基于儲能靈活能量狀態(tài)的現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)市場聯(lián)合出清機制

代江，朱思霖，田年杰，程蘭芬，蘇祥瑞

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，貴陽 550005；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州 510663）

0 引言

新型電力系統(tǒng)背景下發(fā)電側(cè)新能源發(fā)電占比的不斷提高使電力系統(tǒng)的間歇性和不可預(yù)測性愈發(fā)明顯，需要額外的靈活資源維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行［1］。以電化學(xué)儲能為代表的儲能等新型靈活性資源憑借精確、快速的響應(yīng)能力而被寄予厚望并逐漸參與到電力系統(tǒng)運行中，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模也在迅速擴大［2-4］。

電力市場化改革的不斷推進允許儲能作為獨立市場主體參與市場化交易，有望實現(xiàn)通過市場手段優(yōu)化新型靈活性資源的配置，最大程度發(fā)揮其作用，滿足新型電力系統(tǒng)發(fā)展需求。針對儲能參與電力市場，學(xué)界已有大量文獻開展了相關(guān)的研究。文獻［5］證明了儲能同時提供多種類型服務(wù)相比單一類型服務(wù)更有助于提高其盈利能力，但需要留意不同類型服務(wù)間的相互影響。為了進一步研究儲能參與不同類型市場時的最優(yōu)參與策略，文獻［6］研究了儲能同時參與電能量、調(diào)頻的不同機制，分析不同機制下效能和儲能參與市場過程存在的特殊問題和解決方案，通過算例分析研究了各機制的實用性以及儲能對市場的影響。文獻［7］研究了儲能同時參與電能量、備用及調(diào)頻市場時的聯(lián)合投標(biāo)問題。文獻［8］引入投資組合理論對儲能在參與多市場時容量配置進行研究以實現(xiàn)收益最大化和風(fēng)險最小化。文獻［9］基于馬爾科夫框架研究了儲能的日內(nèi)市場的交易策略。文獻［10］則關(guān)注儲能裝置容量配置環(huán)節(jié)，利用智能算法進行用戶側(cè)儲能的優(yōu)化配置。以上文獻均在現(xiàn)有市場機制的背景下從儲能運營商的角度進行考慮，但現(xiàn)有的市場機制主要面向傳統(tǒng)發(fā)電結(jié)構(gòu)而設(shè)計，不能很好地兼容儲能的參與［11］。

區(qū)別于傳統(tǒng)發(fā)電資源，儲能由于具有能量有限性，其充放電能力受儲能容量和現(xiàn)時段剩余可用容量的雙重約束，如何核定儲能在不同時間段、不同類型市場中的能量狀態(tài)價值并進行能量狀態(tài)（state of energy，SOE）的優(yōu)化管理是儲能參與電力市場的關(guān)鍵問題。而原先用于傳統(tǒng)發(fā)電機組與用電負荷的市場機制未能充分體現(xiàn)儲能的靈活性優(yōu)勢與能量價值，使得儲能無法對SOE進行高效管理并更好地參與到電力市場中。此外，文獻［12］從儲能主體的角度研究儲能參與電能量調(diào)頻市場的策略性行為。文獻［13］從儲能投標(biāo)的角度提出了在市場價格不確定性的條件下儲能主體利潤最大化的運營決策優(yōu)化模型。文獻［14］研究了儲能主體如何利用有限資源在市場中獲取最大收益。文獻［15］還從投標(biāo)結(jié)構(gòu)的角度指出了現(xiàn)有市場機制在考慮儲能參與時的不足，基于充放電成本的申報形式未充分考慮充放電成本間的聯(lián)系，無法真實反映儲能的運行特性。

為此，部分文獻從市場機制角度開展了相關(guān)的研究。文獻［16］提出了變動成本報價曲線，用以反映儲能末時段的能量狀態(tài)價值，文獻［17］提出了以SOE 為標(biāo)的制定儲能在能量市場中的報價。文獻［15］從報價和結(jié)算角度對市場機制進行改進，允許儲能在投標(biāo)時申報單位里程充放電成本和末時段能量狀態(tài)估值函數(shù)。文獻［18］設(shè)計了考慮儲能靈活能量狀態(tài)的新型日前電能量市場報價機制，建立了市場調(diào)度模型。文獻［19］則從定價角度出發(fā)，基于現(xiàn)有的節(jié)點電價設(shè)計出更加適合儲能的定價機制。文獻［20］在配網(wǎng)側(cè)開展相應(yīng)的市場模式探索，引入了聚合商作為儲能參與批發(fā)市場的媒介。

上述文獻中只考慮了儲能參與電能量市場時SOE 的靈活性，但儲能同時參與不同類型市場時的能量管理是相互影響的。更重要的是，在基于效果補償?shù)恼{(diào)頻機制下，調(diào)頻補償收入構(gòu)成了儲能市場收益的主要來源［21］。因此，針對儲能的市場設(shè)計關(guān)鍵在于設(shè)計儲能調(diào)頻市場參與模式。然而，調(diào)頻信號的實時不確定性給市場出清過程中的儲能SOE管理帶來了挑戰(zhàn)。

為此，本文在文獻［18］的基礎(chǔ)上設(shè)計了基于儲能靈活能量狀態(tài)的現(xiàn)貨電能量-輔助服務(wù)市場聯(lián)合出清機制（以下簡稱新型市場機制），建立了聯(lián)合出清數(shù)學(xué)模型。相對于文獻［18］，本文提出了新的SOE 管理方法，使得儲能的調(diào)頻價值直接反映到最終SOE調(diào)整成本上。由此進一步研究了輔助服務(wù)市場與儲能靈活能量狀態(tài)之間的相互影響，建立了更能反映儲能綜合成本的多市場聯(lián)合報價模式，對儲能靈活能量狀態(tài)理論的落地和推廣起到了重要作用。

此外，本文還通過引入調(diào)頻能量損耗系數(shù)來描述儲能因參與調(diào)頻輔助服務(wù)而導(dǎo)致的能量損失，提供了一種解決儲能在同時參與多類型市場時的能量管理問題的方案；針對文獻［18］未解決的SOE能量調(diào)整成本曲線非單調(diào)問題展開研究，給出了市場出清優(yōu)化時針對該問題的可行求解方法。相比文獻［18］，本文采用更準(zhǔn)確的模型和更真實的算例驗證了所述機制的有效性，進一步論證了所述概念的可行性。

1 適合儲能的市場機制探索

在現(xiàn)有的集中式電力市場中儲能通常被要求申報連續(xù)的能量投標(biāo)［18］，同時缺乏靈活的SOE 管理機制，這嚴重限制了儲能的利潤空間。

1.1 靈活能量狀態(tài)

目前與儲能相關(guān)的大部分研究中都默認設(shè)定儲能在運行日末時段的能量狀態(tài)設(shè)為初始值以方便調(diào)度管理［5，15］。但對于電力市場中的商業(yè)儲能而言，這種后續(xù)可操作性未能有效平衡當(dāng)前時段與未來時段的潛在獲利機會，不利于儲能實現(xiàn)利潤最大化，阻礙了儲能作用的發(fā)揮。因此文獻［22］著重關(guān)注了儲能這一特殊的時間耦合特性，通過考慮預(yù)期利潤與風(fēng)險來優(yōu)化運行日末的儲能SOE，論證了解除末時段能量狀態(tài)的固定約束的可行性以及對于提高儲能盈利能力的有效性。

儲能的靈活能量狀態(tài)特點允許儲能根據(jù)其SOE使用效益或機會成本進行靈活儲能SOE管理，實現(xiàn)自身利潤最大化，進而實現(xiàn)總社會福利最大化。為此，本文采用SOE調(diào)整成本曲線來輔助系統(tǒng)運營商完成考慮系統(tǒng)與儲能個體的最優(yōu)決策。SOE 調(diào)整成本曲線由儲能主體在參與申報時提供，用以反映儲能在自身優(yōu)化決策下的預(yù)期最優(yōu)能量狀態(tài)以及服務(wù)于系統(tǒng)最優(yōu)調(diào)度時的偏離個體最優(yōu)狀態(tài)值的期望補償。從優(yōu)化角度看，儲能靈活能量狀態(tài)的運行方式對應(yīng)為將原有的關(guān)于最終能量狀態(tài)的等式約束進行松弛處理，而在目標(biāo)函數(shù)中加入與SOE調(diào)整成本相關(guān)的罰函數(shù)項，賦予了目標(biāo)函數(shù)更大的優(yōu)化空間，進而在提高儲能運營商收益的同時增加社會福利。

不同于文獻［18］中所提的能量狀態(tài)調(diào)節(jié)成本曲線僅考慮電能量市場，本文所提的SOE調(diào)整成本曲線還將由于調(diào)頻引起的能量偏差所造成的儲能SOE管理成本考慮在內(nèi)，在考慮電能量市場末時刻偏差成本的基礎(chǔ)上進一步考慮調(diào)頻引起的能量偏差的調(diào)節(jié)成本，引入調(diào)頻能量損耗系數(shù)計算此前未被考慮的調(diào)頻能量狀態(tài)偏差，最終得到反映儲能在參與多個市場時的多元價值特性的SOE調(diào)整成本曲線。

儲能成本的核定是目前在研究儲能參與電力市場過程中廣泛受到關(guān)注的問題之一。由于儲能技術(shù)自身的特殊性，成本核定困難也在一定程度上給市場監(jiān)管帶來了挑戰(zhàn)?；谶@一問題，本文引入了儲能SOE調(diào)整成本，允許儲能主體在參與市場時申報接受偏離目標(biāo)狀態(tài)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)意愿，這將有利于明確儲能的系統(tǒng)價值，進而有助于核定儲能成本。在度量調(diào)節(jié)成本時由于儲能SOE調(diào)節(jié)曲線反映的是儲能接受系統(tǒng)調(diào)節(jié)的意愿，當(dāng)系統(tǒng)無法滿足儲能的目標(biāo)能量狀態(tài)時通常意味著需要犧牲儲能的部分收益來優(yōu)化系統(tǒng)運行，理應(yīng)將收益差額補償給為優(yōu)化系統(tǒng)運行做出貢獻的儲能主體。對于該項成本的度量可以通過不同方式進行，本文僅提出一種核定方法作為參考。調(diào)整成本可通過偏離儲能目標(biāo)能量狀態(tài)前后的收益差額進行度量，而最優(yōu)能量狀態(tài)和收益測算由儲能主體自行利用歷史負荷水平、電價預(yù)測、風(fēng)險偏好等數(shù)據(jù)進行計算，從而得到不同能量狀態(tài)下的收益，確定最優(yōu)能量狀態(tài)值后不難得出儲能SOE調(diào)整成本。

1.2 聯(lián)合出清市場中的SOE管理

在技術(shù)上儲能可以同時參加電能量與輔助服務(wù)市場，提供多種服務(wù)。但由于兩類市場的出清結(jié)果均對儲能運行方式產(chǎn)生影響且相互限制，當(dāng)兩類市場獨立出清時，儲能將面臨很大的決策壓力。因此，為了最大程度發(fā)揮儲能的作用，應(yīng)設(shè)計聯(lián)合出清市場機制，允許儲能同時參加不同類型市場并真實反映出儲能交易成本。

為此，本文研究了儲能在調(diào)頻過程中的SOE管理問題，創(chuàng)新性地給出了同時考慮輔助服務(wù)和靈活能量狀態(tài)的儲能SOE優(yōu)化方法，實現(xiàn)了基于儲能靈活能量狀態(tài)的多市場聯(lián)合出清。

儲能部分運行約束如式（1）—（3）所示。

式中：下標(biāo)t為時段；上標(biāo)ch、dc、up 和dn 分別為表（能量市場）充電、放電、上調(diào)頻和下調(diào)頻；P、Pˉ、E、η和e分別為功率、最大功率、SOE、效率和調(diào)頻能量損耗系數(shù)。

上式反映了兩個問題：1） 一定時段內(nèi)儲能的（最終）SOE、可用調(diào)頻容量和電能量功率三者是相互影響的。為了實現(xiàn)利潤最大化，應(yīng)協(xié)調(diào)考慮儲能最終SOE效益、能量套利收益和調(diào)頻收益，統(tǒng)一優(yōu)化儲能的運行計劃，這在基于效果補償?shù)恼{(diào)頻機制下顯得尤為重要。2） 儲能在提供實際調(diào)頻輔助服務(wù)過程中會產(chǎn)生計劃外的SOE增量。然而，由于調(diào)頻信號的不確定性［23］，調(diào)頻市場交易標(biāo)的（容量、里程）與能量之間不存在確定的映射，無法在市場出清過程中對SOE增量進行直接管理。實際市場中的處理方法包括：（PJM）保證調(diào)頻指令能量中性［24］、市場主體自行管理、（CAISO）調(diào)度機構(gòu)代理參與實時電能交易［25］。本文針對傳統(tǒng)調(diào)頻指令下的集中式聯(lián)合出清市場（典型代表為CAISO），引入調(diào)頻能量損耗系數(shù)反映調(diào)頻過程中的能量變化，進而在出清過程中對儲能的SOE進行優(yōu)化管理。

調(diào)頻損耗系數(shù)指儲能在響應(yīng)單位調(diào)頻信號值時所造成的能量損耗。如圖1 所示，在某一調(diào)頻時段內(nèi)儲能響應(yīng)AGC 信號調(diào)節(jié)出力，由于調(diào)頻信號的不規(guī)律特性，無法建立調(diào)頻容量、調(diào)頻里程等標(biāo)的物與電能量間的直接聯(lián)系。

圖1 調(diào)頻能量損耗系數(shù)Fig.1 Energy loss coefficient due to frequency regulation

因此，本文嘗試通過引入調(diào)頻能量損耗系數(shù)這一概念等效建立電能量和調(diào)頻里程二者間的聯(lián)系，在出清過程中提前對儲能SOE進行初步管理。儲能向上調(diào)頻可視為充電，向下調(diào)頻可視為放電，但在調(diào)頻過程中的等效充放電功率無法具體得知，因此本文借助統(tǒng)計學(xué)方法建立調(diào)頻里程與充放電功率間的近似映射關(guān)系，如式（4）—（5）所示。

考慮到調(diào)頻信號的不規(guī)律特性，本文參照文獻［26］中對AGC 信號的小時等效處理方法等效建立二者間的數(shù)學(xué)關(guān)系，對一段時間間隔內(nèi)的調(diào)頻信號按照調(diào)節(jié)方向分類統(tǒng)計后分別取平均作為該時段內(nèi)的上、下調(diào)節(jié)信號值，結(jié)合基準(zhǔn)功率和時間長度便可計算出因調(diào)頻引起的能量偏差，進而將調(diào)頻能量偏差納入市場間的聯(lián)合出清，優(yōu)化儲能的能量狀態(tài)管理。

2 新型市場機制

2.1 市場申報

理想市場機制的申報應(yīng)能有效體現(xiàn)市場主體的運行特性及市場參與成本。儲能參與市場的成本主要體現(xiàn)在充放電損耗成本和SOE調(diào)整成本，后者是指儲能在交易過程中因SOE 發(fā)生變化而產(chǎn)生的成本。值得注意，SOE 調(diào)整是相對傳統(tǒng)機制中的固定SOE 而言的［18］。在傳統(tǒng)機制中，儲能通常將SOE保持在使自身利潤最大化的位置上，否則將承擔(dān)一定的機會成本，因此調(diào)整成本通常為正。SOE 調(diào)整成本的產(chǎn)生可以概括為以下幾方面：1） 市場機會成本：由于能量有限性，儲能的市場交易受到SOE的約束，該約束不僅限制了儲能在多類型市場中的獲利機會，而且限制著儲能未來交易周期的潛在獲利。2） SOE 使用成本：如電動汽車等負荷側(cè)儲能，對電能量具有使用效益。

本文在以CAISO 為代表的集中式聯(lián)合出清市場機制背景下不改變傳統(tǒng)的申報方式僅增加儲能最終SOE調(diào)整成本申報項，并作為一種輔助服務(wù)給予儲能補償。這使得新機制具備良好的可操作性。具體而言，儲能參與日前市場時需要申報最終SOE調(diào)整成本曲線、電能量市場充放電成本、提供輔助服務(wù)成本、調(diào)頻充（放）電率以及其一些必要的物理運行參數(shù)（如充放電效率、SOE 上下限、功率上下限等）。其中，儲能的最終SOE 調(diào)整成本曲線，如圖2 所示為儲能在優(yōu)化時段末刻SOE 偏離期望SOE（也稱目標(biāo)SOE）時的成本曲線。

圖2 SOE調(diào)整成本曲線Fig.2 Cost curve of state of energy adjustment

當(dāng)預(yù)期SOE 調(diào)整成本為0 且最優(yōu)能量狀態(tài)值屬于該區(qū)間時，意味著此時儲能主體在該調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)可以達到最優(yōu)能量狀態(tài)，且收益保持不變，無條件接受系統(tǒng)調(diào)度。此時系統(tǒng)具備了無需額外支付儲能能量狀態(tài)偏差成本即可在更大范圍內(nèi)優(yōu)化系統(tǒng)運行的手段，允許系統(tǒng)在更大的優(yōu)化空間中得到系統(tǒng)的更優(yōu)運行調(diào)度方案。SOE 調(diào)整成本曲線可以結(jié)合反映儲能運營商在不同能量狀態(tài)下獲利情況的SOE效益曲線計算得出。SOE 調(diào)整成本曲線是儲能在目標(biāo)SOE 狀態(tài)下接受系統(tǒng)運營商調(diào)整時的補償期望，是儲能SOE的管理成本。對該成本的申報實現(xiàn)了儲能目標(biāo)SOE 約束的松弛，發(fā)揮了儲能最終SOE 彈性，實現(xiàn)了報價反映成本的市場功能。此外，由于不同儲能的調(diào)頻充（放）電率不盡相同，屬于市場主體私有信息，應(yīng)由市場主體自行統(tǒng)計、預(yù)測和申報。

2.2 市場出清

新機制下出清環(huán)節(jié)由ISO 同時對電能量和調(diào)頻輔助服務(wù)市場聯(lián)合出清，在出清過程中考慮備用預(yù)留容量和區(qū)分上下調(diào)的調(diào)頻預(yù)留容量約束，調(diào)頻輔助服務(wù)采用固定里程比，考慮不同主體性能系數(shù)。出清考慮最小化生產(chǎn)成本，包括儲能申報的SOE調(diào)整成本和充放電成本，計算得到日前各時段電能量和輔助服務(wù)市場的中標(biāo)量和價格，作為儲能收益結(jié)算的依據(jù)。在實時市場中，儲能和其他主體一樣根據(jù)日前出清結(jié)果申報實時功率調(diào)整成本，對實時增量進行出清。

2.3 市場結(jié)算

新機制下電能量市場采用基于日前出清和日內(nèi)增量交易結(jié)果進行結(jié)算的方式，調(diào)頻輔助服務(wù)市場則采用調(diào)頻里程、調(diào)頻容量分開結(jié)算的兩部制結(jié)算機制。儲能的市場收入如式（4）所示，分為三部分。

第一部分（第一項）來自電能量市場的能量時空套利，T為時段和時段數(shù)量，pt為電能量價格。第二部分（第二、三項）來自提供調(diào)頻輔助服務(wù)的收益，由容量收益和里程收益兩部分組成，C、M和P分別為容量價格、里程價格和中標(biāo)量，上標(biāo)c、m分別為調(diào)頻容量和調(diào)頻里程。第三部分（第四項）來自儲能SOE 的調(diào)整補償收益，其中En為運行日末時段的最終SOE，Etar為運行日末時段目標(biāo)SOE，λ(En)為對應(yīng)調(diào)整成本。

從結(jié)果來看，當(dāng)儲能最終SOE發(fā)生調(diào)整時，本質(zhì)是利用了儲能的靈活性為整個系統(tǒng)做貢獻，降低了系統(tǒng)運行成本。此時應(yīng)按照儲能在增加總社會福利上的貢獻給予一定的經(jīng)濟補償，該部分費用應(yīng)按一定市場原則進行分攤，以確保每個主體的收益都不少于傳統(tǒng)機制下的出清結(jié)果，從而實現(xiàn)帕累托改進（Pareto improvement）。

3 數(shù)學(xué)模型

本文設(shè)計了新機制的聯(lián)合出清安全約束機組組合（security-constrained unit commitment， SCUC）模型，考慮火電和新能源機組的參與，其中新能源機組認為是義務(wù)消納。具體數(shù)學(xué)模型如下。

1） 目標(biāo)函數(shù)。

式（7）以最小化負的社會福利為目標(biāo)，考慮了儲能的各項成本和SOE效益。

2） 火電約束（?b∈Ng）。

觀察可知模型中SOE 調(diào)整成本可能存在如圖2所示的非單調(diào)情況［18］，為方便出清計算需要進行合理轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換前后應(yīng)滿足以下兩個原則：1）需涵蓋原有SOE調(diào)整曲線的所有信息及相關(guān)約束；2）確保在優(yōu)化過程中偏移量的分攤優(yōu)先從最優(yōu)能量狀態(tài)兩側(cè)最近的報價段開始。具體的轉(zhuǎn)換過程如下所示。

首先，擬參考火電機組報價采用多段階梯型曲線的形式，因此對于SOE調(diào)整成本曲線可以通過式（41）進行表示。

在前述步驟的基礎(chǔ)上，現(xiàn)假設(shè)位于最優(yōu)能量狀態(tài)同側(cè)的報價段區(qū)間長度相同，則每段報價段中能量狀態(tài)偏移量的分攤需滿足以下區(qū)間段的上下限約束。

不難看出，當(dāng)末時段SOE位于最優(yōu)能量狀態(tài)的某一側(cè)時，上述兩式中只有一個會起到約束作用。對于不起約束作用的對側(cè)報價段則不會被調(diào)用用于滿足調(diào)節(jié)需求，進而使原本的非單調(diào)形式的SOE調(diào)節(jié)曲線轉(zhuǎn)化為單調(diào)增減的線性表達式參與優(yōu)化。在最小化系統(tǒng)購電成本的優(yōu)化過程中，對于需要滿足的調(diào)節(jié)偏差量會優(yōu)先從調(diào)節(jié)成本低的報價段開始分攤，當(dāng)達到該段最大偏移量時調(diào)用次低價段繼續(xù)分攤，從而以最小的調(diào)節(jié)成本滿足系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求。

經(jīng)上述處理后，SOE 調(diào)整成本可轉(zhuǎn)換化為如下約束添加到優(yōu)化模型中。

4 算例分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)供需情況如圖3 所示?；谌鐖D4 所示的改進的高可再生能源滲透率的38 節(jié)點系統(tǒng)（38-bus system with high renewable penetration， HRP-38）對新機制模型進行算例分析［27］，該系統(tǒng)由38 個節(jié)點、45臺發(fā)電機、47條輸電線路和3個儲能電站組成。

圖3 系統(tǒng)供需情況Fig.3 System supply and demand

圖4 HRP-38系統(tǒng)接線圖Fig.4 HRP-38 wiring diagram

發(fā)電機的成本分布如圖5—6 所示，其中發(fā)電成本采用二次函數(shù)形式［28］，機組報價采用階梯報價形式。

圖5 機組發(fā)電成本系數(shù)a分布Fig.5 Distribution of unit generation cost coefficient a

圖6 機組發(fā)電成本系數(shù)b分布Fig.6 Distribution of unit generation cost coefficient b

為直觀展示新機制原理，面向未來情景，儲能運行參數(shù)設(shè)置如表1，輔助服務(wù)參數(shù)設(shè)置如表2。最終SOE 變動成本補償曲線如圖7 所示，其中各儲能的初始目標(biāo)SOE為可用容量的50%，最終目標(biāo)能量狀態(tài)設(shè)定為可用容量的75%，并設(shè)有±2%的允許誤差，即最終SOE 值在73%～77%之間的補償價格為0。調(diào)頻能量損耗系數(shù)基于PJM 電力市場2022 年某月的調(diào)頻輔助服務(wù)市場的Reg D 信號數(shù)據(jù)進行等效計算處理。

表1 儲能參數(shù)Tab.1 Parameters of energy storage

表2 儲能輔助服務(wù)成本設(shè)置Tab.2 Auxiliary service cost setting for energy storage

圖7 SOE變動成本補償Fig.7 Compensation for the costs of SOE adjustments

4.2 計算結(jié)果

4.2.1 新機制出清結(jié)果

新機制下各儲能的出清結(jié)果如圖8—10 所示，可見電能量與輔助服務(wù)市場中標(biāo)量相互影響，印證了聯(lián)合出清的必要性。結(jié)果表明，儲能主要提供輔助服務(wù)的同時，可以兼顧高效的電能量套利。由圖11 可知：在新機制下儲能對SOE 的利用較為充分且體現(xiàn)了彈性，這有利于發(fā)揮儲能靈活調(diào)節(jié)的特點。

圖8 1號儲能市場出清結(jié)果Fig.8 Market clearing results of energy storage 1

圖9 2號儲能市場出清結(jié)果Fig.9 Market clearing results of energy storage 2

圖10 3號儲能市場出清結(jié)果Fig.10 Market clearing result of energy storage 3

圖11 儲能的SOE變化Fig.11 SOE change of energy storage

4.2.2 傳統(tǒng)機制出清結(jié)果對比

為對比新機制的有效性，本節(jié)計算了傳統(tǒng)聯(lián)合出清市場的出清結(jié)果，在該模型下儲能將其最終SOE 固定為目標(biāo)SOE，在能量市場采用價差投標(biāo)的方式參與。

系統(tǒng)結(jié)算對比統(tǒng)計如表3 所示，其中“總生產(chǎn)成本”表示為滿足負荷需求而實際消耗的電力生產(chǎn)成本，包含電量成本、輔助服務(wù)成本、SOE 變動補償成本及火電機組啟停成本?！癝OE 變動成本/補償”為儲能最終SOE變動的成本，在新機制下儲能將獲得等額的補償。

表3 系統(tǒng)結(jié)算對比Tab.3 System settlement comparison 元

由結(jié)果可見，新機制下總生產(chǎn)成本降低了11 744 元（約占儲能利潤的8.04%），驗證了新機制的有效性。該結(jié)果表明，在新機制下由于目標(biāo)SOE約束得到了松弛，儲能可以更靈活地發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用，創(chuàng)造更大的效益。對于儲能而言，SOE 調(diào)整成本可以通過市場機制保障回收，導(dǎo)致其利潤穩(wěn)定增加。

儲能結(jié)算對比統(tǒng)計如表4 所示，新機制下的儲能最終SOE得到松弛，其結(jié)果是儲能電站對電能量和輔助服務(wù)市場的獲利做出了新的權(quán)衡，通過犧牲少部分輔助服務(wù)利潤來增加電能量利潤，最終增加了總利潤。

表4 儲能整體結(jié)算對比Tab.4 Energy storage overall settlement comparison 元

對于算例中的3 個儲能電站在新、舊機制下的具體收益分析如表5所示。

表5 各儲能電站結(jié)算對比Tab.5 Each energy storage power station settlement comparison 元

分析表5 可知，在新機制下儲能的整體收益顯著上升，各儲能電站均有較為顯著的收益提升，其中儲能電站3 號由傳統(tǒng)機制下的虧損狀態(tài)轉(zhuǎn)為盈利狀態(tài)，證明了該機制能使儲能在參與市場過程中做到不虧損。進一步從機制設(shè)計角度分析可得，這一現(xiàn)象符合系統(tǒng)整體變優(yōu)的同時系統(tǒng)中的個體也會相應(yīng)受益的激勵相容規(guī)律。系統(tǒng)購電成本的降低和運行效率的提高能使在此過程中做出貢獻的市場主體獲得與其貢獻相匹配的收益，證明了這一機制的有效性。

5 結(jié)語

儲能對最終SOE的需求是具有彈性的，該特點不僅影響儲能的能量市場參與方式，而且會影響輔助服務(wù)市場尤其是調(diào)頻市場的參與方式?？紤]儲能靈活能量狀態(tài)特性的電能量與輔助服務(wù)市場聯(lián)合出清可以最大程度發(fā)揮儲能的作用，實現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置。本文設(shè)計了考慮儲能靈活能量狀態(tài)的聯(lián)合出清市場模型，并設(shè)置算例對比說明了新機制的有效性。結(jié)果表明，在新機制下儲能可以更好體現(xiàn)其靈活性特點，發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，實現(xiàn)社會福利最大化。

本文研究側(cè)重于市場出清過程，以揭示靈活能量狀態(tài)運行方式的機理和效果為主。而市場中出清和結(jié)算并非同一過程，后續(xù)可以側(cè)重于新機制下對各類市場主體的結(jié)算機制研究，從而構(gòu)建完善的、適合儲能參與的電力市場體系。