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摘要
為評估電化學儲能和抽水蓄能參與電力市場的運行價值，明確儲能的成本效益機制，促進儲能商業(yè)模式的發(fā)展和應(yīng)用，構(gòu)建了一種電能量、調(diào)頻和備用聯(lián)合市場出清優(yōu)化模型，將電化學儲能和抽水蓄能分別作為市場運營者的調(diào)度管理工具應(yīng)用于聯(lián)合市場，依據(jù)儲能參與聯(lián)合市場前后帶來的市場總成本變化以及儲能日運行成本，量化對比儲能對聯(lián)合市場所帶來運行價值，并通過算例分析兩類儲能對市場出清價格的影響以及影響儲能運行價值的主要因素，以期為儲能的規(guī)劃、建設(shè)和運行提供借鑒。
1 儲能運行成本
儲能成本評估是全面評估儲能運行價值時的一個關(guān)鍵問題。電化學儲能和抽水蓄能的運行成本都包括初始投資建設(shè)成本和運行維護成本，全生命周期內(nèi)2種儲能的運行成本折算至日的數(shù)學模型為
2 儲能物理運行約束
2.1 電化學儲能運行約束
1）功率約束。儲能需為參與調(diào)頻（上、下調(diào)頻容量相等）與備用預(yù)留足夠的功率與能量，儲能功率上下限約束為
在實時調(diào)度時，備用的調(diào)用會引起儲能容量變化，實際調(diào)用正負備用相當于儲能進行充放電，為了保證備用的可調(diào)度性，日前市場儲能中標的正負備用必須滿足實際調(diào)度時儲能容量約束。則 t 時刻的儲能容量上下限約束應(yīng)為
2.2 抽水蓄能電站運行約束
為統(tǒng)一表述，抽水蓄能電站抽水狀態(tài)相當于抽水蓄能電站充電，發(fā)電狀態(tài)相當于抽水蓄能電站放電，抽水蓄能電站的水庫庫容相當于抽水蓄能電站容量。抽水蓄能電站運行約束與電化學儲能相似，其容量上下限約束、周期性容量約束同式（4）~（8）。由于抽水蓄能電站不能直接在發(fā)電狀態(tài)與抽水狀態(tài)間進行轉(zhuǎn)換，必須以停機狀態(tài)作為中間狀態(tài)才能進行轉(zhuǎn)換，因此須限制停機一個時段，通過引入工況狀態(tài)標志的0-1變量實現(xiàn)。抽水蓄能電站功率上下限約束的表達式為
抽水蓄能電站須限制停機一個調(diào)度周期，相應(yīng)的工況狀態(tài)轉(zhuǎn)換約束為
3 日前電能量與輔助服務(wù)聯(lián)合市場出清
本文給出儲能參與的日前電能量與輔助服務(wù)市場基本框架，包括市場交易品種和組織方式、聯(lián)合出清模型及價格，明確儲能參與的市場環(huán)境和機制。
3.1 市場基本框架
在電能量市場與輔助服務(wù)市場聯(lián)合優(yōu)化的模式下，交易品種包括電能量和輔助服務(wù)產(chǎn)品，其中輔助服務(wù)產(chǎn)品包括調(diào)頻服務(wù)、正備用和負備用。其中，調(diào)頻服務(wù)產(chǎn)品包括調(diào)頻容量和調(diào)頻里程，本文聯(lián)合市場中上調(diào)頻容量和下調(diào)頻容量同時出清，即同時出清等量的上下調(diào)頻容量。
為確保調(diào)頻資源充足，在日前市場使用上一周的歷史調(diào)度數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)調(diào)頻里程系數(shù)圖片以求取系統(tǒng)調(diào)頻里程需求，并計算機組調(diào)頻里程系數(shù)圖片和儲能調(diào)頻里程系數(shù)圖片其中，系統(tǒng)調(diào)頻里程系數(shù)為7天內(nèi)系統(tǒng)所有設(shè)備的總歷史實際調(diào)頻里程量與總調(diào)頻容量之比；機組和儲能里程系數(shù)分別為某機組和某儲能7天內(nèi)總歷史里程量與總調(diào)頻容量之比。
本文電能量與輔助服務(wù)市場報價都采用發(fā)電側(cè)單邊報量報價的方式，其中電能量市場報價采用分段報價方式。為促進可再生能源全額消納，風電場不參與市場競價，優(yōu)先安排風電場出力。為充分評估儲能作為市場運行者的調(diào)度工具參與聯(lián)合市場所創(chuàng)造的運行價值，儲能在各類市場中不參與報價，僅作為優(yōu)化市場的運行資源。
根據(jù)市場主體申報的信息及系統(tǒng)的運行方式、各聯(lián)絡(luò)線的輸電計劃，市場運營機構(gòu)采用安全約束機組組合（security constrained unit commitment，SCUC）和經(jīng)濟調(diào)度（security constrained economic dispatch，SCED）程序，優(yōu)化運行日的機組出力曲線、調(diào)頻、備用容量計劃，計算分時節(jié)點電能量價格、調(diào)頻容量價格、調(diào)頻里程價格與備用容量價格。
3.2 日前電能量與輔助服務(wù)聯(lián)合市場出清模型
本文以1天 24 h 為一個出清周期，目前日前市場多采用兩階段市場出清，兩階段出清先由SCUC計算機組組合，基于此計算SCED模型，繼而構(gòu)造拉格朗日函數(shù)計算獲得節(jié)點電價。本文以SCED模型為例進行介紹，以聯(lián)合市場總成本最小為優(yōu)化目標，即
1）電能量市場約束條件。電能量市場約束條件包括式（21）~（24），其中式（21）為系統(tǒng)功率平衡約束；式（22）為潮流越限約束；式（23）和式（24）為機組出力上下限約束。
2）備用市場約束條件。備用市場約束條件包括式（25）~（28），其中式（25）和式（26）為正負備用需求約束；式（27）和式（28）為正負備用可供容量上下限約束。
3.3 聯(lián)合市場出清價格
1）節(jié)點電價。節(jié)點電價反映了某節(jié)點上增加單位負荷所需要增加的購電成本，能夠有效反映負荷變化對系統(tǒng)影響。時刻t節(jié)點k上的節(jié)點電價為
4 儲能運行價值
從市場運營者的角度，針對不同的交易品種，儲能市場運行價值分為電能量市場、備用市場以及調(diào)頻市場的運行價值，分別為
式中：下標0為儲能未參與某市場時該市場的成本；下標es為儲能參與某市場時該市場的成本。
儲能的社會運行價值為儲能所創(chuàng)造的市場運行價值總和與儲能日均運行成本之差，即為儲能參與市場與否的市場總成本差值與儲能日平均運行成本的差值。
5 算例分析
系統(tǒng)調(diào)頻容量需求為負荷的10%，系統(tǒng)里程系數(shù)為10，儲能里程系數(shù)為20, 機組技術(shù)出力參數(shù)如表3所示。系統(tǒng)正負備用需求都為各時段負荷的5%。在Matlab中通過Yalmip工具箱調(diào)用Gurobi求解器實現(xiàn)該問題的求解。
5.1 儲能運行價值分析及其對出清價格的影響
儲能功率的出清情況如圖2所示。由于儲能具備獨特的能量有限性和充放電效率，當充放電價格相差不大的情況下，2種儲能都傾向于提供調(diào)頻和備用輔助服務(wù)，較少在電能量市場中標。在電能量市場中，由于電化學儲能能夠適應(yīng)頻繁的充放電轉(zhuǎn)換，在停機狀態(tài)依舊可以中標輔助服務(wù)容量，僅在電價高峰和低谷時刻參與電能量市場。
抽水蓄能電站由于受到工況轉(zhuǎn)換約束，抽水蓄能電站只有處于發(fā)電或抽水狀態(tài)時才能中標輔助服務(wù)，在停機狀態(tài)下抽水蓄能電站不能中標輔助服務(wù)產(chǎn)品，由于案例中負荷低谷時間比高峰時段長，因而抽水蓄能中標充電功率的時段比中標放電功率的時段多。相對于電化學儲能，抽水蓄能電站能夠中標的輔助服務(wù)容量較少。
配置儲能前后市場成本的變化情況如表4所示，儲能參與電力市場創(chuàng)造的運行價值如表5所示。由于2種儲能在電能量市場中標量較小，在儲能不報價時，儲能放電會減小電能量市場成本，儲能充電會增加電能量市場成本，因此儲能充放電對電能量市場成本的影響小。從表4可知，電化學儲能僅在高峰、低谷和最后一個時段內(nèi)中標電能量，故其所創(chuàng)造的電能量市場運行價值很小，而抽水蓄能電站中標充電功率的時段比中標放電功率的時段多，故其所創(chuàng)造的電能量市場運行價值為負，儲能在能量市場上價值為負并不意味著儲能的價值為負，因為此時是能量、調(diào)頻和備用3個市場的聯(lián)合優(yōu)化，抽蓄在能量市場上的負價值是為了更好地參與調(diào)頻和備用市場，使得3個市場價值之和最大，因為抽蓄在非充或非放狀態(tài)下沒有參與調(diào)頻。2種儲能都承擔了較多的調(diào)頻服務(wù)和備用，它們加入后調(diào)頻市場成本和備用市場成本明顯下降，儲能的調(diào)頻市場運行價值和備用市場運行價值較為突出。由于抽蓄的電能量市場運行價值為負且調(diào)頻市場運行價值較小，抽水蓄能電站的社會運行價值比電化學儲能小。
有無儲能參與市場的節(jié)點電價變化情況如圖3所示。由圖3可知，2種儲能都起到了“移峰填谷”作用，降低負荷峰時電價、抬高負荷谷時電價。無儲能時，多數(shù)時段線路1-2出現(xiàn)阻塞，16:00—20:00時段線路1-5出現(xiàn)阻塞，阻塞下游節(jié)點的電價被抬高。16:00—20:00時段2種儲能參與時，線路1-5仍存在阻塞，但儲能放電提供了逆向潮流，緩解了阻塞情況，節(jié)點電價有所下降。
備用出清價格如圖4所示，調(diào)頻市場出清價格如圖5所示，儲能不參與市場競價，在2種儲能中標調(diào)頻或備用的時段降低了輔助服務(wù)市場出清價格。由于電化學儲能中標了更多的輔助服務(wù)容量，電化學儲能參與時，多數(shù)時段的備用價格、調(diào)頻容量和里程價格都大幅下降，有電化學儲能參與的輔助服務(wù)市場出清價格相比抽水蓄能參與的市場要更低，這得益于電化學儲能的靈活運行方式。
5.2 儲能運行價值敏感性分析
儲能運行價值受到諸多因素影響，本文采用敏感度方法分別分析負荷變化、儲能額定容量和額定功率以及儲能布局對其運行價值的影響。
1）市場需求對儲能日運行價值的影響。由于調(diào)頻和備用需求按各時段負荷大小確定，負荷的改變在改變能量市場出清的同時會影響調(diào)頻和備用需求，改變機組中標情況、儲能調(diào)度結(jié)果以及出清價格，從而影響儲能運行價值。令儲能的日均運行成本不變，按比例改變原負荷大小，2種儲能各自運行價值的變化情況如圖6所示。
電化學儲能在電能量市場利用率較低，負荷主要由發(fā)電機組承擔，負荷變化對電化學儲能的電能量市場運行價值影響較?。粚τ诔樗钅茈娬?，隨著負荷比例增大，中標的充放電功率越大，且充電功率多于放電功率，故對電能量市場成本的影響更大且價值會繼續(xù)下降。2種儲能的日均運行成本不變，輔助服務(wù)需求增大，將由2種儲能提供更多的輔助服務(wù)容量，調(diào)頻市場運行價值都隨市場需求增大，而2種儲能的備用市場運行價值和電能量市場運行價值占比較小，故2種儲能的社會運行價值都隨負荷的增大而增大。
在負荷較小的時候，抽水蓄能電站可能增加市場總成本，創(chuàng)造負的社會運行價值，而電化學儲能在負荷較小的時候仍可以創(chuàng)造一定的社會運行價值。由此可見，抽水蓄能電站不太適用于小系統(tǒng)，在實際工程應(yīng)用中，抽水蓄能電站規(guī)模較大，一般也只在容量需求較大的系統(tǒng)中使用。
2）儲能額定功率和容量對日運行價值的影響。同比例改變儲能原額定功率和額定容量大小，儲能日平均運行成本會隨著儲能額定功率和容量增大而增大，結(jié)果如圖7所示。
隨著儲能額定功率和額定容量增大，儲能能夠提供的輔助服務(wù)越多，儲能參與市場出清所創(chuàng)造的調(diào)頻市場價值明顯增大。達到原儲能額定容量及功率的0.4倍之后，由于系統(tǒng)負荷和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等無變化，調(diào)頻容量需求和調(diào)頻里程需求不變，故儲能調(diào)頻市場運行價值隨儲能容量及功率的增長幅度放緩，而儲能所創(chuàng)造的電能量市場運行價值和備用市場運行價值較小，但儲能日均運行成本仍隨額定容量的增大而增大，因此社會運行價值隨儲能充、放電額定功率和額定容量的增大而降低。
由此可見，只有根據(jù)具體的系統(tǒng)、負荷等情況合理配置相應(yīng)容量的儲能系統(tǒng)，才能充分挖掘其使用潛力，使其社會運行價值達到最大，也將提高儲能自身收益，盲目擴大儲能容量則會導(dǎo)致儲能閑置率增加，影響儲能的成本效益。
3）儲能布局對儲能日運行價值的影響。不同接入節(jié)點下電化學儲能和抽水蓄能電站的日運行價值分別如表6和表7所示。
在不同的接入節(jié)點下，受制于網(wǎng)絡(luò)安全運行約束，儲能在各個市場運行價值有所不同，其中電能量市場運行價值受儲能布局影響最明顯。在節(jié)點1處，機組1的電能量市場報價偏低，中標出力較多，節(jié)點1所連接的線路1-4和1-2容易出現(xiàn)阻塞，儲能接入節(jié)點1、2或4時的中標功率受限，電能量市場運行價值較小，因而社會運行價值較小。可見，儲能的布局會影響儲能社會運行價值，合理優(yōu)化儲能布局有利于儲能發(fā)揮更大的價值。
6 結(jié)論
本文提出電化學儲能和抽水蓄能社會運行價值評估方法，構(gòu)建電能量、調(diào)頻和備用聯(lián)合市場出清優(yōu)化模型，計及儲能日運行成本量化儲能社會運行價值。以6節(jié)點測試系統(tǒng)為算例，研究得出如下結(jié)論。
1）對比分析有無儲能參與的聯(lián)合市場各個出清價格的變化，可以明晰儲能對市場價格的影響。算例仿真結(jié)果表明，2種儲能都對節(jié)點電價主要起到“移峰填谷”作用，降低了負荷峰時電價、抬高了負荷谷時電價；儲能參與聯(lián)合市場傾向于承擔絕大多數(shù)的調(diào)頻和備用輔助服務(wù)，調(diào)頻容量價格、調(diào)頻里程價格以及各級備用價格在多數(shù)時段都明顯降低。
2）配置日均運行成本為4.76萬元的抽水蓄能電站所創(chuàng)造的社會運行價值可達1.53萬元，配置日均運行成本為4.75萬元的電化學儲能所創(chuàng)造的社會運行價值可達5.04萬元，由于抽水蓄能充放電循環(huán)效率較電化學儲能低，引起能量市場成本增加，故在調(diào)頻需求比較大的系統(tǒng)，電化學儲能體現(xiàn)的運行價值更大。
3）市場需求、儲能規(guī)模、儲能布局對儲能參與電能量和輔助服務(wù)聯(lián)合市場的社會運行價值有較大影響。在實際市場運行中，可以根據(jù)具體的市場實際供需關(guān)系合理配置儲能參數(shù)并優(yōu)化儲能選址，以期發(fā)揮儲能最大的社會運行價值。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請查看原文。
