中國儲能網訊：8月24日—26日，2024碳中和能源高峰論壇暨第四屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會與新型儲能技術青年科學家論壇在深圳正式舉辦。在8月24日下午進行的虛擬電廠專場論壇上，華南理工大學電力學院副教授謝敏做了題為《5G基站虛擬電廠參與電網調控的市場機制研究》的主題報告演講。
華南理工大學電力學院副教授謝敏
以下內容根據大會發(fā)言整理，僅供參考。
首先感謝主辦方給我這個機會到這里來跟大家交流。我下面就匯報一下我前期做的一些粗淺的研究工作。
主要是分為以下幾個方面。
第一，在研究背景方面，在與電網側、電源側的集中式、大容量、儲能系統(tǒng)的不同，新能源汽車、5G基站等這些用戶側的儲能型可調節(jié)負荷會受到用戶用電負荷和場地的限制，所以具有容量小、布置分散、充放電無序等特點，用戶安裝使用儲能的初衷是為了削減用電成本，因此儲能型可調節(jié)負荷的用戶參與電網調控的意愿會受到儲能投資成本與收益的影響，所以這類用戶的發(fā)展是可以由市場來進行驅動的。我們在這種前提下，就需要去提前布局頂層設計，來構造適應海量用戶和分布式儲能參與地方配電市場與批發(fā)市場協同運行的統(tǒng)一市場體系架構，同時引導分布式資源能夠服務地方電網的需求，來帶動更多靈活性資源參與上層批發(fā)市場的供需互動，所以電力市場和儲能型可調節(jié)負荷需要雙向奔赴。我們以廣東和深圳的相關政策支持為例，從2022年至今已經頒布了很多在這個領域相關的一些支持政策，比方說在2023年的6月份和7月份，深圳市發(fā)布了很多促進新型儲能電站或者是需求響應的一些精準響應管理辦法等等，這里之前的管理已經有詳述，我這里不做詳細介紹。
在國內研究方面，我們主要是調研了廣東、浙江、江蘇、山東和貴州等等，每個地方它的儲能型可調節(jié)負荷參與市場的交易門檻還有用戶的參與方式以及結算和分攤機制方面都不盡相同，我們得到的結論就是5G還有電動汽車等這些分布式可調節(jié)資源，它主要是參與的是輔助服務市場和需求響應的交易，在當前的這個階段，各類分布式的可調節(jié)資源它主要是通過聚合商或者是虛擬電廠等這些形式聚合來達到市場交易的門檻值，因為它要參加目前主要是參加批發(fā)市場，所以需要聚合達到一定的容量的要求，才能參加這個市場的交易。各個省的5G基站和電動汽車等這些可調節(jié)儲能的負荷資源在參與輔助服務市場和需求響應等市場的門檻值是不一樣的，而且它的交易報價區(qū)間也不盡相同。在浙江、江蘇、山東、廣東等這些省份它的試點啟用的輔助服務市場和需求響應市場時間相對比較早，對我們前期研究工作也有比較好的借鑒作用。
我這邊主要講一下電動汽車和5G等這些新型可調節(jié)儲能的負荷參與市場交易的案例。在深圳，目前深圳鐵塔首批4692座5G基站儲能系統(tǒng)已經接入深圳虛擬電廠管理中心，它成功實現了負荷側與電網調度側的用能實時數據、用能計劃、調控計劃、調控指令等數據連通，預計可調負荷1.5萬千瓦，相當于2萬臺一匹空調的用電負荷。在浙江，新型儲能電站4有，用電客戶1家，負荷聚合商18家，虛擬電廠9家，他們開展了兩場第三方獨立主體參與學風調峰輔助服務，目前單次交易最大出且容量13.9萬千瓦，累計學風能力達到243萬千瓦。同時在中國鐵塔浙江嘉興分公司業(yè)完成了全域5G基站大概是8132座儲能資源，接入嘉興市虛擬電廠管理平臺，截至去年年底，實現了5G基站儲能可調節(jié)負荷達到1.4萬千瓦，最大日調節(jié)電量可以達到5.6萬千瓦時，預計納入管控的5G基站每年可節(jié)省電費160萬元，向于減少標準煤消耗6.88噸，節(jié)約一萬多戶家庭一個月的用電量。湖北黃石地區(qū)的空調、充電樁、5G基站和工業(yè)用戶等可調節(jié)資源建設和聚合，相當于具備了一個發(fā)電廠的能力。山東將自主運營的3001座電動汽車充電站和各50座蔚來汽車換電站以及各市分布式光伏發(fā)電項目，聚合為一座虛擬電廠參與需求應用，它的填谷響應參與用戶2572戶次，最大填谷響應負荷93.92萬千瓦，增加清潔能源消納2344.08萬千瓦?？偨Y來看，就是電動汽車和5G基站作為可調節(jié)的儲能型負荷參與電力市場的交易方面，在全國各地已經有多個示范項目進行了探討。電動汽車這個充電站的儲能以及基站的通信儲能具有巨大的市場價值，在電網優(yōu)化的控制方面仍然有巨大的潛力可挖，我們前期做的算力可以支撐響應的結論。這個是案例的情況。
國外儲能型可調節(jié)負荷也有一些參與電網調控的現狀，前面有些專家也提到過了，從5G基站這個角度來看，根據2023年到2024年的全球5G、6G產業(yè)發(fā)展報告來看，截至2003年底，全球5G基站的累計布局總數超過571萬個，其中中國占全球數量的6成以上，同時國外由于它的5G基站的數量相對于國內比較少，所以國內對于5G基站的聚合而成的虛擬電廠的應用會更多一些。國外在北美、英國和德國關于儲能性可調節(jié)負荷參與電網調控的機制主要從三個方面來體現，第一是它降低了一些投標的規(guī)模；第二個是它給予了一些政策支持，比如像北美的841法令和222號法令，以及英國提出的二次平衡單元，虛擬主導方的交易概念，以及德國把參與二次三次調頻的定價時間進行了高頻次的修改來體現，這是國外的一個情況。
二，我們研究的前提是基于現狀，就是研究的機制基于現狀機制進行比較好的融合，以深圳為例，深圳的市場主體在參與市場的時候，參與廣東省批發(fā)市場，所以它申報的對象是向廣東電力交易中心申報，這個批發(fā)市場是采用節(jié)點電價的機制來進行結算，全省統(tǒng)一出清，有利于市場資源在省級區(qū)域范圍內的優(yōu)化配置，但是由于深圳電網本身沒有交易機構，所以它在結算的時候是需要深圳的廣電局與電網公司進行交割，由深圳供電局再與市場主體來進行結算，所以整個流程看來一定程度上降低了這個市場主體參與交易的全流程的效率。
隨著這個儲能性可調節(jié)負荷大量的虛擬電廠參與市場交易的話，必然會出現它在與這個地方配電市場還是說它目前的狀態(tài)是參與批發(fā)市場兩種情況，是不太一樣的，所以我們在研究的前提的時候就考慮了多種模式的一個組合，我們考慮了目前現狀情況下，就是全部都參與批發(fā)市場，全部都參與當地的配電市場，以及它同時可以參與批發(fā)市場和配電市場三種模式，我們以B1、B2、B3來表示，同時考慮市場的啟動次序，如果它可以參與地方配電市場，也可以參與批發(fā)市場，就出現一個數配協同的問題。
所以我們就考慮了三種市場啟動的時序方式，一個是批發(fā)市場先發(fā)式，就是屬于省級的批發(fā)市場它先出清，然后再是地方配電市場基于這個省級市場的出清結果再出清，所以這個是屬于批發(fā)市場先發(fā)式。第二個是配電市場先發(fā)式，也就是說這個地方配電市場它先自己內部出清，出清完了以后，把這個結果以邊界，一個是省級電網和地方電網，它們中間的聯絡線功率作為它的申報的邊界節(jié)點申報給上級批發(fā)市場，兩者這樣子來做，所以就是批發(fā)市場先發(fā)式。第三種是批發(fā)和配電協同式，就是批發(fā)市場跟配電市場就分別出清，出清完的結果會在聯絡線的邊界節(jié)點功率上，以及邊界節(jié)點電價上進行迭代，雙方達到一致性平衡以后，我們認為它收斂了，這個收斂的結果就可以做輸配各自出清的一個最終的結果。我們把A和B的這兩種模式做兩個組合，就可以做一系列的仿真，這個是我們的一個研究的前提。
我們把它組合以后就形成了這樣一個九宮圖，在這個圖上面，它的縱坐標就是5G基站的儲能性可調節(jié)的參與市場模式和特點，橫坐標代表的是這個虛擬電廠參與的是哪個市場先發(fā)式的時序的模式。我們可以看到如果是僅參與配電市場的方式，就是說儲能性可調節(jié)負荷只參與地方配電市場，它的特點就是市場的出清量比較少，因為它的電網規(guī)模相對于沒有省級規(guī)模那么大。第二個是參與市場的交易門檻值可以相對放低。第三個是對于佩戴市場出清，它是不用考慮參與批發(fā)市場對線路的潮流影響，因為它的出清都是在自己市內已經做完了，就不用考慮批發(fā)市場的申報量的位置對它的影響。第四個是儲能性可調節(jié)做了與地方電網類，它對地方配電市場影響比較大，對于批發(fā)市場的影響相對較小。另外一個就是配電市場規(guī)模比較小，所以可能會限制儲能型可調節(jié)負荷的收益潛力。
第二個是如果全部都參與批發(fā)市場，它涉及更多的電力交易和更廣泛的市場參與者，它可以獲得更多的市場交易機會。但是同樣，它的這個交易門檻值也比較高，就是這個交易的容量要求會高一些，相對于批發(fā)市場當中的大容量機組，儲能型可調節(jié)負荷在批發(fā)市場當中市場力會相對比較小，同時對于地方配電市場而言，如果它是物理位置拓撲在地方配網市場，但是參與的市場是在省級市場，我們申報量級方式是在它的聯絡節(jié)點上面進行分攤和申報，這樣就會導致它的實際位置和申報量價的點不一樣，這樣就會出現需要去開展兩次潮流計算來衡量對地方配電市場潮流阻塞斷面的約束帶來的影響，要來衡量它的經濟價值。這是第二個參與批發(fā)市場。
第三個是同時兩個市場都參加的方式，跟二類似，只要它參加了批發(fā)市場，它就需要去衡量對地方配電市場潮流的影響。在這個市場的時序方面，如果是批發(fā)市場先發(fā)式的方式，就是批發(fā)市場先做出清，出清完了以后，把邊界節(jié)點上的響應量價值傳遞給配電市場，配電市場再做出清。這種情況下，這個批發(fā)市場的邊界節(jié)點的申報量價一般是基于歷史數據預測得到的，而配電市場的節(jié)點電價的申報上限我們是按照不低于該值，以它作為這個上限來報，這樣就會導致，因為在批發(fā)市場里面，儲能型可調節(jié)負荷是邊界節(jié)點相當于是一個用戶，所以用戶按照目前做的報量不報價作為市場接受的方式，它是完全可以出清的，但是如果它的邊界節(jié)點在配電市場出清，這時候它是一個發(fā)電機，發(fā)電機會出現，如果它報的量價根據出清的關系不完全出清。所以就會導致兩個出清結果不一樣，所以我們就會出現在邊界節(jié)點上、聯絡線上出現一個不平衡功率和不平衡電費的問題。
在配電市場先發(fā)式的情況下，就是屬于配電市場在內部做完一次出清以后，這個方式跟我們的儲能性可調節(jié)負荷它的拓撲位置是一樣的，它做了一次，批發(fā)市場再做一次出清，所以它的結果往批發(fā)市場申報的量價比較準確，所以它可以避免聯絡線上的不平衡電量的問題。第三個就是兩個市場協同的方式，就是同時出清，然后迭代的方式也是一樣的，就是會跟批發(fā)市場先發(fā)式一樣，都會在聯絡線上出現不平衡電量和電費的問題。
我們經過多種模式的仿真和驗證發(fā)現，發(fā)展B1A2的模式是最優(yōu)的，是比較有利于儲能性可調節(jié)負荷它參與市場的交易。B1A2這種方式，就是所有的儲能性可調節(jié)負荷它都是僅參與地方配電市場，同時地方配電市場是先發(fā)式的方式就比較適合。
它的交易流程就是說首先是儲能性可調節(jié)負荷先在自己所在的地市向交易機構申報它的量價，地方市場先出清，出清完了之后，儲能性可調節(jié)負荷的虛擬電廠會根據這個出清結果去調整自己內部的一些分布式資源的功率。再把配電市場的出清結果在邊界節(jié)點上，以邊界節(jié)點上量價的值申報給上級省級的批發(fā)市場，批發(fā)市場再出清，再得到最終的一個結果。
具體在這個應用的時候，首先是建立了5G基站的模型，5G基站從它內部結構上來說有交流設備和直流設備，設備構成主要帶來電能量消耗的時候，這個負荷功率主要包括通信設備，有源電線單位，基帶單元和傳輸設備等直流負荷，以及一些輔助設備，電源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和監(jiān)控設備。負荷模型就會把剛才提到的通信設備和輔助設備功率疊加得到負荷模型，同時通信的有源天線功率和通信負載呈線性關系，實際在我們仿真當中會按照負荷所處的區(qū)域類型，比如它是工業(yè)區(qū)還是居民區(qū)，還是商業(yè)區(qū)，它會有不一樣的通信負荷的曲線值。另外一個就是它的儲能電池，因為在5G基站當中會有一個儲能電池，這個儲能電池傳統(tǒng)是采用前篡電池，這個電池能量密度比較低，正逐步被淘汰，目前是參與梯次的磷酸鐵鋰電池，目前很多地方是采用電動汽車電池容量衰減推移以后用于基站儲能，它的性能相對優(yōu)良，已成為一個主流。在儲能電量方面，它還有一個參數儲能電量，是由最大的負荷功能，主要由它通信設備來決定的，以及備用市場來進行決定。另外它的一個技術參數就是最小備用電量，它是根據負荷預測大小來進行動態(tài)變化，而且是與配電網可靠性密切相關，這個公式就不詳細介紹了。
除此以外，儲能它的最大的電量減去最小備用電量的差額就是它的可供調用電量值，由于最小備用電量值是個變數，所以可供調用電量值是動態(tài)的，所以5G基站的儲能相對獨立儲能而言，具有單個儲能容量小，數量眾多，分布范圍廣，可調度電量動態(tài)變化等特點，傳統(tǒng)的基站一般是將這個市電作為主要電源，平時是用電網給它供電，由儲能電池作為備用電源進行供電，只有當電網發(fā)生故障的時候，又沒有辦法給它正常供電的時候才會啟動備用電池，所以它的這個儲能電池參與電網調控的潛力比較大。它當前的運用方式是采用北電為主，儲能為主的日常工作模式。
二、5G基站虛擬電廠參與點能量市場的商業(yè)模式有三種，第一種是基站運營模式，這個模式是指基站運營商擁有自建基站的通信運營商和專門的基站運營公司，基站運營商作為獨立的市場主體接受調度中心的調度，這種模式需要基站運營商接入到自身非主營業(yè)務當中。
第二種是電網公司模式，電網公司會向基站運營商支付資源使用費，獲得基站靈活性資源的使用權，基站運營商純粹作為一個資源提供方，需要向電網公司提供不同時段的可調度空間，作為電網調度的邊界條件，這種模式雖然可以讓電網公司直接調度，但是會增加電網調控計算量。
第三種模式是第三方模式，是由第三方公司作為基站運營商的代理進行參加，給予基站運營商一定的費用，比如像虛擬電廠或者是聚合商等這種方式都是屬于第三方模式，這種模式下，第三方公司內部通常會聚合有5G基站、電動汽車、新能源機組，還有其他一些可調節(jié)負荷等多種分布式資源，這種模式可能是需要對內部成員之間進行一個出清等等這些計算以后再確定它能夠向外部電網的一個購電量和售電量。我們的研究主要是基于第三方模式這種方式，我們在進行現貨出清的時候，實際上是考慮到先做了一次，因為我們是需要知道5G基站虛擬電廠它向交易中心去申報的量價是多少，所以我們首先做了一次虛擬電廠以它的收益最大化做了一次優(yōu)化，也就是競標策略優(yōu)化出來，再把它放到現貨出清模型模式去，考慮到報量、不報價的方式，我們以系統(tǒng)云運行成本最小作為現貨出清的目標函數，這個目標函數基本的出清模型是參照廣東省現貨出清的細則來的，我們同時也考慮了5G基站與系統(tǒng)的關聯約束，包括系統(tǒng)功率平衡、潮流以及功率耦合約束，以及現貨市場的其他的政府備用容量約束，常規(guī)機組的上下線，機組爬坡約束等等。對于5G基站的虛擬電廠來說，我們還考慮了儲能的充放電狀態(tài)約束，它的功率約束、容量約束，還有最小備用以及首末端的容量約束。因為我們是考慮輸配協調的問題，所以還考慮了省級電網和地方配電網之間的聯絡線上的一個功率耦合約束。
我們做了這樣一個案例，考慮了采用110千伏以上的某城市電網，上級是采用220千伏以上的省級電網來做省地協同，以它們兩個電網之間有五條聯絡線相連，以之作為邊界，5G基站總數在算例里面是52300座，考慮是9185個充電站，5G基站相關的一些設定就是我們考慮每個行政區(qū)擁有的5G基站的數目是按照人口密度的方式進行測算和劃分，當然如果有詳細的地理位置圖是可以直接精確提請的，這個地方是我們估算了一下，同時計算通訊負荷考慮了商業(yè)、居民和工業(yè)區(qū)不同。另外是在5G基站虛擬電廠做充電服務的時候，它是相當于是一個負荷，是報量不報價，作為價格接收者，它是放電的時候，我們考慮兩種模式，第一種是報量不報價，作為價格接受者，第二個是報量又報價，作為發(fā)電商，我們覺得僅參與地方配電市場且配電市場先發(fā)式的情況下，這個市場的出清結果是最優(yōu)的，聯絡線的不平衡功率可以消除，同時求解時間大概是在一分鐘左右。
第二個是參與平衡管理市場的問題，我們剛才提到了，一個是這個地方主要考慮了阻塞管理，另外一個是調頻輔助服務為例。我們仍然是考慮了參與市場的類型，以及市場的先發(fā)式的模式。在這個地方，我們因為前面分析發(fā)現，地方市場配電市場先發(fā)式模式最優(yōu)，我們先基于這個模式來研究相應的阻塞管理和調頻輔助服務，列的框架圖里面，我們以這個B1-A2模式下，它的阻塞管理和調頻輔助服務這兩種為例，調頻輔助服務它的交易流程，因為我們這個地方考慮的是聯合出清，就是認為現貨和調頻兩個市場都可以參加，但是實際上這個本身是優(yōu)化決策問題，我們一般來說兩個市場就是做一個整體的優(yōu)化這樣來做。阻塞管理，因為這個地方是做了兩次出清，第一次是先自己內部，配電市場先算一遍出清，看是否出現阻塞情況，如果有的話，我們會啟動阻塞管理，能夠衡量出堵塞管理帶來的各方造成堵塞管理的資源方的費用是多少，這個是可以計算出來。這個是它響應的現貨和阻塞再調度的聯合出清的出清模型，跟之前的現貨出清模型不一樣的地方是我們考慮了一個潮流越限量最小目標函數，并且能夠衡量它響應的經濟價值。
另外這個是現貨和調頻的連或出清部分，也是一樣的，就是5G基站先做自己的最優(yōu)投標的收益最大化優(yōu)化，再把它放到聯合出清的模型里面去，它兼顧和現貨和調頻市場的交易規(guī)則，都在模型里面。這個是我們的算力，仍然是采用剛才的深圳和廣東電網的試算，左側的現貨和阻塞管理的部分，我們發(fā)現出現有三條線路出現正向阻塞，就是深圳有三條線路出現正向阻塞，全天的潮流越限功率大概是69.412兆瓦，我們采用阻塞管理的那一套流程出來以后，就可以將三條線路的潮流越限歸零，同時在右邊的柱狀圖里面也可以看到橙色和綠色的，分別是5G基站的虛擬電廠啟動做充電和放電最后的一個優(yōu)化結果。
右邊這個是現貨和調頻的服務，可以看到后面兩個柱狀圖，就是5G基站的中標容量和申報容量的特點和結果，5G基站是可以看到能夠提供調頻輔助服務，而且綜合調頻性能以及歷史的里程容量比的指標都是排在前列，而且我們在算例當中可以看到5G基站在現貨市場當中可以申報的容量，而且能夠得到全部出清，調頻市場當中申報的容量，絕大部分能夠得到出清，就是以這個綠色和橙色來表示。
以上是我匯報的內容，謝謝大家。
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