基于電力市場(chǎng)環(huán)境的儲(chǔ)能電站運(yùn)營(yíng)策略研究

張葛軍 吳翠翠 王一依 陳思哲

（1.江蘇龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司 2.江蘇龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司3.龍?jiān)矗ū本╋L(fēng)電工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司 4.南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，以及能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)，可再生能源成為全國(guó)能源發(fā)展的主力，進(jìn)入跨越式發(fā)展階段。2021年作為“十四五”開(kāi)局之年，國(guó)家在錨定碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)任務(wù)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，完善支持可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的體制機(jī)制，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，努力推動(dòng)可再生能源產(chǎn)業(yè)大規(guī)模、高比例、高質(zhì)量躍升發(fā)展。2021年我國(guó)新增可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量1.34億kW，可再生能源累計(jì)裝機(jī)容量歷史性突破10億kW 大關(guān)，水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)均超過(guò)3億kW。然而，風(fēng)電光伏裝機(jī)容量的快速提升對(duì)電力系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，現(xiàn)有靈活性資源已逐漸無(wú)力支持電網(wǎng)接納如此高比例的波動(dòng)性能源。儲(chǔ)能作為更優(yōu)質(zhì)的靈活性資源，一方面，可促進(jìn)可再生能源的消納；另一方面，可解決風(fēng)光出力隨機(jī)性和波動(dòng)性帶來(lái)的運(yùn)行穩(wěn)定問(wèn)題。

隨著我國(guó)電力市場(chǎng)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，儲(chǔ)能作為獨(dú)立主體參與調(diào)峰的優(yōu)越性已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，但尚缺乏完整的市場(chǎng)交易機(jī)制來(lái)激勵(lì)和規(guī)范儲(chǔ)能調(diào)峰能力的發(fā)揮。2021年，國(guó)家發(fā)改委頒布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確了新型儲(chǔ)能的獨(dú)立市場(chǎng)主體地位，加快推動(dòng)儲(chǔ)能進(jìn)入并允許同時(shí)參與各類(lèi)電力市場(chǎng)，因地制宜建立完善“按效果付費(fèi)”的電力輔助服務(wù)補(bǔ)償。因此，如何在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)短時(shí)期內(nèi)難以改變的現(xiàn)狀下，建立電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的市場(chǎng)交易機(jī)制以調(diào)動(dòng)儲(chǔ)能參與調(diào)峰的積極性，成為儲(chǔ)能投資主體當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。

1 儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)的模式

1.1 儲(chǔ)能電站的服務(wù)價(jià)值

儲(chǔ)能電站在源側(cè)、網(wǎng)側(cè)和荷側(cè)等不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，可以提供的服務(wù)價(jià)值各不相同，主要體現(xiàn)在能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)兩方面，具體如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能電站在不同場(chǎng)景下的市場(chǎng)價(jià)值體現(xiàn)

能量市場(chǎng)：能量市場(chǎng)主要表現(xiàn)為價(jià)格套利服務(wù)。通過(guò)安排儲(chǔ)能電站充放電輸出，在較低的能源市場(chǎng)價(jià)格購(gòu)買(mǎi)（充）能源，并在較高的能源市場(chǎng)價(jià)格出售（放）能源，從而獲得收入。原則上，價(jià)格套利服務(wù)與允許儲(chǔ)能電站盈利的時(shí)間價(jià)差相關(guān)。同時(shí)，儲(chǔ)能在源側(cè)可平抑新能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性，平穩(wěn)新能源場(chǎng)站的輸出功率，抑制預(yù)測(cè)和實(shí)際輸出間的功率不平衡。

輔助服務(wù)市場(chǎng)：當(dāng)前我國(guó)將調(diào)峰、調(diào)頻、備用服務(wù)、黑啟動(dòng)等作為輔助服務(wù)。然而，調(diào)峰服務(wù)將在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)完備后失去意義。因此，調(diào)頻服務(wù)可理解為輔助服務(wù)的核心內(nèi)容。為保證電力系統(tǒng)頻率質(zhì)量，儲(chǔ)能必須在極短的時(shí)間內(nèi)（一般為幾秒鐘到幾分鐘）進(jìn)行有功出力調(diào)整以控制頻率偏差在允許的范圍內(nèi)。

1.2 當(dāng)前我國(guó)電力市場(chǎng)機(jī)制

當(dāng)前，我國(guó)電力市場(chǎng)現(xiàn)貨市場(chǎng)正處于摸索階段，結(jié)構(gòu)還不太健全，新型儲(chǔ)能尚處于適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)任務(wù)階段，亟須市場(chǎng)化機(jī)制引導(dǎo)推動(dòng)發(fā)展。鑒于此，國(guó)家能源局于2021年12月修訂發(fā)布了《電力并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定》、《電力輔助服務(wù)管理辦法》。此次修訂主要體現(xiàn)在新主體、新品種和新機(jī)制三方面：一是擴(kuò)大了電力輔助服務(wù)新主體。為適應(yīng)新型電力系統(tǒng)主體多元、源網(wǎng)荷儲(chǔ)良性互動(dòng)的特征，新增了對(duì)新能源、新型儲(chǔ)能、負(fù)荷側(cè)并網(wǎng)主體等并網(wǎng)技術(shù)指導(dǎo)及管理要求。按照國(guó)務(wù)院《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》有關(guān)要求，擴(kuò)大了輔助服務(wù)提供主體范圍，通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制充分挖掘供需兩側(cè)的靈活調(diào)節(jié)能力，更加適應(yīng)新型電力系統(tǒng)需求，促進(jìn)推動(dòng)能源低碳轉(zhuǎn)型，推動(dòng)落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。二是豐富了電力輔助服務(wù)新品種。為適應(yīng)高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備接入系統(tǒng)的需要，平抑新能源間歇性、波動(dòng)性對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的擾動(dòng)影響，新增了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、爬坡、穩(wěn)定切機(jī)、穩(wěn)定切負(fù)荷等輔助服務(wù)品種，進(jìn)一步促進(jìn)新能源消納，提升電力系統(tǒng)可靠性和電能質(zhì)量，更好地保障能源安全與推動(dòng)綠色低碳發(fā)展。三是健全了市場(chǎng)形成價(jià)格新機(jī)制。在現(xiàn)階段以調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)化交易為主的基礎(chǔ)上，持續(xù)推動(dòng)以市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)方式確定輔助服務(wù)提供主體，形成交易價(jià)格，降低系統(tǒng)輔助服務(wù)成本，更好地發(fā)揮市場(chǎng)在資源配置中的決定性作用。

2022年6月7日，由國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳、國(guó)家能源局綜合司聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步推動(dòng)新型儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)和調(diào)度運(yùn)用的通知》。該文件明確指出：“新型儲(chǔ)能具有響應(yīng)快、配置靈活、建設(shè)周期短等優(yōu)勢(shì)，可在電力運(yùn)行中發(fā)揮頂峰、調(diào)峰、調(diào)頻、爬坡、黑啟動(dòng)等多種作用，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要組成部分。要建立完善適應(yīng)儲(chǔ)能參與的市場(chǎng)機(jī)制，鼓勵(lì)新型儲(chǔ)能自主選擇參與電力市場(chǎng)，堅(jiān)持以市場(chǎng)化方式形成價(jià)格，持續(xù)完善調(diào)度運(yùn)行機(jī)制，發(fā)揮儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提升儲(chǔ)能總體利用水平，保障儲(chǔ)能合理收益，促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展。”

針對(duì)近期國(guó)家密集出臺(tái)的一系列文件政策進(jìn)行解讀，明顯可見(jiàn)，儲(chǔ)能電站作為一種新興的電力輔助服務(wù)新主體具備了參與電力市場(chǎng)的條件，其提供的電力輔助服務(wù)多樣，主要體現(xiàn)在調(diào)頻、調(diào)峰、黑啟動(dòng)等方面。且參與的并網(wǎng)運(yùn)行、輔助服務(wù)管理等市場(chǎng)交易機(jī)制也將逐漸健全。顯然，在當(dāng)前電力現(xiàn)貨市場(chǎng)尚未成熟階段，電力輔助服務(wù)只是一個(gè)過(guò)渡產(chǎn)品。待現(xiàn)貨市場(chǎng)成熟后，可通過(guò)現(xiàn)貨市場(chǎng)的實(shí)時(shí)市場(chǎng)或平衡機(jī)制實(shí)現(xiàn)相關(guān)的輔助服務(wù)。因此，本文將針對(duì)儲(chǔ)能電站參與電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻兩種輔助服務(wù)市場(chǎng)以及未來(lái)的現(xiàn)貨市場(chǎng)交易機(jī)制開(kāi)展分析研究，其具體的運(yùn)營(yíng)模式如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能電站的運(yùn)營(yíng)模式

2 儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)策略模型

考慮到場(chǎng)景集規(guī)模較大情況下計(jì)算時(shí)間與計(jì)算精度的折中，本文采用ARMA法生成場(chǎng)景集合s，并基于k－均值聚類(lèi)方法進(jìn)行場(chǎng)景聚類(lèi)，獲得期望電價(jià)曲線(xiàn)。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以?xún)?chǔ)能的市場(chǎng)收益最大化為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化各時(shí)段的充放電功率和備用出力，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能在電力市場(chǎng)中的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行：

式中，E為儲(chǔ)能電站在電力市場(chǎng)中的總收益；Eah為儲(chǔ)能電站在能量市場(chǎng)中的收益；Eau為儲(chǔ)能電站預(yù)留一定容量參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的收益；Ecost為儲(chǔ)能電站系統(tǒng)參與電力市場(chǎng)的運(yùn)行成本。

（1）能量市場(chǎng)收益

儲(chǔ)能在主能量市場(chǎng)中的收益取決于通過(guò)放電行為向市場(chǎng)售電的收益和通過(guò)充電行為向市場(chǎng)購(gòu)電的成本。假設(shè)儲(chǔ)能充電功率為正、放電功率為負(fù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)主能量市場(chǎng)收益期望為：

（2）日內(nèi)輔助服務(wù)市場(chǎng)收益

儲(chǔ)能電站參與輔助服務(wù)的，根據(jù)調(diào)節(jié)容量、調(diào)節(jié)電量，對(duì)儲(chǔ)能電站提供的輔助服務(wù)實(shí)施補(bǔ)償。每15min為一個(gè)補(bǔ)償時(shí)段，每日統(tǒng)計(jì)補(bǔ)償費(fèi)用，月度匯總。當(dāng)輔助服務(wù)性能考核不合格時(shí)，該時(shí)段對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償為零。儲(chǔ)能參與的日前能量市場(chǎng)可視為調(diào)峰的輔助服務(wù)，且成熟電力市場(chǎng)中，是不將調(diào)峰作為輔助服務(wù)的。故日內(nèi)的輔助服務(wù)市場(chǎng)按調(diào)頻進(jìn)行分析。

根據(jù)AGC指令獲取起始時(shí)刻、終止時(shí)刻、起始出力及目標(biāo)出力計(jì)算調(diào)節(jié)電量補(bǔ)償。

式中，Pki為當(dāng)前實(shí)際出力；為起始出力，為目標(biāo)出力，pau為單位電量補(bǔ)償價(jià)格，目標(biāo)出力調(diào)節(jié)電量積分時(shí)段為指令下發(fā)時(shí)刻到指令結(jié)束時(shí)刻，取之于AGC考核中的值。

（3）儲(chǔ)能參與市場(chǎng)運(yùn)行成本

儲(chǔ)能參與市場(chǎng)的運(yùn)行成本可簡(jiǎn)化描述為：

式中，p0為考慮充放電效率的單位電量成本；ΔWt為第t個(gè)時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)能充電或放電電量。

2.2 約束條件

（1）充放電功率約束

能量市場(chǎng)充放電功率約束：

（2）荷電狀態(tài)約束

式中，ηch和ηdis分別為儲(chǔ)能充電效率和放電效率；SOCmax和SOCmin分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)最大、最小荷電狀態(tài)；WN為儲(chǔ)能額定容量；Wt為t時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的電量。

（3）日剩余電量水平約束

為保證儲(chǔ)能系統(tǒng)在每一個(gè)運(yùn)行周期都具備一定的充放電能力，因此限制儲(chǔ)能電站在運(yùn)行周期始末狀態(tài)的荷電狀態(tài)之差在一個(gè)允許的小范圍內(nèi)。

式中，SOC0和SOCT分別為儲(chǔ)能在一天內(nèi)的始末荷電狀態(tài)；ΔS為一個(gè)較小正數(shù)。

3 算例分析

選擇某地建設(shè)100MW／200MWh的儲(chǔ)能電站為例開(kāi)展算例分析。該電站儲(chǔ)能電池選用鉛碳電池，設(shè)充放循環(huán)次數(shù)限額2200次，壽命約為10年，充放電效率90%，最終衰減后余量80%，平均衰減0.91%／100次循環(huán)，項(xiàng)目投資約40000萬(wàn)元。本文基于某月現(xiàn)貨市場(chǎng)結(jié)算試運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)儲(chǔ)能電站分別參與價(jià)格套利、調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)以及價(jià)格套利和調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)的收益進(jìn)行模擬測(cè)算。

儲(chǔ)能電站只參與價(jià)格套利服務(wù)。儲(chǔ)能電站只參與價(jià)格套利服務(wù)時(shí)，其運(yùn)行主要是依據(jù)削峰填谷的原則。儲(chǔ)能電站通過(guò)在平時(shí)或谷時(shí)充電，在峰時(shí)放電，從而獲取經(jīng)濟(jì)利益。但受到儲(chǔ)能電站裝機(jī)容量的限制，該電站僅在最優(yōu)時(shí)段內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的充放電。儲(chǔ)能電站只參與調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)。儲(chǔ)能電站只參與調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)時(shí)，其運(yùn)行主要是依據(jù)調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)中的調(diào)頻容量電價(jià)、調(diào)頻里程電價(jià)以及調(diào)頻實(shí)際使用電量系數(shù)提供相應(yīng)的調(diào)頻服務(wù)。但由于上述決定因素隨著時(shí)間不斷變化，從而每時(shí)段調(diào)頻服務(wù)的收益也會(huì)不同。儲(chǔ)能電站同時(shí)參與價(jià)格套利服務(wù)和調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)。需要分析在不同市場(chǎng)中獲取的利益情況不同，從而將儲(chǔ)能電站的電量參與價(jià)格套利服務(wù)和調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)中的部分進(jìn)行合理的分配。

由表1可知，在峰谷分時(shí)電價(jià)下，儲(chǔ)能電站同時(shí)參與價(jià)格套利服務(wù)和調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)可顯著提升儲(chǔ)能電站的收益，比單獨(dú)參與價(jià)格套利服務(wù)收益增長(zhǎng)21%，比單獨(dú)參與調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)收益增長(zhǎng)296%，同時(shí)可以看出，由于儲(chǔ)能電站參與調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)需要占用部分容量，導(dǎo)致其在價(jià)格套利服務(wù)中的收益減少12%，但是，由于同時(shí)參與價(jià)格套利和調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)，其收益還是有顯著增長(zhǎng)的。

表1 典型日內(nèi)儲(chǔ)能的盈利分析

由算例設(shè)置數(shù)據(jù)可以算出，儲(chǔ)能電站初始投資成本約為41820萬(wàn)元，年運(yùn)行成本為450萬(wàn)元。通過(guò)對(duì)全年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模擬運(yùn)行，可得分時(shí)電價(jià)條件下儲(chǔ)能電站僅參與價(jià)格套利服務(wù)與同時(shí)參與價(jià)格套利服務(wù)和調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)下各月的收益情況，如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能電站全年各月收益

從圖中可以得出儲(chǔ)能電站同時(shí)參與價(jià)格套利服務(wù)和調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)全年的收入為1059.44萬(wàn)元，而僅參與價(jià)格套利服務(wù)時(shí)全年的收入為555.02萬(wàn)元。

儲(chǔ)能電站不同模式下的現(xiàn)金流量如表2所示。

表2 儲(chǔ)能電站現(xiàn)金流分析 （單位：萬(wàn)元）

儲(chǔ)能電站投資回收期：

經(jīng)測(cè)算，僅參與價(jià)格套利服務(wù)的投資回報(bào)期為15.12年，大于標(biāo)準(zhǔn)投資回收期，投資應(yīng)予以否定，即若儲(chǔ)能電站僅參與價(jià)格套利服務(wù)，則不具備經(jīng)濟(jì)性。

反之，參與價(jià)格套利服務(wù)和調(diào)頻市場(chǎng)凈收入的投資回報(bào)期為6.85年，投資回收期小于標(biāo)準(zhǔn)投資回收期，投資應(yīng)予以肯定，即若儲(chǔ)能電站同時(shí)參與價(jià)格套利服務(wù)和調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)，則具備經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

儲(chǔ)能電站可以發(fā)揮促進(jìn)新能源消納、減少旋轉(zhuǎn)備用、頂高峰負(fù)荷、提供緊急功率支撐等多重作用。其全電量參與現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)需要尋求市場(chǎng)價(jià)差空間才能獲得盈利，受儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換效率、容量損耗和輸配電及附加成本的影響，儲(chǔ)能參與電能量市場(chǎng)獲利難度較大。電力市場(chǎng)中，儲(chǔ)能應(yīng)主要參與電能量市場(chǎng)，參與調(diào)頻市場(chǎng)為輔，作為電網(wǎng)靈活調(diào)度資源參與輔助服務(wù)市場(chǎng)。同時(shí)參與價(jià)格套利服務(wù)和調(diào)頻市場(chǎng)將獲得較好的資本回報(bào)率。