劉璐瑤, 楊蘋, 楊康, 曾憲鍇, 袁金榮, 蔣建香

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州 510640)

0 引 言

隨著國內(nèi)電力市場(chǎng)體制改革推進(jìn),靈活可控的儲(chǔ)能可作為獨(dú)立主體參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易,獲取經(jīng)濟(jì)收益。逐漸開放的輔助服務(wù)市場(chǎng)交易也將進(jìn)一步挖掘儲(chǔ)能支撐新型電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)平衡的響應(yīng)能力,增進(jìn)電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性［1］。目前,國內(nèi)由儲(chǔ)能組建的獨(dú)立儲(chǔ)能電站(independent energy storage power station,IESPS)處于商業(yè)化初期階段,盈利模式不清晰,使其參與市場(chǎng)交易的獲利受限［2］,建設(shè)發(fā)展進(jìn)程遭遇瓶頸。電力現(xiàn)貨市場(chǎng)環(huán)境下如何提升IESPS參與市場(chǎng)的收益,與所制訂的儲(chǔ)能調(diào)控策略密切相關(guān)。

目前,關(guān)于儲(chǔ)能調(diào)控策略的研究多集中在與其他對(duì)象聯(lián)合優(yōu)化,包括儲(chǔ)能在發(fā)電側(cè)協(xié)同可再生能源發(fā)電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)控［3-4］、儲(chǔ)能在用戶側(cè)與分布式電源、用戶負(fù)荷聯(lián)合優(yōu)化調(diào)控［5-6］以及儲(chǔ)能在電網(wǎng)側(cè)輔助電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行［7-8］。以上研究調(diào)控儲(chǔ)能利用其進(jìn)行電源消納、功率平抑和電力短時(shí)支撐等,實(shí)現(xiàn)聯(lián)合整體經(jīng)濟(jì)調(diào)控。關(guān)于儲(chǔ)能組建的IESPS參與市場(chǎng)交易的經(jīng)濟(jì)化調(diào)控研究則較少［9-10］。且由于國內(nèi)市場(chǎng)的發(fā)展變化,已有研究設(shè)置IESPS可參與的交易品種和交易階段有限,也未考慮市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)時(shí)其可能面臨的收益風(fēng)險(xiǎn)。IESPS參與市場(chǎng)交易的調(diào)控策略有待進(jìn)一步改善。

為此,本文首先結(jié)合其參與市場(chǎng)的盈利模式,明確IESPS參與各交易品種的開展方式和基本調(diào)控要求,綜合分析后建立IESPS調(diào)控模型;基于調(diào)控模型,通過CVaR表示出IESPS參與市場(chǎng)日前-實(shí)時(shí)交易時(shí)市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)導(dǎo)致的收益風(fēng)險(xiǎn)成本,建立IESPS參與市場(chǎng)多品種交易的日前-實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控策略;最后由仿真算例驗(yàn)證所提策略的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

1 IESPS參與電力市場(chǎng)多交易品種的調(diào)控模型

電力市場(chǎng)環(huán)境下,IESPS的盈利模式與其在市場(chǎng)中可參與的交易品種密切相關(guān)。設(shè)置IESPS可參與電能量市場(chǎng)中的購售電交易、電力輔助服務(wù)市場(chǎng)中的調(diào)峰輔助服務(wù)交易和調(diào)頻輔助服務(wù)交易,其盈利模式如下。

(1) 參與調(diào)頻輔助服務(wù)。IESPS根據(jù)市場(chǎng)調(diào)頻需求,結(jié)合自身調(diào)控性能提供調(diào)頻容量服務(wù)或調(diào)頻里程服務(wù)。該項(xiàng)收益參照兩部制補(bǔ)償機(jī)制計(jì)算。

(2) 參與調(diào)峰輔助服務(wù)。IESPS根據(jù)市場(chǎng)調(diào)峰需求,在負(fù)荷低谷充電、高峰放電。考慮IESPS參與峰谷套利時(shí)高峰放電可直接上網(wǎng)套利,該項(xiàng)收益僅包括低谷充電的調(diào)峰補(bǔ)償。

(3) 價(jià)格套利。IESPS根據(jù)電能量市場(chǎng)中電價(jià)波動(dòng),低價(jià)購電和高價(jià)售電。該項(xiàng)收益由峰谷時(shí)段和日前-實(shí)時(shí)階段的電價(jià)差距決定。

綜上所述,IESPS參與電力市場(chǎng)多交易品種的收益如下。

(1)

(2)

(3)

分析該盈利模式下IESPS參與多交易品種的開展方式和調(diào)控要求:日前階段,根據(jù)IESPS申報(bào)的調(diào)頻里程和調(diào)頻容量、調(diào)峰電量、購售電量,得到其日前調(diào)控計(jì)劃;實(shí)時(shí)階段,IESPS在日前調(diào)控計(jì)劃基礎(chǔ)上,結(jié)合電價(jià)波動(dòng)下申報(bào)的調(diào)頻里程和購售電量,進(jìn)一步協(xié)調(diào)IESPS下一時(shí)段充放電計(jì)劃。由此建立IESPS站參與電力市場(chǎng)多交易品種的調(diào)控模型如下。

(4)

(5)

2 IESPS參與電力市場(chǎng)多交易品種的優(yōu)化調(diào)控策略

2.1 調(diào)控收益風(fēng)險(xiǎn)分析

結(jié)合IESPS盈利模式可知,市場(chǎng)交易價(jià)格波動(dòng)會(huì)對(duì)其參與市場(chǎng)多交易品種的調(diào)控收益產(chǎn)生影響。實(shí)際交易價(jià)格不符合預(yù)期時(shí),原定調(diào)控計(jì)劃可能無法實(shí)現(xiàn)收益最優(yōu)。條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值可合理量化不同價(jià)格波動(dòng)場(chǎng)景下IESPS參與市場(chǎng)多交易品種的收益風(fēng)險(xiǎn)成本［11］,公式如式(6)所示。

(6)

2.2 目標(biāo)函數(shù)

考慮IESPS的運(yùn)行成本、參與日前-實(shí)時(shí)市場(chǎng)的偏差轉(zhuǎn)移成本、市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)造成的調(diào)控收益風(fēng)險(xiǎn),使得IESPS參與市場(chǎng)多交易品種的收益最大化。優(yōu)化目標(biāo)計(jì)算如式(7)～式(9)所示。

(7)

(8)

(9)

2.3 約束條件

為防止IESPS中儲(chǔ)能出現(xiàn)過充過放、確保其申報(bào)電量在儲(chǔ)能調(diào)控特性范圍內(nèi),需對(duì)儲(chǔ)能自身調(diào)控特性、參與多品種交易時(shí)申報(bào)電量進(jìn)行約束。

1)儲(chǔ)能調(diào)控特性約束

(10)

(11)

(12)

2) 參與多交易品種約束

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

2.4 優(yōu)化調(diào)控策略

建立日前和實(shí)時(shí)兩階段下IESPS參與市場(chǎng)多交易品種的優(yōu)化調(diào)控策略,如圖1所示。

圖1 IESPS參與市場(chǎng)多交易品種的優(yōu)化調(diào)控策略

(1) 日前階段。結(jié)合市場(chǎng)日前價(jià)格和收益風(fēng)險(xiǎn),以IESPS參與多交易品種收益最優(yōu)為目標(biāo),優(yōu)化IESPS的購售電量、調(diào)峰電量、調(diào)頻容量和調(diào)頻里程,得到其日前最優(yōu)調(diào)控計(jì)劃。

(2) 實(shí)時(shí)階段。結(jié)合市場(chǎng)實(shí)時(shí)價(jià)格、收益風(fēng)險(xiǎn)和偏差轉(zhuǎn)移成本,再次優(yōu)化IESPS的購售電量、調(diào)頻里程,調(diào)整日前調(diào)控計(jì)劃并實(shí)時(shí)執(zhí)行。

3 算例分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

設(shè)計(jì)容量為20 MWh的IESPS進(jìn)行仿真算例。儲(chǔ)能具體調(diào)節(jié)參數(shù)和輔助服務(wù)市場(chǎng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。收益風(fēng)險(xiǎn)分析中設(shè)置置信水平α=0.95［12］。

表1 仿真參數(shù)

3.2 調(diào)控收益分析

選取IESPS的風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度為λda=λrt=0.5進(jìn)行調(diào)控收益分析。設(shè)置仿真場(chǎng)景包括:參與單一交易品種;參與多交易品種。不同場(chǎng)景下IESPS的調(diào)控收益如表2所示。

表2 不同場(chǎng)景下獨(dú)立儲(chǔ)能電站的調(diào)控收益

1) 場(chǎng)景一:參與單一交易品種

仿真結(jié)果如圖2所示,包括以下三種情況。

(1) 僅參與調(diào)頻輔助服務(wù)交易時(shí),IESPS運(yùn)營商需調(diào)控儲(chǔ)能,使相應(yīng)時(shí)段其容量滿足中標(biāo)的調(diào)頻容量,充放電功率滿足調(diào)用的調(diào)頻里程。由于儲(chǔ)能在充放電過程中正常消耗電量且存在自放電情況,均會(huì)在能量轉(zhuǎn)換中損失部分電量。因此IESPS在部分時(shí)刻無法提供向上調(diào)頻服務(wù),需在電能量市場(chǎng)購電充電,保證調(diào)控結(jié)束時(shí)儲(chǔ)能滿足荷電狀態(tài)約束。

(2) 僅參與調(diào)峰輔助服務(wù)交易時(shí),IESPS運(yùn)營商僅調(diào)控儲(chǔ)能在中標(biāo)時(shí)刻進(jìn)行充電,并在市場(chǎng)電價(jià)較高時(shí)售電,保證容量滿足下一次調(diào)峰,其他時(shí)刻IESPS不動(dòng)作。因此,與僅參與調(diào)頻相比,儲(chǔ)能在整個(gè)調(diào)控周期的利用率較低,相應(yīng)調(diào)控收益略低。

(3) 僅參與價(jià)格套利時(shí),IESPS運(yùn)營商根據(jù)電能量市場(chǎng)電價(jià)波動(dòng),遵循“低價(jià)買入、高價(jià)賣出”利用儲(chǔ)能套利。由于日前和實(shí)時(shí)電價(jià)波動(dòng)存在差異,IESPS并非按照單一階段的電價(jià)高低進(jìn)行套利:市場(chǎng)允許偏差比例約束下,IESPS優(yōu)先在實(shí)時(shí)電價(jià)低且日前-實(shí)時(shí)電價(jià)差為正時(shí)購電;優(yōu)先在實(shí)時(shí)價(jià)格高且日前-實(shí)時(shí)電價(jià)差為負(fù)時(shí)售電。此時(shí),需IESPS承擔(dān)充電費(fèi)用,且調(diào)控特性約束下IESPS參與峰谷套利的購售電量有限,即套利收益有限。

2) 場(chǎng)景二:參與多交易品種

仿真結(jié)果如圖3所示。該場(chǎng)景下,IESPS運(yùn)營商可根據(jù)參與各交易品種的調(diào)控需求、儲(chǔ)能自身調(diào)控特性約束,控制IESPS中儲(chǔ)能的充放電功率。

對(duì)比場(chǎng)景一和場(chǎng)景二的仿真結(jié)果,結(jié)合表2,IESPS的調(diào)控收益相比參與單一交易品種顯著提升。與場(chǎng)景一相比,場(chǎng)景二中IESPS可獲得收益時(shí)段增加,調(diào)控儲(chǔ)能在調(diào)峰需求時(shí)刻充電以提供調(diào)峰輔助服務(wù)、在電價(jià)及電價(jià)差合適時(shí)刻充放電以進(jìn)行價(jià)格套利,其他時(shí)刻參與調(diào)頻輔助交易,顯著提高儲(chǔ)能利用率。

3.3 收益風(fēng)險(xiǎn)分析

為確定合理的風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度,幫助IESPS規(guī)避電價(jià)波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn),在0.4～1.5范圍內(nèi)調(diào)整參數(shù),對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度下IESPS收益風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。仿真結(jié)果如圖4所示,IESPS調(diào)控收益伴隨風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度的增加而降低。這是由于風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度增加后IESPS應(yīng)對(duì)市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的意愿降低,使得其減少自身市場(chǎng)交易活動(dòng)以降低可能面臨的收益風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致調(diào)控收益反而下降。

圖4 不同風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度下獨(dú)立儲(chǔ)能電站的調(diào)控收益

4 結(jié)束語

(1)相較于參與單一交易品種,IESPS可多時(shí)間尺度靈活調(diào)控儲(chǔ)能參與多交易品種,通過合理安排各交易品種的參與時(shí)段和電量,提高儲(chǔ)能容量和功率的利用率,結(jié)合市場(chǎng)日前-實(shí)時(shí)階段的電價(jià)變化獲得更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)收益。

(2) 利用條件價(jià)值風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避市場(chǎng)電價(jià)波動(dòng)的收益風(fēng)險(xiǎn)時(shí),應(yīng)合理設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度,防止由于風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度選值過高導(dǎo)致獨(dú)立儲(chǔ)能電站參與市場(chǎng)交易的意愿過低,反而造成調(diào)控收益下降。

(3) 目前,國內(nèi)各省對(duì)于新型儲(chǔ)能參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易的允許程度不一,IESPS可參與的市場(chǎng)交易品種有限,明顯限制了IESPS收益,導(dǎo)致其投資回報(bào)性不高,發(fā)展受限?？紤]到新型電力系統(tǒng)的建設(shè)要求之緊迫,相關(guān)引導(dǎo)和參與機(jī)制需要更快落地。