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摘要
為評估電化學(xué)儲能和抽水蓄能參與電力市場的運(yùn)行價(jià)值，明確儲能的成本效益機(jī)制，促進(jìn)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(xué)儲能和抽水蓄能分別作為市場運(yùn)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(yùn)行成本，量化對比儲能對聯(lián)合市場所帶來運(yùn)行價(jià)值，并通過算例分析兩類儲能對市場出清價(jià)格的影響以及影響儲能運(yùn)行價(jià)值的主要因素，以期為儲能的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行提供借鑒。
1 儲能運(yùn)行成本
儲能成本評估是全面評估儲能運(yùn)行價(jià)值時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵問題。電化學(xué)儲能和抽水蓄能的運(yùn)行成本都包括初始投資建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本，全生命周期內(nèi)2種儲能的運(yùn)行成本折算至日的數(shù)學(xué)模型為
2 儲能物理運(yùn)行約束
2.1 電化學(xué)儲能運(yùn)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(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)，備用的調(diào)用會引起儲能容量變化，實(shí)際調(diào)用正負(fù)備用相當(dāng)于儲能進(jìn)行充放電，為了保證備用的可調(diào)度性，日前市場儲能中標(biāo)的正負(fù)備用必須滿足實(shí)際調(diào)度時(shí)儲能容量約束。則 t 時(shí)刻的儲能容量上下限約束應(yīng)為
2.2 抽水蓄能電站運(yùn)行約束
為統(tǒng)一表述，抽水蓄能電站抽水狀態(tài)相當(dāng)于抽水蓄能電站充電，發(fā)電狀態(tài)相當(dāng)于抽水蓄能電站放電，抽水蓄能電站的水庫庫容相當(dāng)于抽水蓄能電站容量。抽水蓄能電站運(yùn)行約束與電化學(xué)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，必須以停機(jī)狀態(tài)作為中間狀態(tài)才能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此須限制停機(jī)一個(gè)時(shí)段，通過引入工況狀態(tài)標(biāo)志的0-1變量實(shí)現(xiàn)。抽水蓄能電站功率上下限約束的表達(dá)式為
抽水蓄能電站須限制停機(jī)一個(gè)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(jià)格，明確儲能參與的市場環(huán)境和機(jī)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(fù)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(shí)出清，即同時(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)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(shí)際調(diào)頻里程量與總調(diào)頻容量之比；機(jī)組和儲能里程系數(shù)分別為某機(jī)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(bào)價(jià)都采用發(fā)電側(cè)單邊報(bào)量報(bào)價(jià)的方式，其中電能量市場報(bào)價(jià)采用分段報(bào)價(jià)方式。為促進(jìn)可再生能源全額消納，風(fēng)電場不參與市場競價(jià)，優(yōu)先安排風(fēng)電場出力。為充分評估儲能作為市場運(yùn)行者的調(diào)度工具參與聯(lián)合市場所創(chuàng)造的運(yùn)行價(jià)值，儲能在各類市場中不參與報(bào)價(jià)，僅作為優(yōu)化市場的運(yùn)行資源。
根據(jù)市場主體申報(bào)的信息及系統(tǒng)的運(yùn)行方式、各聯(lián)絡(luò)線的輸電計(jì)劃，市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)采用安全約束機(jī)組組合（security constrained unit commitment，SCUC）和經(jīng)濟(jì)調(diào)度（security constrained economic dispatch，SCED）程序，優(yōu)化運(yùn)行日的機(jī)組出力曲線、調(diào)頻、備用容量計(jì)劃，計(jì)算分時(shí)節(jié)點(diǎn)電能量價(jià)格、調(diào)頻容量價(jià)格、調(diào)頻里程價(jià)格與備用容量價(jià)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(gè)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(jì)算機(jī)組組合，基于此計(jì)算SCED模型，繼而構(gòu)造拉格朗日函數(shù)計(jì)算獲得節(jié)點(diǎn)電價(jià)。本文以SCED模型為例進(jìn)行介紹，以聯(lián)合市場總成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，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(jī)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(fù)備用需求約束；式（27）和式（28）為正負(fù)備用可供容量上下限約束。
3.3 聯(lián)合市場出清價(jià)格
1）節(jié)點(diǎn)電價(jià)。節(jié)點(diǎn)電價(jià)反映了某節(jié)點(diǎn)上增加單位負(fù)荷所需要增加的購電成本，能夠有效反映負(fù)荷變化對系統(tǒng)影響。時(shí)刻t節(jié)點(diǎn)k上的節(jié)點(diǎn)電價(jià)為
4 儲能運(yùn)行價(jià)值
從市場運(yùn)營者的角度，針對不同的交易品種，儲能市場運(yùn)行價(jià)值分為電能量市場、備用市場以及調(diào)頻市場的運(yùn)行價(jià)值，分別為
式中：下標(biāo)0為儲能未參與某市場時(shí)該市場的成本；下標(biāo)es為儲能參與某市場時(shí)該市場的成本。
儲能的社會運(yùn)行價(jià)值為儲能所創(chuàng)造的市場運(yùn)行價(jià)值總和與儲能日均運(yùn)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(yùn)行成本的差值。
5 算例分析
系統(tǒng)調(diào)頻容量需求為負(fù)荷的10%，系統(tǒng)里程系數(shù)為10，儲能里程系數(shù)為20, 機(jī)組技術(shù)出力參數(shù)如表3所示。系統(tǒng)正負(fù)備用需求都為各時(shí)段負(fù)荷的5%。在Matlab中通過Yalmip工具箱調(diào)用Gurobi求解器實(shí)現(xiàn)該問題的求解。
5.1 儲能運(yùn)行價(jià)值分析及其對出清價(jià)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(dú)特的能量有限性和充放電效率，當(dāng)充放電價(jià)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(biāo)。在電能量市場中，由于電化學(xué)儲能能夠適應(yīng)頻繁的充放電轉(zhuǎn)換，在停機(jī)狀態(tài)依舊可以中標(biāo)輔助服務(wù)容量，僅在電價(jià)高峰和低谷時(shí)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(shí)才能中標(biāo)輔助服務(wù)，在停機(jī)狀態(tài)下抽水蓄能電站不能中標(biāo)輔助服務(wù)產(chǎn)品，由于案例中負(fù)荷低谷時(shí)間比高峰時(shí)段長，因而抽水蓄能中標(biāo)充電功率的時(shí)段比中標(biāo)放電功率的時(shí)段多。相對于電化學(xué)儲能，抽水蓄能電站能夠中標(biāo)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(yùn)行價(jià)值如表5所示。由于2種儲能在電能量市場中標(biāo)量較小，在儲能不報(bào)價(jià)時(shí)，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(xué)儲能僅在高峰、低谷和最后一個(gè)時(shí)段內(nèi)中標(biāo)電能量，故其所創(chuàng)造的電能量市場運(yùn)行價(jià)值很小，而抽水蓄能電站中標(biāo)充電功率的時(shí)段比中標(biāo)放電功率的時(shí)段多，故其所創(chuàng)造的電能量市場運(yùn)行價(jià)值為負(fù)，儲能在能量市場上價(jià)值為負(fù)并不意味著儲能的價(jià)值為負(fù)，因?yàn)榇藭r(shí)是能量、調(diào)頻和備用3個(gè)市場的聯(lián)合優(yōu)化，抽蓄在能量市場上的負(fù)價(jià)值是為了更好地參與調(diào)頻和備用市場，使得3個(gè)市場價(jià)值之和最大，因?yàn)槌樾钤诜浅浠蚍欠艩顟B(tài)下沒有參與調(diào)頻。2種儲能都承擔(dān)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(yùn)行價(jià)值和備用市場運(yùn)行價(jià)值較為突出。由于抽蓄的電能量市場運(yùn)行價(jià)值為負(fù)且調(diào)頻市場運(yùn)行價(jià)值較小，抽水蓄能電站的社會運(yùn)行價(jià)值比電化學(xué)儲能小。
有無儲能參與市場的節(jié)點(diǎn)電價(jià)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(fù)荷峰時(shí)電價(jià)、抬高負(fù)荷谷時(shí)電價(jià)。無儲能時(shí)，多數(shù)時(shí)段線路1-2出現(xiàn)阻塞，16:00—20:00時(shí)段線路1-5出現(xiàn)阻塞，阻塞下游節(jié)點(diǎn)的電價(jià)被抬高。16:00—20:00時(shí)段2種儲能參與時(shí)，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(diǎn)電價(jià)有所下降。
備用出清價(jià)格如圖4所示，調(diào)頻市場出清價(jià)格如圖5所示，儲能不參與市場競價(jià)，在2種儲能中標(biāo)調(diào)頻或備用的時(shí)段降低了輔助服務(wù)市場出清價(jià)格。由于電化學(xué)儲能中標(biāo)了更多的輔助服務(wù)容量，電化學(xué)儲能參與時(shí)，多數(shù)時(shí)段的備用價(jià)格、調(diào)頻容量和里程價(jià)格都大幅下降，有電化學(xué)儲能參與的輔助服務(wù)市場出清價(jià)格相比抽水蓄能參與的市場要更低，這得益于電化學(xué)儲能的靈活運(yùn)行方式。
5.2 儲能運(yùn)行價(jià)值敏感性分析
儲能運(yùn)行價(jià)值受到諸多因素影響，本文采用敏感度方法分別分析負(fù)荷變化、儲能額定容量和額定功率以及儲能布局對其運(yùn)行價(jià)值的影響。
1）市場需求對儲能日運(yùn)行價(jià)值的影響。由于調(diào)頻和備用需求按各時(shí)段負(fù)荷大小確定，負(fù)荷的改變在改變能量市場出清的同時(shí)會影響調(diào)頻和備用需求，改變機(jī)組中標(biāo)情況、儲能調(diào)度結(jié)果以及出清價(jià)格，從而影響儲能運(yùn)行價(jià)值。令儲能的日均運(yùn)行成本不變，按比例改變原負(fù)荷大小，2種儲能各自運(yùn)行價(jià)值的變化情況如圖6所示。
電化學(xué)儲能在電能量市場利用率較低，負(fù)荷主要由發(fā)電機(jī)組承擔(dān)，負(fù)荷變化對電化學(xué)儲能的電能量市場運(yùn)行價(jià)值影響較??；對于抽水蓄能電站，隨著負(fù)荷比例增大，中標(biāo)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(jià)值會繼續(xù)下降。2種儲能的日均運(yùn)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(yùn)行價(jià)值都隨市場需求增大，而2種儲能的備用市場運(yùn)行價(jià)值和電能量市場運(yùn)行價(jià)值占比較小，故2種儲能的社會運(yùn)行價(jià)值都隨負(fù)荷的增大而增大。
在負(fù)荷較小的時(shí)候，抽水蓄能電站可能增加市場總成本，創(chuàng)造負(fù)的社會運(yùn)行價(jià)值，而電化學(xué)儲能在負(fù)荷較小的時(shí)候仍可以創(chuàng)造一定的社會運(yùn)行價(jià)值。由此可見，抽水蓄能電站不太適用于小系統(tǒng)，在實(shí)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(yùn)行價(jià)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(yùn)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(jià)值明顯增大。達(dá)到原儲能額定容量及功率的0.4倍之后，由于系統(tǒng)負(fù)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(yùn)行價(jià)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(yùn)行價(jià)值和備用市場運(yùn)行價(jià)值較小，但儲能日均運(yùn)行成本仍隨額定容量的增大而增大，因此社會運(yùn)行價(jià)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(fù)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(yùn)行價(jià)值達(dá)到最大，也將提高儲能自身收益，盲目擴(kuò)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(yùn)行價(jià)值的影響。不同接入節(jié)點(diǎn)下電化學(xué)儲能和抽水蓄能電站的日運(yùn)行價(jià)值分別如表6和表7所示。
在不同的接入節(jié)點(diǎn)下，受制于網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行約束，儲能在各個(gè)市場運(yùn)行價(jià)值有所不同，其中電能量市場運(yùn)行價(jià)值受儲能布局影響最明顯。在節(jié)點(diǎn)1處，機(jī)組1的電能量市場報(bào)價(jià)偏低，中標(biāo)出力較多，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)1、2或4時(shí)的中標(biāo)功率受限，電能量市場運(yùn)行價(jià)值較小，因而社會運(yùn)行價(jià)值較小?？梢姡瑑δ艿牟季謺绊憙δ苌鐣\(yùn)行價(jià)值，合理優(yōu)化儲能布局有利于儲能發(fā)揮更大的價(jià)值。
6 結(jié)論
本文提出電化學(xué)儲能和抽水蓄能社會運(yùn)行價(jià)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(jì)及儲能日運(yùn)行成本量化儲能社會運(yùn)行價(jià)值。以6節(jié)點(diǎn)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(gè)出清價(jià)格的變化，可以明晰儲能對市場價(jià)格的影響。算例仿真結(jié)果表明，2種儲能都對節(jié)點(diǎn)電價(jià)主要起到“移峰填谷”作用，降低了負(fù)荷峰時(shí)電價(jià)、抬高了負(fù)荷谷時(shí)電價(jià)；儲能參與聯(lián)合市場傾向于承擔(dān)絕大多數(shù)的調(diào)頻和備用輔助服務(wù)，調(diào)頻容量價(jià)格、調(diào)頻里程價(jià)格以及各級備用價(jià)格在多數(shù)時(shí)段都明顯降低。
2）配置日均運(yùn)行成本為4.76萬元的抽水蓄能電站所創(chuàng)造的社會運(yùn)行價(jià)值可達(dá)1.53萬元，配置日均運(yùn)行成本為4.75萬元的電化學(xué)儲能所創(chuàng)造的社會運(yùn)行價(jià)值可達(dá)5.04萬元，由于抽水蓄能充放電循環(huán)效率較電化學(xué)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(xué)儲能體現(xiàn)的運(yùn)行價(jià)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(yùn)行價(jià)值有較大影響。在實(shí)際市場運(yùn)行中，可以根據(jù)具體的市場實(shí)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(yùn)行價(jià)值。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請查看原文。
