李 遷, 姜 欣, 張鈞釗, 段世杰, 金 陽

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院,鄭州 450001)

儲能系統(tǒng)(Energy Storage System, ESS)作為電力能源的新興市場主體,具有響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)靈活的特點,使其在解決電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰、緩解線路阻塞等問題上發(fā)揮重要作用,其應(yīng)用也貫穿電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷各環(huán)節(jié)[1].以“碳達峰、碳中和”為目標的新型電力系統(tǒng)提出后,ESS的發(fā)展受到各國極大重視.2021年7月中國發(fā)展和改革委員會和國家能源局印發(fā)《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》要求建立健全ESS參與的市場機制[2].2022年12月,國家能源局發(fā)布《電力輔助服務(wù)管理辦法》,鼓勵新型ESS參與電力輔助服務(wù)[3].2018年美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會施行841號令允許ESS平等參與現(xiàn)貨電能量、輔助服務(wù)及容量市場[4].隨著ESS深度發(fā)展,相關(guān)研究也越來越多.有關(guān)ESS參與交易方面,文獻[5]中提出一種差異化市場下ESS運營風(fēng)險評估方法對其參與不同市場進行風(fēng)險評估;文獻[6]中提出基于模糊邏輯的ESS管理系統(tǒng),該系統(tǒng)降低了平均峰值負載和運營成本.有關(guān)ESS集群參與方面,文獻[7]中采用ESS聚合的參與方式實現(xiàn)資源統(tǒng)一調(diào)度;文獻[8]中提出分布式小型ESS可以通過聚合參與的方式進行集中調(diào)度,為電網(wǎng)提供不同服務(wù).有關(guān)ESS參與市場出清模型方面,文獻[9]中基于自適應(yīng)均衡技術(shù)建立一種聯(lián)合出清模型,解決ESS未能有效聚合的問題;文獻[10]中建立ESS最大化收益模型,并提出一種計算最優(yōu)需求響應(yīng)等級容量的方法.

目前,針對ESS參與市場的研究主要集中在電網(wǎng)輔助服務(wù)、優(yōu)化新能源并網(wǎng)、負荷側(cè)管理等方面.文獻[11]中針對ESS設(shè)計參與服務(wù)市場的交易機制;文獻[12]中提出移動ESS與高比例新能源的協(xié)同調(diào)度方法;文獻[13]中認為ESS等可調(diào)控負荷可以通過向代理商上報信息來參與市場交易.值得深究的是,大量研究都在中長期市場進行,鮮有研究關(guān)注ESS在電力現(xiàn)貨市場的交易行為.由于ESS具有響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)靈活的特點并且工作具有較強的時段耦合性,所以市場相關(guān)機制與模式的設(shè)計會對其運行和盈利產(chǎn)生重要影響[11].國內(nèi)現(xiàn)貨市場尚不成熟,未針對ESS參與設(shè)計市場模式;國外電力現(xiàn)貨市場中,對于ESS參與交易也處于建設(shè)探索階段,無法提供相關(guān)成熟經(jīng)驗[14].

綜上,在促進ESS交易方面,現(xiàn)有研究多集中參與市場的頂層概念設(shè)計,并未考慮電力市場放開后市場主體急劇增加而現(xiàn)行的相關(guān)機制及模式難以有效支撐規(guī)?；疎SS參與市場的問題;另外,在提升資源配置效率方面,現(xiàn)有研究多集中在分布式資源等小微主體參與市場運營模式、控制策略、交易方式等方面,較少涉及規(guī)?；疎SS的研究;且現(xiàn)有研究多涉及中長期市場,鮮有針對ESS參與現(xiàn)貨聯(lián)合市場的商業(yè)模式和相關(guān)市場機制的研究.

博弈論被廣泛應(yīng)用于研究存在利益沖突的個體之間的相互作用以及個體如何進行優(yōu)化決策[15].文獻[16]中建立基于多領(lǐng)導(dǎo)者-多跟隨者的主從博弈模型,揭示多電力零售商與多用戶之間的戰(zhàn)略交易行為;文獻[17]中利用斯塔克爾伯格博弈理論建立基于區(qū)域鏈的微電網(wǎng)市場雙層博弈模型,得到最優(yōu)交易策略;文獻[18]中構(gòu)建考慮碳中和的集成能源系統(tǒng)-氫氣-天然氣混合ESS的合作博弈模型,明確其主體競爭關(guān)系.利用博弈論分析電力市場參與者競爭已較為常見,但將ESS作為研究對象系統(tǒng)地分析各市場主體的博弈關(guān)系及市場機理的研究較少,且鮮有研究基于博弈論探索規(guī)模化ESS參與現(xiàn)貨市場的商場模式及相關(guān)機制.

因此,為了更好地促進ESS參與多級市場、增強市場聯(lián)動性與合作性,從國外典型市場出清機制出發(fā),提出適應(yīng)規(guī)?；疎SS參與國內(nèi)現(xiàn)貨市場的聯(lián)合出清機制,包括投標方式、計費方式和出清方式等.其次,為充分發(fā)掘規(guī)?；疎SS的市場價值與其他附加價值、增強集群效應(yīng)并解決ESS容量閑置問題,在當前交易的基礎(chǔ)上提出適應(yīng)規(guī)模化ESS參與現(xiàn)貨市場的商業(yè)模式,包含獨立式、聯(lián)盟式、共享式,并分析市場交易鏈中存在的博弈關(guān)系,量化其價值體系.在此基礎(chǔ)上,基于博弈論設(shè)計“出清-調(diào)度”雙層互動博弈架構(gòu),構(gòu)建不同商業(yè)模式下ESS參與現(xiàn)貨聯(lián)合市場的模型范式;同時基于強對偶理論和Karush-Kuhn-Tucke (KKT)最優(yōu)條件理論求解該雙層模型.最后,利用仿真分析驗證所提參與市場方式、出清模型及求解方法的有效性和可行性

1 適應(yīng)儲能系統(tǒng)參與現(xiàn)貨市場的聯(lián)合出清機制

國內(nèi)外各市場中現(xiàn)貨市場的出清機制各不相同[14],但基本的核心元素相似.對國內(nèi)典型現(xiàn)貨市場如山東、南方(以廣東起步,下同)、浙江以及美國Pennsylvania-New Jersey-Maryland (PJM)市場等進行對比分析.為體現(xiàn)ESS特點,機制分析以及后續(xù)仿真分析僅針對電能量市場和調(diào)頻輔助服務(wù)市場.

如圖1所示,山東電網(wǎng)在日前市場采用順序出清的方式對多市場進行市場出清.實時市場參考日前市場出清信息運行市場,并補充出清或調(diào)用[19].具體而言,在日前利用安全約束機組組合(Security Constrained Unit Commitment,SCUC)安排發(fā)電機組運行;之后根據(jù)安全經(jīng)濟約束調(diào)度(Security Constrained Economic Dispatch,SCED)計算節(jié)點邊際電價;最后利用日前可靠性機組組合(Reliability Unit Commitment,RUC)等確定調(diào)頻容量價格及中標量,減去已用容量后進行日前SCED以確定日前發(fā)電計劃并計算節(jié)點邊際電價(Locational Marginal Price, LMP).實時市場參考實時需求確定進行補充的實時市場出清或調(diào)用電力資源,并減去確定的中標容量后計算實時SCED,得到實時市場發(fā)電計劃及節(jié)點邊際電價.南方電網(wǎng)在日前市場和實時市場均采用順序出清的方式進行市場出清;但是在日前市場中,輔助服務(wù)市場僅作預(yù)出清,結(jié)算在實時市場進行.值得注意的是,在順序出清中只計算調(diào)頻里程價格,容量價格在市場運行前單獨進行核定[20].浙江電網(wǎng)采用輔助服務(wù)市場與電能量市場聯(lián)合優(yōu)化出清的方式進行市場出清,實時市場采用事前定價方式進行結(jié)算,即結(jié)算價格為實時市場的事前出清價格,發(fā)電企業(yè)結(jié)算電量為實際計量上網(wǎng)電量,用戶結(jié)算電量為實際用電量.

如圖2所示,PJM的日前和實時市場分開計算,在日前市場只出清現(xiàn)貨電能量市場,即電能量和備用輔助服務(wù)市場的聯(lián)合出清, 不包含調(diào)頻輔助服務(wù)出清,不考慮備用輔助服務(wù);在實時市場進行多市場聯(lián)合出清.日前節(jié)點邊際電價用于實時市場出清時核算機會成本,而實時節(jié)點邊際電價用來計算調(diào)頻輔助服務(wù)市場結(jié)算價格中的機會成本[21].美國加利福尼亞州(簡稱加州)/德克薩斯州(簡稱德州)市場在日前多市場聯(lián)合出清(見圖2),在實時市場僅視情況進行補充出清;德州市場只支付調(diào)頻容量費用,不結(jié)算調(diào)頻里程[22].美國中部/紐約州市場均進行多市場聯(lián)合出清(見圖2),現(xiàn)貨市場的各電量價格同時產(chǎn)生[23];日前市場只支付調(diào)頻容量費用,實時市場支付調(diào)頻容量偏差成本及調(diào)頻里程費用.

圖2 國外典型市場出清機制Fig.2 Typical foreign market clearing mechanism

國內(nèi)市場多采用順次出清機制.山東電力日前市場出清考慮機會成本,需要根據(jù)安全機組組合及安全經(jīng)濟調(diào)度進行多次計算,過程較為繁瑣.廣東電網(wǎng)忽略日前機會成本并對輔助服務(wù)市場進行預(yù)出清,簡化了計算,但會引起資源的非經(jīng)濟性調(diào)用;PJM/新英格蘭市場在日前只進行現(xiàn)貨電能量市場出清,因而日前及實時的市場類型存在差異,客觀上造成日前及實時市場現(xiàn)貨電能量價格的偏離[24];美國加州、德州、中部、紐約州4個市場在日前環(huán)節(jié)考慮調(diào)頻輔助服務(wù)市場出清,均采用多市場聯(lián)合出清機制,以獲得整體最優(yōu)的計劃安排.山東電網(wǎng)在價格出清計算時只計算調(diào)頻容量價格,而忽略調(diào)頻里程價格;南方電網(wǎng)在市場運行前計算調(diào)頻容量價格,因此在運行中只計算調(diào)頻里程價格;根據(jù)美國聯(lián)邦能源管理委員會施行的第755號令,規(guī)定區(qū)域內(nèi)PJM等市場綜合分析ESS的實際表現(xiàn)、調(diào)頻容量、調(diào)頻里程價格都需要計算,但美國德州電力市場只計算調(diào)頻容量價格而不結(jié)算調(diào)頻里程[25].

對國內(nèi)外典型出清參與現(xiàn)貨市場出清機制總結(jié)分析,提出ESS參與現(xiàn)貨市場的出清機制.為保證ESS安全經(jīng)濟、利益最大化,依然需要多次計算安全經(jīng)濟調(diào)度模型,具體如圖3所示.

圖3 規(guī)?；瘍δ軈⑴c聯(lián)合市場的出清機制Fig.3 Clearing mechanism for large-scale energy storage to participate in joint market

(1) 投標方式.我國目前施行分段報價[26],可視為價格-數(shù)量的簡單投標方式.為避免簡單投標極易引起市場主體的投機行為,采用復(fù)雜投標方式,此方式完全披露技術(shù)約束,由調(diào)度/交易中心在交易出清時執(zhí)行這些約束[27].

(2) 計費方式.參考美國加州市場對ESS的處理方法,采用計及績效的計費方式,考慮響應(yīng)速度和供應(yīng)商遵循運營商信號的準確性.在調(diào)頻市場上采用兩部制定價機制,即同時考慮實際調(diào)頻量機會成本的容量價格和調(diào)頻效果的里程價格[28],計算方法為

(1)

式中:r、m分別為調(diào)頻容量和調(diào)頻里程;Cr、Cm分別為調(diào)頻容量和調(diào)頻里程收益;λr、λm分別為調(diào)頻容量、調(diào)頻里程價格.

(3) 出清方式.采用節(jié)點邊際電價方式進行市場出清,能量以節(jié)點和小時為基礎(chǔ)定價,為市場參與者提供合理的電價信號.規(guī)?；疎SS會影響節(jié)點邊際電價,在輸電限制的區(qū)域尤為明顯,故將其視為價格制定者.ESS作為一種優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源,參與調(diào)頻時將被優(yōu)先調(diào)用[7].

(4) 出清流程.首先確定日前市場參數(shù)進行模擬出清計算,采用多段報量報價、用戶對規(guī)?；疎SS進行報量;然后進入市場選擇模式,所有市場主體提交次日24時段的分段容量及補償價格,調(diào)度和交易中心根據(jù)主體申報信息考慮相關(guān)約束后,采用節(jié)點邊際電價分24時段進行出清,并進行相關(guān)信息校核.調(diào)度和交易中心發(fā)布的中標結(jié)果包含中標電量以及中標電價.

2 儲能參與市場的多樣化商業(yè)模式

2.1 服務(wù)模式

從經(jīng)濟發(fā)展來看,中國宏觀經(jīng)濟正由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段,消費結(jié)構(gòu)將從商品消費為主轉(zhuǎn)向商品消費與服務(wù)消費雙輪驅(qū)動[29].伴隨著能源產(chǎn)業(yè)深度發(fā)展,多樣化服務(wù)模式將在電力服務(wù)中扮演越來越重要的角色.依據(jù)市場競爭交易的規(guī)律,ESS參與市場的服務(wù)模式分為3種:獨立式服務(wù),即聚焦于新興市場主體的單一性服務(wù);聯(lián)盟式服務(wù),即聚焦于一體化,提供多樣化服務(wù),實現(xiàn)資源統(tǒng)一調(diào)度;共享式服務(wù),即聚焦于多元化,提供多樣且自由化的交易.

2.2 參與方式

(1) 獨立式.我國的能源政策已經(jīng)明確了ESS作為市場主體的定位,使得ESS作為單獨主體參與市場成為現(xiàn)實.如圖4所示,獨立式交易是指符合上網(wǎng)條件的ESS與電力用戶遵守雙方意愿,以雙邊協(xié)商、集中競價等方式進行競價交易,將獨立的ESS與其他市場主體視為同等地位參與競價,選擇提交自調(diào)度計劃參與市場或者將運營控制權(quán)完全移交.ESS投資主體是單一的,參與市場的服務(wù)也是單一性的.國內(nèi)部分省份規(guī)定獨立ESS參與市場時,其額定容量必須在10 MW以上,大大超過國外典型市場0.1 MW的準入條件[30].值得注意的是,嚴苛的市場條件可以減小運營商的組織壓力,但會造成市場無法完全所有市場資源的價值,可能會阻礙部分設(shè)施的投資.

圖4 參與方式示意圖Fig.4 Diagram of participation method

(2) 聯(lián)盟式.為保證社會資源最大效用化,解決分散主體參與市場難的問題,增強集群效應(yīng),結(jié)合近幾年“聚合商”“虛擬電廠”的概念,在考慮多個利益相關(guān)者的組合式能源消納基礎(chǔ)上,提出聯(lián)盟式的參與方式.聯(lián)盟式交易是以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為基礎(chǔ)、以應(yīng)對共同競爭者或?qū)I(yè)務(wù)推向新領(lǐng)域等為目的,將建設(shè)位置分散、投資主體多樣的規(guī)?；疎SS結(jié)成互相協(xié)作聯(lián)盟的一種合作模式.投資商通過聯(lián)盟將投資主體不一、位置不限的規(guī)?；疎SS聚合為ESS聯(lián)盟以實現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)度,提供多樣化的市場服務(wù),增加ESS市場競爭力和投資回報率.

值得說明的是,對于對外交易而言,ESS聯(lián)盟等價于一個大型獨立ESS系統(tǒng)主體.聯(lián)盟主體可以自由決策,憑借聯(lián)盟內(nèi)部各主體的互補性質(zhì)聚合參與競價決策,有效增加內(nèi)部各主體的利益.

(3) 共享式.為充分發(fā)掘規(guī)?；疎SS的市場價值與其他附加價值,解決部分地區(qū)ESS資源閑置等問題,結(jié)合“共享經(jīng)濟”的概念,提出共享式的參與方式.共享式是一種考慮多投資主體、多服務(wù)方式的共享服務(wù)方式.共享式本質(zhì)是將主體的所有權(quán)與使用權(quán)剝離,也就是將規(guī)?；疎SS的使用權(quán)租賃給ESS服務(wù)的多個需求商,不同類型的用戶可以分享自己的需求,從而得到多樣化的服務(wù),形成能量流和信息流;共享ESS運營商獲取此信息流和能量流,并對其進行分析,掌握多種類用戶的負荷情況,結(jié)合電價等因素,進行ESS設(shè)備的能量優(yōu)化調(diào)度.按照不同用戶負荷出現(xiàn)峰值時間和充、放電需求不同,合理統(tǒng)籌規(guī)劃,實現(xiàn)多用戶之間共享ESS設(shè)施.

該模式能夠提高ESS利用率,解決ESS容量閑置問題,并提高投資者收益.交易ESS使用權(quán)的消費者可以得到ESS服務(wù),用于生產(chǎn)與生活[31].共享式面向ESS的多樣化交易,旨在探索用于高比例新能源場景高效利用的“共享儲能”市場化服務(wù)模式,從市場化交易、輔助服務(wù)、碳減排等方面發(fā)掘ESS的多元化價值.

2.3 博弈關(guān)系

博弈關(guān)系架構(gòu)如圖5所示.博弈由決策者、決策空間和收益3部分組成[32].比如,ESS以聯(lián)盟的形式參與市場交易時,決策者是運營商或運營平臺;博弈參與者是規(guī)模化ESS聯(lián)盟、獨立ESS、常規(guī)機組、電網(wǎng)企業(yè)等;博弈策略是市場交易的電量和電價;收益是售電與成本的價格差以及分配收益,所有參與者均可合理分配合作收益,使得所有參與者的資源參與合作.

(1) ESS與調(diào)度/交易中心的主從博弈.ESS作為主從博弈的領(lǐng)導(dǎo)者,考慮安全經(jīng)濟調(diào)度,以自身經(jīng)濟最優(yōu)公布市場信息;調(diào)度和交易中心作為跟隨者趨利性協(xié)調(diào)運行,參考市場信息決定最優(yōu)出清策略,同時反饋ESS市場中標信息.

(2) 市場主體的非合作博弈.在交易過程中,ESS與其他賣方之間相互獨立且在同一平臺交易,不存在合作關(guān)系,屬于同等級別競爭,并認為其交易行為是理性的[33].非合作主體之間參考市場需求進行價格競爭,追求自身經(jīng)濟最優(yōu),從而達到均衡狀態(tài).在實際交易中各市場主體之間并未達成一個具有約束力的協(xié)議,只關(guān)心各自的經(jīng)濟利益,并且部分局中人在交易完成時刻都無法獲得競爭者的競爭信息.在此期間,系統(tǒng)運行約束構(gòu)成局中人相互間策略的制約.

(3) 聯(lián)盟內(nèi)部合作博弈.市場主體合作中單個主體的收益不一定都大于不合作時的收益,但是合作參與市場的整體收益一定大于不合作的收益.ESS聯(lián)盟可以利用內(nèi)部各主體的時間互補性增強自身參與市場的能力,同時提高市聯(lián)盟收益.若N個局中人選擇合作參與市場,那么收益和損失分攤到個體,即等價于一個局中人.

3 不同商業(yè)模式下的出清模型范式

3.1 價值量化

結(jié)合我國當前市場建設(shè)情況,從電能價值、輔助服務(wù)價值、其他附加價值3個方面量化規(guī)?；疎SS參與市場的價值.

(1) 電能價值是指作為電能的使用價值,以電費支付、電價補貼等方式進行實現(xiàn):

(2)

(2) 輔助服務(wù)價值是指ESS單獨或聚合為虛擬電廠(Virtual Power Plant, VPP)后提供額外的調(diào)峰、調(diào)頻和備用服務(wù)產(chǎn)生的價值.選用調(diào)頻容量和調(diào)頻里程兩方面來體現(xiàn)輔助服務(wù)價值,可以直接反映所需要的調(diào)節(jié)資源量,即

(3)

(3) 其他附加價值:不直接參與市場,而是以另一種途徑交易電量進行收益,如租賃費用等.

(4)

3.2 出清模型

本文規(guī)?；疎SS參與現(xiàn)貨市場雙層博弈交易出清模型范式架構(gòu)如圖6所示.上層ESS為領(lǐng)導(dǎo)者以收益最大為目標進行策略性報價,下層調(diào)度/交易中心為跟隨者以社會福利最大為目標進行聯(lián)合市場出清.3種商業(yè)模式對外交易出清模型一致,聯(lián)盟式需要在參與市場之前進行內(nèi)部規(guī)劃,而共享式需要提前預(yù)留容量.而約束條件上,聯(lián)盟式以及共享式均是在獨立式的基礎(chǔ)上增加約束條件,介紹如下.

圖6 出清模型范式架構(gòu)Fig.6 Paradigm architecture of bilevel clearing model

(1) 上層市場目標函數(shù):

(5)

約束條件包括申報約束和投標約束.

其中,申報約束為

(6)

投標約束為

(7)

式中:pi表示ESS充、放電量;di、zi、αi、βi、ξi、σi表示ESS的能量、調(diào)頻容量、調(diào)頻里程價格曲線上、下基準系數(shù);kei、kri、kmi為以上3種價格的系數(shù).

其中約束條件還包含ESS的SOC約束、個體容量約束等,均為ESS的常規(guī)約束,不再一一說明.

(2) 下層市場出清模型.

日前市場:

(8)

約束條件包括能量市場功率平衡約束、調(diào)節(jié)容量平衡約束和調(diào)節(jié)里程約束.

其中,能量市場功率平衡約束為

(9)

式中:rw,t、rL,t分別為系統(tǒng)的風(fēng)電量和負荷量.

調(diào)節(jié)容量平衡約束為

(10)

調(diào)節(jié)里程約束為

(11)

常規(guī)機組申報的約束條件與ESS相同.常規(guī)機組的約束條件還包括個體容量等常規(guī)約束,不再一一說明.

實時市場:

(12)

約束條件包括日內(nèi)偏差平衡約束和負荷削減和棄風(fēng)約束.

其中,日內(nèi)偏差平衡約束為

(13)

負荷削減和棄風(fēng)約束為

(14)

約束條件還有常規(guī)機組和ESS上、下調(diào)頻容量調(diào)用約束,調(diào)用量的大小均應(yīng)在日前中標量范圍之內(nèi).

3.3 利益分配

利益公平分配是合作博弈的前提,因此需要著重考慮利益分配問題.合作博弈可以很好地解決資源共享及利益沖突問題,本文采用基于兩步聯(lián)盟合作博弈的電力交易算法,該算法首先采用拍賣法[35]確定交易順序,然后應(yīng)用Shapley值[36]公平分配此部分利潤.在合作博弈中的隱含假設(shè)是:參與者可以組建聯(lián)盟并就如何分配具有可轉(zhuǎn)讓效用的聯(lián)盟收益進行具有約束力的協(xié)議.

3.4 求解算法

本文商業(yè)模式和市場機制所提報價策略屬于雙層博弈問題,可以基于討價還價理論進行分析;其次,所提規(guī)?；疎SS的出清模型屬于混合整數(shù)優(yōu)化問題, 在KKT最優(yōu)性條件將下層市場出清模型轉(zhuǎn)化為上層市場模型的約束條件[37],則此時原雙層模型被轉(zhuǎn)化為單層數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化方法為

(15)

式中:f(x,y)、g(x,y)和F(x,y)、G(x,y)分別為上層和下層映像函數(shù);S(x)為下層出清模型的解集,利用KKT條件,變換為單層數(shù)學(xué)模型,即

(16)

式中:兩個限制條件為下層模型的KKT最優(yōu)條件.

使用強對偶定理[38]簡化一些非線性表達式,可以將具有均衡約束的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題模型重構(gòu)為等效的混合整數(shù)線性規(guī)劃,變量只能取整數(shù):

min (cTx+dTy:f(x,y)=b,y≥0,0≤x∈N)

(17)

式中:c、d分別為輸入、輸出的轉(zhuǎn)置系數(shù);b為常量.

最后,使用軟件MATLAB 2016a求解此數(shù)學(xué)模型,詳細求解過程如圖7所示.

圖7 雙層模型范式求解流程Fig.7 Solution process of bilevel model paradigm

4 算例分析

當機組的初始參數(shù)固定,選擇不同的商業(yè)模式運行收益可能不同,也即存在一個商業(yè)模式使得機組的收益最大;同時也存在同一主體參與多個商業(yè)模式收益最優(yōu)的可能,此時研究范圍屬于最優(yōu)規(guī)劃問題,不屬于本文研究范疇,故不進行分析.選用同一種機組分別參與3種商業(yè)模式,驗證商業(yè)模式的有效性并給出指導(dǎo)性意見.

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

各機組參數(shù)如表1所示.表中:Pmax、Pmin分別為機組最大出力和最小出力;A、B、C為常規(guī)機組的成本特性系數(shù);Rgmax為常規(guī)機組的最大調(diào)頻容量;空白表示不適用.系統(tǒng)調(diào)頻里程乘子如表2所示.日負荷曲線、風(fēng)量預(yù)測和上/下調(diào)頻需求如圖8所示.圖中:P為能量;R為系統(tǒng)調(diào)頻容量需求.風(fēng)能以0.161元/(kW·h)的價格向日前平衡市場和實時平衡市場供應(yīng)電能.忽略ESS的自放電,其維護成本為0.041元/(kW·h);負載需求報價為315.17元/(MW·h);ESS租賃費用為400元/(kW·h).為便于比較分析,仍以1 h為研究周期,未來可延長至15 min.程序收斂間隙U取 0.000 1.風(fēng)電場被視作負電荷,未牽涉能量報價,并且ESS可以優(yōu)先消納風(fēng)電[7].

表1 機組參數(shù)Tab.1 Unit parameters

表2 系統(tǒng)調(diào)頻里程乘子Tab.2 System frequency regulation mileage multiplier

圖8 負荷與需求數(shù)據(jù)Fig.8 Load data and demand

4.2 獨立式

獨立式商業(yè)模式中,S1(S2)單獨參與市場,此時儲能S2(S1)作為市場參數(shù).其中,上層模型函數(shù)分別表示S1(S2)最大化收益,收益如表3所示.以S1為例,能量市場中標量、輔助服務(wù)和實時市場部分中標量如圖9和圖10所示.圖中:B為中標量.

表3 S1/S2收益情況Tab.3 Income of S1/S2 元

圖9 能量市場中標情況Fig.9 Winning-bids in energy market

圖10 調(diào)頻輔助服務(wù)市場中標情況Fig.10 Winning-bids in ancillary services market

如圖9和圖10所示,在能量市場中,常規(guī)機組的中標量占全部電量的98.31%,符合常規(guī)機組在能量市場的一般性和典型性.在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中,當僅考慮S1單獨參與時,S1提供的調(diào)頻輔助服務(wù)中標量占調(diào)頻總市場的63.02%,這是因為與傳統(tǒng)輔助服務(wù)供給資源相比,規(guī)模化ESS具有無記憶效應(yīng)且跟蹤能力強,是調(diào)頻市場中不可多得的優(yōu)質(zhì)資源.

由表3、圖9～10可知,規(guī)模化ESS由于容量大,具有較好的調(diào)頻性能,在調(diào)頻市場的收益更加可觀,且在調(diào)頻市場的中標量遠超能量市場.當負荷需求較高時,比如12:00—14:00,ESS可以權(quán)衡提供能量和調(diào)頻能力的利弊,選擇犧牲某時刻部分調(diào)頻能力而達到轉(zhuǎn)移峰值負載的目的.

獨立式的商業(yè)模式對于電量需求以及調(diào)節(jié)能力要求較為嚴苛.相較于互相支持性的模式,獨立式自身應(yīng)該擁有足夠大的容量,以便于提供實時需求.因此,對于獨立式商業(yè)模式,建議規(guī)?；疎SS自身容量相對較大,可以開展較為廣泛的業(yè)務(wù).

4.3 聯(lián)盟式

將位于節(jié)點4和節(jié)點10的S1和S2組成ESS聯(lián)盟,同樣以ESS聯(lián)盟收益最大為目標進行市場出清,收益及市場中標量如表4和圖11所示.

表4 S1/S2收益情況Tab.4 Income of S1/S2 元

圖11 市場主體中標情況Fig.11 Winning-bids of market entities

如圖11所示,在能量市場中,常規(guī)機組的中標量占全部電量99.08%,ESS整體中標量僅為0.92%;與獨立式商業(yè)模式相比,同比占比下降約為1.84%.再次證明在能量市場中,ESS處于極大的劣勢.從中也可以得出結(jié)論:在電能量市場的競爭中,ESS不具有優(yōu)勢.然而從ESS收益最大的角度出發(fā),能量市場不能缺失.

如圖12所示,在調(diào)頻市場中,S1和S2組成的ESS聯(lián)盟提供的調(diào)頻中標量占調(diào)頻總市場74.33%,這是因為與獨立式商業(yè)模式相比,調(diào)頻市場中標量占比同比上升約為11.31%.這說明在保證ESS收益最大化的前提下,放棄部分能量市場、加大在調(diào)頻市場的投入電量,可以使ESS聯(lián)盟更好地發(fā)揮性能,獲取更多收益.

圖12 聯(lián)盟中標情況Fig.12 Bid-winning situation of each entity

對比表3和表4可知,在規(guī)格同樣為60 MW·h/40 MW·h的ESS機組參與市場時,以S1為例,在能量市場中獨立式收益明顯高于聯(lián)盟式,約超出聯(lián)盟式25.25%;但是在調(diào)頻市場中,聯(lián)盟式收益遠超獨立式,約超出76.57%.再次驗證ESS參與調(diào)頻市場對其收益而言具有極大的優(yōu)勢.

對比表3和表4可知,整體收益聯(lián)盟式遠高于獨立式.這是因為S1和S2在時間和能量上“互補”,極大地提高聯(lián)盟式的調(diào)節(jié)能力,提升其競爭優(yōu)勢,使整體中標量上升、投資回報率提高,這將刺激ESS的投資和商業(yè)化.否則,根據(jù)經(jīng)濟學(xué)原理,若聯(lián)盟式收益低于獨立式,ESS個體將退出聯(lián)盟.但是值得注意的是,這并不意味著所有機組參與聯(lián)盟式時都會大于獨立式,不同機組面臨的條件不同,收益也會有所不同.

4.4 共享式

以S1作為共享ESS商租賃自身容量為例進行分析.共享ESS需要預(yù)留部分容量給不同的簽約客戶,未簽約的剩余容量參與市場交易.本文假設(shè)簽約65%的容量留給簽約客戶執(zhí)行共享ESS功能,剩余容量進行市場化交易.共享ESS需要在日前和實時市場不斷進行優(yōu)化,后續(xù)可進行容量配比最優(yōu)化拓展,不做過多分析.

如圖13所示,圖中P′為功率,ESS在設(shè)定的場景下選擇以共享ESS租賃,但是實際上每個時刻額定容量并未全部消耗完畢.這是因為自身地理位置以及成本的限制,使得ESS做出最優(yōu)規(guī)劃,選擇使自己獲利最大的一種策略.在同樣的地理位置假設(shè)全部容量均留給用戶,用戶可能仍然無法全部消耗.因此對于共享ESS來說,需要制定一定的懲罰因子以及“激勵制度”,使得用戶承擔(dān)一些風(fēng)險與收益.此外,ESS租賃容量存在使用高峰期,比如9:00—16:00,因此建議共享ESS在進行容量預(yù)留時,設(shè)計時刻分段施行,從而制定更加合理的預(yù)留容量方案.

圖13 儲能中標情況Fig.13 Bidding situation of ESS

S1的能量市場、輔助服務(wù)市場、租賃市場收益分別為 2 782.18、7 324.82、11 940.06元,總收益為22 077.06 元.對比表3和表4可以看出,在設(shè)定場景下,根據(jù)ESS的收益,共享式ESS處于第三位置.本文未分析共享ESS的最優(yōu)配比,旨在說明對于ESS來說,閑置容量參與市場也許不能使得自己利潤最大化,需要進一步考慮ESS的控制策略.

5 結(jié)論

針對電力市場放開以及電力市場低碳轉(zhuǎn)型應(yīng)用趨勢雙重背景,從獨立式、聯(lián)盟式、共享式3個角度提出3種規(guī)?；瘍δ軈⑴c市場的商業(yè)模式和出清機制,結(jié)論如下:

(1) 獨立式可通過直接交易的方式獲得保障利用小時數(shù)之外的發(fā)電量,直接放開購售電選擇權(quán),有助于形成多買家多賣家的競爭性市場格局.但獨立式自身調(diào)節(jié)能力及反應(yīng)能力要求較為嚴格,適合特大型儲能參與.

(2) 聯(lián)盟式交易將分散的規(guī)?；瘍δ苷蟽δ苈?lián)盟,實現(xiàn)資源統(tǒng)一調(diào)度,增加儲能市場競爭力和投資回報率.由于儲能聯(lián)盟個體之間在時間及調(diào)節(jié)能力上具有“互補性”,所以十分適合一般的規(guī)?；瘍δ軈⑴c.對于特大型規(guī)模化儲能,聯(lián)盟參與可能限制其能力.

(3) 共享式商業(yè)模式使得共享過程中儲能資源利用率得到提高,擁有者獲得額外收益,從而縮短成本回收周期,推動源網(wǎng)荷各端儲能能力全面釋放.此種模式具有極大的開放性,對于GW·h和MW·h等一系列的規(guī)?；瘍δ芫馨?但是不能保證其收益最優(yōu)化,因此選擇此模式需提前估計收益.