中國儲能網(wǎng)訊：
郁海彬, 董帥, 陸增潔, 周毅, 文光磊, 張宇, 高亦凌, 李雪妍
（國網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司, 上海 200070）
能源綠色低碳轉型下，電力系統(tǒng)調峰調頻缺口日益增大，儲能憑借靈活爬坡和雙向調節(jié)特性，可作為獨立主體或虛擬電廠（virtual power plant，VPP）內部成員參與協(xié)調解決調峰調頻及新能源消納問題。分析了國內外儲能參與電力市場概況，建立VPP聚合多分布式能源（distributed energy resource，DER）的調峰競標模型及整體效益最大的調峰競標策略；在以發(fā)電、調頻成本最小化為目標的電能量和調頻市場聯(lián)合出清模型基礎上，引入效率因子體現(xiàn)快速調頻資源的優(yōu)勢。算例驗證了VPP競標策略下儲能分配的收益優(yōu)于獨立運營模式；傳統(tǒng)和快速調頻交易品種參與日前市場設計的火-儲聯(lián)合出清模型較順次出清模式具備更高的社會效益，引入效率因子能提升優(yōu)質調頻資源參與市場的積極性和節(jié)約電網(wǎng)總調頻成本的目的。
引文信息
郁海彬, 董帥, 陸增潔, 等. 新型電力系統(tǒng)下儲能參與電力調峰調頻輔助市場的競標策略[J]. 中國電力, 2023, 56(8): 48-60.
YU Haibin, DONG Shuai, LU Zengjie, et al. Bidding strategy of energy storage participating in the auxiliary market of peak and frequency modulation in new power system[J]. Electric Power, 2023, 56(8): 48-60.
引言
儲能憑借其靈活爬坡、快速啟停及雙向功率調節(jié)特性，在源、網(wǎng)、荷側分別具有存儲超發(fā)電量、平抑出力波動、緩解調峰壓力、提升電能質量、錯峰用電節(jié)約電費和充當后備電源等功能，可作為靈活性調峰調頻資源有效解決高比例新能源接入系統(tǒng)帶來的電網(wǎng)調峰能力不足、系統(tǒng)慣量下降、頻率魯棒性下降等問題[1]。電改背景下，儲能迅速響應的物理特性決定其參與源-網(wǎng)-荷-市場側價值分析、交易機制方面的研究很有必要。國際上，美國841法案下各獨立運營商在能量、輔助服務、容量市場等方面探索適應儲能參與特性的機制，2016年開始，加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO）在實時市場引入了一種新的輔助服務產品“靈活爬坡產品”以應對新能源發(fā)電出力的不確定性。PJM輔助服務市場主要包含調頻、備用、黑啟動、無功電壓控制和不平衡電量5個品種，市場運營的輔助產品主要有調頻、初級備用、黑啟動，其中調頻與初級備用（包含同步備用和非同步備用）采用集中式市場化交易，與電能量市場聯(lián)合優(yōu)化運行。澳大利亞調頻市場采取申報充電和放電報價，依靠尖峰電價套利。英國市場在雙邊交易比重占比攀升的情況下設立平衡機制來提升系統(tǒng)調度效率，且系統(tǒng)運營商接受所有市場參與者的報價及投標來實現(xiàn)實時平衡，市場允許儲能作為獨立主體參與并適當降低裝機準入門檻，保證儲能參與市場的資格、方式和價格機制。中國現(xiàn)行的輔助服務品種劃分依據(jù)主要為2021年修訂的《電力輔助服務管理辦法》，且儲能參與輔助服務市場存在大多數(shù)地區(qū)市場主體地位不明確、容量準入受限制、調頻收益下限過低、調頻容量價值體現(xiàn)難等不足。適時降低準入門檻使分布式小容量儲能參與提供調頻服務，設計兩部制價格機制價值以反映儲能調頻的容量價值并保障儲能調頻最低收益[2-4]，引入新型儲能提升系統(tǒng)調節(jié)能力，明確新型儲能的市場定位、成本分攤和價格機制，有助于引導其健康、有序、高效發(fā)展[5]。截至2022年底，中國電力輔助服務實現(xiàn)了6大區(qū)域、33個省區(qū)電網(wǎng)的全覆蓋，基本形成統(tǒng)一的輔助服務規(guī)則體系。通過輔助服務市場化機制，2022年全國共挖掘全系統(tǒng)調節(jié)能力超過9000萬kW，年均促進清潔能源增發(fā)電量超過1 000億kW·h；煤電企業(yè)因為輔助服務獲得補償收益約320億元。交易品種方面，除傳統(tǒng)調頻、調峰市場外，山西增加一次調頻輔助服務市場，華北、西北分別建設了調峰容量市場、備用市場等。參與主體方面，除常規(guī)電源外，18個網(wǎng)省公司推動儲能、虛擬電廠（virtual power plant，VPP）等新型市場主體。山東獨立電儲能參與現(xiàn)貨市場提出以自調度模式參與的運行機制，促進新能源消納及提升電力保供能力[6]。山西和廣東兩省調頻市場以性能和報價兩方面因素來確定調頻資源，并按實際調頻貢獻和效果支付補償費用[7-8]。其中廣東調頻市場交易頻次為每小時出清一次，山西允許機組按高峰、低谷以及新能源大發(fā)等5個時段進行申報并出清，兩省的調頻市場與電能量市場分開獨立運行。文獻[9]建立系統(tǒng)總收益最大目標聯(lián)合優(yōu)化模型及策略，削減電負荷來降低尖峰時段有功，調動需求響應資源參與市場；文獻[10]制定儲能在中長期合約轉讓交易中的參與原則，從技術、經濟、政策3個方面分析了儲能參與合約轉讓交易的可行性。文獻[11]提出風險規(guī)避的新能源和儲能協(xié)同參與市場的運行模型，申報策略具有更高的綜合效益；文獻[12]提出儲能資源作為獨立市場主體提供調頻服務構建了上層以儲能電站收益最大化目標的報價策略，下層實現(xiàn)電能量市場和調頻輔助服務市場的聯(lián)合出清的雙層交易決策模型，策略性報價在市場中可獲得更高效益。文獻[13-14] 建立了分布式儲能聚合商以競價形式參與電網(wǎng)調峰調度的優(yōu)化模型，按階梯報價策略參與競價；從而減少電網(wǎng)調峰調度成本及達到削峰填谷效果。據(jù)文獻[15-17]統(tǒng)計，儲能資源的爬坡速率約為燃煤機組的53倍、燃氣輪機的4.9倍、水電機組的3.1倍，因此，儲能資源能夠快速、精確地在秒級時間內響應調頻信號。
本文根據(jù)國內外儲能參與市場的研究現(xiàn)狀及調研美國、澳大利亞、英國和廣東的業(yè)界實踐；調峰市場中，儲能作為VPP內部成員參與電力市場和建立電能量和調頻市場的聯(lián)合出清模型，以發(fā)電和調頻成本最小化為目標的調峰競標策略，能夠提高VPP整體和內部各成員的經濟性。調頻市場中，采用傳統(tǒng)和快速調頻交易品種，分別由火-儲資源參與競價，建立火-儲系統(tǒng)總發(fā)電成本和調頻成本最小，適應儲能參與的電能量和調頻交易品種聯(lián)合優(yōu)化出清的模型；在此基礎上，設置多個優(yōu)質調頻資源個體，并引入效率因子參與日調頻輔助服務市場，鼓勵市場積極引入儲能類優(yōu)質調頻資源來優(yōu)化配置系統(tǒng)中的調頻資源。儲能調頻的收益取決于市場對調頻輔助服務的結算機制，所以合理設計儲能參與調頻輔助服務的市場機制具有重要的意義。
1 交易策略
1.1 調峰市場
本文僅考慮儲能作為VPP內部成員參與電力市場，完成市場信息的獲取、競標計劃等工作以獲取最大收益，對內與各成員協(xié)調互動來保證各成員的經濟效益[18]，功能如下。
1）提升對風、光出力消納。
確定儲能資源在調峰市場和電能量市場的競標電量，從而確定VPP 在2個市場的競標計劃。競標決策流程為：風、光向VPP申報期日前出力預測并根據(jù)日前出力預測制定發(fā)電計劃來實現(xiàn)風、光的全額消納，保證VPP經濟效益最優(yōu)。
2）對儲能的運行補償。
儲能在電能量市場可以實現(xiàn)負荷轉移來降低購電成本，通過充電提供填谷調峰服務、放電提供削峰調峰服務，從而參與調峰市場獲得補償。競標決策流程為：VPP根據(jù)市場和內部成員信息，制定儲能的充放電計劃和運行補償價格，儲能參與調峰市場時，VPP給予儲能一定的調峰補償價格，根據(jù)調峰競標電量獲得相應的調峰收益。
3）VPP利益分配。
將電能量和調峰市場的收益進行分配。VPP獲得電能量市場收益后，向內部電源風、光及可控分布式電源（controllable distribution generation，CDG）分配售電收益；向儲能和柔性負荷付出補償；VPP獲得調峰市場收益后，向儲能和柔性負荷分配調峰收益，VPP利益分配如圖1所示。
圖1 VPP利益分配
Fig.1 VPP benefit distribution
1.2 調頻市場
梳理國內部分省份的調頻輔助服務市場規(guī)則對比如表1所示。
表1 調頻市場規(guī)則對比
Table 1 Comparison of frequency modulation market rules
1.2.1 儲能參與自動發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）調頻
傳統(tǒng)一、二次調頻受機組爬坡速率的影響，無法適應新能源大規(guī)模并網(wǎng)裝機容量，儲能憑響應迅速優(yōu)勢可以有效地改善這一問題，儲能聯(lián)合火電機組響應AGC指令調頻原理如圖2所示。
圖2 儲能聯(lián)合火電機組調頻原理
Fig.2 Frequency modulation principle of energy storage combined thermal power unit
1.2.2 調頻市場組織流程
市場組織流程如圖3所示，市場主體提交調頻容量和里程報價，并綜合考慮調頻性能及效率因子對出清價格進行調整，設置的效率因子不會影響資源報價，而是通過效用容量的概念進一步衡量資源調頻容量的差異，達到減少參與調頻資源容量的目的，相當于性能好的資源承擔更多的調頻任務，降低市場的邊際價格和系統(tǒng)的總調頻成本。根據(jù)日調頻容量需求分別計算出每個時段下各資源的效率因子，如表2所示，將實際的物理容量換算成調頻資源的效用容量，以此作為容量的出清依據(jù)。當效率因子大小取值為 0時代表資源在某時段不參與調頻輔助服務市場，效率因子可將快速和傳統(tǒng)調頻資源的調頻性能具體量化，市場內調頻資源之間的性能差異越大則效率因子的作用越明顯。
以廣東省電力市場為例，運營機構采用日前集中競價和預安排、日內統(tǒng)一出清的模式組織調頻市場交易，包括發(fā)布調頻市場信息、機組里程報價、日前預出清、日內正式出清[19-25]，交易流程如圖4所示。具體到時段為：1）10:00前，發(fā)布次日24小時各時段調頻控制區(qū)的調頻容量需求和調頻資源分布區(qū)的調頻容量需求及里程報價等信息；2）10:00—12:00，對次日24時段里程報價；3）12:30，預出清形成次日發(fā)電計劃的邊界條件，電力調度機構編制次日發(fā)電計劃時為各時段預出清中標的發(fā)電單元預留調頻容量；4）實際運行時段起始時間點30 min前，根據(jù)調頻補償政策，結合正式出清邊際價格，計算相應的補償費用。
圖4 廣東調頻市場交易流程
Fig.4 Guangdong frequency modulation market trading process
浙江調頻市場在調頻市場機制設計時，除了考慮報價因素外，也將調頻性能指標納入調頻資源的選取標準中來激勵市場主體。調頻資源集中出清階段，可根據(jù)調頻資源的歷史調頻表現(xiàn)（歷史綜合調頻性能指標）結合其申報價格進行排序；實際調用后，性能指標應根據(jù)其實際表現(xiàn)進行實時測算更新，并以此為依據(jù)進行補償。
1.2.3 交易品種設計
本文選取火電機組為傳統(tǒng)調頻資源，具有響應幅度大、延續(xù)時間長特性；選取儲能為快速調頻資源，包括抽水蓄能、水電等，具有響應變化幅度小、周期短、快速響應特性。將2個交易品種面向調頻資源開放，實現(xiàn)以下優(yōu)勢。1）減少機組頻繁調節(jié)出力造成的壽命損失，儲能快速響應調頻信號，解決調頻電量不足問題。2）較佳的調頻交易品種能以較小調頻成本實現(xiàn)最佳的調頻效果。3）引入效率因子后系統(tǒng)調頻容量需求減少，提升調頻效率，出清價格有明顯下降，且退出調頻輔助市場的資源還可運用在其他市場，實現(xiàn)資源節(jié)約。
2 競標模型
本章建立各DER的數(shù)學競標模型。
2.1 數(shù)學模型
2.2 目標函數(shù)
2.3 約束條件
3 算例分析
以IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)來驗證儲能參與調頻市場出清模型，系統(tǒng)含10臺機組，6臺為火電機組（G1~G6），4臺儲能（C1~C4），參數(shù)如表3~5所示。由VPP聚合的靈活性資源（儲能、CDG、柔性負荷、光伏與風電）在01:00—09:00參與填谷調峰，在09:00—13:00和18:00—22:00參與削峰調峰，全天24時段可參與電能量市場。風電、光伏出力預測如圖5所示，日前預測出力誤差為10%，可調控柔性負荷區(qū)間為2~6 MW，VPP內CDG和儲能相關參數(shù)如表6所示。
3.1 調峰輔助服務
設定調峰市場的準入條件[26-28]為競標電量不小于2.5 MW·h，同時VPP須考慮需求側靈活性資源儲能和柔性負荷在調峰和電能量市場的競標計劃，根據(jù)兩市場的價格、時段等信息進行日前競標決策。
規(guī)定可轉移負荷為柔性負荷在各時段負荷的25%；預測誤差的上限為10%，允許削減時段為峰時段09:00—13:00和18:00—22:00，VPP通過配網(wǎng)進行購售電，峰谷時間段劃分與電價如表7所示。
表7 峰平谷電價
Table 7 Power price of different time
圖6為儲能參與電能量平衡情況，可以看出，新能源出力全部得到消納，解決了棄風、光問題，滿足綠色低碳要求；儲能幾乎全時段參與電能量平衡過程，具有雙向特性，與內部成員CDG等聯(lián)合，根據(jù)內部負荷與外部市場價格的情況綜合制定合適的發(fā)電功率，削減高價時段負荷，增加低價時段負荷，從而使VPP在購電價格較高的13:00—18:00、22:00—次日01:00和18:00—22:00不進行購電，在09:00—13:00進行售電，最大程度節(jié)省購電成本。
圖6 儲能參與電能量平衡情況
Fig.6 Energy storage participating in electric energy balance
儲能收益由聚合DER后的VPP分配，收益如表8所示，可知VPP聚合分配后儲能效益優(yōu)于獨立運營收益。
表8 VPP內部成員收益
Table 8 VPP internal member income
VPP在峰谷電價進行電能量市場購售電；儲能與柔性負荷來參與調峰，在01:00—09:00可參與填谷調峰，在09:00—13:00和18:00—22:00可參與削峰調峰，設定5種案例來進行算例分析。
1）調峰市場有填谷、削峰調峰兩種需求；
2）調峰市場在01:00—09:00時段發(fā)布填谷調峰需求；
3）調峰市場在09:00—13:00和18:00—22:00時段發(fā)布削峰調峰需求；
4）調峰市場在01:00—05:00和05:00—09:00時段以不同價格發(fā)布填谷調峰需求；
5）調峰市場在不同時段以不同價格發(fā)布削峰調峰需求。
給定的電能量市場和調峰市場信息，具體參數(shù)如表9所示。
表9 調峰市場中的不同案例
Table 9 Different cases in peak modulation market
考慮儲能與柔性負荷參與的調峰市場競標結果如圖7~8及表10所示，可以看出：1）在調峰市場發(fā)布填谷調峰需求時，調動儲能充電及柔性負荷增加負荷來參與填谷調峰。2）在尖峰時的調峰市場發(fā)布填谷調峰的需求時，調動儲能放電和柔性負荷削減負荷參與削峰調峰。3）在調峰市場需求相同、價格不同時，改變調峰競標電量來提高收益。4）案例4下VPP的調峰收益和總收益大于案例3。5）在削峰調峰價格不同時，高價時的調峰競標電量增大，低價時的調峰競標電量減小，從而使調峰收益和總收益增大。6）案例5下VPP的調峰收益和總收益大于案例2。在填谷調峰價格不同時，VPP使高價時的調峰競標電量增大，使低價時的調峰競標電量減小，從而使得調峰收益和總收益增大。
為獲得最大調峰收益，VPP在參與填谷調峰時，在谷時01:00—09:00中選擇柔性負荷可調整量最大的部分時段優(yōu)先調動儲能充電來達到調峰市場準入條件。當調峰競標電量不滿足準入條件時，不能參與調峰，如VPP在案例1的谷時04:00—05:00、案例2的谷時04:00—05:00和案例4的谷時01:00—04:00的調峰市場競標電量為0，是因為VPP調動儲能在滿足能量最大約束的條件下選擇了其他獲利大的時間段進行充電，在這些時間段不進行充電，而僅靠該時段柔性負荷的負荷增加不能達到調峰市場準入條件，使VPP無法參與調峰。
VPP制定最多的調峰競標電量來獲得最大調峰收益，同時配網(wǎng)購電成本較低，內部收益受損小。由表10可知，調峰市場需求為填谷、削峰2種調峰的案例1下VPP收益最大。
儲能調峰策略為參與調峰時獲得VPP調峰補償，在電能量市場中充電時購電成本由VPP承擔，放電時獲得VPP補償。儲能的補償價格會影響VPP制定的儲能出力計劃，改變VPP與儲能的收益，需要協(xié)定合適的補償價格，既保證VPP收益，又能同時提高儲能和調峰收益。案例1~3中儲能調峰補償價格如圖9所示，可知VPP為了調動儲能參與填谷調峰，給予相應的填谷調峰補償價格；儲能在不同場景下的儲能調峰補償價格與調峰市場價格相關，為保證儲能參與調峰的利益，VPP制定的儲能調峰補償價格為調峰市場價格的一半。案例1中，儲能在填谷和削峰調峰均參與的情況下獲益最大。制定的補償價格可以在保證VPP整體收益下提高儲能收益。
圖9 案例1~3中儲能補償價格
Fig.9 Energy storage compensation price in Cases 1–3
3.2 調頻輔助服務
忽略潮流約束，24個時段的調頻容量和里程需求如圖10~11所示。
圖12~14為傳統(tǒng)、快速調頻容量和里程價格，以及儲能中標結果，由圖12~14可知，傳統(tǒng)調頻和快速調頻交易品種在04:00~06:00的容量價格為0，原因是此時段內調頻容量需求較低、調頻里程需求較高。04:00~07:00內，儲能C1~C3中標調頻容量，中標容量大于實際需求時，系統(tǒng)調頻容量需求增加時并不需要儲能提高自身調頻容量，若系統(tǒng)僅調用對應容量需求的調頻容量26.24 MW，因存在里程調用率限制，該部分調頻容量能提供最大調頻里程為410.5 MW，無法滿足調頻里程需求420 MW，從而需額外的調頻容量提供調頻里程，快速調頻交易里程價格約為17元/MW，與圖13結果一致。
在電能量和調頻服務聯(lián)合優(yōu)化出清模式下，系統(tǒng)總成本，即發(fā)電成本和調頻成本之和為1405.22萬元，低于順次出清模式下的總成本為1419.71萬元，原因是順次出清模式下未考慮調頻成本，而在聯(lián)合出清模式下，開機機組的確定綜合考慮了電能量、啟停和調頻成本，總成本更小，聯(lián)合出清模式下火電機組的電能量出力如圖15所示。
圖15 聯(lián)合出清下火電機組電能量出力
Fig.15 Power output of thermal power units under joint clearing
為充分體現(xiàn)各調頻資源參與調頻的物理性能[29-30]，設置16個資源個體參與日調頻輔助服務市場，實際運行日結合資源的實際運行情況進行各時段的模擬出清，做出如下假設。
1）新增2臺抽水蓄能資源參與調頻，令抽水蓄能1的運行時間為16:00~22:30；抽水蓄能2的運行時間為09:00~12:30，裝機容量均為300 MW，AGC可調節(jié)容量均為150 MW。
2）新增4臺水電資源參與調頻，裝機容量為2臺200 MW和2臺400 MW；AGC可調節(jié)容量為2臺70 MW和2臺80 MW。
3）火電機組的調頻容量受開停機時間和當日發(fā)電計劃約束，水電機組調頻容量受到水情及水庫調度影響。
設定某24時段的調頻總收益為76.3萬元，主要由資源實際提供的調頻里程來進行衡量。其中儲能的調頻收入為20.9萬元，而所有火電機組的調頻收益總和僅為3.7萬元，儲能和水電等調頻性能較好資源所獲調頻收益遠高于傳統(tǒng)火電機組。為了避免性能較差的火電機組無限制抬高市場出清的里程價格，資源的報價根據(jù)調頻性能指標調整后作為調頻資源排序的依據(jù)，為進一步直觀說明效率因子的作用，引入某時段調頻容量需求，如圖16所示，上調頻物理容量需求在加入效率因子后下降了約35%，下調頻物理容量需求降幅約45.5%。
圖16 考慮效率因子的典型時段調頻容量需求變化
Fig.16 Changes of frequency modulation capacity demand in typical periods considering efficiency factors
引入效率因子后系統(tǒng)的調頻總成本有較大程度的降低（上、下調頻總收益為310878、313395元，合計624273元），相較于未加入效率因子前的收益結果（上、下調頻總收益為365200、379312元，合計744512元）節(jié)約了16.15%成本。而儲能憑借優(yōu)異的調頻能力達到36.7%的收益占比。其中火電因調頻性能較差，收益占比進一步降至0.798%，具體的收益變化見表11。
表11 考慮效率因子后調頻資源收益
Table 11 Benefits of frequency modulation resources considering efficiency factors
4 結論
合理的市場機制能有效引導儲能有序提供輔助服務并獲得收益，本文在調峰市場中將儲能作為VPP成員參與電能量及調峰市場；調頻市場中考慮適應儲能參與的電能量和調頻交易品種聯(lián)合優(yōu)化出清模型，引入效率因子，得出以下結論。
1）VPP聚合靈活性資源，以整體效益最大為目標對外同時參與電能量市場和調峰市場，通過儲能和柔性負荷的協(xié)同，實現(xiàn)調峰市場的有效競標，使VPP及儲能獲得最佳調峰收益。
2）傳統(tǒng)和快速調頻交易品種聯(lián)合優(yōu)化出清模型較順次出清模型具有更高的社會效益。儲能資源有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)電容量，減小了系統(tǒng)調頻需求，在實現(xiàn)相同調頻效果的前提下，單位容量的儲能資源能夠替代更大容量的傳統(tǒng)調頻資源從而達到提升調頻效率和節(jié)約調頻資源的目的。
