欒 天，楊爭林，李繼紅，鄭亞先，馮樹海

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司（南京）,江蘇省南京市 210003；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司,浙江省杭州市 310063）

0 引言

第75 屆聯(lián)合國大會(huì)上,中國提出“雙碳”目標(biāo)。在此背景下,以風(fēng)電、光伏為代表的新能源快速發(fā)展。截至2022 年6 月底,中國的風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機(jī)容量均達(dá)到約340 GW［1］。新能源具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性特征［2-4］,高比例新能源接入會(huì)引起電力系統(tǒng)慣性不足,增加系統(tǒng)的備用和調(diào)頻需求［5-7］,還可能加劇調(diào)峰困難［8］。為進(jìn)一步提高新能源發(fā)電占比,建設(shè)新型電力系統(tǒng),迫切需要增加電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)資源［9］。

電化學(xué)儲(chǔ)能（簡稱“儲(chǔ)能”）具有配置靈活、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn),可以作為靈活性調(diào)節(jié)資源為電力系統(tǒng)提供削峰填谷［10］、平滑新能源出力［11］、調(diào)頻［12］、調(diào)壓［13］等17 種類型的價(jià)值［14］。2021 年,中國規(guī)劃在建新型儲(chǔ)能規(guī)模為23.8 GW/47.8 GW?h,新投運(yùn)儲(chǔ)能為2.4 GW/4.9 GW?h,儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)邁入規(guī)?；l(fā)展的新階段。

儲(chǔ)能的應(yīng)用場景豐富,可以從用戶側(cè)［15］、電網(wǎng)側(cè)［16］、電源側(cè)［17］以多種方式回收成本。其中,電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能主要為電網(wǎng)提供各種類型的服務(wù),接受電網(wǎng)的集中調(diào)度,可以更充分地發(fā)揮儲(chǔ)能的多種價(jià)值。2022 年5 月24 日,國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步推動(dòng)新型儲(chǔ)能參與電力市場的調(diào)度和運(yùn)用的通知》［18］,明確指出新型儲(chǔ)能可作為獨(dú)立主體參與電力市場,明確了電網(wǎng)側(cè)獨(dú)立儲(chǔ)能的市場主體地位。

儲(chǔ)能的技術(shù)特性與經(jīng)濟(jì)特性不同于其他機(jī)組,主要表現(xiàn)為:1）儲(chǔ)能的充放電能力受荷電狀態(tài)（state of charge,SOC）的限制；2）儲(chǔ)能對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)信號(hào)響應(yīng)速度極快,可快速改變充/放電功率；3）儲(chǔ)能既可作為發(fā)電主體提供電能,又可作為負(fù)荷消耗電能；4）儲(chǔ)能的充放電行為會(huì)影響儲(chǔ)能的壽命,由此產(chǎn)生的老化成本除受到功率影響外,還受到SOC 的影響［19-20］。因此,需要建立相應(yīng)的市場交易機(jī)制。

2018 年2 月,美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)頒布841 號(hào)法案,要求各獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（independent system operator,ISO）在現(xiàn)有的市場框架內(nèi)修正規(guī)則,為儲(chǔ)能參與市場提供便利［21］。美國PJM 市場要求儲(chǔ)能自行申報(bào)充放電能量曲線參與電能市場［22］。

傳統(tǒng)的自調(diào)度模式下,儲(chǔ)能需要對(duì)市場需求進(jìn)行預(yù)測,參與市場的難度較高。儲(chǔ)能基于充放電價(jià)差進(jìn)行投標(biāo),參與市場的集中出清可以降低儲(chǔ)能主體的市場風(fēng)險(xiǎn),更好地發(fā)揮儲(chǔ)能的市場價(jià)值。

儲(chǔ)能可以參加電能市場、輔助服務(wù)市場等多種類型的市場,同時(shí)參與電能市場和輔助服務(wù)市場可以更好地保證收益［23-24］。由于儲(chǔ)能的容量有限,儲(chǔ)能提供各類服務(wù)時(shí)均受到電量的限制［25-28］。

以往研究中,僅允許市場主體申報(bào)單一要素下的充放電成本（充放電深度［29］、充放電倍率［30］）,儲(chǔ)能的運(yùn)行狀態(tài)受限。同時(shí),儲(chǔ)能參與多市場聯(lián)合出清時(shí),對(duì)儲(chǔ)能提供不同類型服務(wù)的電量需求考慮不合理,無法合理安排儲(chǔ)能的充放電行為,這會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能放棄參與多市場的機(jī)會(huì),選擇參與單一市場尋求收益。

針對(duì)以上問題,本文首先討論了不同充放電深度以及充放電倍率對(duì)儲(chǔ)能運(yùn)行成本的影響,并根據(jù)儲(chǔ)能的成本特性設(shè)計(jì)了一種新的投標(biāo)方式。然后,根據(jù)儲(chǔ)能能量有限的物理特性,考慮儲(chǔ)能參與調(diào)頻市場的基準(zhǔn)電量要求,設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能參與電能市場和調(diào)頻市場的聯(lián)合出清模型。

1 適應(yīng)儲(chǔ)能參與市場的投標(biāo)模式設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能的成本是決定儲(chǔ)能能否在市場競爭中得以發(fā)展的重要因素之一,而建立精細(xì)化的儲(chǔ)能運(yùn)行成本模型、提出適合儲(chǔ)能參與市場的投標(biāo)方式,則是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能參與電力市場的首要任務(wù)。本章首先探討儲(chǔ)能老化成本的影響因素,然后建立考慮儲(chǔ)能老化成本的投標(biāo)機(jī)制。

1.1 儲(chǔ)能老化成本的影響因素分析

儲(chǔ)能的老化成本包括儲(chǔ)能充放電過程中的循環(huán)壽命衰減成本和靜置狀態(tài)下的日歷壽命衰減成本。儲(chǔ)能的壽命衰減主要受儲(chǔ)能的充放電深度、充放電倍率以及工作溫度的影響［19-21］。

1）工作溫度

儲(chǔ)能系統(tǒng)通過風(fēng)冷、液冷等溫控裝置可將儲(chǔ)能的工作溫度控制在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)［31］,故本文將儲(chǔ)能工作溫度設(shè)為常數(shù)。

2）充放電深度

文獻(xiàn)［32］給出儲(chǔ)能在不同放電深度（depth of discharge,DOD）下的可實(shí)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)（achievable cycle count,ACC）,并給出儲(chǔ)能平均老化成本（average wear cost,AWC）,即儲(chǔ)能在某一工況下（在此專指DOD）造成的儲(chǔ)能容量衰減的成本,如式（1）所示。

式中:CAWC為平均老化成本；CBP為儲(chǔ)能的全壽命周期成本；D為儲(chǔ)能的循環(huán)深度；n(D)為儲(chǔ)能以循環(huán)深度D進(jìn)行充放電的全生命周期循環(huán)次數(shù)；Erate為儲(chǔ)能的額定容量；η為儲(chǔ)能的充放電效率。儲(chǔ)能深度充放電成本很高,故儲(chǔ)能在參與市場時(shí),應(yīng)根據(jù)市場供需狀況設(shè)置合理的充放電深度上限。

3）充放電倍率

阿倫尼烏斯動(dòng)力學(xué)模型可以描述電池在不同充放電倍率下的壽命衰減過程［19］,儲(chǔ)能充放電倍率與老化過程的關(guān)系如式（2）所示。

式中:Qloss為儲(chǔ)能的老化容量；F為指數(shù)前因子；Irate為儲(chǔ)能的充放電倍率（單位為C）；Ah為儲(chǔ)能的電量吞吐量。

1.2 多參數(shù)分段線性化模型

根據(jù)儲(chǔ)能在不同工況下（充放電倍率為1 C/0.5 C,充放電深度為0%～50%）的老化成本的擬合邊際成本曲線,將儲(chǔ)能的充放電倍率分為高倍率（0.5～1 C）和低倍率（0～0.5 C）兩種模式,實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)精度需要可以申報(bào)多種模式。

儲(chǔ)能深度充放電成本很高,故儲(chǔ)能在參與市場時(shí),應(yīng)根據(jù)市場供需狀況設(shè)置合理的充放電深度上限,本文選取上限為50%。

式（1）得到的是單位電池吞吐量的衰減成本,報(bào)價(jià)時(shí)需要根據(jù)儲(chǔ)能的充放電功率進(jìn)行調(diào)整,如式（3）和式（4）所示。

式中:cES,c為儲(chǔ)能充電里程成本報(bào)價(jià)；cES為儲(chǔ)能的單位里程成本；cES,d為儲(chǔ)能放電里程成本報(bào)價(jià)。參考雨流計(jì)數(shù)法［28］的計(jì)算規(guī)則,將儲(chǔ)能的一次充/放電視為半次循環(huán),其邊際成本如附錄A 表A1 所示。

申報(bào)儲(chǔ)能的充放電成本時(shí),還需要考慮儲(chǔ)能的日運(yùn)行成本、日歷壽命［19］以及資本回收因子［33］對(duì)儲(chǔ)能的全生命周期成本造成的影響,故采取圖1 所示的流程圖來進(jìn)行報(bào)價(jià)調(diào)整。

圖1 儲(chǔ)能價(jià)格形成流程圖Fig.1 Flow chart of energy storage price formation

儲(chǔ)能的全生命周期成本為:

式中:ces為儲(chǔ)能電池單位容量價(jià)格；r為折現(xiàn)率,本文取8%；o為系統(tǒng)運(yùn)行成本,本文取3%；tyear為儲(chǔ)能的運(yùn)行年限,設(shè)儲(chǔ)能的日歷壽命為12 年,則儲(chǔ)能每日的日歷壽命衰減取固定值0.004 6%［33］。

考慮到上述因素主要與儲(chǔ)能的運(yùn)行天數(shù)相關(guān),即儲(chǔ)能的運(yùn)行天數(shù)越長,儲(chǔ)能的全壽命周期成本越高,故希望能在保證收益的情況下,盡可能縮短儲(chǔ)能的成本回收時(shí)間。本文所引用的儲(chǔ)能老化成本估算模型是基于實(shí)驗(yàn)參數(shù)建立的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ撃Ｐ秃w了影響儲(chǔ)能成本的主要因素,以此設(shè)計(jì)儲(chǔ)能的投標(biāo)模式,且該模型近似估計(jì)了儲(chǔ)能的成本,基于此研究儲(chǔ)能參與現(xiàn)貨市場的能力更具有可信度。

2 適應(yīng)電化學(xué)儲(chǔ)能參與的電能市場出清模型

對(duì)于獨(dú)立儲(chǔ)能主體,如果其自行管理SOC 可能會(huì)錯(cuò)失中標(biāo)機(jī)會(huì),從而降低儲(chǔ)能參與市場的收益,也難以充分發(fā)揮儲(chǔ)能的價(jià)值。本文設(shè)計(jì)了一種全新的投標(biāo)方式,儲(chǔ)能可以根據(jù)充放電老化成本提交最低充放電價(jià)差報(bào)價(jià),參與市場的集中優(yōu)化出清。這種價(jià)差投標(biāo)方式可以更好地配置儲(chǔ)能資源,提高社會(huì)福利。

2.1 電能市場投標(biāo)機(jī)制

儲(chǔ)能作為獨(dú)立市場主體的投標(biāo)方式應(yīng)與儲(chǔ)能的成本特性相適應(yīng),在所提出的投標(biāo)模型中,儲(chǔ)能主體需提交多種充放電模式下的充放電里程成本分段曲線、儲(chǔ)能初始SOC 以及儲(chǔ)能e的充放電效率ηe。將儲(chǔ)能的里程成本報(bào)價(jià)曲線轉(zhuǎn)換成在不同充放電模式、充放電深度下的分段階梯報(bào)價(jià),包括SOC 上下限、額定容量Erate,e、工作狀態(tài)m下中標(biāo)電量上限以及充放電報(bào)價(jià)c和c。以上述儲(chǔ)能模型為例可得高倍率、低倍率兩種工作狀態(tài)。

發(fā)電商提交發(fā)電成本分段函數(shù),包括發(fā)電機(jī)組g報(bào)價(jià)段s的中標(biāo)電量上限以及報(bào)價(jià)c、爬坡約束Δg、開機(jī)費(fèi)用cAR、最小開停機(jī)時(shí)間等。

2.2 電能市場出清模型

日前市場出清算法的優(yōu)化目標(biāo)如下:

式中:G為發(fā)電機(jī)組集合；T為出清時(shí)段集合；yg,t為0-1 變量,值為0 表示發(fā)電機(jī)g在t時(shí)段工作狀態(tài)未發(fā)生變化,值為1 表示發(fā)電機(jī)g在t時(shí)段工作狀態(tài)發(fā)生變化；SG為發(fā)電機(jī)組報(bào)價(jià)段集合；q為發(fā)電機(jī)組g在t時(shí)段報(bào)價(jià)段s下中標(biāo)的出清電量；E為儲(chǔ)能集合；M為儲(chǔ)能工作狀態(tài)集合；SE為儲(chǔ)能報(bào)價(jià)段集合；q和q分別為工作狀態(tài)m下儲(chǔ)能e在t時(shí)段報(bào)價(jià)段k下中標(biāo)的充、放電電量。

式（7）至式（15）為約束條件:式（7）為系統(tǒng)供需平衡約束；式（8）至式（12）為儲(chǔ)能功率約束；式（13）表明儲(chǔ)能在某一時(shí)間只能工作在某一模式下；式（14）和式（15）為儲(chǔ)能SOC 約束。常規(guī)機(jī)組約束、輸電線路傳輸容量約束在此不再贅述,可參考文獻(xiàn)［34-35］。

式中:L為負(fù)荷集合；q為負(fù)荷l在t時(shí)段的負(fù)荷；I為0-1 變量,值為1 表示儲(chǔ)能e在t時(shí)段內(nèi)工作在m模式下；I為0-1 變量,值為1 表示儲(chǔ)能e在t時(shí)段充 電,值 為0 表 示 儲(chǔ) 能e在t時(shí) 段 放 電；Se,m,k和S,e,m,k分別為t時(shí)段儲(chǔ)能e工作狀態(tài)m時(shí)報(bào)價(jià)段k下的荷電狀態(tài)SOC,e,m,k,t的上、下限。

在某些場景下,可直接控制儲(chǔ)能在特定時(shí)段的運(yùn)行狀態(tài),增加約束式（16）。

式中:I為儲(chǔ)能e在t時(shí)段的固定運(yùn)行狀態(tài),值域?yàn)镸。

電能量市場對(duì)常規(guī)主體采取節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)定價(jià)機(jī)制。由于儲(chǔ)能在電能市場的收益取決于市場的峰谷價(jià)差,節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)機(jī)制下,儲(chǔ)能會(huì)產(chǎn)生策略性報(bào)價(jià)行為。本文采用文獻(xiàn)［26］提出的VCG（Vickrey-Clark-Groves）機(jī)制對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行結(jié)算,以此得出的儲(chǔ)能收益模型如下:

式中:Eenee為儲(chǔ)能e在電能市場的收益；Cene-E為無儲(chǔ)能的電能市場總購電成本；Cene為有儲(chǔ)能的電能市場總購電成本。

3 適應(yīng)電化學(xué)儲(chǔ)能參與的調(diào)頻市場出清模型

3.1 調(diào)頻市場投標(biāo)機(jī)制

借鑒美國加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（CAISO）的調(diào)頻市場組織形式［36］、調(diào)度機(jī)構(gòu)日前發(fā)布預(yù)測的調(diào)頻容量需求Q、調(diào)頻里程需求Q及機(jī)組歷史調(diào)頻里程-容量比az,并根據(jù)歷史的調(diào)頻性能fz調(diào)整市場主體申報(bào)的調(diào)頻里程價(jià)格以及調(diào)頻容量價(jià)格。其中,z為調(diào)頻資源,系統(tǒng)歷史調(diào)頻里程-容量比體現(xiàn)系統(tǒng)單位調(diào)頻容量可能會(huì)被調(diào)度的調(diào)頻里程量。調(diào)頻性能由歷史調(diào)頻性能（延遲參數(shù)、相關(guān)性參數(shù)、精確度分?jǐn)?shù)）決定［37］,對(duì)應(yīng)市場參與者實(shí)時(shí)結(jié)算的考核環(huán)節(jié),反映市場主體的有效調(diào)頻里程量。

參與調(diào)頻的市場主體申報(bào)調(diào)頻容量價(jià)格m、調(diào)頻里程價(jià)格m、最大調(diào)頻容量,其中,調(diào)頻容量價(jià)格主要體現(xiàn)市場主體的附加固定成本［38］。調(diào)頻里程價(jià)格主要體現(xiàn)市場主體的調(diào)頻效果,機(jī)組歷史調(diào)頻里程-容量比體現(xiàn)單位調(diào)頻容量被調(diào)用的調(diào)頻里程量（CAISO 采用上一周的歷史數(shù)據(jù)計(jì)算）。除此之外,儲(chǔ)能還需要提交初始的基準(zhǔn)電量。

3.2 儲(chǔ)能調(diào)頻預(yù)留電量需求

由于儲(chǔ)能跟隨調(diào)頻指令也會(huì)進(jìn)行充放電,在該過程中儲(chǔ)能的SOC 會(huì)高于或低于儲(chǔ)能當(dāng)前時(shí)段的初始SOC。而調(diào)頻指令考慮到儲(chǔ)能的出力受到SOC 的限制,儲(chǔ)能參與調(diào)頻市場需要預(yù)留一部分電量空間,以防其無法執(zhí)行調(diào)度指令。將調(diào)頻指令視為隨機(jī)變量,基于歷史數(shù)據(jù)預(yù)測不同時(shí)段調(diào)度指令的累計(jì)分布函數(shù)［39］,提取調(diào)頻指令的統(tǒng)計(jì)特征,即調(diào)頻電量最大波動(dòng)的上、下α分位數(shù)KC,U、KC,D,調(diào)頻指令處理過程見附錄B。該參數(shù)可由儲(chǔ)能主體根據(jù)意愿自行申報(bào),以保證儲(chǔ)能有充足的電量提供調(diào)頻輔助服務(wù)。本文取KC,U=0.055 0 (MW?h)/MW,KC,D=-0.068 2 (MW?h)/MW［39］,即在15 min內(nèi)儲(chǔ)能完全跟隨調(diào)頻指令最多需充電0.055 0 （MW·h）/MW,最多需放電0.068 2 （MW·h）/MW。

3.3 調(diào)頻市場出清模型

調(diào)頻市場出清的目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)調(diào)頻服務(wù)的成本最小,如式（18）所示。

式中:q為資源z在t時(shí)段中標(biāo)的調(diào)頻容量；m和m分別為調(diào)整后的調(diào)頻容量價(jià)格和調(diào)頻里程價(jià)格,可由式（19）和式（20）求得。式（21）和式（22）為系統(tǒng)的調(diào)頻容量、調(diào)頻里程約束,式（23）和式（24）為調(diào)頻資源的最大調(diào)頻容量約束。

式中:βt和σt分別為調(diào)頻容量資源和調(diào)頻里程資源的影子價(jià)格。

由于儲(chǔ)能參與調(diào)頻會(huì)產(chǎn)生電量波動(dòng),為保證儲(chǔ)能跟隨調(diào)頻指令的能力,儲(chǔ)能需要預(yù)留部分荷電量。儲(chǔ)能的SOC 約束如式（25）至式（27）所示。儲(chǔ)能不參加電能量市場時(shí),設(shè)儲(chǔ)能的基準(zhǔn)電量SOC,e,t等于其初始容量S,e。

式中:S和S分別為儲(chǔ)能e的最大、最小SOC；q為儲(chǔ)能e在t時(shí)段中標(biāo)的調(diào)頻容量.

3.4 調(diào)頻市場的定價(jià)機(jī)制

借鑒PJM 調(diào)頻市場的價(jià)格形成規(guī)則,邊際調(diào)頻資源的價(jià)格由里程成本、容量成本、機(jī)會(huì)成本組成。其中,市場的調(diào)頻里程價(jià)格為邊際調(diào)頻資源的調(diào)頻里程價(jià)格,調(diào)頻容量價(jià)格（含機(jī)會(huì)成本）為邊際調(diào)頻資源價(jià)格減去邊際調(diào)頻里程價(jià)格,最終的調(diào)頻收益如式（28）所示。

4 適應(yīng)電化學(xué)儲(chǔ)能參與的聯(lián)合出清模型

4.1 聯(lián)合出清模型

報(bào)價(jià)方式與分別參與電能市場、調(diào)頻市場的申報(bào)方式相同。電能市場與調(diào)頻市場聯(lián)合出清的目標(biāo)函數(shù)如式（29）所示。

式（30）和式（31）為發(fā)電機(jī)功率約束；式（32）為儲(chǔ)能功率約束；式（33）為儲(chǔ)能的工作狀態(tài)約束；式（34）至式（36）為儲(chǔ)能調(diào)頻容量約束；式（14）、式（15）、式（37）、式（38）為儲(chǔ)能SOC 約束。電量平衡約束如式（7）所示；機(jī)組啟停約束、線路約束參考文獻(xiàn)［34-35］；調(diào)頻里程平衡約束、調(diào)頻容量平衡約束如式（19）和式（20）所示。

式中:ug,t為機(jī)組g在t時(shí)段的啟停狀態(tài)；qcag,t為機(jī)組g在t時(shí)段中標(biāo)的調(diào)頻容量；qcae,m,t為儲(chǔ)能e在t時(shí)刻m模式下中標(biāo)的調(diào)頻容量；qESe,m,k,t為工作狀態(tài)m下儲(chǔ)能e在t時(shí)段報(bào)價(jià)段k下中標(biāo)的電量。

式中:S,e,k和S,e,k分別為儲(chǔ)能e報(bào)價(jià)段k下的SOC 上、下限。

4.2 聯(lián)合出清的定價(jià)機(jī)制

調(diào)頻資源的邊際價(jià)格等于調(diào)頻容量與調(diào)頻里程的影子價(jià)格之和,即βt+σt,調(diào)頻里程的邊際價(jià)格為中標(biāo)資源中最大調(diào)頻里程資源的價(jià)格,調(diào)頻市場的定價(jià)機(jī)制可參考第3 章。

儲(chǔ)能參與聯(lián)合出清市場的收益分兩部分結(jié)算:一部分是儲(chǔ)能在電能量市場的收益,該部分收益由儲(chǔ)能參與聯(lián)合市場出清時(shí)的總購電成本減去儲(chǔ)能僅參與調(diào)頻市場時(shí)聯(lián)合市場的總購電成本,其中,儲(chǔ)能的基準(zhǔn)電量等于儲(chǔ)能參與電能市場的SOC,出力要受到在電能市場出清的功率的限制；另一部分是儲(chǔ)能在調(diào)頻市場的收益,該部分收益由調(diào)頻市場的邊際價(jià)格決定。

常規(guī)主體的機(jī)會(huì)成本可由影子價(jià)格中的容量約束求導(dǎo)得出［40］,以功率上限約束為例:

式中:Lp為節(jié)點(diǎn)電價(jià)模型的拉格朗日函數(shù)；λt為t時(shí)段的電能市場邊際價(jià)格；為發(fā)電機(jī)組g在t時(shí)段報(bào)價(jià)段s的功率上限約束的影子價(jià)格。

根據(jù)式（39）和式（40）得:

同理,可得功率下限約束的機(jī)會(huì)成本以及爬坡約束的機(jī)會(huì)成本。

儲(chǔ)能作為一種新型的市場主體,其收益受到SOC 限制。因此,核算其機(jī)會(huì)成本時(shí),還需考慮儲(chǔ)能的SOC 約束。

5 算例分析

為驗(yàn)證所提出的聯(lián)合出清機(jī)制對(duì)儲(chǔ)能的適應(yīng)性,本文采取PJM-ISO 5 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),構(gòu)建如附錄A圖A1 所示的簡化模型。其中,發(fā)電機(jī)組、負(fù)荷報(bào)價(jià)數(shù)值根據(jù)通用的實(shí)際電力市場運(yùn)行數(shù)據(jù)折算。機(jī)組報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)見附錄A 表A2,機(jī)組技術(shù)參數(shù)見表A3。取每個(gè)時(shí)段調(diào)頻容量資源為當(dāng)前時(shí)段負(fù)荷的5%,系統(tǒng)調(diào)頻里程容量比取10。由文獻(xiàn)［25］可得調(diào)頻資源調(diào)整后的報(bào)價(jià)參數(shù),機(jī)組1 為新能源機(jī)組,不參與調(diào)頻。系統(tǒng)中設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立儲(chǔ)能,儲(chǔ)能初始SOC為30 MW·h,ηe=0.9,額定容量Erate,e取50 MW·h。

5.1 系統(tǒng)成本分析

為分析所提市場機(jī)制的有效性,設(shè)置如下場景:

場景1:無儲(chǔ)能參與電能量市場出清。

場景2:儲(chǔ)能參與電能量市場出清,采用本文所提出的市場機(jī)制。

場景3:儲(chǔ)能參與電能量市場出清,將儲(chǔ)能申報(bào)的SOC 上限設(shè)為0.3,儲(chǔ)能申報(bào)該放電深度下不同放電倍率的能量里程成本曲線［30］。

場景4:儲(chǔ)能參與電能量市場出清,將儲(chǔ)能申報(bào)的SOC 上限設(shè)為0.5,儲(chǔ)能申報(bào)該放電深度下不同放電倍率的能量里程成本曲線［30］。

場景5:儲(chǔ)能參與聯(lián)合出清市場,采用本文所提出的市場機(jī)制。

場景6:電能與調(diào)頻市場聯(lián)合出清,儲(chǔ)能僅參與調(diào)頻市場,采用本文所提出的市場機(jī)制。

場景7:電能與調(diào)頻市場聯(lián)合出清,儲(chǔ)能僅參與電能市場,采用本文所提出的市場機(jī)制。

不同場景下的購電成本如表1 所示。比較場景1、2 可知,在該機(jī)制下儲(chǔ)能可以降低電能市場的購電成本。比較場景4、5、6 可知,相比于單一放電深度的投標(biāo)方式,所提投標(biāo)機(jī)制能更好地釋放儲(chǔ)能的充放電能力。比較場景5、6、7 可知,儲(chǔ)能參與聯(lián)合出清市場能最大程度發(fā)揮儲(chǔ)能降低系統(tǒng)成本的能力。

表1 不同場景下的購電成本Table 1 Electricity purchasing cost in different scenarios

5.2 獨(dú)立儲(chǔ)能參與市場的收益分析

儲(chǔ)能在不同市場的收益采用式（17）和式（28）求得,如表2 所示。比較表2 和圖2 中場景2、3、4 可知,所提出機(jī)制下儲(chǔ)能更易中標(biāo)。在場景3 中儲(chǔ)能只能進(jìn)行淺充淺放,在場景4 中儲(chǔ)能僅能完成一次充放循環(huán),在場景2 中儲(chǔ)能可以在實(shí)現(xiàn)深沖深放的同時(shí)進(jìn)行多次循環(huán)。由此可知,所提機(jī)制可以提高單日收益,縮短儲(chǔ)能的成本回收周期。

表2 不同場景下的儲(chǔ)能收益Table 2 Profits of energy storage in different scenarios

圖2 儲(chǔ)能的SOCFig.2 SOC of energy storage

5.3 獨(dú)立儲(chǔ)能的市場價(jià)值分析

在不同場景下,節(jié)點(diǎn)1 的邊際電價(jià)如圖3 所示。結(jié)果表明,所提出的機(jī)制能更充分地發(fā)揮儲(chǔ)能削峰填谷的價(jià)值,市場的平均電價(jià)得到進(jìn)一步降低。

圖3 節(jié)點(diǎn)1 的邊際電價(jià)Fig.3 Locational marginal price of node 1

不同場景下,新能源機(jī)組1 的消納量如表3 所示。結(jié)果表明,所提出的機(jī)制下儲(chǔ)能可以更多地消納用電低谷時(shí)段富余的新能源發(fā)電。

表3 新能源機(jī)組1 的消納量Table 3 Accommodation of renewable energy unit 1

根據(jù)圖1 所示的流程圖對(duì)儲(chǔ)能的長期收益進(jìn)行估計(jì)（設(shè)儲(chǔ)能退役容量為80%）。

由表4 可知,所提機(jī)制下儲(chǔ)能可在短時(shí)間內(nèi)回收成本,且總收益遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)機(jī)制下的儲(chǔ)能收益。

表4 儲(chǔ)能長期收益Table 4 Long-term benefits of energy storage

5.4 調(diào)頻預(yù)留電量對(duì)儲(chǔ)能行為的影響

圖4 為系統(tǒng)選取不同調(diào)頻特征參數(shù)時(shí),儲(chǔ)能在不同時(shí)段的中標(biāo)調(diào)頻容量以及SOC 變化。為方便表示,取集合K={KC,U,KC,D}。當(dāng)不考慮調(diào)頻預(yù)留電量時(shí)（對(duì)應(yīng)圖4 中取特征參數(shù)為{0,0}）,儲(chǔ)能在聯(lián)合市場中可能會(huì)在電量為0 的狀態(tài)下中標(biāo)調(diào)頻容量,如圖4 中的黃色曲線。14:00—22:00 時(shí),雖然儲(chǔ)能電量為0,但儲(chǔ)能依然中標(biāo)大量的調(diào)頻容量,如圖4 中的藍(lán)色柱狀圖。這會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能在實(shí)時(shí)市場中失去參與調(diào)頻市場的能力,從而扭曲市場價(jià)格。若調(diào)頻預(yù)留電量過高（如圖4 中的綠色曲線）也會(huì)降低儲(chǔ)能在電能調(diào)頻聯(lián)合市場的中標(biāo)量（如圖4 中的灰色柱狀圖）。因此,應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求,合理選取K的集合。

圖4 調(diào)頻預(yù)留電量對(duì)儲(chǔ)能行為的影響Fig.4 Effect of frequency regulation reserved power on energy storage behavior

6 結(jié)語

儲(chǔ)能參與電力市場是推進(jìn)建立新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán),故研究儲(chǔ)能參與電力市場的成本模型和投標(biāo)方式至關(guān)重要。本文在傳統(tǒng)的現(xiàn)貨市場出清模型的基礎(chǔ)上,提出適應(yīng)儲(chǔ)能特性的電能市場和調(diào)頻市場聯(lián)合出清投標(biāo)模型,考慮了儲(chǔ)能參與調(diào)頻市場的電量約束,得到如下結(jié)論:

1）本文所提市場機(jī)制下,儲(chǔ)能根據(jù)不同充放電深度以及充放電倍率下的里程成本進(jìn)行投標(biāo)。該機(jī)制可以擴(kuò)大儲(chǔ)能在市場中的運(yùn)行邊界,提高儲(chǔ)能容量的利用率,更好地發(fā)揮儲(chǔ)能削峰填谷、容量支撐的價(jià)值。儲(chǔ)能主體也可以在保證自身收益的基礎(chǔ)上,更快回收成本,以減少折舊成本等額外成本的支出。

2）所提市場機(jī)制可以適應(yīng)儲(chǔ)能參與電能與調(diào)頻聯(lián)合出清市場,在降低系統(tǒng)購電成本的同時(shí)提高儲(chǔ)能收益?？紤]儲(chǔ)能提供調(diào)頻服務(wù)產(chǎn)生的能量損耗與儲(chǔ)能特性相適應(yīng),可以更好地銜接實(shí)時(shí)市場,有效利用儲(chǔ)能的多種市場價(jià)值。但當(dāng)前調(diào)頻市場對(duì)于實(shí)際儲(chǔ)能能量損耗仍然無法精確考慮,在實(shí)時(shí)市場中可能會(huì)出現(xiàn)中標(biāo)儲(chǔ)能資源無法調(diào)用的情況。在后續(xù)研究中,可以根據(jù)調(diào)頻資源的特性以及調(diào)頻需求,設(shè)計(jì)新型調(diào)頻產(chǎn)品（將能量有限資源與常規(guī)發(fā)電資源分開）,以保證電力供應(yīng)的可靠性。

3）采用VCG 機(jī)制有利于激勵(lì)儲(chǔ)能快速發(fā)展并參與市場,然而,VCG 機(jī)制下需要單獨(dú)計(jì)算每個(gè)主體的市場價(jià)值,計(jì)算復(fù)雜度高。文獻(xiàn)［41］提出了基于最優(yōu)基替換的快速求解算法,可以顯著提升VCG機(jī)制的計(jì)算效率。在后續(xù)研究中,將繼續(xù)探索儲(chǔ)能市場價(jià)值的識(shí)別機(jī)制,對(duì)具有相同價(jià)值的儲(chǔ)能避免重復(fù)優(yōu)化出清。

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