該文為國家自然科學基金資助項目成果，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
分布式儲能電池代理商提供能量和輔助服務的優(yōu)化運營策略
DOI: 10.1007/s40565-017-0325-9
作者：劉康寧，陳啟鑫，康重慶等
分布式、可再生能源和電動汽車的大規(guī)模接入，對電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行提出了更高的要求。裝配在需求側的分布式儲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)濟效益。隨著“電改9號文”開啟中國新一輪的電力體制改革，國內電力零售市場正在開放，為分布式儲能電池的發(fā)展與應用提供了全新的機遇?？紤]到分布式儲能電池大量散落在用戶端，可通過負荷聚集商、售電商代理的方式，“聚沙成塔”地形成一個聚合的市場主體，并提供電能、調頻、調峰等各種服務。因此，代理商如何在聚合大量分布式儲能設備的基礎上參與市場交易，并根據(jù)市場交易的結果在分布式電池之間分配相應的能量與輔助服務，就成為一個重要的研究點，將對代理商與分布式電池的運行收益均產(chǎn)生巨大的影響。本文對分布式電池參與電力市場的機制與商業(yè)模式進行了分析，在考慮電池壽命折損、電池運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-輔助服務聯(lián)合市場交易投標的優(yōu)化運營模型，協(xié)同考慮了分布式儲能電池間的性能差異，并構建算例，分析了協(xié)同優(yōu)化所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。
1、分布式儲能電池相比于集中式儲能存在哪些難點？
分布式儲能電池往往包括了不同類型、不同工況、不同技術特性的設備，代理商在進行相應的投標與控制優(yōu)化時，需要具體地考慮不同設備在容量、功率、效率、壽命折損等方面的差異，實現(xiàn)對于分布式儲能電池的協(xié)同優(yōu)化，以實現(xiàn)自身的經(jīng)濟收益最大化。
2、代理商代理分布式儲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)化競標策略和具體的分配策略，在電力批發(fā)市場統(tǒng)一競標后，將競標結果分配到具體的分布式電池實體。在優(yōu)化競標方面，分布式儲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市場。在能量市場上，分布式儲能可以通過負荷預測等方式，結合歷史電價采取“高發(fā)低儲”的策略獲得利潤。在輔助服務市場上，本文主要考慮的是調頻市場，調頻市場的主要作用是滿足發(fā)電和負荷的瞬時平衡，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制，除了容量收入之外，該機制對于類似儲能電池的具有良好的快速響應特性的調頻設備給予了額外的調頻績效收入作為獎勵。而制定分配策略時，儲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特的服務需求。
3、優(yōu)化運營模型的構建方法
優(yōu)化運營模型以24小時內利潤最大化為目標函數(shù)，利潤取決于市場收入（能量市場和輔助服務市場）及各種成本（運營成本、電池折損成本和維持成本）。由于電力市場電價可能具有多個場景，所以最終利潤為在各個場景下的利潤的加權平均值，權重為代理商對于各個電價場景發(fā)生的概率預測。本文首先對電池進行了量化建模，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，由此能夠在進一步分析中將電池差異化處理；在此基礎上，考慮到具體的市場參與場景，建立了競標模型，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營10組分布式電池參與能量市場和輔助服務市場的商業(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號到10號，折損率依次遞增（即電池的單位老化折損成本依次增加）。代理商整體競標結果如圖1所示，可以看出，代理商的競標主要集中在調頻市場，在能量市場上僅買入電量而不賣出電量，且僅在電價較低時買入電量，所購入的電量用于承擔調頻時充放電的能量損耗。對比研究表明，若只參與能量市場，在能量市場上套利收益并不足以彌補成本，并不具有經(jīng)濟可行性。儲能代理商最主要的獲利途徑為參與到調頻市場中，儲能良好的調頻響應速度也使得調頻績效電價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號與2號得到優(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)市場進行投標的能力，并且可以基于分布式電池的特性進行優(yōu)化，靈活地在不同電池之間分配投標量，使得這種商業(yè)模式具有經(jīng)濟可行性。
圖1 電池代理商電力批發(fā)市場競標構成
圖2 分布式電池在能量市場的具體出力分配
主要作者及團隊介紹
劉康寧：清華大學工學學士, 瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院碩士研究生。主要研究方向：儲能系統(tǒng)、電力市場、大數(shù)據(jù)、機器學習。
陳啟鑫：清華大學電機系副教授、博士生導師。主要研究方向：電力市場、低碳電力技術、電力系統(tǒng)調度、負荷預測、能源互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)。
康重慶：清華大學電機系教授、黨委書記、博士生導師，IEEE Fellow，IET Fellow。主要研究方向：電力系統(tǒng)運行與規(guī)劃、可再生能源、負荷預測、低碳電力技術。
團隊介紹：
清華大學智慧能源實驗室（Energy IntelligenceLaboratory, EILAB）目前主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、調度運行、智能電網(wǎng)、電力市場、負荷預測、可再生能源、低碳電力和綜合能源系統(tǒng)等領域的研究工作。近5年團隊發(fā)表或錄用SCI論文70余篇。所研發(fā)的負荷預測軟件在我國200余家地市電網(wǎng)得到推廣應用，發(fā)電計劃與檢修計劃軟件在全國10余個省級調度中心應用，電力系統(tǒng)運行模擬軟件在全國10余個省級經(jīng)研院或規(guī)劃中心應用，參與設計了我國新一輪電力體制改革多個試點市場的機制設計。
