編者按
電化學儲能作為一種靈活性調(diào)節(jié)資源，可為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、黑啟動等輔助服務，提升電網(wǎng)正常運行方式下的調(diào)節(jié)能力，并作為應急電源，確保故障和異常工況下電力系統(tǒng)的安全運行，也可以與化石能源、非化石能源聯(lián)合運行，提高火電、核電機組利用率，促進新能源消納與高效利用水平，或用于用戶側(cè)需求側(cè)響應，發(fā)揮削峰填谷作用，達到供需平衡。憑借其優(yōu)異的調(diào)節(jié)性能，電化學儲能在實現(xiàn)“雙碳”目標、推動能源清潔低碳安全高效利用、構(gòu)建多元化清潔能源供應體系中，有望扮演重要角色。儲能參與輔助服務市場的研究取得了一些成果。
《中國電力》2023年第1期刊發(fā)了宋少群等人撰寫的《電化學儲能參與調(diào)頻市場的貢獻評估方法》一文。文章提出一種電化學儲能參與調(diào)頻服務市場的評估方法，將區(qū)域控制偏差作為反映儲能電站調(diào)頻作用的影響變量，建立“儲能電站調(diào)頻功率”與“區(qū)域控制偏差”間的關聯(lián)性，得到儲能電站調(diào)頻作用對區(qū)域控制偏差的作用值，進而構(gòu)建衡量儲能電站調(diào)頻作用對系統(tǒng)貢獻程度的指標。運用概率統(tǒng)計學方法，分析儲能電站調(diào)頻作用對系統(tǒng)貢獻程度指標數(shù)據(jù)的分布情況，總結(jié)其規(guī)律。依據(jù)儲能電站對系統(tǒng)調(diào)頻實際貢獻程度來確定補償，既能保證調(diào)頻服務市場平穩(wěn)運行，又能客觀準確衡量儲能電站調(diào)頻貢獻，促進電化學儲能產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。
摘要
電化學儲能參與調(diào)頻服務市場、秒級響應聯(lián)絡線功率偏差，而衡量聯(lián)絡線功率偏差控制的指標CPS1和CPS2是由分鐘級的聯(lián)絡線偏差電量累計值計算得到的，難以客觀評價儲能對調(diào)頻的貢獻。為此，提出了一種電化學儲能參與調(diào)頻服務市場的貢獻評估方法。該方法將區(qū)域控制偏差作為反映儲能電站調(diào)頻作用的影響變量，通過建立“儲能電站調(diào)頻功率”與“區(qū)域控制偏差ACE”間的關聯(lián)性，得到儲能調(diào)頻對區(qū)域控制偏差的作用值，進而構(gòu)建衡量儲能對系統(tǒng)調(diào)頻貢獻程度的指標；基于置信水平，分析儲能對調(diào)頻貢獻程度指標的分布情況，確定儲能在調(diào)頻市場的貢獻及經(jīng)濟效益。根據(jù)某省級電網(wǎng)的實際運行數(shù)據(jù)進行測算的結(jié)果表明，該方法能準確衡量儲能的調(diào)頻貢獻，為科學合理地制定儲能參與調(diào)頻服務機制提供依據(jù)。
1 國內(nèi)外儲能參與調(diào)頻服務市場情況
1.1 國外相關政策和實踐
1.1.1 美國儲能調(diào)頻服務市場
美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會（FERC）通過一系列法令，確立了儲能的市場主體定位，針對儲能設計了相應報價、出清、結(jié)算和監(jiān)管機制，完善了輔助服務市場相應規(guī)則，推動儲能技術在美國電力系統(tǒng)中的規(guī)?；瘧?。
其中，調(diào)頻服務市場是儲能在美國電網(wǎng)中應用最大的市場。以2018年為例，儲能提供了美國PJM市場平均27%的調(diào)頻服務，最高時可提供47%的調(diào)頻服務?？紤]到儲能與傳統(tǒng)調(diào)頻電源調(diào)節(jié)性能的差異，美國FERC發(fā)布的755號命令中要求各區(qū)域輸電組織（RTO）與獨立系統(tǒng)運營機構(gòu)（ISO）在調(diào)頻市場中引入計及調(diào)頻效果的補償機制。
各ISO為儲能參與市場做出了各種機制探索。以美國賓州-新澤西-馬里蘭電力市場（PJM）和加州電力市場（CAISO）為例，PJM與CAISO均采用調(diào)頻市場與電能量市場聯(lián)合出清方式，以總購電成本最小對調(diào)頻容量需求與電能量需求進行統(tǒng)一優(yōu)化，但二者出清模型與價格機制存在一定差異，詳見表1。PJM的實時出清市場中，調(diào)頻容量價格為調(diào)頻市場出清價格（邊際價格）減去里程價格（被調(diào)資源的邊際里程報價）。
表1 儲能參與美國PJM、CAISO市場方式
Table 1 Energy storage participation mode in the PJM and CAISO market in the USA
美國的大多數(shù)電力市場的RTO/ISO在調(diào)頻服務市場的補償機制中已經(jīng)引入調(diào)頻性能指標，例如PJM市場引入了較為嚴格的調(diào)頻性能考核方法，各類資源在PJM市場中獲得的調(diào)頻容量收益與調(diào)頻補償收益都與調(diào)頻性能指標掛鉤，通過該指標的設立很大程度上區(qū)分了調(diào)頻服務的質(zhì)量，有利于激勵供應商提供更優(yōu)質(zhì)的服務。相對而言，CAISO市場只在調(diào)頻里程收益中考慮調(diào)頻性能指標，調(diào)頻性能高的儲能電站優(yōu)勢并不明顯。
1.1.2 英國儲能調(diào)頻服務市場
在英國市場，儲能可以通過多種方式獲利。儲能可以參與電力現(xiàn)貨市場，或是在場外簽署中長期購售電協(xié)議，也可以通過平衡服務市場為電網(wǎng)提供調(diào)頻、備用、功率支撐和黑啟動等多種輔助服務。在服務內(nèi)容互不沖突情況下，儲能可以參與所有符合準入門檻的輔助服務產(chǎn)品，其收益為參與的各輔助服務收益之和。
現(xiàn)階段，各類頻率響應產(chǎn)品已成為英國儲能電站獲取收益的主要來源，包括強制頻率響應、固定頻率響應、動態(tài)高低頻服務、靜態(tài)低頻服務和動態(tài)遏制。調(diào)頻補償僅基于調(diào)頻容量和時間的可用性費用（相當于容量補償），不計算調(diào)頻里程，也不考慮性能指標。
1.2 國內(nèi)相關政策和實踐
電化學儲能作為新型電力系統(tǒng)與 “互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的重要組成部分，憑借其響應速度快、調(diào)節(jié)速率快、調(diào)節(jié)精度高的運行特性，在調(diào)峰、調(diào)頻、快速爬坡等環(huán)節(jié)起到了重要作用，且應用范圍有逐漸擴大的趨勢。近年來，隨著中國電化學儲能技術不斷成熟、成本逐漸降低、商業(yè)化模式日益清晰，其裝機容量還在高速增長。截至2020年底，中國電化學儲能累計裝機3.27 GW，全年新增裝機1.56 GW，同步增長145%。2021年3月，中央提出加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，儲能作為支撐新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的重要技術和基礎裝備，國家出臺儲能相關政策，多個區(qū)域及省份也相繼出臺了獨立儲能作為市場主體參與輔助服務的相關政策。
相比于燃煤機組、水電機組等傳統(tǒng)調(diào)頻資源，電化學儲能因其響應速度與調(diào)節(jié)速度的優(yōu)勢，提供調(diào)頻輔助服務的效果明顯較好，在部分市場中其調(diào)頻效果能達到傳統(tǒng)調(diào)頻機組的20倍以上。電化學儲能作為重要的靈活性資源，憑借快速的響應和靈活的布置方式率先在自動發(fā)電控制（AGC）調(diào)頻領域取得商業(yè)化突破，其應用從山西、蒙西、京津唐、廣東正在向江蘇、浙江等地擴展。表2為各?。ǖ貐^(qū)）儲能參與調(diào)頻市場相關政策。
表2 各?。ǖ貐^(qū)）儲能參與調(diào)頻市場相關政策
Table 2 Policies for energy storage participating in frequency regulation market in different provinces and regions
從表2可以看出，儲能提供調(diào)頻輔助服務在各個地區(qū)調(diào)頻市場均可獲得里程收益（調(diào)用補償），部分地區(qū)調(diào)頻市場可獲得容量收益（基本補償）。里程收益的計算模式可歸納為基于儲能電站實際的調(diào)頻里程或調(diào)節(jié)深度，通過各地區(qū)自行規(guī)定的“綜合調(diào)頻性能指標”“調(diào)節(jié)系數(shù)”對儲能電站調(diào)頻效果進行修正，并按固定價格或出清價格進行計算。容量收益的計算模式則均為按各地區(qū)規(guī)定的固定價格對中標容量收益進行計算。
1.3 存在的問題
前期，為鼓勵儲能產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，國內(nèi)各地政策補償系數(shù)較高，儲能設施盈利空間大，引發(fā)社會投資主體爭相進入，導致建設規(guī)模不可控。2021年7月，《國家發(fā)改委、國家能源局關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》指出，要因地制宜建立完善“按效果付費”的電力輔助服務市場機制。一些省份也注意到電化學儲能市場化發(fā)展的問題，采用了“一刀切”的原則，如更改衡量機組調(diào)頻性能參數(shù)的計算方法、下調(diào)調(diào)頻申報價格上限等，影響了市場對儲能產(chǎn)業(yè)的正向激勵、培育作用。
當前國內(nèi)外調(diào)頻市場存在的主要問題是缺乏統(tǒng)一有效的儲能電站調(diào)頻貢獻度評估方法。在國內(nèi)現(xiàn)有儲能參與調(diào)頻市場的獲益方式中，與火電等傳統(tǒng)調(diào)頻資源的區(qū)別主要是里程收益（調(diào)用補償）的計算方式不同。各地區(qū)多采用綜合性能調(diào)頻指標，對儲能電站的調(diào)頻里程進行修正，使之更貼近資源實際調(diào)頻效果。但各地區(qū)的綜合性能調(diào)頻指標計算方法包含的維度不一，且計算方法隨意性較大，對采用綜合性能調(diào)頻指標修正儲能電站貢獻度的效果，也缺乏合理的量化評價方法。
以國內(nèi)一座由第三方投資的電網(wǎng)側(cè)獨立式電化學儲能電站為例，其參與調(diào)頻服務市場的收益與其對電網(wǎng)實際貢獻程度存在不匹配的問題。根據(jù)該座儲能電站4個月運行數(shù)據(jù)進行測算分析，電化學儲能電站參與電網(wǎng)調(diào)頻具有以下特點。
（1）儲能調(diào)節(jié)響應性能優(yōu)異。儲能調(diào)節(jié)速率為火電機組的20~50倍，水電機組的3~5倍；響應時間為火電機組的1/8~1/15，水電機組的1/4~1/6；調(diào)節(jié)精度為火電機組的1/30~1/60，水電機組的1/15~1/25。
（2）儲能總體可調(diào)節(jié)容量偏小。該儲能電站的調(diào)節(jié)容量為±30 MW，最大可調(diào)節(jié)容量為60 MW，占全網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻容量總需求的3%~6%。
（3）儲能調(diào)頻的里程與貢獻度不匹配。該儲能電站參與AGC后，全網(wǎng)調(diào)頻里程增加20%~30%，其中儲能調(diào)頻里程占比為35%~50%，但是系統(tǒng)調(diào)頻的關鍵指標CPS1和CPS2上沒有得到可觀測的提升。主要原因是：衡量聯(lián)絡線功率偏差的指標CPS1和CPS2指標是根據(jù)分鐘級的聯(lián)絡線偏差電量累計值來計算的，而儲能是秒級響應，部分儲能動作值對聯(lián)絡線功率偏差控制是無效值。
因此，需要根據(jù)以上特點，對儲能參與系統(tǒng)調(diào)頻的貢獻情況進行客觀評估，以儲能電站對系統(tǒng)調(diào)頻貢獻程度來確定調(diào)頻補償。
2 儲能電站調(diào)頻貢獻度評估方法
2.1 評估方法
電網(wǎng)的任一變量數(shù)據(jù)受到該時段儲能電站調(diào)頻功率、全部并網(wǎng)發(fā)電機組出力、電力負荷、頻率等變量時變性的共同影響，且該儲能電站調(diào)頻容量小，難以通過直接觀測的方法找到與儲能電站調(diào)頻作用關聯(lián)的“系統(tǒng)變化量”。因此，本文提出以非時變的方法推導得到儲能電站調(diào)頻作用的“系統(tǒng)變化量”來評估儲能電站調(diào)頻貢獻。
已知任一時刻的所有并網(wǎng)機組出力、聯(lián)絡線功率與負荷之和為零，即
式中：PCL為聯(lián)絡線實際功率；PGi為機組實時輸出有功功率；PL為系統(tǒng)有功負荷；n為并網(wǎng)機組數(shù)。
PCL可用聯(lián)絡線計劃功率PCL_P和聯(lián)絡線功率偏差ΔPCL表示，即
對于具有旋轉(zhuǎn)慣量的調(diào)頻機組（共m–1臺），其實時功率等于機組不可調(diào)功率部分PGi_不可調(diào)與調(diào)頻功率PGi_可調(diào)疊加。而儲能電站參與調(diào)頻時，實時功率P儲能就是其調(diào)頻功率。結(jié)合式（1）和（2），可得到
所以，聯(lián)絡線功率偏差ΔPCL是與所有調(diào)頻機組的調(diào)頻功率強相關，可將聯(lián)絡線功率偏差ΔPCL作為反映儲能電站調(diào)頻作用的影響變量。
互聯(lián)電網(wǎng)AGC控制模式通常采用聯(lián)絡線偏差控制模式（簡稱TBC模式），即頻率與聯(lián)絡線偏差控制模式。在TBC控制模式下，區(qū)域控制偏差ACE反映了整個控制區(qū)內(nèi)總發(fā)電與總負荷的平衡情況。ACE由聯(lián)絡線實際潮流與計劃偏差以及系統(tǒng)頻率與目標頻率偏差構(gòu)成，充分考慮控制區(qū)系統(tǒng)當前發(fā)電、負荷、頻率等因素。ACE計算公式為（不考慮無意交換電量與時差矯正）
式中：?Pt為目標控制區(qū)聯(lián)絡線潮流偏差之和；B為電力系統(tǒng)的頻率系數(shù)；?f為系統(tǒng)頻率偏差。
從控制論角度來看，AGC是一個通過調(diào)節(jié)發(fā)電機出力使由于負荷變化和機組出力波動而產(chǎn)生的ACE不斷減少直到為零的閉環(huán)控制過程。因此，互聯(lián)電網(wǎng)ACE作為反映儲能電站調(diào)頻作用的影響變量更為合適。
本文提出的電化學儲能參與調(diào)頻服務市場貢獻評估方法，首先是根據(jù)儲能參與調(diào)頻服務市場后，聯(lián)絡線功率偏差每分鐘均值（記為ΔPi_CL）、頻率偏差每分鐘均值（記為Δfi）、儲能電站每分鐘出力均值（記為Pi_儲能）、其他參與調(diào)頻的水電機組、火電機組、抽蓄機組功率每分鐘均值（記為ΔPi_其他調(diào)頻機組），構(gòu)建評估模型。通過聯(lián)絡線功率偏差，建立“儲能電站調(diào)頻功率”與“區(qū)域控制偏差ACE”之間的關聯(lián)性，采用多時間尺度逐步累加的方法，得到儲能調(diào)頻作用對區(qū)域控制偏差的作用值（以下簡稱“系統(tǒng)變化量”），進而構(gòu)建衡量儲能調(diào)頻作用對系統(tǒng)貢獻程度的指標。此方法適用于儲能秒級響應的調(diào)節(jié)特性，同時可運用概率統(tǒng)計學方法，分析儲能調(diào)頻作用對系統(tǒng)貢獻程度指標數(shù)據(jù)的分布情況，總結(jié)其規(guī)律。
2.2 貢獻程度指標計算方法
電化學儲能電站參與調(diào)頻服務市場對系統(tǒng)貢獻度的計算流程如圖1所示。
圖1 儲能貢獻計算流程
Fig.1 Calculation process of energy storage contribution
具體計算方法如下。
（1）計算每分鐘省級電網(wǎng)區(qū)域控制偏差，即ΔPi_ACE為
式中：B =–451.9 MW/(0.1 Hz)。
（2）計算儲能參與調(diào)頻對互聯(lián)電網(wǎng)AGC起有效作用的時刻占比。
將區(qū)域控制偏差ΔPi_ACE與儲能電站出力Pi_儲能做差，即ΔPi_ACE–Pi_儲能，并與實際的區(qū)域控制偏差ΔPi_ACE相比較，計算它們絕對值的差值是否為正。
得出每日1440個點中差值為正的數(shù)量占比，即為當日儲能調(diào)頻對于ACE偏差起同向作用的比例，可認為該比例體現(xiàn)了儲能參與調(diào)頻中對區(qū)域控制偏差ACE的調(diào)節(jié)起同向作用的占比。同理，也可以得到儲能參與調(diào)頻對互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)域控制偏差ACE起反向作用的占比。
（3）計算每日的省級電網(wǎng)區(qū)域控制偏差ΔPd_ACE。
對每日1440個點的分鐘級ΔPi_ACE求和，可表示為
（4）計算儲能不參與調(diào)頻服務市場時，互聯(lián)電網(wǎng)的區(qū)域控制偏差ACE。
按照每分鐘的時標，將原始區(qū)域控制偏差ACE的值逐點對應扣除儲能調(diào)頻功率，即ΔPi_ACE–Pi_儲能；接著以天為量綱，對扣除儲能出力的區(qū)域控制偏差值取絕對值并求和，記為ΔPd_無儲能調(diào)頻
（5）計算儲能調(diào)頻作用對每日區(qū)域控制偏差ACE的作用值，即系統(tǒng)變化量Yd_儲能為
（6）計算儲能調(diào)頻貢獻。
分別計算出其他參與調(diào)頻的機組對每日聯(lián)絡線功率偏差的影響量。由此計算得到扣除儲能及常規(guī)機組調(diào)頻作用的ACE控制偏差ΔPd_無調(diào)頻。將系統(tǒng)變化量除以日聯(lián)絡線功率偏差值（已扣除儲能及常規(guī)機組調(diào)頻作用），作為每日儲能調(diào)頻作用對ACE偏差的貢獻Gd_儲能，即有
（7）基于每日的貢獻Gd_儲能，用統(tǒng)計學的方法，以百分比的形式計算出儲能對區(qū)域控制偏差ACE的月平均貢獻。
3 案例分析
3.1 儲能電站參與調(diào)頻市場的貢獻計算
采用福建省一座獨立式電化學儲能電站4個月的歷史數(shù)據(jù)，包括每分鐘聯(lián)絡線功率偏差、每分鐘儲能出力功率、其他參與調(diào)頻的水電站和抽蓄電站的每分鐘功率。
由于提供的基礎數(shù)據(jù)是每分鐘的平均值，在計算儲能1 min內(nèi)的貢獻時，會出現(xiàn)大于100%或小于–100%等極其不合理的結(jié)果，且概率不小。因此在計算每日的省級電網(wǎng)區(qū)域控制偏差ΔPd_ACE，也就是式（7）之前，需要將不合理數(shù)據(jù)進行剔除。本文計算每分鐘Pi_儲能/（ΔPi_ACE–Pi_儲能），以數(shù)據(jù)不合理量置信度5%、7.5%、10%和20%的條件對其進行剔除，依據(jù)剩余數(shù)據(jù)計算每日的省級電網(wǎng)區(qū)域控制偏差ΔPd_ACE，進而統(tǒng)計分析儲能調(diào)頻對區(qū)域控制偏差的日貢獻，結(jié)果如表3所示。
表3 以5%、7.5%、10%、20%的數(shù)據(jù)不合理量置信度剔除時儲能貢獻
Table 3 Contribution of energy storage with an elimination of unreasonable data by 5%, 7.5%, 10% and 20%
按照上述統(tǒng)計評估方法，計算分析得出主要結(jié)論如下。
（1）儲能電站可在分鐘級有效減緩控制區(qū)ACE持續(xù)惡化的趨勢，進一步降低常規(guī)機組的調(diào)頻壓力，有利于提升系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)性能。
（2）儲能電站實時響應AGC指令，始終處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，但是并非儲能電站每個實際調(diào)頻里程都對聯(lián)絡線偏差起到正向作用。從計算結(jié)果來看，儲能電站參與ACE調(diào)節(jié)正確出力方向占比為69.5%，表明儲能電站參與調(diào)頻大部分里程動作對電網(wǎng)區(qū)域控制偏差調(diào)節(jié)起正向作用。
（3）儲能調(diào)頻作用對ACE偏差的貢獻比例范圍為[4.4%~15.4%]，計算不同置信度時儲能貢獻的平均值分別為9.9%（置信水平93.7%）、10.3%（置信水平95.6%）、11.3%（置信水平97.5%）、11.2%（置信水平97.6%）。
3.2 經(jīng)濟合理性分析
該儲能電站總投資約25 999萬元，運營、折舊和償貸年限均按15年考慮，單位動態(tài)投資2390元/（kW?h）。通過3種調(diào)頻補償結(jié)算方法來進行經(jīng)濟性對比分析。
方法一：儲能電站按照全部調(diào)頻里程進行結(jié)算，測算該儲能電站年投資收益率約為19%。因此，如果按照儲能全部調(diào)頻里程進行計費，無論從投資收益率角度，還是從對聯(lián)絡線偏差調(diào)節(jié)的實際貢獻角度，都是不合理的。
方法二：考慮按照儲能電站可參與調(diào)頻容量與系統(tǒng)調(diào)頻容量需求的比值來結(jié)算，即一個計費周期內(nèi)：儲能電站有效調(diào)頻里程=全網(wǎng)等效調(diào)頻里程×儲能電站可參與調(diào)頻容量/同時段系統(tǒng)調(diào)頻容量需求。
一般儲能電站調(diào)頻容量較小，假設調(diào)頻容量占系統(tǒng)調(diào)頻容量約為3%，測算該站年投資收益率僅約為2.2%，收益大幅降低，難以實現(xiàn)盈虧平衡。
方法三：采用本文提出的儲能調(diào)頻貢獻計算方法。一個計費周期內(nèi)：儲能電站有效調(diào)頻里程=全網(wǎng)等效調(diào)頻里程×調(diào)頻貢獻。
若儲能電站的調(diào)頻貢獻度取11.3%進行計算，測算該站年收益率約為6%，從投資收益率角度看較為合理。
可以看出，方法三較好地反映了儲能電站對聯(lián)絡線偏差調(diào)節(jié)的實際貢獻情況，并使儲能電站獲得較為合理的收益。
4 結(jié)論
本文根據(jù)儲能電站參與調(diào)頻服務市場實踐，提出一種衡量儲能電站對系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)貢獻的方法，利用電化學儲能和常規(guī)機組的運行數(shù)據(jù)，對提出的貢獻指標計算方法進行算例驗證，證明了指標的有效性和儲能電站調(diào)頻作用對系統(tǒng)的正向作用。該方法對促進電化學儲能電站有序、健康發(fā)展進行了有益的探索，為投資儲能及參與調(diào)頻服務的機制制定提供參考。其中，提出的貢獻指標計算方法具有如下特點。
（1）該方法適用于電化學儲能電站秒級響應特性，通過多時間尺度累加對比獲得其每日調(diào)頻貢獻。
（2）提出的貢獻指標同樣適用于常規(guī)機組，能夠?qū)Σ煌{(diào)節(jié)特性的調(diào)頻資源進行評價對比，具有很好的通用性。
（3）該方法可有效濾除儲能電站調(diào)頻無效里程，從而以調(diào)頻貢獻程度來確定其合理調(diào)頻補償。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請查看原文。
