摘 要： 為了促進(jìn)電儲能積極參與電網(wǎng)調(diào)峰，在調(diào)峰輔助服務(wù)市場向電儲能放開的背景下，梳理了儲能獨(dú)立參與電網(wǎng)調(diào)峰的交易模式，模擬分析了儲能獨(dú)立參與調(diào)峰市場情景下的調(diào)度運(yùn)行情況和市場收益情況。以從電網(wǎng)吸收的電量越多，儲能的報(bào)價(jià)越高為原則，制定了儲能參與調(diào)峰市場的分段報(bào)價(jià)策略，結(jié)合儲能充放電行為預(yù)測，構(gòu)建了儲能參與調(diào)峰市場的申報(bào)模型。根據(jù)次日電網(wǎng)調(diào)峰需求，結(jié)合儲能、火電調(diào)峰報(bào)價(jià)信息，構(gòu)建了調(diào)峰市場競價(jià)出清模型，使電力調(diào)度機(jī)構(gòu)能夠以系統(tǒng)調(diào)峰成本最小為目標(biāo)調(diào)用調(diào)峰資源。實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中，考慮儲能的實(shí)時(shí)充放電狀態(tài)和電能量價(jià)格，構(gòu)建了儲能實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型，以市場獲利最大為目標(biāo)優(yōu)化放電行為。以配合風(fēng)電、光伏電站運(yùn)行的儲能電站為例，基于西北某電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用上述模型進(jìn)行了算例分析，模擬結(jié)果表明，儲能參與調(diào)峰市場能夠減少電網(wǎng)調(diào)峰成本，并能通過調(diào)峰補(bǔ)償和電能市場收益提高自身獲利，為促進(jìn)儲能獨(dú)立參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場提供了一定的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 獨(dú)立儲能；電網(wǎng)調(diào)峰；西北電網(wǎng)；競價(jià)出清；優(yōu)化調(diào)度
西北電網(wǎng)長期以來新能源裝機(jī)占比一直處于全國前列，截至2018年6月底，新能源累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)8438.8萬千瓦，占全網(wǎng)總裝機(jī)的34.5%。預(yù)計(jì)到2020年底，可再生能源裝機(jī)容量占比將達(dá)到49%。但西北電網(wǎng)負(fù)荷增長放緩，受冬季供暖及自然因素影響，系統(tǒng)內(nèi)靈活性調(diào)節(jié)資源稀缺，高比例新能源的并網(wǎng)增加了等效負(fù)荷的峰谷差，導(dǎo)致西北電網(wǎng)棄風(fēng)棄光率長期居高不下。目前，作為西北電網(wǎng)調(diào)峰市場的主力——傳統(tǒng)火電機(jī)組，由于自身技術(shù)特性和供熱要求，導(dǎo)致其參與調(diào)峰缺乏靈活性，最低運(yùn)行負(fù)荷較高，難以滿足系統(tǒng)需求。
電儲能近年來在我國可再生能源消納、電力輔助服務(wù)等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，形成了初步的商業(yè)發(fā)展模式。儲能設(shè)備與火電機(jī)組相比，具備響應(yīng)速度快、靈活調(diào)節(jié)的特性，且儲能成本不斷下降，在電力調(diào)峰調(diào)頻領(lǐng)域具有較大前景。儲能參與電網(wǎng)調(diào)峰也在近年得到了廣泛研究，主要體現(xiàn)在兩方面：一是儲能參與輔助服務(wù)的優(yōu)化控制方面；二是儲能參與輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益評估方面。在儲能參與輔助調(diào)峰的優(yōu)化控制方面，文獻(xiàn)[6]提出了一種基于動態(tài)規(guī)劃的削峰填谷實(shí)時(shí)優(yōu)化方法；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了含動作死區(qū)參與負(fù)荷低谷時(shí)段調(diào)峰的電池儲能系統(tǒng)控制策略；文獻(xiàn)[8]提出以一個邊際負(fù)荷值來確定電站充放電運(yùn)行狀態(tài)的控制方案；文獻(xiàn)[9]提出一種光儲系統(tǒng)利用逆變器空閑容量參與電網(wǎng)調(diào)頻/調(diào)峰的綜合控制策略。在儲能參與輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益評估方面，文獻(xiàn)[10]從社會效益和投資者角度建立了評價(jià)儲能系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性的數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)[11]考慮了儲能系統(tǒng)的潛在收益構(gòu)建了判斷儲能經(jīng)濟(jì)性的數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)[12]提出了電池儲能參與風(fēng)電輔助服務(wù)綜合經(jīng)濟(jì)效益數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)[13]引入了全生命周期能源投入存儲回報(bào)指標(biāo)對不同的儲能技術(shù)進(jìn)行評價(jià)。
上述文獻(xiàn)為儲能參與調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)提供了良好的技術(shù)支持和經(jīng)濟(jì)決策參考，但很少有考慮發(fā)電側(cè)儲能作為獨(dú)立主體參與輔助服務(wù)市場的優(yōu)化控制和效益的研究。能源局在《關(guān)于促進(jìn)電儲能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償(市場)機(jī)制試點(diǎn)工作的通知》提出，發(fā)電側(cè)電儲能設(shè)施可作為獨(dú)立主體參與輔助服務(wù)市場交易。為此，有必要進(jìn)行儲能獨(dú)立參與輔助服務(wù)市場的研究，為西北電網(wǎng)完善儲能參與電力調(diào)峰的支持政策和市場機(jī)制提供參考。本文首先分析了發(fā)電側(cè)電儲能獨(dú)立參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場的具體模式以及實(shí)施流程，并構(gòu)建了調(diào)峰市場的競價(jià)出清模型，以及儲能的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型，基于西北某電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了模擬分析，評估儲能獨(dú)立參與調(diào)峰市場后對電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)度成本和自身經(jīng)濟(jì)效益的影響。
1 西北電網(wǎng)儲能參與調(diào)峰的市場模式
1.1 國內(nèi)外儲能市場機(jī)制簡介
國外電力市場運(yùn)行機(jī)制較為成熟，儲能主要參與調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)市場。美國PJM調(diào)頻輔助服務(wù)市場中，電池及飛輪儲能裝置通過跟蹤動態(tài)調(diào)頻信號獲得調(diào)頻資源補(bǔ)償費(fèi)用。美國CAISO市場中，儲能可以同時(shí)參加調(diào)頻市場、能量市場、旋轉(zhuǎn)備用容量市場等，獲取疊加收益。英國電力輔助服務(wù)市場中，儲能能夠參與先進(jìn)調(diào)頻以及容量市場。德國在光伏發(fā)電設(shè)施上加裝的儲能裝置可以通過參與市場調(diào)頻等方式獲取收益。
自“兩個細(xì)則”發(fā)布后，我國部分電網(wǎng)相繼建立了輔助服務(wù)市場管理機(jī)制，給出了儲能參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場的方式與補(bǔ)償規(guī)則。江蘇省規(guī)定市場初期儲能電站作為市場主體可以參與啟停調(diào)峰，但不參與報(bào)價(jià)，對于超出基礎(chǔ)充電量部分予以補(bǔ)償。福建省、東北和南方地區(qū)規(guī)定儲能可獨(dú)立或聯(lián)合其他主體參與輔助服務(wù)市場，根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)商確定補(bǔ)償費(fèi)用。青海、甘肅省規(guī)定發(fā)電企業(yè)計(jì)量出口內(nèi)儲能電站可作為市場主體參與調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)交易，根據(jù)市場出清價(jià)格確定補(bǔ)償費(fèi)用。
1.2 西北電網(wǎng)儲能參與調(diào)峰交易模式
西北地區(qū)新能源裝機(jī)占比將逐年提升，儲能電站總體布局應(yīng)基本與新能源發(fā)電布局大體一致，初期以投資較低且便于靈活布置的電化學(xué)儲能為主，抽水蓄能和蓄熱式儲能將作為輔助技術(shù)手段，新能源發(fā)電場規(guī)模配置儲能將成為重要的調(diào)峰技術(shù)手段。
根據(jù)青海、甘肅已發(fā)布的電儲能交易規(guī)則，在風(fēng)電場、光伏電站計(jì)量出口內(nèi)建設(shè)的電儲能設(shè)施，其充電能力優(yōu)先由所在風(fēng)電場和光伏電站使用，由電儲能設(shè)施投資運(yùn)營方與風(fēng)電場、光伏電站協(xié)商確定補(bǔ)償費(fèi)用。儲能(特指新能源發(fā)電側(cè)電能，下同)在獨(dú)立參與調(diào)峰市場前，需要基于所配套的風(fēng)電場或光伏電站次日的發(fā)電出力計(jì)劃，預(yù)測儲能次日的充放電行為，獲得其荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)預(yù)測值，進(jìn)而決策其參與調(diào)峰市場的報(bào)價(jià)行為。儲能獨(dú)立參與市場獨(dú)立承擔(dān)收益及損耗成本。
儲能參與調(diào)峰市場的交易模式為日前申報(bào)、日內(nèi)調(diào)用。有意愿參與電力調(diào)峰服務(wù)市場集中交易且滿足要求的儲能向市場交易機(jī)構(gòu)申報(bào)交易期間意向價(jià)格、日用電曲線，包括交易時(shí)段及每時(shí)段的用電功率。由電力調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需要，根據(jù)日前競價(jià)結(jié)果由低價(jià)到高價(jià)在日內(nèi)依次調(diào)用(報(bào)價(jià)相同時(shí)按申報(bào)深度調(diào)峰電力等比例調(diào)用)，并以當(dāng)日實(shí)際調(diào)用的最后一家儲能報(bào)價(jià)作為市場出清價(jià)格，并按照儲能的充電量和出清價(jià)格對儲能進(jìn)行調(diào)峰補(bǔ)償。
2 儲能參與調(diào)峰市場的優(yōu)化調(diào)度模型
隨著電能量現(xiàn)貨市場的開展，儲能除了參與調(diào)峰市場進(jìn)行充電獲取調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用，還可以在其余時(shí)段通過電網(wǎng)系統(tǒng)放電，基于儲能的放電能力根據(jù)實(shí)時(shí)電能量價(jià)格變化曲線，以市場獲利最大為目標(biāo)進(jìn)行控制其放電行為。儲能獨(dú)立參與調(diào)峰市場，并進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度的具體流程如圖1所示。
圖1 儲能參與調(diào)峰市場的優(yōu)化調(diào)度流程
2.1 儲能參與調(diào)峰市場申報(bào)模型
考慮儲能在市場初期缺乏競價(jià)經(jīng)驗(yàn)，為各交易時(shí)段提供M個報(bào)價(jià)方案，第m個報(bào)價(jià)方案的報(bào)價(jià)為
圖2 各報(bào)價(jià)方案下SOC狀態(tài)曲線
在不同的市場競價(jià)方案下，各時(shí)段的調(diào)峰用電功率為
式中，CV為電網(wǎng)調(diào)峰成本；TV為系統(tǒng)需要調(diào)峰的時(shí)段；Ni和Nj分別為參與調(diào)峰市場的儲能數(shù)量和火電機(jī)組數(shù)量；s?t為t時(shí)段調(diào)峰市場的邊際出清價(jià)格；PW,i,t、PW,j,t分別為t時(shí)段儲能和火電機(jī)組中標(biāo)的調(diào)峰功率；Rt為t時(shí)段系統(tǒng)調(diào)峰需求。邊際出清價(jià)格與各市場成員的中標(biāo)功率關(guān)系如圖3所示。
圖3 市場出清價(jià)格與中標(biāo)功率的關(guān)系
2.3 儲能實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型
假定經(jīng)過協(xié)商，新能源電源企業(yè)基于儲能調(diào)節(jié)的電量和新能源上網(wǎng)電價(jià)給予儲能補(bǔ)償費(fèi)用，并補(bǔ)償相應(yīng)的電池?fù)p耗費(fèi)用。以調(diào)度日內(nèi)獲利最大為目標(biāo)，儲能實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)為
式中，Pt為t時(shí)段現(xiàn)貨市場的電價(jià)；Tdis為在調(diào)度周期內(nèi)儲能放電的時(shí)段；Pe,dis,t為儲能在t時(shí)段參與現(xiàn)貨市場的放電功率；FC為新能源企業(yè)給予儲能的補(bǔ)償費(fèi)用；pC為新能源的上網(wǎng)電價(jià)；FV為儲能參與調(diào)峰市場的實(shí)際收益；Closs為電池?fù)p耗費(fèi)用；β為充/放電單位電能折合的電池?fù)p耗費(fèi)用率；Pdis,t、Pc,t分別為儲能在t時(shí)段實(shí)際的放電功率和充電功率。
該模型需要考慮的約束條件同樣包括放電功率約束和不能同時(shí)充放電約束。此外，為保證儲能電站提供輔助服務(wù)的可持續(xù)性，在實(shí)時(shí)調(diào)度過程中需考慮儲能每日初始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻SOC相同，約束關(guān)系如下
(14)
式中，ST為調(diào)度日結(jié)束時(shí)刻的SOC；S0為調(diào)度日初始時(shí)刻的SOC。
2.4 模型求解
求解調(diào)峰市場的集中競價(jià)出清模型時(shí)，市場交易機(jī)構(gòu)按照各市場主體提交的申報(bào)信息，以調(diào)峰調(diào)度成本最小為目標(biāo)確定中標(biāo)結(jié)果及邊際出清價(jià)格?？紤]到遺傳算法的運(yùn)算均是二進(jìn)制碼的相互轉(zhuǎn)換，計(jì)算過程中不需要存儲狀態(tài)或決策變量離散點(diǎn)，求儲能的實(shí)時(shí)調(diào)度優(yōu)化模型時(shí)，因離散荷電狀態(tài)量較多，將采用遺傳算法確定調(diào)度周期內(nèi)各時(shí)段的放電情況[18]。
遺傳算法把問題的解表示成“染色體”作為遺傳的個體，在算法中以二進(jìn)制或?qū)崝?shù)編碼的串的形式存在。在執(zhí)行算法之前，給出一群“染色體”作為初始假設(shè)解，并將這些假設(shè)解置于問題的“環(huán)境”中，按照適者生存的原則從中選擇比較適應(yīng)環(huán)境的“染色體”進(jìn)行復(fù)制，再通過交叉和變異產(chǎn)生更適應(yīng)環(huán)境的新一代“染色體”群，直到種群收斂到最適應(yīng)環(huán)境的一個“染色體”上，即問題的最優(yōu)解。采用遺傳算法求解儲能的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型時(shí)，具體流程如下。
（1）編碼及初始化種群
考慮儲能實(shí)時(shí)調(diào)度模型的約束條件相對復(fù)雜，為方便直接判斷約束條件，本文采用實(shí)數(shù)編碼方式利用遺傳算法求解，在約束條件內(nèi)隨機(jī)生成一組調(diào)度周期內(nèi)各時(shí)段儲能參與現(xiàn)貨市場的放電功率，組成的“染色體”為X=(Pdis,1, Pdis,2,…, Pdis,t,…, Pdis,T)，每條染色體對應(yīng)優(yōu)化調(diào)度的一個解，也稱“個體”，所有個體組成了種群，即初始化種群。
（2）適應(yīng)度函數(shù)
求解電儲能的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型時(shí)，以模型的目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，根據(jù)每個個體的適應(yīng)度值進(jìn)化和搜索，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勝劣汰，進(jìn)而讓種群向更優(yōu)的方向進(jìn)化。
（3）選擇
將種群中的個體按照適應(yīng)度的大小進(jìn)行排列，采用“輪盤賭選擇法”進(jìn)行選擇，每個個體被選中的概率與其適應(yīng)度值大小成正比，使適應(yīng)度較大的個體作為下一代個體的父母進(jìn)行后續(xù)的進(jìn)化。
（4）進(jìn)化
以一定的概率對選擇出的父母個體進(jìn)行交叉和變異，交叉是產(chǎn)生新個體的主要方法，變異可以維持群體的多樣性，防止陷入局部最優(yōu)。在實(shí)數(shù)編碼的遺傳算法中，通過構(gòu)建交叉、變異算子實(shí)現(xiàn)種群的進(jìn)化。其中，交叉算子為
Δ為一個很小的數(shù)。
在進(jìn)化過程中，為防止最優(yōu)解被替換掉，將上一代適應(yīng)度最高的個體直接放入下一代種群中。
3 儲能參與調(diào)峰市場算例分析
3.1 算例數(shù)據(jù)
由于西北電網(wǎng)高比例新能源的特性，儲能參與調(diào)峰主要是指新能源大發(fā)時(shí)吸收系統(tǒng)電力。為了評估在西北區(qū)域儲能參與調(diào)峰市場對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)及自身效益的影響，對上述模型進(jìn)行仿真分析。本文假設(shè)區(qū)域內(nèi)有一個儲能配合風(fēng)電場運(yùn)行，一個儲能配合光伏電站運(yùn)行，主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 儲能的主要技術(shù)參數(shù)
基于次日新能源的出力預(yù)測，得到儲能配合新能源電站運(yùn)行的充放電行為預(yù)測結(jié)果如圖4所示，其中儲能功率大于0表示放電，小于0表示充電，SOC為對應(yīng)時(shí)刻末的荷電狀態(tài)。儲能1和儲能2次日初始時(shí)刻(當(dāng)日結(jié)束時(shí)刻)儲能容量分別為40 MW·h和90 MW·h。
圖4 儲能配合新能源的運(yùn)行情況
以西北區(qū)域某省級電網(wǎng)為例，預(yù)測該電網(wǎng)的96點(diǎn)新能源出力曲線和實(shí)時(shí)電價(jià)如圖5所示。
圖5 新能源出力和實(shí)時(shí)電價(jià)
該地區(qū)日內(nèi)的新能源出力波動幅度較大，對此交易機(jī)構(gòu)提出需要調(diào)峰的時(shí)段為10:00—16:00，以15 min為一交易時(shí)段，各時(shí)段的調(diào)峰需求如圖6所示。
圖6 電網(wǎng)調(diào)峰需求
3.2 調(diào)峰市場競價(jià)結(jié)果
除上文所提的儲能外，另有兩個火電機(jī)組也會參與調(diào)峰交易。市場初期儲能申報(bào)價(jià)格區(qū)間為0.2～0.5元/(kW·h)?；痣娖髽I(yè)在不同的調(diào)峰檔位，報(bào)價(jià)上下限見表2。
根據(jù)調(diào)峰市場的競價(jià)出清模型進(jìn)行計(jì)算，表5、表6分別為儲能參與和不參與調(diào)峰市場時(shí)，調(diào)峰市場的競價(jià)出清結(jié)果以及電網(wǎng)的調(diào)峰成本。
可以看出，儲能參與調(diào)峰市場后，能夠分擔(dān)火電機(jī)組的調(diào)峰壓力，避免機(jī)組低負(fù)荷率運(yùn)行，降低了調(diào)峰的邊際成本，使電網(wǎng)調(diào)峰成本顯著降低。
3.3 儲能實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果
電池充放電折合的電池?fù)p耗費(fèi)用率β取120～140元/(MW·h)，利用遺傳算法對儲能實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型求解，得到各儲能的96點(diǎn)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分別如圖7、圖8所示。
儲能電站參與調(diào)峰、現(xiàn)貨電能量等市場經(jīng)濟(jì)活動中，其初始投資成本需要合理地反映到運(yùn)行過程中。為更準(zhǔn)確地在實(shí)時(shí)調(diào)度中體現(xiàn)投資成本，本文將儲能電站的初始投資折算到每一天的成本中，折算結(jié)果如表7所示。
表7 投資成本折算
在本算例中，考慮每日的折算投資成本，儲能參與調(diào)峰市場和不參與調(diào)峰市場的情況下，在一天的調(diào)度周期內(nèi)的具體獲利情況見表8?？梢姡瑑δ芡ㄟ^參與調(diào)峰市場，增加了自身的電力存儲，并在現(xiàn)貨市場中實(shí)現(xiàn)套利，進(jìn)而提高了自身的效益。
表8 儲能的獲利情況（單位：元）
4 結(jié) 論
儲能作為一種靈活的調(diào)峰資源，本文在電力輔助服務(wù)市場向儲能放開的背景下，構(gòu)建了儲能獨(dú)立參與調(diào)峰市場的競價(jià)出清模型，以及儲能的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型，采用遺傳算法優(yōu)化求解。基于西北某電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明儲能參與調(diào)峰市場能夠不僅能為儲能投資方帶來了可觀的收益，同時(shí)能降低系統(tǒng)調(diào)峰成本，為電力系統(tǒng)釋放調(diào)峰潛力提供新途徑。
隨著西北電網(wǎng)新能源裝機(jī)的增加，建議積極完善儲能獨(dú)立參與電網(wǎng)調(diào)峰市場的方式，通過政策支持和市場引導(dǎo)，進(jìn)一步釋放系統(tǒng)調(diào)峰能力以解決新能源消納需求，增強(qiáng)西北電網(wǎng)對可再生能源并網(wǎng)的適應(yīng)性。此外，對于同樣屬于“三北”地區(qū)的華北電網(wǎng)和東北電網(wǎng)也先后出臺了相應(yīng)的規(guī)則允許儲能獨(dú)立參與調(diào)峰市場，在高比例可再生能源并網(wǎng)的要求下，也亟需擴(kuò)大儲能參與調(diào)峰的規(guī)模，充分發(fā)揮儲能在電力系統(tǒng)調(diào)峰方面的作用。
引用本文： 薛 晨,任 景,張小東等.西北電網(wǎng)儲能獨(dú)立參與電網(wǎng)調(diào)峰的模擬分析[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2020,09(06):1897-1904.
XUE Chen,REN Jing,ZHANG Xiaodong,et al.Simulation analysis of the northwest power grid energy storage independently participating in peak regulation market[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(06):1897-1904.
第一作者：薛晨（1986—），女，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)檎{(diào)度計(jì)劃和新能源消納管理，E-mail：[email protected]；
通訊作者：楊迎，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏κ袌?、電力調(diào)度等，E-mail：[email protected]。
