林阿竹，柯清輝，江岳文，3，4

（1. 福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108；2. 國網(wǎng)福建省電力物資有限公司，福建 福州 350013；3. 智能配電網(wǎng)裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350108；4. 福建省電器智能化工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350108）

0 引言

可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)增加了電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的工作量和工作難度，特別是在新能源大量接入的地區(qū)，傳統(tǒng)的調(diào)頻手段已無法較好地滿足系統(tǒng)的調(diào)頻需求［1?2］。合理進(jìn)行頻率調(diào)整是保證供電質(zhì)量的一項重要措施，可實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)的二次調(diào)頻更是對調(diào)頻主體的調(diào)節(jié)效果提出了較高的要求，而傳統(tǒng)的調(diào)頻資源各自具有一定的局限性［3］。儲能系統(tǒng)具有雙向調(diào)節(jié)的能力，可快速準(zhǔn)確地響應(yīng)調(diào)度指令，能較好地在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中發(fā)揮效用，提高電力系統(tǒng)運行的靈活性并促進(jìn)可再生能源消納，在能源革命、低碳化轉(zhuǎn)型的背景下具有十分可觀的應(yīng)用前景［4］。

近年來，關(guān)于儲能參與調(diào)頻的研究主要集中于控制策略和經(jīng)濟(jì)性分析兩大方面：文獻(xiàn)［5］詳細(xì)介紹了儲能參與調(diào)頻的動作原理和控制流程；文獻(xiàn)［6］綜合評價了儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)的運行效益，為其投資應(yīng)用提供決策參考；文獻(xiàn)［7］采用新型儲能的循環(huán)壽命測算模型評價儲能配置和運營策略的經(jīng)濟(jì)性。上述研究提出了儲能參與調(diào)頻的控制策略，分析了儲能投資的經(jīng)濟(jì)可行性，但并未涉及市場機(jī)制的設(shè)計和調(diào)整。

儲能電池的成本隨著技術(shù)的革新不斷降低，這有利于電化學(xué)儲能的廣泛部署，且相較于參與能量市場套利和提供其他輔助服務(wù)，儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場所獲的收益較可觀［8］。儲能調(diào)頻電站的收益取決于市場對調(diào)頻輔助服務(wù)的結(jié)算機(jī)制，所以合理設(shè)計儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的機(jī)制具有重要的意義。文獻(xiàn)［9］考慮新能源作為調(diào)頻資源的出力不確定性，以準(zhǔn)確度作為調(diào)頻質(zhì)量的衡量指標(biāo)；文獻(xiàn)［10］分析了調(diào)頻輔助服務(wù)市場逐步飽和后的發(fā)展模式和調(diào)整機(jī)制；文獻(xiàn)［11］調(diào)研了近年來國外儲能調(diào)頻項目的運行情況，分析了不同市場機(jī)制的適用性，為我國儲能調(diào)頻的實現(xiàn)提供經(jīng)驗啟示。在已有的市場機(jī)制中，我國華北地區(qū)按自動發(fā)電控制AGC（Automatic Generation Control）的可用時間和服務(wù)貢獻(xiàn)分別進(jìn)行調(diào)頻補(bǔ)償；廣東、福建、江蘇等省份的調(diào)頻輔助服務(wù)市場采用容量加里程的兩部制補(bǔ)償方式；山東省的電力輔助服務(wù)市場明確了在發(fā)電機(jī)組的相關(guān)定義中新增儲能設(shè)施，根據(jù)日總調(diào)頻里程和機(jī)組當(dāng)天的性能指標(biāo)計算日調(diào)頻補(bǔ)償費用［12?16］。與現(xiàn)有的市場機(jī)制相比，本文進(jìn)行了如下改進(jìn)：將文獻(xiàn)［15］中對調(diào)頻精度的積分運算簡化為差分；相較于文獻(xiàn)［14］，多考慮了資源響應(yīng)調(diào)頻信號的延遲性；文獻(xiàn)［13?15］中將標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速度設(shè)置為與資源爬坡速率類似的固定值，考慮到不同時段資源的運行工況可能有較大差異，本文根據(jù)資源近期的實際運行表現(xiàn)來進(jìn)行取值設(shè)定。

相較于其他傳統(tǒng)的調(diào)頻手段，儲能具有突出的優(yōu)勢：文獻(xiàn)［17］表明在需要頻繁進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)時，儲能響應(yīng)區(qū)域控制誤差的高效性大約為常規(guī)機(jī)組的6～8 倍；文獻(xiàn)［18］對比了儲能和火電機(jī)組的AGC 實時測試曲線，展現(xiàn)了儲能快速精準(zhǔn)跟蹤指令的能力。在不考慮調(diào)頻效果對結(jié)算影響的情況下，資源無需提升調(diào)頻性能就可獲得較高的收益，這樣對調(diào)頻性能較好的輔助服務(wù)供應(yīng)商是不公平的，且無法促使資源提升其調(diào)頻性能為系統(tǒng)提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，不利于系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運行，故有必要引入能衡量不同調(diào)頻資源調(diào)頻性能的評價標(biāo)準(zhǔn)。原有市場機(jī)制中的性能評價指標(biāo)體系對儲能類的非傳統(tǒng)調(diào)頻資源參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的性能評估具有局限性，為此本文在現(xiàn)有評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了適用于儲能系統(tǒng)的評價方法。

1 儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的機(jī)制設(shè)計

1.1 報價排序

1.1.1 綜合調(diào)頻性能指標(biāo)

為了體現(xiàn)儲能類快速調(diào)節(jié)資源的優(yōu)勢，優(yōu)化調(diào)頻資源的配置，本文類比文獻(xiàn)［15］中調(diào)頻輔助服務(wù)市場調(diào)頻性能指標(biāo)的計算方法，以調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速度為指標(biāo)對調(diào)頻性能進(jìn)行綜合評估。原則上，各性能指標(biāo)的取值范圍為0～1，且相較于其他資源，儲能資源的性能指標(biāo)取值更接近1。

1）調(diào)節(jié)精度。

本文以15 min 為一個結(jié)算周期，令一個周期內(nèi)調(diào)頻資源響應(yīng)指令的次數(shù)為n，調(diào)頻精度Kacc用調(diào)頻實際出力與調(diào)頻指令信號之間的差值函數(shù)進(jìn)行衡量，如式（1）所示。

式中：Rj為供應(yīng)商在周期內(nèi)第j次響應(yīng)指令時的出力；Sj為第j個調(diào)頻指令信號；max{|Rj-Sj|}為第j次響應(yīng)指令時的最大偏差；V為該周期內(nèi)供應(yīng)商自身的調(diào)頻信號絕對值的平均值。當(dāng)Kacc=1 時，表示供應(yīng)商的調(diào)頻里程與調(diào)頻指令信號一致；當(dāng)Kacc=0時，表示供應(yīng)商無響應(yīng)。為了避免部分資源的調(diào)節(jié)精度差甚至出現(xiàn)反向調(diào)節(jié)，而使得該指標(biāo)的取值很小甚至為負(fù)值的情況，本文限制Kacc的最小取值為0.1。

2）響應(yīng)時間。

響應(yīng)時間是指系統(tǒng)發(fā)出調(diào)頻指令后，供應(yīng)商在原有出力的基礎(chǔ)上可靠跨出與調(diào)節(jié)方向一致的調(diào)節(jié)死區(qū)所用的時間。該指標(biāo)可用處于調(diào)節(jié)死區(qū)的時間長短來衡量。

在實際的調(diào)節(jié)過程中，根據(jù)資源類型對調(diào)節(jié)死區(qū)的范圍進(jìn)行區(qū)分，不同類型資源的調(diào)差系數(shù)和頻率死區(qū)的取值不同，儲能位于死區(qū)內(nèi)的時間極短，可忽略不計。

考慮響應(yīng)每個調(diào)頻指令的全過程，統(tǒng)計接收第j個指令后調(diào)節(jié)過程中的死區(qū)時間和從接收到完成該指令的總時長，根據(jù)式（2）可求得在結(jié)算周期內(nèi)第j次響應(yīng)指令時的響應(yīng)時間指標(biāo)。因為指令下發(fā)具有不固定性，對每次指令的響應(yīng)過程進(jìn)行單獨計算，若在一個結(jié)算周期內(nèi)多次響應(yīng)調(diào)頻指令信號，則取多次響應(yīng)指令時響應(yīng)時間指標(biāo)的平均值作為該結(jié)算周期內(nèi)的響應(yīng)時間指標(biāo)最終結(jié)果Kans，如式（3）所示。

位于調(diào)節(jié)死區(qū)的時長越短，則響應(yīng)時間指標(biāo)越好。儲能沒有調(diào)節(jié)死區(qū)，其響應(yīng)時間指標(biāo)取值為1。

3）調(diào)節(jié)速度。

調(diào)節(jié)速度是指資源響應(yīng)調(diào)頻指令信號的快慢，用各主體的實際調(diào)節(jié)速度與其應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)速度之比進(jìn)行衡量。

根據(jù)實際的出力調(diào)節(jié)曲線計算第j次響應(yīng)指令時的調(diào)節(jié)速度vrealj，如式（4）所示。

為了使市場的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速度更具有代表性，本文取調(diào)頻資源在運行日前半個月的調(diào)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，則資源在一個結(jié)算周期內(nèi)的調(diào)節(jié)速度性能指標(biāo)Kspe'為：

綜合調(diào)頻性能指標(biāo)Ahis設(shè)定為上述3個指標(biāo)的加權(quán)平均值，見式（6），可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗確定3 個指標(biāo)權(quán)重λ1、λ2、λ3的取值。對于儲能而言，其調(diào)節(jié)精度尤為重要，故可取λ1=0.50、λ2=λ3=0.25。

如果資源在結(jié)算周期內(nèi)沒有接收到系統(tǒng)下發(fā)的調(diào)頻指令信號，則不考慮其在該時段的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)。通過分時段對前半個月的調(diào)節(jié)精度指標(biāo)Kacc、響應(yīng)時間指標(biāo)Kans、調(diào)節(jié)速度指標(biāo)Kspe進(jìn)行計算，得到各時段的歷史綜合調(diào)頻性能指標(biāo)Ahis，用于日前市場中資源的報價排序。

1.1.2 效率因子

定義效率因子為在滿足同樣的調(diào)頻需求時所需的傳統(tǒng)調(diào)頻資源容量與快速調(diào)頻資源容量的比值，利用其對快速調(diào)頻資源的價值進(jìn)行衡量?？焖僬{(diào)頻資源能以更少的容量來達(dá)到同樣的調(diào)頻目的，具有更好的調(diào)頻效率。為了便于后續(xù)敘述和分析，本文設(shè)定火電機(jī)組為傳統(tǒng)調(diào)頻資源，其余設(shè)備均視為快速調(diào)頻資源。

基于前述綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的結(jié)果，效率因子的計算式為：

式中：fi，t為時段t資源i的效率因子；為時段t資源i的實時綜合調(diào)頻性能指標(biāo)；為時段t內(nèi)所有火電機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的加權(quán)平均值；Cw，t為時段t火電機(jī)組w的可用AGC 容量；為時段t參 與調(diào) 頻的火電機(jī)組數(shù)量；γw，t為權(quán)重，表示時段t火電機(jī)組w的可用AGC 容量占時段t內(nèi)所有火電機(jī)組的可用AGC容量的比重。

時段t資源i的效用容量可表示為

式 中：Ci，t為 時 段t資 源i的AGC 中 標(biāo) 容 量，即 物 理容量。

效用容量與具體的物理容量在概念上有所差異，主要體現(xiàn)在對調(diào)頻性能的價值衡量，結(jié)算時仍采用調(diào)頻資源的實際AGC 容量。引入效用容量的概念可以對調(diào)頻資源的性能進(jìn)行更直觀的表達(dá)，例如：當(dāng)儲能的效率因子的取值為3時，可視作1 MW 的儲能提供的調(diào)頻輔助服務(wù)需要3 MW 的火電機(jī)組容量才能在調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速度等方面達(dá)到一樣的調(diào)頻效果。

1.1.3 容量均衡因子

在調(diào)度周期前5 min，市場根據(jù)儲能實時荷電狀態(tài)SOC（State Of Charge）的變化情況考慮增加動態(tài)容量均衡因子，使在調(diào)度周期前15 min 市場內(nèi)儲能中標(biāo)但可用容量不足時臨時對儲能的價格進(jìn)行修正，令其退出調(diào)頻輔助服務(wù)市場，且不影響其他資源原有的價格排序。

容量均衡因子β的取值與儲能SOC 密切相關(guān)，當(dāng)SOC 在充電過程中接近上限時，β的取值會相應(yīng)減小，當(dāng)SOC 在放電過程中接近下限時，β的取值相應(yīng)增大，力求維持在較為穩(wěn)定的中值。充放電深度對電池的壽命周期影響較大，考慮到電池儲能系統(tǒng)的高成本特質(zhì)和儲能電池的損耗，本文設(shè)置將電池的SOC 控制在較優(yōu)的0.2～0.8 范圍內(nèi)，防止電池過充過放，從而降低經(jīng)濟(jì)損耗［19］。

容量均衡因子β的表達(dá)式為：

式中：Ssoc為儲能的SOC。綜合考慮實時性和市場的可操作性，設(shè)置調(diào)頻周期前5 min市場根據(jù)SOC確定β的大小，然后通過調(diào)整儲能的價格來改變資源的調(diào)用順序。則儲能考慮容量均衡因子再次調(diào)整后的資源價格pm，bal為：

式中：pm，adj為僅考慮綜合調(diào)頻性能指標(biāo)Ahis時儲能的里程報價；F(β)為價格調(diào)整系數(shù)，是關(guān)于β的函數(shù)。

綜合考慮式（9）和式（11），當(dāng)SOC 越限時，使儲能的價格大幅提升，從而達(dá)到避免被繼續(xù)調(diào)用的目的，且SOC越限越多，價格提升的幅度越大。

1.1.4 報價綜合排序

在日前市場中，容量報價與里程報價均需要考慮資源在以往調(diào)頻過程中性能的好壞，以此為依據(jù)對原始報價進(jìn)行調(diào)整，以調(diào)整之后的容量報價和里程報價之和作為資源調(diào)用的排序依據(jù)。則綜合排序價格prank（單位為元／MW）可表示為：

考慮過去半個月內(nèi)的歷史綜合調(diào)頻性能指標(biāo)Ahis，先根據(jù)原始的容量報價pc，0和里程報價pm，0分別計算調(diào)整后的容量報價pc，adj和里程報價pm，adj，然后將容量報價與里程報價相加，得到綜合排序價格prank。

1.2 出清流程

在有儲能等新能源參與的調(diào)頻輔助服務(wù)市場中，采用日前報價、調(diào)度周期前15 min 排序、調(diào)度周期前5 min 再排序、實時調(diào)用的出清方式，使市場更能反映調(diào)頻資源的可用狀態(tài)。

1）日前市場。

電力調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)對次日負(fù)荷需求的預(yù)測結(jié)果，初步計算第二天的調(diào)頻容量需求。系統(tǒng)的日調(diào)頻容量需求可以根據(jù)以下3 種方式確定：①通過取此前一周各時段的容量需求的歷史數(shù)據(jù)來近似估算；②對次日進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，大致取峰荷的1%作為運行日的平均調(diào)頻容量需求；③基于負(fù)荷超短期預(yù)測數(shù)據(jù)，取每個時段最高負(fù)荷與最低負(fù)荷的差值作為該時段負(fù)荷變化導(dǎo)致的調(diào)頻需求量［20］。準(zhǔn)許各調(diào)頻資源提供申報容量、容量報價、里程報價等數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷史綜合調(diào)頻性能指標(biāo)計算調(diào)整后的報價。

2）調(diào)度周期前15 min市場。

基于當(dāng)前我國普遍的市場模式設(shè)置調(diào)度周期前15 min 市場，得到調(diào)整后的容量報價和里程報價之和，以此作為初步排序的依據(jù)。調(diào)度周期前15 min市場能更準(zhǔn)確地預(yù)測實時的供需情況，若某些資源在該時段發(fā)生故障，則將其退出調(diào)度周期，及時修正調(diào)頻資源的排序。

3）調(diào)度周期前5 min市場。

設(shè)置調(diào)度周期前5 min 市場的目的在于考慮儲能SOC 的動態(tài)變化和限制，更好地衡量儲能調(diào)頻的能力。對于儲能而言，需要在該市場內(nèi)考慮其SOC，并據(jù)此得到容量均衡因子，對自身的報價進(jìn)行再次調(diào)整，從而實現(xiàn)調(diào)頻資源的再次排序。

4）實時市場。

根據(jù)電網(wǎng)的實際情況對調(diào)頻容量需求進(jìn)行修正，按順序依次對各供應(yīng)商進(jìn)行調(diào)用，并進(jìn)行最后的容量和里程定價。在該市場中需要考慮效率因子，該指標(biāo)會改變調(diào)頻輔助服務(wù)市場的調(diào)用主體和最終的調(diào)頻總成本。

1.3 結(jié)算

實際的結(jié)算過程為各結(jié)算周期的收益累積，應(yīng)考慮各個調(diào)頻資源的實際運行效果。在計算最終收益時需考慮各調(diào)頻資源的實際性能指標(biāo)Areal，其計算公式與Ahis一致，但取值為當(dāng)前時段計算所得系列調(diào)頻性能指標(biāo)，Ahis用于報價調(diào)整，Areal用于結(jié)算。本文參考福建省調(diào)頻輔助服務(wù)市場采用的日清月結(jié)方式，單日的容量收益Rcap和里程收益Rmil分別為：

式中：Mi，t為時段t資源i中標(biāo)的調(diào)頻里程；、分別為時段t市場統(tǒng)一出清的容量價格、里程價格；ηi為資源i的容量有效率，以考慮上一個月內(nèi)該資源的有效運行時間。

資源并非在所有中標(biāo)時段都能可靠提供足量的調(diào)頻服務(wù)，有時甚至?xí)霈F(xiàn)損壞而不可用的情況。作為一個長期性指標(biāo)，容量有效率η反映了資源AGC功能良好的可用狀態(tài)，計算式為：

式中：TAGC，a為可投入AGC 時間；TAGC，total為AGC 月投標(biāo)總時長。

2 數(shù)學(xué)建模

根據(jù)上述機(jī)制，建立以系統(tǒng)支付的調(diào)頻費用最小為優(yōu)化目標(biāo)模型，其本質(zhì)是使調(diào)節(jié)性能好、報價低的資源優(yōu)先中標(biāo)，在滿足市場調(diào)頻需求的前提下盡可能減小整個市場的調(diào)頻成本。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)可表示為：

式中：μi，t為時段t資源i的運行狀態(tài)。

最終市場的出清價格與各資源的運行狀態(tài)、可用調(diào)頻容量、性能參數(shù)有關(guān)，性能參數(shù)可根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)計算得到，故令決策變量為時段t內(nèi)參與調(diào)頻的資源i的運行狀態(tài)μi，t及其AGC中標(biāo)容量Ci，t。

2.2 約束條件

約束條件主要包括系統(tǒng)調(diào)頻容量需求和里程需求約束，機(jī)組容量、功率、爬坡約束，儲能SOC約束以及資源調(diào)頻狀態(tài)約束，即：

式（17）和式（18）分別為系統(tǒng)調(diào)頻容量需求、里程需求約束、分別為時段t需滿足的系統(tǒng)調(diào)頻容量需求、里程需求；式（19）表示時段t資源i的AGC 中標(biāo)容量Ci，t不得超過其申報的AGC 可用調(diào)頻容量；式（20）表示時段t資源i在能量市場的出力與 其 在 調(diào) 頻 輔 助 服 務(wù) 市 場 的 中 標(biāo) 容 量Ci，t之 和必須在其自身出力下限與上限范圍之內(nèi)；式（21）表示在任意一次響應(yīng)過程中，某一特定資源只能處于上調(diào)頻或下調(diào)頻中的一種狀態(tài)、分別為資源i在第j次響應(yīng)調(diào)頻指令信號時的上調(diào)頻、下調(diào)頻標(biāo)志位，為0-1 變量，取值為1 時表示運行于相應(yīng)的調(diào)頻狀態(tài)，為0 時表示不運行于相應(yīng)的調(diào)頻狀態(tài)；式（22）為儲能的SOC 約束，Ssoc，t為時段t儲能的SOC，k1、k2分別為SOC 的下限、上限；式（23）為調(diào)頻資源的爬坡約束，Pi，t、Pi，t-1分別為時段t、t-1 資源i在能量市場和調(diào)頻輔助服務(wù)市場的出力總和，ΔPi為資源i在一個時段內(nèi)允許升降的出力，其值可通過查詢不同類型資源的爬坡速率確定。

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

3.1.1 調(diào)頻資源參數(shù)

取某省一個已經(jīng)發(fā)生的完整運行日進(jìn)行資源調(diào)頻性能指標(biāo)計算和價格排序，模擬完成出清過程，得到市場一天所需支付的調(diào)頻費用，分析上述設(shè)計的調(diào)頻輔助服務(wù)市場機(jī)制的合理性和儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的優(yōu)勢。

設(shè)置14 個資源個體參與日調(diào)頻輔助服務(wù)市場，在實際運行日結(jié)合資源的實際運行情況進(jìn)行各時段的模擬出清。同時做出如下假設(shè)：

1）抽水蓄能資源參與調(diào)頻的時間受到限制，令抽水蓄能1 的運行時段為16:00—22:30，抽水蓄能2的運行時段為09:00—12:30；

2）儲能僅在00:00—09:45 時段參與調(diào)頻，在其余時段無電化學(xué)儲能參與；

3）火電機(jī)組的調(diào)頻容量受開停機(jī)時間和當(dāng)天發(fā)電計劃約束，水電機(jī)組的調(diào)頻容量受到水情和水庫調(diào)度的影響。

完整的AGC可調(diào)節(jié)容量設(shè)置見附錄A表A1。

3.1.2 調(diào)頻容量需求

調(diào)頻容量是指一段時間內(nèi)發(fā)電資源需要預(yù)留的資源總量，其收益體現(xiàn)了各供應(yīng)商提供調(diào)頻服務(wù)的機(jī)會，具體設(shè)置見附錄A圖A1。

3.1.3 歷史調(diào)頻性能指標(biāo)

采用日前數(shù)據(jù)計算各資源的歷史調(diào)頻性能指標(biāo)。其中計算響應(yīng)時間性能指標(biāo)時，各調(diào)頻資源的死區(qū)時間參數(shù)取值見附錄A 表A2。計算得到資源的死區(qū)范圍后，可結(jié)合其調(diào)節(jié)速度計算響應(yīng)時間。

以15 min 為間隔，將一天分為96 個時段進(jìn)行出清，并取調(diào)頻資源較多的時段39 為典型時段進(jìn)行分析?；谇笆鲈O(shè)置，儲能具有最高的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)，其取值接近于1；抽水蓄能的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)取值次之，約為0.7；水電機(jī)組的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)取值在0.55～0.70 范圍內(nèi)；火電機(jī)組的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)取值在0.1～0.6 范圍內(nèi)，具體取值取決于機(jī)組在時段內(nèi)的調(diào)頻表現(xiàn)。資源調(diào)頻性能指標(biāo)結(jié)果見附錄A 表A3?？梢?，儲能電站的各項調(diào)頻指標(biāo)都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)調(diào)頻資源，而目前調(diào)頻最常用的火電機(jī)組在性能方面的競爭力較弱。

3.1.4 效率因子

對效率因子進(jìn)行取值時，以火電機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的加權(quán)平均值作為基準(zhǔn)，其他類型的調(diào)頻資源的性能優(yōu)于火電機(jī)組，按基準(zhǔn)綜合調(diào)頻性能指標(biāo)進(jìn)行折算后，其效率因子取值均大于1。

此處設(shè)置的效率因子不會影響資源報價，而是通過效用容量進(jìn)一步衡量資源調(diào)頻容量的差異，達(dá)到減少參與調(diào)頻的資源容量的目的，相當(dāng)于使性能好的資源能承擔(dān)更多的調(diào)頻任務(wù)，降低市場的邊際價格和系統(tǒng)的總調(diào)頻成本。

3.1.5 容量均衡因子

假設(shè)儲能電站的日初始SOC 為0.5，一天內(nèi)根據(jù)實際的充放電情況得到儲能SOC，以此為依據(jù)對容量均衡因子加以考慮。

儲能電站在某日實際運行期間的SOC 曲線如圖1 所示。由圖可見，儲能電站的SOC 變化很小，基本在0.5左右的小范圍內(nèi)波動。

圖1 儲能電站的SOC曲線Fig.1 SOC curve of energy storage station

在實際的調(diào)頻過程中，儲能上、下調(diào)頻接替運行，在連續(xù)充電一段時間后會相應(yīng)地放電一段時間，遵循能量中性原則。在儲能參與調(diào)頻的實際過程中，每次響應(yīng)的平均持續(xù)時間約為4 s。儲能具有極快的響應(yīng)速度，能在幾秒內(nèi)大幅增減出力，但因其響應(yīng)持續(xù)時間短，每次的響應(yīng)能量變化都不大。

基于上述分析，本文算例選取的運行日內(nèi)儲能的容量均衡因子取值均為0.5，儲能的出清價格不發(fā)生改變，上述出清過程和最終調(diào)頻成本也不發(fā)生變化。

3.1.6 價格排序

為了充分體現(xiàn)各調(diào)頻資源參與調(diào)頻的物理性能，本文假設(shè)各資源的原始報價相同（報價取其他值不影響本文模型、方法與機(jī)制的適用性），參考文獻(xiàn)［15］將原始里程報價設(shè)定為8元／MW，原始容量報價設(shè)定為0.33 元／MW。為了避免性能較差的火電機(jī)組無限制抬高市場出清的里程價格，設(shè)置里程價格的上限為15元／MW。

資源的報價根據(jù)調(diào)頻性能指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整后可作為調(diào)頻資源排序的依據(jù)。以上述典型時段39 為例，該時段的模擬出清結(jié)果如表1所示。基于3.1.1節(jié)中的假設(shè)條件，可認(rèn)為算例已取得機(jī)組組合結(jié)果，故雖經(jīng)時段39內(nèi)抽水蓄能1經(jīng)調(diào)頻性能指標(biāo)調(diào)整后的價格排序靠前，但其并無中標(biāo)容量。

表1 典型時段調(diào)頻資源的模擬出清結(jié)果Table 1 Simulation clearing results of frequency modulation resources in a typical period

3.2 多情景結(jié)算分析

3.2.1 只考慮綜合性能指標(biāo)對報價進(jìn)行調(diào)整

計及上述約束條件，可根據(jù)表1 中各資源的綜合價格進(jìn)行排序，根據(jù)價格從低到高的順序?qū)Ω髻Y源依次進(jìn)行調(diào)用，直至滿足時段內(nèi)的調(diào)頻容量需求，最后中標(biāo)的資源報價為該時段的調(diào)頻輔助服務(wù)市場出清價格。一天內(nèi)各時段調(diào)頻資源的中標(biāo)容量見附錄A 圖A2。由圖可看出，儲能、抽水蓄能和性能較好的水電機(jī)組優(yōu)先中標(biāo)，邊際機(jī)組大多為火電機(jī)組，調(diào)頻輔助服務(wù)市場具有較高的出清價格。

各時段的調(diào)頻出清價格見圖2，在同樣的初始報價下，性能指標(biāo)越差的資源經(jīng)調(diào)整后的報價越高，被調(diào)用的順序越靠后。故當(dāng)所需投入的調(diào)頻資源數(shù)量越多時，出清的邊際價格相應(yīng)越高。在只考慮綜合調(diào)頻性能指標(biāo)時，大多數(shù)時段調(diào)頻輔助服務(wù)市場的里程價格能達(dá)到并維持在上限15 元／MW 附近，且波動范圍小。計算調(diào)頻容量收益時，取資源容量有效率η=95%，而調(diào)頻里程取某一天內(nèi)的實際情況進(jìn)行分析。

圖2 調(diào)頻出清價格Fig.2 Frequency modulation clearing price

各資源的容量占比和收益占比如表2 所示?？梢钥闯?，相較于傳統(tǒng)資源，快速調(diào)頻資源提供相同里程時所需的容量小得多，能以更少的容量支出獲得更多的日調(diào)頻補(bǔ)償收益。

表2 單日調(diào)頻資源的容量和收益占比Table 2 Capacity and revenue share of frequency modulation resources in a single day

各調(diào)頻資源的收益見附錄A 表A4。一天內(nèi)的調(diào)頻總收益為76.3 萬元，調(diào)頻收益主要由資源實際提供的調(diào)頻里程進(jìn)行衡量。其中儲能的調(diào)頻收益為20.9萬元，所有火電機(jī)組的調(diào)頻總收益僅為3.7萬元，可見儲能、水電機(jī)組等調(diào)頻性能較好的資源所獲調(diào)頻收益遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)火電機(jī)組，綜合性能指標(biāo)的設(shè)置可使市場資金更多地流向調(diào)頻性能好的資源。

3.2.2 考慮效率因子對出清價格進(jìn)行調(diào)整

根據(jù)日調(diào)頻容量需求計算各時段的效率因子，然后將實際的物理容量換算成調(diào)頻資源的效用容量，以此作為容量的出清依據(jù)。以上述典型時段為例，各調(diào)頻資源的效率因子大小如表3 所示。若調(diào)頻資源在某時段不參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場，則將其效率因子取值為0。效率因子能具體量化快速調(diào)頻資源和傳統(tǒng)調(diào)頻資源的調(diào)頻性能，市場內(nèi)調(diào)頻資源之間的性能差異越大，則效率因子的作用越明顯。

表3 各資源的效率因子大小Table 3 Efficiency factor of each resource

為了進(jìn)一步直觀說明效率因子的作用，引入典型時段的容量出清結(jié)果對考慮效率因子前、后的調(diào)頻資源中標(biāo)容量進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3 所示。其中典型時段內(nèi)系統(tǒng)的上調(diào)頻物理容量需求在考慮效率因子后下降了36.3%，下調(diào)頻物理容量需求的降幅達(dá)到46.5%。

圖3 考慮效率因子前、后的中標(biāo)容量對比Fig.3 Comparison of bidding capacity between considering and without considering efficiency factor

全時段考慮效率因子后的調(diào)頻資源容量需求見附錄A 圖A3。對比圖A2 和圖A3 可直觀看出：考慮效率因子后系統(tǒng)調(diào)頻容量需求減少，可更好地衡量資源的調(diào)頻價值；同時，因調(diào)頻容量需求減少而退出調(diào)頻輔助服務(wù)市場的資源還可運用于其他市場，實現(xiàn)了資源節(jié)約。

隨著系統(tǒng)調(diào)頻需求容量減少，市場出清價格降低。考慮效率因子后的出清價格如圖4 所示?？梢钥闯觯噍^于圖2 中考慮效率因子前的邊際價格，考慮效率因子后的出清價格明顯下降。

圖4 考慮效率因子后的出清價格Fig.4 Clearing price considering efficiency factor

因電化學(xué)儲能和抽水蓄能的調(diào)節(jié)性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)頻資源，它們的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)能達(dá)到傳統(tǒng)火電機(jī)組的3 倍及以上，故引入效率因子后系統(tǒng)的調(diào)頻總成本有較大程度的減少，相較于考慮效率因子前，系統(tǒng)節(jié)省了約18.1%的成本。其中火電機(jī)組因調(diào)頻性能較差，其收益占比進(jìn)一步降至0.96%，而儲能憑借優(yōu)異的調(diào)頻能力收獲36.7%的收益占比。具體的收益見附錄A表A5。

3.2.3 儲能對調(diào)頻輔助服務(wù)市場的影響

算例所取的運行日僅在前39 個時段有電化學(xué)儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場，為了進(jìn)一步分析儲能對調(diào)頻輔助服務(wù)市場的影響，以下通過選取這些時段并設(shè)置無儲能場景進(jìn)行對比分析。由前文可知，效率因子的設(shè)置對市場的出清有較大的影響，故下文均為考慮效率因子后的情形。

對于無儲能參與的市場，原來由電化學(xué)儲能承擔(dān)的調(diào)頻容量和調(diào)頻里程應(yīng)由其余資源承擔(dān)，故需要更多調(diào)頻資源和調(diào)頻容量的投入，這會導(dǎo)致系統(tǒng)的出清價格增大。調(diào)頻輔助服務(wù)市場有、無儲能時的出清價格如圖5 所示。因在考慮效率因子且有儲能參與的場景下，有、無限價對出清價格的影響不大，僅在下調(diào)頻時段37，無限價的出清價格相比有限價的情況高了7.26元／MW左右，故圖5未給出有儲能無限價場景的結(jié)果。

圖5 有、無儲能時的出清價格Fig.5 Clearing price with and without energy storage

為了滿足系統(tǒng)的調(diào)頻里程需求，對原來由儲能承擔(dān)的調(diào)頻里程和因考慮效率因子后而未中標(biāo)的機(jī)組承擔(dān)的調(diào)頻里程進(jìn)行重新分配。因效率因子與里程調(diào)用率都能反映資源的調(diào)頻性能，且兩者近似成正比關(guān)系，前文已計算得到效率因子的大小，此處用其來分?jǐn)倢嶋H調(diào)頻里程，結(jié)果見附錄A 圖A4，主要通過調(diào)用水電機(jī)組來分擔(dān)這部分調(diào)頻里程。

為了分析儲能參與調(diào)頻以及市場設(shè)定的價格上限對系統(tǒng)調(diào)頻成本的影響，設(shè)置4 種場景進(jìn)行對比，結(jié)果如表4 所示。從表中可看出：設(shè)置市場里程價格上限可有效降低系統(tǒng)總調(diào)頻成本，而目前儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場會使系統(tǒng)成本升高。各資源的具體收益變化見附錄A表A6和表A7。

表4 不同場景的總調(diào)頻收益對比Table 4 Comparison of total frequency modulation revenue among different scenarios

儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場后系統(tǒng)總調(diào)頻成本增大的主要原因在于儲能具有較高的性能指標(biāo)。即使儲能參與調(diào)頻會使市場的邊際價格有所下降，但邊際價格的下降幅度較小，它對于成本的下降作用小于儲能高性能指標(biāo)使成本上升的力度。另外，在有限價的情況下，儲能參與調(diào)頻后系統(tǒng)的調(diào)頻成本更大，大約提高了14.3%；在無限價的情況下，儲能參與調(diào)頻后系統(tǒng)的調(diào)頻成本增大了6.7%。無限價場景下系統(tǒng)調(diào)頻成本的增幅變小，原因在于：無儲能參與時的邊際價格提升程度更大，縮小了與原來有儲能時市場總調(diào)頻成本的差距。進(jìn)一步結(jié)合圖5 可看出：無儲能無限價場景下里程價格越限的時段并不多，對于減少調(diào)頻成本差距的作用并不突出，結(jié)果仍為有儲能參與調(diào)頻時的系統(tǒng)總調(diào)頻成本更大。

基于上述對比分析可看出，調(diào)頻輔助服務(wù)市場中引入儲能在經(jīng)濟(jì)性方面仍不占優(yōu)，主要有以下三方面原因：①容量價格和里程價格差距過大，導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)頻成本與機(jī)組的調(diào)頻容量關(guān)系不大，而投入儲能的主要作用是減少系統(tǒng)的調(diào)頻物理容量需求，容量價格過低會無法明顯降低調(diào)頻輔助服務(wù)市場的總成本，難以體現(xiàn)儲能調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性；②儲能參與調(diào)頻后憑借其優(yōu)異的性能降低了系統(tǒng)的出清價格，這也是降低系統(tǒng)總調(diào)頻成本的主要手段，而設(shè)置里程價格上限后削弱了這一因素的影響；③不同資源的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)差異較大，例如常規(guī)火電機(jī)組的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)較低，按照結(jié)算規(guī)則，若用其替代完成與儲能相同的調(diào)頻里程，則系統(tǒng)所需要支付的調(diào)頻里程成本減少。

針對上述問題，本文提出以下建議：①降低市場里程價格與容量價格的比值，可參考廣東省調(diào)頻輔助服務(wù)市場將里程價格取值設(shè)定為容量價格的2～5倍［13］，通過削減調(diào)頻里程收益的比重，使系統(tǒng)在完成相同的調(diào)頻任務(wù)時可支付更少的調(diào)頻成本；②調(diào)整市場的報價上限，合理放寬對邊際價格的約束，從而更好地凸顯儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的經(jīng)濟(jì)性，而調(diào)頻輔助服務(wù)市場中資源的報價策略和系統(tǒng)調(diào)頻容量需求變化均可能影響市場報價上限的設(shè)置。

統(tǒng)計運行日的數(shù)據(jù)表明，儲能參與調(diào)頻后系統(tǒng)的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)得到提升，儲能的調(diào)頻容量在占系統(tǒng)平均調(diào)頻容量的4.7%時承擔(dān)了16.9%的調(diào)頻里程，具有傳統(tǒng)調(diào)頻資源無法比擬的優(yōu)勢。儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場能減少二次調(diào)頻資源，使其他機(jī)組無需預(yù)留AGC 容量，從而可以在更經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下運行，起到降低能量市場運行成本的作用。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場后的市場機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上以系統(tǒng)調(diào)頻成本最小為目標(biāo)，建立了線性模型進(jìn)行優(yōu)化出清。以某省實際運行日調(diào)頻數(shù)據(jù)為算例，分析綜合調(diào)頻性能指標(biāo)、效率因子和容量均衡因子對系統(tǒng)調(diào)頻總成本的影響，并設(shè)置了無儲能場景進(jìn)行對比分析，所得結(jié)論如下。

1）綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的設(shè)置使調(diào)頻資源的收益與自身提供的服務(wù)質(zhì)量相關(guān)聯(lián)，儲能的日平均綜合調(diào)頻性能指標(biāo)約為傳統(tǒng)火電機(jī)組的3.3倍，可憑借其優(yōu)異的性能獲得5.9倍于火電機(jī)組的日調(diào)頻收益，從而鼓勵各資源提升自身服務(wù)水平的積極性。

2）加入效率因子后，利用效用容量達(dá)到節(jié)省調(diào)頻物理容量的目的，使總調(diào)頻成本下降了18.1%。

3）在調(diào)度周期前5 min 市場中考慮容量均衡因子，使儲能運行在良好的SOC，在系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額時保證儲能至少存有10%的可用容量參與調(diào)頻。

4）在容量價格遠(yuǎn)小于里程價格、調(diào)頻資源性能指標(biāo)差異大、價格上限設(shè)置較為嚴(yán)格的情況下，儲能參與可能使系統(tǒng)的調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性能有一定程度的降低。但隨著儲能技術(shù)的發(fā)展和儲能成本的降低，未來儲能在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中可以進(jìn)一步降低出清價格，從而提升調(diào)頻輔助服務(wù)市場的社會效益。

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