波動較為強烈的部分，而一些能量型儲能技術，如液流電池等，可以用來支撐用戶放電需求曲線中較為平滑的部分。對性能各異的各種儲能技術的綜合投資使用有助於雲儲能提供商滿足用戶儲能使用需求的同時努力降低投資成本。
然而，對用戶儲能需求的估計與最佳化儲能設施投資決策並非單向的過程，因為儲能設施為了滿足用戶需求而進行的充放電會對其壽命產生一定的影響。而壽命的變化會影響分攤到每年的投資成本，因此儲能設施壽命的變化反過來會影響用戶所面臨的雲儲能服務費，反過來又會影響用戶的決策。
值得強調的是，雲儲能提供商獲取儲能設施主要是通過兩種途徑:一是投資使用集中式的儲能設施，二是租賃已有的用戶側分散式的儲能資源。投資集中式的儲能設施可以充分利用規模效應降低單位投資成本，並且便於雲儲能提供商在運行中對其進行調度管理。租賃分散式的儲能資源可以使得雲儲能提供商以較小的成本獲得一定的儲能資源的使用權，在增加了雲儲能投資與規劃的靈活性的同時也提高了閒置資源的利用率，提升了社會福利水
服務與定價
雲儲能提供商的另一個核心任務就是在實時運行中滿足用戶的儲能使用需求，並在此基礎上實現運行成本最小化。雲儲能運行最佳化力一法影響因素滿足用戶儲能使用需求最小化運行成本日前最佳化模刑預測控制儲能設施容景儲能設施壽命多種儲能技術聯合運行
在實際運行中，用戶和雲儲能提供商的儲能充放電行為都具有較強時間上的關聯性，即只有事先充電，才能在後續某個時間節點放電，這是由儲能裝置的物理特性所決定的。由於雲儲能主要是滿足用戶放電需求，因此雲儲能提供商實際上不必去盲目地跟隨用戶使用電網電能向雲端電池充電的需求，而是可以選擇適當的時機控制儲能設施充電。這就需要雲儲能提供商對於未來的信息，即用戶的充放電功率和電價等做出預測，進而採取最佳化的方式進行決策。此外，還要考慮儲能裝置相鄰時段的電量關係，即當前時段的電量是前一時段的電量經過一個時段的充電或放電的作用結果。另外，通過最佳化的方法可以實現對不同種類的儲能設施的充放電的協調。各類儲能設施具有不同的特性和參數，通過最佳化的方法可以實現不同儲能設施的最優協調。
在運行中，雲儲能提供商可以採取日前最佳化的方法根據對於下一日的預測值進行日前決策。它的日前充電和放電計畫是基於對於用戶需求的預測。雲儲能提供商根據對於用戶的需求的預測值通過日前運行最佳化模型，獲得下一日的儲能設施充電和放電策略。雲儲能提供商需要考慮一系列儲能裝置相關的約束，如利用儲能裝置的充放電功率均不應超過其功率容量限值，儲能裝置的電量既不能低於最小電量也不能高於儲能能量容量等。
雲儲能在運行中需要面對較多的不確定性的情況，只有對距離當前時刻較近的時間段進行預測才可以得到相對較好的預測結果。因此為了進一步加強雲儲能應對不確定性的能力，可以採取更為複雜的決策模式，使雲儲能提供商利用更多的電價、負荷等預測信息，做出更具有準確性的前瞻性的運行決策。雲儲能提供商可以基於模型預測控制的理念，採取滾動最佳化的方法得到實時的控制策略。使用該方法時，雲儲能提供商結合對於未來n個時間段的用戶行為的預測、用戶當前充放電需求以及儲能設施當前t時段的狀態，最佳化出t至t+n時間段儲能設施的充電和放電策略。但實際上只採用所最佳化出的t時間段的策略操控儲能設施並對電網及用戶做出反應。在接下來的每一時間段，再次重複上述過程，滾動最佳化出每個時間段的控制策略。
值得注意的是，在雲儲能的運行中，需要控制儲能設施頻繁充放電，這種充放電的模式會引發儲能設施的壽命損耗。因此為了更加精確地對雲儲能的運行建模，還需要對儲能設施壽命損耗的非線性模型進行充分地考慮。同時考慮儲能壽命損耗所分攤的投資成本，還可以將雲儲能的規劃投資與運行建立為一個統一的模型，從而使雲儲能提供商做出更加合理的決策。
價格機制設計是聯繫雲儲能提供商和用戶的關鍵，是雲儲能模式盈利性的根本保證。為了促進雲儲能模式的快速發展並提升社會福利，雲儲能的服務定價必須在保證雲儲能提供商利潤的基礎上讓用戶相較於不使用雲儲能的情形獲得一定的收益。雲儲能服務定價的方法主要可以分為三類，分別是按容量定價、按流量定價和按套餐定價。
按容量定價指雲儲能為用戶設定單位千瓦和單位千瓦時的雲儲能服務費價格，用戶按照自己實際儲能需求向雲儲能提供商購買一定時期內一定容量的雲端電池使用權。由於用戶在使用雲儲能之外還有一種潛在的選擇就是自己投資建設實體的儲能，因此為了吸引用戶使用雲儲能而非投資實體儲能，在按容量定價時，雲儲能單位容量年度服務費應不大於投資實體儲能的單位功率容量投資成本年值。為了確定雲儲能服務費的價格，雲儲能提供商首先需要得到用戶的儲能容量需求曲線。雲儲能提供商可以採用最佳化的方法對不同的雲儲能服務費價格下用戶的最優投資決策進行模擬，進而可以得到用戶的雲儲能需求曲線。根據用戶的雲儲能需求曲線，雲儲能提供商可以依據其市場競爭集中度的大小，找到定價與銷售量的最優點實現利益的最大化。
按流量定價是受到移動網際網路模式啟發而產生的一種新的定價模式。這種定價方式可以讓用戶實現“用多少，付多少”的消費模式，雲儲能提供商依據用戶每次向雲端電池中存人的能量的多少而收取相應的費用。在這種定價模式下，雲儲能提供商要計算出在不同的儲能設施荷電狀態和不同的電價下滿足用戶存儲和釋放單位電能的需求所產生的成本，進而形成雲儲能按流量定價的分段或連續價格曲線。值得指出的是，受儲能設施容量規模的限制，雲儲能服務流量定價無法做到“量大價優”，而是會隨著使用量的增加單位流量價格顯著上升。這種定價策略可以抑制用戶的非理性的儲能使用需求，最終能夠保護雲儲能提供商和用戶的共同利益。
雲儲能服務的定價還可以使用套餐定價的方法。雲儲能提供商需要挖掘用戶的用電行為和儲能使用的歷史數據，對大量用戶的儲能使用的特點進行梳理和分類。在此基礎上，針對每類用戶開發不同的雲儲能服務套餐並給子相應的使用獎勵和優惠措施。不同的套餐可以設定不同的雲端電池參數，有些套餐可以是“功率型”，有些可以是“能量型”，還有些可以是“平衡型”。在套餐定價中，還可以考慮引人“可靠性”，對於需要保證雲端電池時刻都可以充放電的用戶，其雲儲能服務費可以設定得比較高，而對於接受在一天中的某些尖峰時刻不能使用雲儲能服務的用戶，其雲儲能服務費可以設定得比較低。通過利用不同用戶對於雲儲能服務的可靠性要求不同的這一特點，可以進一步增加儲能設施的利用效率。此外，套餐定價也可以綜合容量定價和流量定價的特點，即同一套餐中既包含容量定價的部分又包含流量定價的部分。本質上，雲儲能服務按套餐定價的方法就是一種價格歧視的策略，最大限度地讓用戶使用雲儲能，從而使雲儲能提供商獲得利潤。
發展與展望
雲儲能模式是共享經濟在用戶側儲能領域中的一種探索，未來將會有廣闊的套用空間。從物理角度來講，雲儲能可以在一定程度上將已有的或者潛在的分散式儲能集中並形成一些具有一定規模的儲能電站。雲儲能的出現還將促進用戶側分散式可再生能源的投資併網與就地消納。此外，儲能設施布置位置與用戶對儲能資源的調用也會改變原有的電網潮流分布。
雲儲能理論與方法的研究是一個新的領域，涉及內容廣泛，而目前的研究工作所涵蓋的範圍較為有限。因此雲儲能領域的一些重要問題還需要後續的研究來解決。
1)用分散式儲能資源提供雲儲能服務
雲儲能的儲能實體可以是集中式的儲能設施也可以是分散式的儲能資源，目前的研究側重於如何利用集中式的儲能設施提供雲儲能服務，對聚合利用分散式的儲能資源涉及較少。未來可以對使用分散式的資源提供雲儲能服務進行進一步的研究與探討。
2)包含大規模雲儲能的未來電力系統形態
雲儲能可能成為未來電力系統套用儲能的重要形式，雲儲能的服務需要輸配電網提供能量傳輸支撐，目前的研究尚處於提出雲儲能的理念、模式與方法的階段。因此，需要研究包含大規模雲儲能的未來電力系統形態，具體包括包含雲儲能設備的輸配電網結構、雲儲能大規模接人下輸配電網的潮流特徵，以及由此產生的新的電力系統運行方式、市場機制和定價策略及計算方式等問題。
3)多能源系統中的雲儲能
能源網際網路的發展大背景下，多能源系統的聯合規劃運行的重要性日益凸顯，未來的雲儲能也許不再局限於電能的雲端存儲，可能會涉及儲熱、儲氣、儲氫等領域，與之相關的理論與方法也需要後續進一步地研究與探索。
此外，雲儲能的研究還涉及考慮不同管制規則、考慮多市場主體博弈、考慮對電網可靠性造成的影響等諸多方面，這些領域也有待於未來的研究和探索。
值得指出的是，雲儲能模式順利推向工程實際的套用還需要其他技術和產業政策兩方面的支撐。用戶、雲儲能提供商與電網三者之間的實時準確的通信是雲儲能商業模式得以實施的關鍵，因此雲儲能有賴於先進信息通信技術提供信息流動的載體。此外，儲能技術本身的突破也將會為雲儲能模式的發展起到促進作用，在一定範圍內的儲能單位成本的降低將有助於雲儲能模式產生更大的社會福利改善。在產業政策方面，隨時間而波動的電價是雲儲能得以開展的基礎，因此需要有實時電價或峰谷電價等電價機制的支持。在雲儲能實施和推廣的初期，用戶未必會很好地理解與接受將儲能放在“雲端”的理念，因此也需要制定相關的政策對其進行宣傳與教育。
