儲(chǔ)能友好型頻率響應(yīng)服務(wù)市場：英國視角

范馥麟，李軍徽，坎波斯-高納·大衛(wèi)， 嚴(yán)干貴，李翠萍

（1思克萊德大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，英國格拉斯哥G1 1XW；2現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué))，吉林吉林 132012）

在低碳能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程中，具備快速響應(yīng)能力的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以極大提升電網(wǎng)的靈活性，促進(jìn)間歇性可再生能源的消納[1-3]。英國國家電網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)營商(National Grid Electricity System Operator，NGESO)主要通過平衡機(jī)制、備用服務(wù)、頻率響應(yīng)服務(wù)來保證電力系統(tǒng)的電力平衡。其中，固定頻率響應(yīng)服務(wù)作為現(xiàn)有頻率響應(yīng)容量的主要來源，其招標(biāo)周期與服務(wù)費(fèi)用評(píng)估周期均以月為單位，使電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等有限容量提供商難以準(zhǔn)確預(yù)估儲(chǔ)能系統(tǒng)在服務(wù)月內(nèi)的可用性并造成了一定的市場收益風(fēng)險(xiǎn)，從而阻礙了儲(chǔ)能系統(tǒng)參與頻率響應(yīng)服務(wù)市場。為了彌補(bǔ)因大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)而造成的電網(wǎng)慣性損失，鼓勵(lì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)，NGESO 正在逐步改革英國頻率響應(yīng)服務(wù)市場[4-5]，通過標(biāo)準(zhǔn)化頻率響應(yīng)產(chǎn)品、更接近實(shí)時(shí)的產(chǎn)品采購、允許提交運(yùn)行基線、縮短服務(wù)費(fèi)用評(píng)估周期、引入特定能量狀態(tài)規(guī)則等一系列儲(chǔ)能友好型改革舉措，降低了有限容量提供商(如電池儲(chǔ)能運(yùn)營商)的市場準(zhǔn)入門檻，使其能更準(zhǔn)確地預(yù)估儲(chǔ)能系統(tǒng)在服務(wù)周期內(nèi)的可用性，并保證其在頻率響應(yīng)服務(wù)市場中的經(jīng)濟(jì)效益。英國頻率響應(yīng)服務(wù)市場的改革，一方面使參與市場的服務(wù)提供商更加多樣，從而增強(qiáng)市場的競爭性與流動(dòng)性，另一方面，也為電池儲(chǔ)能運(yùn)營商提供了穩(wěn)定的收益來源，從而促進(jìn)電池儲(chǔ)能項(xiàng)目的投資建設(shè)。因此，英國逐步面向儲(chǔ)能友好轉(zhuǎn)型的頻率響應(yīng)服務(wù)市場具有一定的借鑒意義。本文介紹了自2016 年起英國頻率響應(yīng)服務(wù)市場的逐步改革，分別闡述了現(xiàn)有產(chǎn)品、過渡產(chǎn)品、終極產(chǎn)品的技術(shù)要求、招標(biāo)采購與費(fèi)用評(píng)估機(jī)制，及其對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營商荷電狀態(tài)管理與經(jīng)濟(jì)收益風(fēng)險(xiǎn)的影響。根據(jù)終極頻率響應(yīng)產(chǎn)品的最新市場信息，從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)角度模擬了某兆瓦級(jí)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)向英國輸電網(wǎng)提供頻率響應(yīng)服務(wù)的運(yùn)營情況；并基于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本及其生命周期能量吞吐量模型，評(píng)估了在儲(chǔ)能友好型頻率響應(yīng)服務(wù)市場下投資電池儲(chǔ)能項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。針對(duì)終極頻率響應(yīng)服務(wù)所設(shè)計(jì)并模擬的儲(chǔ)能運(yùn)行策略直觀地展示了儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營商在英國最新頻率響應(yīng)服務(wù)市場機(jī)制下的運(yùn)營情況。通過與提供固定頻率響應(yīng)服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行情況對(duì)比，體現(xiàn)了引入運(yùn)行基線與特定能量狀態(tài)規(guī)則對(duì)保證儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營商市場經(jīng)濟(jì)收益的重要性。

1 英國動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)服務(wù)市場

1.1 市場發(fā)展概況

為使國家輸電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)50 Hz 左右，英國國家電網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)營商(NGESO)推出了一系列頻率響應(yīng)產(chǎn)品，以快速解決發(fā)用電之間的不平衡。部分頻率響應(yīng)容量源自強(qiáng)制頻率響應(yīng)(mandatory frequency response，MFR)服務(wù)，由NGESO與符合條件的特定機(jī)組簽訂MFR協(xié)議，作為其并網(wǎng)運(yùn)行的先決條件；剩余所需頻率響應(yīng)容量則由NGESO 通過組織相應(yīng)的頻率響應(yīng)服務(wù)市場，以競標(biāo)的方式向市場參與者采購[6]，如每月競標(biāo)的固定頻率響應(yīng)(firm frequency response，F(xiàn)FR)服務(wù)，包含一次低頻響應(yīng)(primary response)、二次低頻響應(yīng)(secondary response)與高頻響應(yīng)(high frequency response)[7]。

隨著可再生能源發(fā)電占比的逐年增長，電力系統(tǒng)慣性的降低迫使NGESO需要更多的頻率響應(yīng)容量來保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。作為采購更多FFR容量的替代方案，NGESO于2016年推出了為期四年的增強(qiáng)頻率響應(yīng)(enhanced frequency response，EFR)服務(wù)[8]，要求EFR 提供商先于FFR 提供商做出響應(yīng)，以減少在電網(wǎng)慣性較低時(shí)所需的額外頻率響應(yīng)容量[9-10]。由于EFR 服務(wù)的雙頻率響應(yīng)曲線設(shè)定允許有限容量提供商在頻率死區(qū)內(nèi)調(diào)整荷電狀態(tài)，第一次EFR服務(wù)競標(biāo)中的8位中標(biāo)者均使用鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，總計(jì)提供201兆瓦的EFR容量[9]。但NGESO隨后決定不再采購EFR 服務(wù)，轉(zhuǎn)而通過改善頻率響應(yīng)產(chǎn)品來獲取更快的頻率響應(yīng)，鼓勵(lì)有限容量提供商參與頻率響應(yīng)服務(wù)市場。

由于FFR提供商不允許在頻率死區(qū)內(nèi)調(diào)整荷電狀態(tài)[11]，且FFR服務(wù)費(fèi)用取決于提供商全月的供應(yīng)表現(xiàn)，F(xiàn)FR市場內(nèi)的有限容量提供商可能面臨極高的經(jīng)濟(jì)收益風(fēng)險(xiǎn)。為了使有限容量提供商更準(zhǔn)確地預(yù)估荷電狀態(tài)從而及時(shí)調(diào)整競標(biāo)策略，降低其在市場中的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，NGESO 于2019 年11 月推出了一款過渡產(chǎn)品—?jiǎng)討B(tài)低高(dynamic low high，DLH)頻率響應(yīng)服務(wù)[12]，并啟動(dòng)了為期兩年的每周競價(jià)試驗(yàn)，以測試更接近于實(shí)時(shí)的頻率響應(yīng)服務(wù)采購[13]。作為FFR 服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，DLH 市場參與者必須提供相同的低高頻容量；此外，DLH服務(wù)費(fèi)用由每周的交付表現(xiàn)決定，降低了有限容量提供商的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)[13]。同時(shí)，NGESO 積極推進(jìn)終極頻率響應(yīng)產(chǎn)品的發(fā)展部署，旨在滿足電網(wǎng)對(duì)更快頻率響應(yīng)速度的需求，并逐步替代市場內(nèi)的現(xiàn)有產(chǎn)品，加強(qiáng)頻率響應(yīng)服務(wù)市場的標(biāo)準(zhǔn)化與透明化建設(shè)。

終極頻率響應(yīng)產(chǎn)品包括動(dòng)態(tài)遏制(dynamic containment， DC) 服務(wù)、 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定(dynamic moderation， DM) 服務(wù)與動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)(dynamic regulation，DR)服務(wù)，旨在應(yīng)對(duì)不同程度的電網(wǎng)頻率誤差。其中，DC 服務(wù)已于2020 年10 月進(jìn)入軟啟動(dòng)，DM與DR服務(wù)計(jì)劃于2022年投入市場[14-15]。為了進(jìn)一步鼓勵(lì)有限容量提供商參與終極頻率響應(yīng)服務(wù)市場，NGESO 采用日前競標(biāo)的采購方式，以便有限容量提供商更及時(shí)準(zhǔn)確地根據(jù)荷電狀態(tài)修改競標(biāo)策略；并將服務(wù)費(fèi)用評(píng)估周期縮短為每4小時(shí)的電力遠(yuǎn)期協(xié)議(electricity forward agreement，EFA)時(shí)塊，極大保證了有限容量提供商的經(jīng)濟(jì)效益[15]。此外，NGESO 允許有限容量提供商提交其一小時(shí)后的運(yùn)行基線，用于調(diào)整能量狀態(tài)(state of energy，SOE)；并為其專設(shè)了能量狀態(tài)規(guī)則(SOE rules)，以避免其因荷電不足或滿荷無法交付所需響應(yīng)而受到處罰[16]。當(dāng)前，終極服務(wù)市場仍處于初期階段，提供商在同一EFA 時(shí)塊只允許提供DC、DM 或DR 中的一類服務(wù)；隨著市場的逐步發(fā)展，NGESO 將制定合適的市場機(jī)制以使提供商能夠?qū)θ惤K極產(chǎn)品進(jìn)行疊加并提供相應(yīng)的整合服務(wù)[17]。表1列出了上述頻率響應(yīng)產(chǎn)品規(guī)定的響應(yīng)速度、最小容量、競拍周期與服務(wù)費(fèi)用評(píng)估周期。

表1 英國動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)服務(wù)技術(shù)要求與市場機(jī)制Table 1 Technical requirements and market mechanisms of dynamic frequency response services in the UK

1.2 固定頻率響應(yīng)(FFR)與動(dòng)態(tài)低高(DLH)頻率響應(yīng)

圖1為FFR服務(wù)[19]與DLH服務(wù)[12]的頻率響應(yīng)曲線。FFR提供商可以競標(biāo)不同容量的一次低頻、二次低頻、高頻響應(yīng)服務(wù)，而DLH 要求必須提供相同容量的低頻與高頻響應(yīng)。FFR(或DLH)市場參與者須在每月(或每周)的競標(biāo)中明確其將提供的頻率響應(yīng)容量(兆瓦)、EFA時(shí)塊與相應(yīng)報(bào)價(jià)[英鎊/(兆瓦·時(shí))]。成功簽訂協(xié)議的FFR 或DLH 提供商須根據(jù)協(xié)議容量與圖1中的頻率響應(yīng)曲線，向電網(wǎng)提供相應(yīng)的頻率響應(yīng)。

圖1 FFR或DLH響應(yīng)曲線Fig.1 Response curve of FFR or DLH

FFR(或DLH)提供商在某一服務(wù)月m(或周w)所獲得的服務(wù)費(fèi)用由其在該月(或周)的交付表現(xiàn)決定：NGESO 將從該月(或周)的協(xié)議EFA 時(shí)塊中任意選取一段半小時(shí)樣本，計(jì)算該樣本中FFR(或DLH)提供商實(shí)際交付響應(yīng)的代數(shù)和與其所應(yīng)交付響應(yīng)的代數(shù)和的比值，作為該提供商在該月(或周)的百分比績效測量(percentage performance measure，PPM)；并依據(jù)表2，將其轉(zhuǎn)換為績效因子(performance factor，PF)，記作或，分別代入式(1)或式(2)中計(jì)算服務(wù)月m的FFR 服務(wù)費(fèi)用或服務(wù)周w的DLH服務(wù)費(fèi)用

表2 FFR或DLH百分比績效測量與績效因子轉(zhuǎn)換Table 2 Conversion from PPM into PF for FFR or DLH

圖2 周內(nèi)各EFA時(shí)塊DLH服務(wù)出清價(jià)格箱線圖Fig.2 Boxplots of DLH clearing prices at EFA blocks

1.3 增強(qiáng)頻率響應(yīng)(EFR)

圖3展示了EFR服務(wù)的兩種雙響應(yīng)曲線設(shè)定[8]，8 位中標(biāo)者均采用了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并遵循頻率死區(qū)較窄的雙響應(yīng)曲線。相較于FFR 與DLH 的單條響應(yīng)曲線，雙曲線設(shè)定使有限容量提供商能夠根據(jù)自身荷電狀態(tài)在上下限之間調(diào)整頻率響應(yīng)，并允許在頻率死區(qū)進(jìn)行一定的荷電狀態(tài)管理[23]。

圖3 EFR服務(wù)雙頻率響應(yīng)曲線設(shè)定Fig.3 Upper and lower response curves of EFR services

EFR 服務(wù)費(fèi)用的評(píng)估周期為每半小時(shí)結(jié)算期，NGESO 將根據(jù)式(3)評(píng)估EFR 提供商在某結(jié)算期內(nèi)每秒的績效測量(second-by-second performance measure，SBSPM)，并計(jì)算該結(jié)算期內(nèi)SBSPM的平均值，作為服務(wù)績效測量(service performance measure，SPM)；后依據(jù)表3 將SPM 轉(zhuǎn)換為EFR提供商在該結(jié)算期s的可利用因子(availability factor，AF)，記作，并代入式(4)計(jì)算其在結(jié)算期s的服務(wù)費(fèi)用：

表3 EFR服務(wù)績效測量與可利用因子轉(zhuǎn)換Table 3 Conversion from SPM into AF for EFR

表4 EFR提供商的協(xié)議容量與上報(bào)價(jià)格Table 4 Contracted EFR capacity and tender prices of providers

1.4 終極頻率響應(yīng)(DC，DM，DR)

圖4比較了動(dòng)態(tài)遏制(DC)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定(DM)與動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)(DR)的頻率響應(yīng)曲線[14-15]：DC 服務(wù)多用于應(yīng)對(duì)故障后的嚴(yán)重頻率偏差(超過0.2 Hz)，以滿足NGESO 對(duì)更快頻率響應(yīng)(1 秒內(nèi))的迫切需求；DM服務(wù)可對(duì)超過0.1 Hz的頻率偏差做出快速響應(yīng)(1秒內(nèi))，幫助NGESO將頻率維持在運(yùn)行限制內(nèi)；響應(yīng)速度較慢(10 秒內(nèi))的DR 服務(wù)則用于修正持續(xù)發(fā)生的小頻率偏差。

圖4 DC，DM與DR頻率響應(yīng)曲線Fig.4 Response curves of DC，DM and DR services

在提供DC、DM 或DR 服務(wù)的同時(shí)，NGESO允許提供商在未來某結(jié)算期的一小時(shí)前(即關(guān)閘時(shí)刻)提交其在該結(jié)算期的運(yùn)行基線(operational baseline，OB)，以幫助有限容量提供商調(diào)節(jié)能量狀態(tài)[16]。此外，NGESO 為有限容量提供商設(shè)定了能量狀態(tài)規(guī)則(SOE rules)：若有限容量提供商在某EFA 時(shí)塊起始時(shí)刻的存儲(chǔ)能量與存儲(chǔ)空間滿足表1中的最小容量要求(minimum energy requirement，MER)，且在每結(jié)算期內(nèi)的能量狀態(tài)調(diào)整總量達(dá)到至少M(fèi)ER 的20%，則該提供商不會(huì)因頻率響應(yīng)交付不足而受到處罰，仍可獲取全額服務(wù)費(fèi)用；若有限容量提供商不滿足SOE規(guī)則，NGESO將計(jì)算其在某EFA 時(shí)塊e內(nèi)的最大頻率響應(yīng)誤差，并使用式(5)將轉(zhuǎn)化為可利用因子，后代入式(6)中評(píng)估其在EFA時(shí)塊e的服務(wù)費(fèi)用RDXe(英鎊)[18]

其中，上角標(biāo)DX 代表DC、DM 或DR(當(dāng)前，提供商在某一EFA 時(shí)塊內(nèi)只允許提供一類服務(wù))；與分別代表提供商在EFA 時(shí)塊e的協(xié)議容量(兆瓦)與出清價(jià)格[英鎊/(兆瓦·時(shí))]；代表其在EFA時(shí)塊e內(nèi)提供有效服務(wù)的時(shí)長(小時(shí))。DC服務(wù)市場軟啟動(dòng)前三個(gè)月的平均出清價(jià)格約為17 英鎊/(兆瓦·時(shí))[24]，將用于后文的電池儲(chǔ)能項(xiàng)目模擬。

2 電池儲(chǔ)能項(xiàng)目模擬

本節(jié)以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定(DM)服務(wù)為例，為參與DM服務(wù)市場的某鋰電池儲(chǔ)能運(yùn)營商設(shè)計(jì)了相關(guān)運(yùn)營策略；并根據(jù)英國市場信息，建立了該電池儲(chǔ)能項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)模型。

2.1 電池儲(chǔ)能運(yùn)行模擬

2.1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置

假設(shè)某提供商與NGESO協(xié)議持續(xù)提供容量為1 MW 的DM 服務(wù)，則與低高頻響應(yīng)相對(duì)應(yīng)的最小容量要求MER均為0.5 MW·h，即電池儲(chǔ)能容量應(yīng)至少為1 MW·h(為了直觀體現(xiàn)市場機(jī)制對(duì)儲(chǔ)能容量與運(yùn)行的影響，電池儲(chǔ)能的充放電損耗忽略不計(jì))。依據(jù)MER 與SOE 規(guī)則要求，該DM 提供商可選用1.2 MW/1.5 MW·h的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)：一方面，使儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余容量在衰減到額定容量的80%時(shí)仍可滿足MER，另一方面，使儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠遵循0.2 MW的運(yùn)行基線，在每半小時(shí)結(jié)算期內(nèi)回收0.1 MW·h能量(即MER 的20%)。值得注意的是，所假設(shè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量僅滿足DM 服務(wù)市場的最低準(zhǔn)入門檻，并非由優(yōu)化算法決定。在儲(chǔ)能項(xiàng)目建設(shè)中，應(yīng)綜合考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營商的市場收益與投資成本，在滿足當(dāng)?shù)夭⒕W(wǎng)要求與市場準(zhǔn)入門檻的前提下，通過最大化運(yùn)營商的凈收益，評(píng)估最優(yōu)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置與運(yùn)行策略[21-23]。

2.1.2 頻率響應(yīng)與運(yùn)行基線

2.2 電池儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)模擬

2.2.1 電池儲(chǔ)能成本

鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)資本支出主要包含鋰電池成本、轉(zhuǎn)換器成本、輔助設(shè)備成本；假設(shè)三者的單位成本分別為128 千英鎊/(兆瓦·時(shí))[26]、66 千鎊/兆瓦[27]、鋰電池與轉(zhuǎn)換器總成本的30%[27]，則所選用的1.2 MW/1.5 MW·h鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的總資本支出約為352.56千英鎊。此外，假設(shè)該儲(chǔ)能系統(tǒng)的年運(yùn)營維護(hù)成本約為總資本支出的2%[27]，即約7.05 千英鎊/年。值得注意的是，儲(chǔ)能系統(tǒng)在英國的并網(wǎng)運(yùn)行還將涉及申請(qǐng)費(fèi)、輸電網(wǎng)使用費(fèi)、平衡服務(wù)使用費(fèi)等多種費(fèi)用，但由于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的資本支出與運(yùn)營維護(hù)成本一般占項(xiàng)目總成本的比重較高，本文暫未考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的費(fèi)用[21-23]。

2.2.2 市場成本收益

此外，該DM提供商須分別與電力批發(fā)市場中的用電商或發(fā)電商就儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電或充電運(yùn)行基線簽訂日內(nèi)合同；本文將選取英國電力批發(fā)市場日前價(jià)格作為日內(nèi)合同價(jià)格的近似替代，以評(píng)估與運(yùn)行基線相關(guān)的電力批發(fā)市場成本或收益。

基于上述項(xiàng)目成本與收益，將采用年折現(xiàn)率8%計(jì)算該DM 提供商的累積凈現(xiàn)值NPV，以評(píng)估其盈利性[23]

3 模擬結(jié)果與分析

本節(jié)所涉及的電池儲(chǔ)能項(xiàng)目模擬均由MATLAB[28]實(shí)現(xiàn)。英國國家電力傳輸系統(tǒng)在2016—2019 年間的每秒頻率(Hz)[29]將用于計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)所需交付的頻率響應(yīng)；同時(shí)期內(nèi)電力批發(fā)市場的日前每小時(shí)價(jià)格[英鎊/(兆瓦·時(shí))][30]將用于評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行基線的相關(guān)成本或收益。

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行分析

圖5展示了在鋰電池循環(huán)壽命周期內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量狀態(tài)與剩余容量的變化。在約3年半的項(xiàng)目期間內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過運(yùn)行基線調(diào)整能量狀態(tài)，始終留有足夠的存儲(chǔ)能量與存儲(chǔ)空間，以持續(xù)提供所需頻率響應(yīng)，如圖6所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際提供的頻率響應(yīng)完全符合DM 響應(yīng)曲線。圖7 檢驗(yàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)在EFA時(shí)塊起始時(shí)刻的存儲(chǔ)能量與存儲(chǔ)空間是否滿足SOE 規(guī)則中最小容量要求MER。盡管在個(gè)別EFA時(shí)塊內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)因初始存儲(chǔ)能量或存儲(chǔ)空間低于MER 而無法滿足SOE 規(guī)則，該DM 提供商因持續(xù)遵循DM響應(yīng)曲線仍可獲取全額DM服務(wù)費(fèi)用。

圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)能量狀態(tài)與剩余容量Fig.5 SOE and remaining capacity of the energy storage system

圖6 DM響應(yīng)曲線與實(shí)際提供頻率響應(yīng)Fig.6 DM curve against actual responses of the energy storage system

圖7 EFA時(shí)塊初始存儲(chǔ)能量或存儲(chǔ)空間分布Fig.7 Distribution of SOE footroom or headroom at start of EFA blocks

圖8 展示了儲(chǔ)能系統(tǒng)在某24 小時(shí)內(nèi)的運(yùn)行基線、輸出功率與荷電狀態(tài)時(shí)間序列。儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行基線的基礎(chǔ)上，向輸電網(wǎng)提供所需DM 頻率響應(yīng)。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)在自14 點(diǎn)起的一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)提供低頻響應(yīng)，其荷電狀態(tài)在14:30已下降至理想水平50%以下；因此，該提供商為一小時(shí)后的結(jié)算期(即15:30—16:00)提交一條充電運(yùn)行基線，以調(diào)整回理想荷電水平。反之，自22 點(diǎn)起的連續(xù)高頻響應(yīng)使荷電狀態(tài)超過理想水平50%；因此，該提供商為相應(yīng)的一小時(shí)后結(jié)算期提交放電運(yùn)行基線。由于該提供商通過運(yùn)行基線不斷調(diào)整荷電狀態(tài)或能量狀態(tài)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)在大部分時(shí)間內(nèi)維持在理想水平50%左右，如圖9所示。

圖8 某24小時(shí)內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行基線、輸出功率與荷電狀態(tài)Fig.8 Operational baselines,power outputs and state of charge levels over a particular 24-hour period

圖9 提供DM服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)分布Fig.9 State of charge distribution of the energy storage system for DM provision

為體現(xiàn)終極頻率響應(yīng)服務(wù)的儲(chǔ)能友好特性，圖10、圖11 分別展示了同等規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)提供FFR 服務(wù)的實(shí)際頻率響應(yīng)與其荷電狀態(tài)分布。因FFR服務(wù)不允許儲(chǔ)能系統(tǒng)通過提交運(yùn)行基線進(jìn)行能量管理，圖11顯示該儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)低于1%或高于99%的時(shí)間分別約占其壽命周期的1%或2.3%，極易導(dǎo)致無法交付FFR 服務(wù)所需的低頻或高頻響應(yīng)(圖10)。由于特定SOE 規(guī)則僅適用于終極頻率響應(yīng)服務(wù)，根據(jù)1.2節(jié)中的FFR服務(wù)費(fèi)用評(píng)估機(jī)制，圖10 中頻率響應(yīng)誤差極易造成該儲(chǔ)能系統(tǒng)在相應(yīng)服務(wù)月的收益損失。因此，相較于儲(chǔ)能系統(tǒng)可選擇在全部EFA時(shí)塊提供DM服務(wù)，參與FFR服務(wù)市場的儲(chǔ)能系統(tǒng)需要預(yù)留部分EFA時(shí)塊進(jìn)行荷電狀態(tài)管理，通過犧牲這些EFA時(shí)塊的服務(wù)費(fèi)用收益以避免或減少頻率響應(yīng)誤差[21-22]。

圖10 FFR響應(yīng)曲線與實(shí)際提供頻率響應(yīng)Fig.10 FFR curve against actual responses of the energy storage system

圖11 提供FFR服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)分布Fig.11 State of charge distribution of the energy storage system for FFR provision

3.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析

圖12 展示了該儲(chǔ)能項(xiàng)目各項(xiàng)成本收益的各月現(xiàn)值以及項(xiàng)目的累積凈現(xiàn)值。與運(yùn)維成本及電力批發(fā)市場收益相比，該提供商從DM服務(wù)市場獲取的收益占每月現(xiàn)金流的絕大部分，且DM服務(wù)收益的累積現(xiàn)值超過鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)總資本支出(表5)，使項(xiàng)目的累積凈現(xiàn)值達(dá)到約86.3千英鎊，內(nèi)部收益率約為23.1%。值得注意的是，本文假設(shè)DM 出清價(jià)格保持在17英鎊/(兆瓦·時(shí))；以DLH服務(wù)出清價(jià)格作為參考(見圖2)，未來DM出清價(jià)格將隨著DM服務(wù)市場的逐步成熟而下降，進(jìn)而降低儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營商的盈利性。依據(jù)表5 計(jì)算，DM 出清價(jià)格下降至13.78英鎊/(兆瓦·時(shí))將會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目累積凈現(xiàn)值為零。因此，該儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營商可選取13.78英鎊/(兆瓦·時(shí))以上作為其在DM 服務(wù)市場中的競標(biāo)價(jià)格，以保證其儲(chǔ)能投資項(xiàng)目的盈利性。

圖12 各項(xiàng)成本收益的各月現(xiàn)值與項(xiàng)目累積凈現(xiàn)值Fig.12 Monthly present values of cost/revenue components and cumulative NPV of the project

表5 儲(chǔ)能項(xiàng)目成本收益累積現(xiàn)值Table 5 Cumulative present values of cost/revenue components of the energy storage project

表5所示的儲(chǔ)能項(xiàng)目成本收益分析可應(yīng)用于不同頻率響應(yīng)服務(wù)市場、不同規(guī)模的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以評(píng)估其參與相關(guān)市場的盈利性與最低競標(biāo)價(jià)格。儲(chǔ)能項(xiàng)目的投資成本、市場收益與最低競標(biāo)價(jià)格間的關(guān)系，在很大程度上取決于儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模與頻率響應(yīng)服務(wù)協(xié)議容量。較大規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以競標(biāo)較高的頻率響應(yīng)服務(wù)容量，有更充足的存儲(chǔ)能量或存儲(chǔ)空間以交付所需頻率響應(yīng)，在較長的壽命周期內(nèi)持續(xù)提供頻率響應(yīng)服務(wù)，從而在頻率響應(yīng)服務(wù)中獲取較高的市場收益；但儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模增長也將導(dǎo)致投資成本的相應(yīng)增加。因此，在投資儲(chǔ)能項(xiàng)目時(shí)，運(yùn)營商須通過經(jīng)濟(jì)優(yōu)化等方法確定最優(yōu)儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模，在儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本與市場收益之間做出最優(yōu)權(quán)衡[21-23]。運(yùn)營商須明確頻率響應(yīng)服務(wù)等市場的服務(wù)招標(biāo)與費(fèi)用評(píng)估機(jī)制，制定儲(chǔ)能系統(tǒng)在提供頻率響應(yīng)服務(wù)期間或之后進(jìn)行荷電狀態(tài)調(diào)整的策略，以使儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠交付所需頻率響應(yīng)，避免或減少因頻率響應(yīng)誤差而造成的收益損失。同時(shí)，頻率響應(yīng)服務(wù)等輔助服務(wù)市場應(yīng)從儲(chǔ)能系統(tǒng)等有限容量提供商的角度出發(fā)，評(píng)估其因容量有限而可能面臨的技術(shù)困難與市場經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而調(diào)整或制定相關(guān)市場機(jī)制與規(guī)則(如引入運(yùn)行基線與特定SOE 規(guī)則)；通過在允許范圍內(nèi)降低市場準(zhǔn)入門檻并保證有限容量提供商的市場經(jīng)濟(jì)收益，鼓勵(lì)更多有限容量提供商參與電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)，有效提升輔助服務(wù)市場的競爭性。

4 結(jié)論

（1）從經(jīng)濟(jì)收益風(fēng)險(xiǎn)與能量狀態(tài)管理的角度，闡述了英國頻率響應(yīng)服務(wù)市場的儲(chǔ)能友好型改革對(duì)鼓勵(lì)有限容量提供商(如儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營商)參與市場，保證其市場經(jīng)濟(jì)收益，以及提升市場參與者多樣性與競爭性的積極影響。

（2）縮短頻率響應(yīng)服務(wù)競拍周期與服務(wù)費(fèi)用評(píng)估周期可有效降低有限容量提供商在頻率響應(yīng)服務(wù)市場中的潛在經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）在終極頻率響應(yīng)服務(wù)市場中，允許有限容量提供商通過提交并遵循未來結(jié)算期的運(yùn)行基線進(jìn)行接近實(shí)時(shí)的荷電狀態(tài)調(diào)整，保證了有限容量提供商有足夠的存儲(chǔ)能量或存儲(chǔ)空間以持續(xù)交付所需頻率響應(yīng)。

（4）針對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定頻率響應(yīng)服務(wù)的特有市場機(jī)制，為1.2 MW/1.5 MW·h 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)了提供頻率響應(yīng)服務(wù)，并利用運(yùn)行基線進(jìn)行能量管理的運(yùn)行策略。模擬結(jié)果表明該運(yùn)行策略有效地保證了儲(chǔ)能系統(tǒng)的頻率響應(yīng)服務(wù)表現(xiàn)。

（5） 綜合考慮鋰電池儲(chǔ)能市場、終極頻率響應(yīng)服務(wù)市場、電力批發(fā)市場的價(jià)格，對(duì)1.2 MW/1.5 MW·h 儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了成本收益分析，并根據(jù)項(xiàng)目凈現(xiàn)值占服務(wù)市場累積現(xiàn)值的比例，評(píng)估最低服務(wù)競標(biāo)價(jià)格，約為13.8英鎊/(兆瓦·時(shí))。

（6）在儲(chǔ)能項(xiàng)目投資建設(shè)中，可將儲(chǔ)能系統(tǒng)提供頻率響應(yīng)服務(wù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)模擬與優(yōu)化算法相結(jié)合，優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)配置與運(yùn)行策略(如儲(chǔ)能系統(tǒng)容量、理想荷電水平、競標(biāo)服務(wù)容量等)，幫助有限容量提供商在投資成本與市場收益之間做出最優(yōu)權(quán)衡。有限容量提供商可通過比較其最低服務(wù)競標(biāo)價(jià)格與歷史出清價(jià)格，合理制定競標(biāo)價(jià)格，在保證市場競爭力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)盈利最大化。