該文為國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目成果，2018年7月發(fā)表于MPCE第6卷第4期。
引文信息：
Kangning LIU, Qixin CHEN, Chongqing KANG, et al. Optimal operation strategy for distributed battery aggregator providing energy and ancillary services[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2018, 6(4): 722-732
Optimal operation strategy for distributed battery aggregator providing energy and ancillary services
分布式儲(chǔ)能電池代理商提供能量和輔助服務(wù)的優(yōu)化運(yùn)營策略
DOI: 10.1007/s40565-017-0325-9
作者：劉康寧，陳啟鑫，康重慶等
分布式、可再生能源和電動(dòng)汽車的大規(guī)模接入，對(duì)電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出了更高的要求。裝配在需求側(cè)的分布式儲(chǔ)能電池不僅可以增加電網(wǎng)的可靠性和安全性，還可以通過參與電力市場獲得經(jīng)濟(jì)效益。隨著“電改9號(hào)文”開啟中國新一輪的電力體制改革，國內(nèi)電力零售市場正在開放，為分布式儲(chǔ)能電池的發(fā)展與應(yīng)用提供了全新的機(jī)遇?？紤]到分布式儲(chǔ)能電池大量散落在用戶端，可通過負(fù)荷聚集商、售電商代理的方式，“聚沙成塔”地形成一個(gè)聚合的市場主體，并提供電能、調(diào)頻、調(diào)峰等各種服務(wù)。因此，代理商如何在聚合大量分布式儲(chǔ)能設(shè)備的基礎(chǔ)上參與市場交易，并根據(jù)市場交易的結(jié)果在分布式電池之間分配相應(yīng)的能量與輔助服務(wù)，就成為一個(gè)重要的研究點(diǎn)，將對(duì)代理商與分布式電池的運(yùn)行收益均產(chǎn)生巨大的影響。本文對(duì)分布式電池參與電力市場的機(jī)制與商業(yè)模式進(jìn)行了分析，在考慮電池壽命折損、電池運(yùn)行特性和市場邊界條件的前提上，建立了分布式電池代理商參與能量-輔助服務(wù)聯(lián)合市場交易投標(biāo)的優(yōu)化運(yùn)營模型，協(xié)同考慮了分布式儲(chǔ)能電池間的性能差異，并構(gòu)建算例，分析了協(xié)同優(yōu)化所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。
1、分布式儲(chǔ)能電池相比于集中式儲(chǔ)能存在哪些難點(diǎn)？
分布式儲(chǔ)能電池往往包括了不同類型、不同工況、不同技術(shù)特性的設(shè)備，代理商在進(jìn)行相應(yīng)的投標(biāo)與控制優(yōu)化時(shí)，需要具體地考慮不同設(shè)備在容量、功率、效率、壽命折損等方面的差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)于分布式儲(chǔ)能電池的協(xié)同優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)自身的經(jīng)濟(jì)收益最大化。
2、代理商代理分布式儲(chǔ)能電池參與電力市場的商業(yè)模式
代理商制定電力市場的優(yōu)化競標(biāo)策略和具體的分配策略，在電力批發(fā)市場統(tǒng)一競標(biāo)后，將競標(biāo)結(jié)果分配到具體的分布式電池實(shí)體。在優(yōu)化競標(biāo)方面，分布式儲(chǔ)能電池參與電力市場的收益主要來自于兩部分：能量市場和輔助服務(wù)市場。在能量市場上，分布式儲(chǔ)能可以通過負(fù)荷預(yù)測等方式，結(jié)合歷史電價(jià)采取“高發(fā)低儲(chǔ)”的策略獲得利潤。在輔助服務(wù)市場上，本文主要考慮的是調(diào)頻市場，調(diào)頻市場的主要作用是滿足發(fā)電和負(fù)荷的瞬時(shí)平衡，維持頻率的穩(wěn)定。本文參考了美國德州電力市場的市場機(jī)制，除了容量收入之外，該機(jī)制對(duì)于類似儲(chǔ)能電池的具有良好的快速響應(yīng)特性的調(diào)頻設(shè)備給予了額外的調(diào)頻績效收入作為獎(jiǎng)勵(lì)。而制定分配策略時(shí)，儲(chǔ)能代理商除了需要考慮到電池的物理特性差異之外，也需要滿足用戶自身獨(dú)特的服務(wù)需求。
3、優(yōu)化運(yùn)營模型的構(gòu)建方法
優(yōu)化運(yùn)營模型以24小時(shí)內(nèi)利潤最大化為目標(biāo)函數(shù)，利潤取決于市場收入（能量市場和輔助服務(wù)市場）及各種成本（運(yùn)營成本、電池折損成本和維持成本）。由于電力市場電價(jià)可能具有多個(gè)場景，所以最終利潤為在各個(gè)場景下的利潤的加權(quán)平均值，權(quán)重為代理商對(duì)于各個(gè)電價(jià)場景發(fā)生的概率預(yù)測。本文首先對(duì)電池進(jìn)行了量化建模，模型考慮了電池的成本、功率、容量、能量效率、折損特性和荷電狀態(tài)（SOC）特性，由此能夠在進(jìn)一步分析中將電池差異化處理；在此基礎(chǔ)上，考慮到具體的市場參與場景，建立了競標(biāo)模型，并考慮了分布式電池的SOC約束、能量功率約束，建立了分配模型。
4、模型效果
本文的案例研究考察了由代理商運(yùn)營10組分布式電池參與能量市場和輔助服務(wù)市場的商業(yè)場景。10組電池除折損率參數(shù)差異之外其他參數(shù)均相同，從1號(hào)到10號(hào)，折損率依次遞增（即電池的單位老化折損成本依次增加）。代理商整體競標(biāo)結(jié)果如圖1所示，可以看出，代理商的競標(biāo)主要集中在調(diào)頻市場，在能量市場上僅買入電量而不賣出電量，且僅在電價(jià)較低時(shí)買入電量，所購入的電量用于承擔(dān)調(diào)頻時(shí)充放電的能量損耗。對(duì)比研究表明，若只參與能量市場，在能量市場上套利收益并不足以彌補(bǔ)成本，并不具有經(jīng)濟(jì)可行性。儲(chǔ)能代理商最主要的獲利途徑為參與到調(diào)頻市場中，儲(chǔ)能良好的調(diào)頻響應(yīng)速度也使得調(diào)頻績效電價(jià)部分帶來的收益較高。圖2描述了分布式電池參與能量市場的具體出力分配，可以看出，折損成本最低的電池1號(hào)與2號(hào)得到優(yōu)先利用，由此，代理商可以獲得能量市場上電池折損成本的最小化。
研究表明，代理商通過聚少成多，具有參與電力批發(fā)市場進(jìn)行投標(biāo)的能力，并且可以基于分布式電池的特性進(jìn)行優(yōu)化，靈活地在不同電池之間分配投標(biāo)量，使得這種商業(yè)模式具有經(jīng)濟(jì)可行性。
圖1 電池代理商電力批發(fā)市場競標(biāo)構(gòu)成
圖2 分布式電池在能量市場的具體出力分配
主要作者及團(tuán)隊(duì)介紹
劉康寧：清華大學(xué)工學(xué)學(xué)士, 瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院碩士研究生。主要研究方向：儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力市場、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)。
陳啟鑫：清華大學(xué)電機(jī)系副教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向：電力市場、低碳電力技術(shù)、電力系統(tǒng)調(diào)度、負(fù)荷預(yù)測、能源互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)。
康重慶：清華大學(xué)電機(jī)系教授、黨委書記、博士生導(dǎo)師，IEEE Fellow，IET Fellow。主要研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行與規(guī)劃、可再生能源、負(fù)荷預(yù)測、低碳電力技術(shù)。
團(tuán)隊(duì)介紹：
清華大學(xué)智慧能源實(shí)驗(yàn)室（Energy IntelligenceLaboratory, EILAB）目前主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度運(yùn)行、智能電網(wǎng)、電力市場、負(fù)荷預(yù)測、可再生能源、低碳電力和綜合能源系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究工作。近5年團(tuán)隊(duì)發(fā)表或錄用SCI論文70余篇。所研發(fā)的負(fù)荷預(yù)測軟件在我國200余家地市電網(wǎng)得到推廣應(yīng)用，發(fā)電計(jì)劃與檢修計(jì)劃軟件在全國10余個(gè)省級(jí)調(diào)度中心應(yīng)用，電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件在全國10余個(gè)省級(jí)經(jīng)研院或規(guī)劃中心應(yīng)用，參與設(shè)計(jì)了我國新一輪電力體制改革多個(gè)試點(diǎn)市場的機(jī)制設(shè)計(jì)。
