規(guī)模化儲(chǔ)能參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的商業(yè)模式

李 遷, 姜 欣, 張鈞釗, 段世杰, 金 陽

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院,鄭州 450001)

儲(chǔ)能系統(tǒng)(Energy Storage System, ESS)作為電力能源的新興市場(chǎng)主體,具有響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)靈活的特點(diǎn),使其在解決電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰、緩解線路阻塞等問題上發(fā)揮重要作用,其應(yīng)用也貫穿電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷各環(huán)節(jié)[1].以“碳達(dá)峰、碳中和”為目標(biāo)的新型電力系統(tǒng)提出后,ESS的發(fā)展受到各國極大重視.2021年7月中國發(fā)展和改革委員會(huì)和國家能源局印發(fā)《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》要求建立健全ESS參與的市場(chǎng)機(jī)制[2].2022年12月,國家能源局發(fā)布《電力輔助服務(wù)管理辦法》,鼓勵(lì)新型ESS參與電力輔助服務(wù)[3].2018年美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)施行841號(hào)令允許ESS平等參與現(xiàn)貨電能量、輔助服務(wù)及容量市場(chǎng)[4].隨著ESS深度發(fā)展,相關(guān)研究也越來越多.有關(guān)ESS參與交易方面,文獻(xiàn)[5]中提出一種差異化市場(chǎng)下ESS運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)其參與不同市場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;文獻(xiàn)[6]中提出基于模糊邏輯的ESS管理系統(tǒng),該系統(tǒng)降低了平均峰值負(fù)載和運(yùn)營成本.有關(guān)ESS集群參與方面,文獻(xiàn)[7]中采用ESS聚合的參與方式實(shí)現(xiàn)資源統(tǒng)一調(diào)度;文獻(xiàn)[8]中提出分布式小型ESS可以通過聚合參與的方式進(jìn)行集中調(diào)度,為電網(wǎng)提供不同服務(wù).有關(guān)ESS參與市場(chǎng)出清模型方面,文獻(xiàn)[9]中基于自適應(yīng)均衡技術(shù)建立一種聯(lián)合出清模型,解決ESS未能有效聚合的問題;文獻(xiàn)[10]中建立ESS最大化收益模型,并提出一種計(jì)算最優(yōu)需求響應(yīng)等級(jí)容量的方法.

目前,針對(duì)ESS參與市場(chǎng)的研究主要集中在電網(wǎng)輔助服務(wù)、優(yōu)化新能源并網(wǎng)、負(fù)荷側(cè)管理等方面.文獻(xiàn)[11]中針對(duì)ESS設(shè)計(jì)參與服務(wù)市場(chǎng)的交易機(jī)制;文獻(xiàn)[12]中提出移動(dòng)ESS與高比例新能源的協(xié)同調(diào)度方法;文獻(xiàn)[13]中認(rèn)為ESS等可調(diào)控負(fù)荷可以通過向代理商上報(bào)信息來參與市場(chǎng)交易.值得深究的是,大量研究都在中長期市場(chǎng)進(jìn)行,鮮有研究關(guān)注ESS在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的交易行為.由于ESS具有響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)靈活的特點(diǎn)并且工作具有較強(qiáng)的時(shí)段耦合性,所以市場(chǎng)相關(guān)機(jī)制與模式的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)其運(yùn)行和盈利產(chǎn)生重要影響[11].國內(nèi)現(xiàn)貨市場(chǎng)尚不成熟,未針對(duì)ESS參與設(shè)計(jì)市場(chǎng)模式;國外電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中,對(duì)于ESS參與交易也處于建設(shè)探索階段,無法提供相關(guān)成熟經(jīng)驗(yàn)[14].

綜上,在促進(jìn)ESS交易方面,現(xiàn)有研究多集中參與市場(chǎng)的頂層概念設(shè)計(jì),并未考慮電力市場(chǎng)放開后市場(chǎng)主體急劇增加而現(xiàn)行的相關(guān)機(jī)制及模式難以有效支撐規(guī)模化ESS參與市場(chǎng)的問題;另外,在提升資源配置效率方面,現(xiàn)有研究多集中在分布式資源等小微主體參與市場(chǎng)運(yùn)營模式、控制策略、交易方式等方面,較少涉及規(guī)模化ESS的研究;且現(xiàn)有研究多涉及中長期市場(chǎng),鮮有針對(duì)ESS參與現(xiàn)貨聯(lián)合市場(chǎng)的商業(yè)模式和相關(guān)市場(chǎng)機(jī)制的研究.

博弈論被廣泛應(yīng)用于研究存在利益沖突的個(gè)體之間的相互作用以及個(gè)體如何進(jìn)行優(yōu)化決策[15].文獻(xiàn)[16]中建立基于多領(lǐng)導(dǎo)者-多跟隨者的主從博弈模型,揭示多電力零售商與多用戶之間的戰(zhàn)略交易行為;文獻(xiàn)[17]中利用斯塔克爾伯格博弈理論建立基于區(qū)域鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)雙層博弈模型,得到最優(yōu)交易策略;文獻(xiàn)[18]中構(gòu)建考慮碳中和的集成能源系統(tǒng)-氫氣-天然氣混合ESS的合作博弈模型,明確其主體競爭關(guān)系.利用博弈論分析電力市場(chǎng)參與者競爭已較為常見,但將ESS作為研究對(duì)象系統(tǒng)地分析各市場(chǎng)主體的博弈關(guān)系及市場(chǎng)機(jī)理的研究較少,且鮮有研究基于博弈論探索規(guī)模化ESS參與現(xiàn)貨市場(chǎng)的商場(chǎng)模式及相關(guān)機(jī)制.

因此,為了更好地促進(jìn)ESS參與多級(jí)市場(chǎng)、增強(qiáng)市場(chǎng)聯(lián)動(dòng)性與合作性,從國外典型市場(chǎng)出清機(jī)制出發(fā),提出適應(yīng)規(guī)模化ESS參與國內(nèi)現(xiàn)貨市場(chǎng)的聯(lián)合出清機(jī)制,包括投標(biāo)方式、計(jì)費(fèi)方式和出清方式等.其次,為充分發(fā)掘規(guī)模化ESS的市場(chǎng)價(jià)值與其他附加價(jià)值、增強(qiáng)集群效應(yīng)并解決ESS容量閑置問題,在當(dāng)前交易的基礎(chǔ)上提出適應(yīng)規(guī)模化ESS參與現(xiàn)貨市場(chǎng)的商業(yè)模式,包含獨(dú)立式、聯(lián)盟式、共享式,并分析市場(chǎng)交易鏈中存在的博弈關(guān)系,量化其價(jià)值體系.在此基礎(chǔ)上,基于博弈論設(shè)計(jì)“出清-調(diào)度”雙層互動(dòng)博弈架構(gòu),構(gòu)建不同商業(yè)模式下ESS參與現(xiàn)貨聯(lián)合市場(chǎng)的模型范式;同時(shí)基于強(qiáng)對(duì)偶理論和Karush-Kuhn-Tucke (KKT)最優(yōu)條件理論求解該雙層模型.最后,利用仿真分析驗(yàn)證所提參與市場(chǎng)方式、出清模型及求解方法的有效性和可行性

1 適應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)參與現(xiàn)貨市場(chǎng)的聯(lián)合出清機(jī)制

國內(nèi)外各市場(chǎng)中現(xiàn)貨市場(chǎng)的出清機(jī)制各不相同[14],但基本的核心元素相似.對(duì)國內(nèi)典型現(xiàn)貨市場(chǎng)如山東、南方(以廣東起步,下同)、浙江以及美國Pennsylvania-New Jersey-Maryland (PJM)市場(chǎng)等進(jìn)行對(duì)比分析.為體現(xiàn)ESS特點(diǎn),機(jī)制分析以及后續(xù)仿真分析僅針對(duì)電能量市場(chǎng)和調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng).

如圖1所示,山東電網(wǎng)在日前市場(chǎng)采用順序出清的方式對(duì)多市場(chǎng)進(jìn)行市場(chǎng)出清.實(shí)時(shí)市場(chǎng)參考日前市場(chǎng)出清信息運(yùn)行市場(chǎng),并補(bǔ)充出清或調(diào)用[19].具體而言,在日前利用安全約束機(jī)組組合(Security Constrained Unit Commitment,SCUC)安排發(fā)電機(jī)組運(yùn)行;之后根據(jù)安全經(jīng)濟(jì)約束調(diào)度(Security Constrained Economic Dispatch,SCED)計(jì)算節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià);最后利用日前可靠性機(jī)組組合(Reliability Unit Commitment,RUC)等確定調(diào)頻容量價(jià)格及中標(biāo)量,減去已用容量后進(jìn)行日前SCED以確定日前發(fā)電計(jì)劃并計(jì)算節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)(Locational Marginal Price, LMP).實(shí)時(shí)市場(chǎng)參考實(shí)時(shí)需求確定進(jìn)行補(bǔ)充的實(shí)時(shí)市場(chǎng)出清或調(diào)用電力資源,并減去確定的中標(biāo)容量后計(jì)算實(shí)時(shí)SCED,得到實(shí)時(shí)市場(chǎng)發(fā)電計(jì)劃及節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià).南方電網(wǎng)在日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)均采用順序出清的方式進(jìn)行市場(chǎng)出清;但是在日前市場(chǎng)中,輔助服務(wù)市場(chǎng)僅作預(yù)出清,結(jié)算在實(shí)時(shí)市場(chǎng)進(jìn)行.值得注意的是,在順序出清中只計(jì)算調(diào)頻里程價(jià)格,容量價(jià)格在市場(chǎng)運(yùn)行前單獨(dú)進(jìn)行核定[20].浙江電網(wǎng)采用輔助服務(wù)市場(chǎng)與電能量市場(chǎng)聯(lián)合優(yōu)化出清的方式進(jìn)行市場(chǎng)出清,實(shí)時(shí)市場(chǎng)采用事前定價(jià)方式進(jìn)行結(jié)算,即結(jié)算價(jià)格為實(shí)時(shí)市場(chǎng)的事前出清價(jià)格,發(fā)電企業(yè)結(jié)算電量為實(shí)際計(jì)量上網(wǎng)電量,用戶結(jié)算電量為實(shí)際用電量.

如圖2所示,PJM的日前和實(shí)時(shí)市場(chǎng)分開計(jì)算,在日前市場(chǎng)只出清現(xiàn)貨電能量市場(chǎng),即電能量和備用輔助服務(wù)市場(chǎng)的聯(lián)合出清, 不包含調(diào)頻輔助服務(wù)出清,不考慮備用輔助服務(wù);在實(shí)時(shí)市場(chǎng)進(jìn)行多市場(chǎng)聯(lián)合出清.日前節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)用于實(shí)時(shí)市場(chǎng)出清時(shí)核算機(jī)會(huì)成本,而實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)用來計(jì)算調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)結(jié)算價(jià)格中的機(jī)會(huì)成本[21].美國加利福尼亞州(簡稱加州)/德克薩斯州(簡稱德州)市場(chǎng)在日前多市場(chǎng)聯(lián)合出清(見圖2),在實(shí)時(shí)市場(chǎng)僅視情況進(jìn)行補(bǔ)充出清;德州市場(chǎng)只支付調(diào)頻容量費(fèi)用,不結(jié)算調(diào)頻里程[22].美國中部/紐約州市場(chǎng)均進(jìn)行多市場(chǎng)聯(lián)合出清(見圖2),現(xiàn)貨市場(chǎng)的各電量價(jià)格同時(shí)產(chǎn)生[23];日前市場(chǎng)只支付調(diào)頻容量費(fèi)用,實(shí)時(shí)市場(chǎng)支付調(diào)頻容量偏差成本及調(diào)頻里程費(fèi)用.

圖2 國外典型市場(chǎng)出清機(jī)制Fig.2 Typical foreign market clearing mechanism

國內(nèi)市場(chǎng)多采用順次出清機(jī)制.山東電力日前市場(chǎng)出清考慮機(jī)會(huì)成本,需要根據(jù)安全機(jī)組組合及安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度進(jìn)行多次計(jì)算,過程較為繁瑣.廣東電網(wǎng)忽略日前機(jī)會(huì)成本并對(duì)輔助服務(wù)市場(chǎng)進(jìn)行預(yù)出清,簡化了計(jì)算,但會(huì)引起資源的非經(jīng)濟(jì)性調(diào)用;PJM/新英格蘭市場(chǎng)在日前只進(jìn)行現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)出清,因而日前及實(shí)時(shí)的市場(chǎng)類型存在差異,客觀上造成日前及實(shí)時(shí)市場(chǎng)現(xiàn)貨電能量價(jià)格的偏離[24];美國加州、德州、中部、紐約州4個(gè)市場(chǎng)在日前環(huán)節(jié)考慮調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)出清,均采用多市場(chǎng)聯(lián)合出清機(jī)制,以獲得整體最優(yōu)的計(jì)劃安排.山東電網(wǎng)在價(jià)格出清計(jì)算時(shí)只計(jì)算調(diào)頻容量價(jià)格,而忽略調(diào)頻里程價(jià)格;南方電網(wǎng)在市場(chǎng)運(yùn)行前計(jì)算調(diào)頻容量價(jià)格,因此在運(yùn)行中只計(jì)算調(diào)頻里程價(jià)格;根據(jù)美國聯(lián)邦能源管理委員會(huì)施行的第755號(hào)令,規(guī)定區(qū)域內(nèi)PJM等市場(chǎng)綜合分析ESS的實(shí)際表現(xiàn)、調(diào)頻容量、調(diào)頻里程價(jià)格都需要計(jì)算,但美國德州電力市場(chǎng)只計(jì)算調(diào)頻容量價(jià)格而不結(jié)算調(diào)頻里程[25].

對(duì)國內(nèi)外典型出清參與現(xiàn)貨市場(chǎng)出清機(jī)制總結(jié)分析,提出ESS參與現(xiàn)貨市場(chǎng)的出清機(jī)制.為保證ESS安全經(jīng)濟(jì)、利益最大化,依然需要多次計(jì)算安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,具體如圖3所示.

圖3 規(guī)模化儲(chǔ)能參與聯(lián)合市場(chǎng)的出清機(jī)制Fig.3 Clearing mechanism for large-scale energy storage to participate in joint market

(1) 投標(biāo)方式.我國目前施行分段報(bào)價(jià)[26],可視為價(jià)格-數(shù)量的簡單投標(biāo)方式.為避免簡單投標(biāo)極易引起市場(chǎng)主體的投機(jī)行為,采用復(fù)雜投標(biāo)方式,此方式完全披露技術(shù)約束,由調(diào)度/交易中心在交易出清時(shí)執(zhí)行這些約束[27].

(2) 計(jì)費(fèi)方式.參考美國加州市場(chǎng)對(duì)ESS的處理方法,采用計(jì)及績效的計(jì)費(fèi)方式,考慮響應(yīng)速度和供應(yīng)商遵循運(yùn)營商信號(hào)的準(zhǔn)確性.在調(diào)頻市場(chǎng)上采用兩部制定價(jià)機(jī)制,即同時(shí)考慮實(shí)際調(diào)頻量機(jī)會(huì)成本的容量價(jià)格和調(diào)頻效果的里程價(jià)格[28],計(jì)算方法為

(1)

式中:r、m分別為調(diào)頻容量和調(diào)頻里程;Cr、Cm分別為調(diào)頻容量和調(diào)頻里程收益;λr、λm分別為調(diào)頻容量、調(diào)頻里程價(jià)格.

(3) 出清方式.采用節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)方式進(jìn)行市場(chǎng)出清,能量以節(jié)點(diǎn)和小時(shí)為基礎(chǔ)定價(jià),為市場(chǎng)參與者提供合理的電價(jià)信號(hào).規(guī)模化ESS會(huì)影響節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià),在輸電限制的區(qū)域尤為明顯,故將其視為價(jià)格制定者.ESS作為一種優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源,參與調(diào)頻時(shí)將被優(yōu)先調(diào)用[7].

(4) 出清流程.首先確定日前市場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行模擬出清計(jì)算,采用多段報(bào)量報(bào)價(jià)、用戶對(duì)規(guī)模化ESS進(jìn)行報(bào)量;然后進(jìn)入市場(chǎng)選擇模式,所有市場(chǎng)主體提交次日24時(shí)段的分段容量及補(bǔ)償價(jià)格,調(diào)度和交易中心根據(jù)主體申報(bào)信息考慮相關(guān)約束后,采用節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)分24時(shí)段進(jìn)行出清,并進(jìn)行相關(guān)信息校核.調(diào)度和交易中心發(fā)布的中標(biāo)結(jié)果包含中標(biāo)電量以及中標(biāo)電價(jià).

2 儲(chǔ)能參與市場(chǎng)的多樣化商業(yè)模式

2.1 服務(wù)模式

從經(jīng)濟(jì)發(fā)展來看,中國宏觀經(jīng)濟(jì)正由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段,消費(fèi)結(jié)構(gòu)將從商品消費(fèi)為主轉(zhuǎn)向商品消費(fèi)與服務(wù)消費(fèi)雙輪驅(qū)動(dòng)[29].伴隨著能源產(chǎn)業(yè)深度發(fā)展,多樣化服務(wù)模式將在電力服務(wù)中扮演越來越重要的角色.依據(jù)市場(chǎng)競爭交易的規(guī)律,ESS參與市場(chǎng)的服務(wù)模式分為3種:獨(dú)立式服務(wù),即聚焦于新興市場(chǎng)主體的單一性服務(wù);聯(lián)盟式服務(wù),即聚焦于一體化,提供多樣化服務(wù),實(shí)現(xiàn)資源統(tǒng)一調(diào)度;共享式服務(wù),即聚焦于多元化,提供多樣且自由化的交易.

2.2 參與方式

(1) 獨(dú)立式.我國的能源政策已經(jīng)明確了ESS作為市場(chǎng)主體的定位,使得ESS作為單獨(dú)主體參與市場(chǎng)成為現(xiàn)實(shí).如圖4所示,獨(dú)立式交易是指符合上網(wǎng)條件的ESS與電力用戶遵守雙方意愿,以雙邊協(xié)商、集中競價(jià)等方式進(jìn)行競價(jià)交易,將獨(dú)立的ESS與其他市場(chǎng)主體視為同等地位參與競價(jià),選擇提交自調(diào)度計(jì)劃參與市場(chǎng)或者將運(yùn)營控制權(quán)完全移交.ESS投資主體是單一的,參與市場(chǎng)的服務(wù)也是單一性的.國內(nèi)部分省份規(guī)定獨(dú)立ESS參與市場(chǎng)時(shí),其額定容量必須在10 MW以上,大大超過國外典型市場(chǎng)0.1 MW的準(zhǔn)入條件[30].值得注意的是,嚴(yán)苛的市場(chǎng)條件可以減小運(yùn)營商的組織壓力,但會(huì)造成市場(chǎng)無法完全所有市場(chǎng)資源的價(jià)值,可能會(huì)阻礙部分設(shè)施的投資.

圖4 參與方式示意圖Fig.4 Diagram of participation method

(2) 聯(lián)盟式.為保證社會(huì)資源最大效用化,解決分散主體參與市場(chǎng)難的問題,增強(qiáng)集群效應(yīng),結(jié)合近幾年“聚合商”“虛擬電廠”的概念,在考慮多個(gè)利益相關(guān)者的組合式能源消納基礎(chǔ)上,提出聯(lián)盟式的參與方式.聯(lián)盟式交易是以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為基礎(chǔ)、以應(yīng)對(duì)共同競爭者或?qū)I(yè)務(wù)推向新領(lǐng)域等為目的,將建設(shè)位置分散、投資主體多樣的規(guī)模化ESS結(jié)成互相協(xié)作聯(lián)盟的一種合作模式.投資商通過聯(lián)盟將投資主體不一、位置不限的規(guī)模化ESS聚合為ESS聯(lián)盟以實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)度,提供多樣化的市場(chǎng)服務(wù),增加ESS市場(chǎng)競爭力和投資回報(bào)率.

值得說明的是,對(duì)于對(duì)外交易而言,ESS聯(lián)盟等價(jià)于一個(gè)大型獨(dú)立ESS系統(tǒng)主體.聯(lián)盟主體可以自由決策,憑借聯(lián)盟內(nèi)部各主體的互補(bǔ)性質(zhì)聚合參與競價(jià)決策,有效增加內(nèi)部各主體的利益.

(3) 共享式.為充分發(fā)掘規(guī)模化ESS的市場(chǎng)價(jià)值與其他附加價(jià)值,解決部分地區(qū)ESS資源閑置等問題,結(jié)合“共享經(jīng)濟(jì)”的概念,提出共享式的參與方式.共享式是一種考慮多投資主體、多服務(wù)方式的共享服務(wù)方式.共享式本質(zhì)是將主體的所有權(quán)與使用權(quán)剝離,也就是將規(guī)模化ESS的使用權(quán)租賃給ESS服務(wù)的多個(gè)需求商,不同類型的用戶可以分享自己的需求,從而得到多樣化的服務(wù),形成能量流和信息流;共享ESS運(yùn)營商獲取此信息流和能量流,并對(duì)其進(jìn)行分析,掌握多種類用戶的負(fù)荷情況,結(jié)合電價(jià)等因素,進(jìn)行ESS設(shè)備的能量優(yōu)化調(diào)度.按照不同用戶負(fù)荷出現(xiàn)峰值時(shí)間和充、放電需求不同,合理統(tǒng)籌規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)多用戶之間共享ESS設(shè)施.

該模式能夠提高ESS利用率,解決ESS容量閑置問題,并提高投資者收益.交易ESS使用權(quán)的消費(fèi)者可以得到ESS服務(wù),用于生產(chǎn)與生活[31].共享式面向ESS的多樣化交易,旨在探索用于高比例新能源場(chǎng)景高效利用的“共享儲(chǔ)能”市場(chǎng)化服務(wù)模式,從市場(chǎng)化交易、輔助服務(wù)、碳減排等方面發(fā)掘ESS的多元化價(jià)值.

2.3 博弈關(guān)系

博弈關(guān)系架構(gòu)如圖5所示.博弈由決策者、決策空間和收益3部分組成[32].比如,ESS以聯(lián)盟的形式參與市場(chǎng)交易時(shí),決策者是運(yùn)營商或運(yùn)營平臺(tái);博弈參與者是規(guī)模化ESS聯(lián)盟、獨(dú)立ESS、常規(guī)機(jī)組、電網(wǎng)企業(yè)等;博弈策略是市場(chǎng)交易的電量和電價(jià);收益是售電與成本的價(jià)格差以及分配收益,所有參與者均可合理分配合作收益,使得所有參與者的資源參與合作.

(1) ESS與調(diào)度/交易中心的主從博弈.ESS作為主從博弈的領(lǐng)導(dǎo)者,考慮安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度,以自身經(jīng)濟(jì)最優(yōu)公布市場(chǎng)信息;調(diào)度和交易中心作為跟隨者趨利性協(xié)調(diào)運(yùn)行,參考市場(chǎng)信息決定最優(yōu)出清策略,同時(shí)反饋ESS市場(chǎng)中標(biāo)信息.

(2) 市場(chǎng)主體的非合作博弈.在交易過程中,ESS與其他賣方之間相互獨(dú)立且在同一平臺(tái)交易,不存在合作關(guān)系,屬于同等級(jí)別競爭,并認(rèn)為其交易行為是理性的[33].非合作主體之間參考市場(chǎng)需求進(jìn)行價(jià)格競爭,追求自身經(jīng)濟(jì)最優(yōu),從而達(dá)到均衡狀態(tài).在實(shí)際交易中各市場(chǎng)主體之間并未達(dá)成一個(gè)具有約束力的協(xié)議,只關(guān)心各自的經(jīng)濟(jì)利益,并且部分局中人在交易完成時(shí)刻都無法獲得競爭者的競爭信息.在此期間,系統(tǒng)運(yùn)行約束構(gòu)成局中人相互間策略的制約.

(3) 聯(lián)盟內(nèi)部合作博弈.市場(chǎng)主體合作中單個(gè)主體的收益不一定都大于不合作時(shí)的收益,但是合作參與市場(chǎng)的整體收益一定大于不合作的收益.ESS聯(lián)盟可以利用內(nèi)部各主體的時(shí)間互補(bǔ)性增強(qiáng)自身參與市場(chǎng)的能力,同時(shí)提高市聯(lián)盟收益.若N個(gè)局中人選擇合作參與市場(chǎng),那么收益和損失分?jǐn)偟絺€(gè)體,即等價(jià)于一個(gè)局中人.

3 不同商業(yè)模式下的出清模型范式

3.1 價(jià)值量化

結(jié)合我國當(dāng)前市場(chǎng)建設(shè)情況,從電能價(jià)值、輔助服務(wù)價(jià)值、其他附加價(jià)值3個(gè)方面量化規(guī)模化ESS參與市場(chǎng)的價(jià)值.

(1) 電能價(jià)值是指作為電能的使用價(jià)值,以電費(fèi)支付、電價(jià)補(bǔ)貼等方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn):

(2)

(2) 輔助服務(wù)價(jià)值是指ESS單獨(dú)或聚合為虛擬電廠(Virtual Power Plant, VPP)后提供額外的調(diào)峰、調(diào)頻和備用服務(wù)產(chǎn)生的價(jià)值.選用調(diào)頻容量和調(diào)頻里程兩方面來體現(xiàn)輔助服務(wù)價(jià)值,可以直接反映所需要的調(diào)節(jié)資源量,即

(3)

(3) 其他附加價(jià)值:不直接參與市場(chǎng),而是以另一種途徑交易電量進(jìn)行收益,如租賃費(fèi)用等.

(4)

3.2 出清模型

本文規(guī)模化ESS參與現(xiàn)貨市場(chǎng)雙層博弈交易出清模型范式架構(gòu)如圖6所示.上層ESS為領(lǐng)導(dǎo)者以收益最大為目標(biāo)進(jìn)行策略性報(bào)價(jià),下層調(diào)度/交易中心為跟隨者以社會(huì)福利最大為目標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合市場(chǎng)出清.3種商業(yè)模式對(duì)外交易出清模型一致,聯(lián)盟式需要在參與市場(chǎng)之前進(jìn)行內(nèi)部規(guī)劃,而共享式需要提前預(yù)留容量.而約束條件上,聯(lián)盟式以及共享式均是在獨(dú)立式的基礎(chǔ)上增加約束條件,介紹如下.

圖6 出清模型范式架構(gòu)Fig.6 Paradigm architecture of bilevel clearing model

(1) 上層市場(chǎng)目標(biāo)函數(shù):

(5)

約束條件包括申報(bào)約束和投標(biāo)約束.

其中,申報(bào)約束為

(6)

投標(biāo)約束為

(7)

式中:pi表示ESS充、放電量;di、zi、αi、βi、ξi、σi表示ESS的能量、調(diào)頻容量、調(diào)頻里程價(jià)格曲線上、下基準(zhǔn)系數(shù);kei、kri、kmi為以上3種價(jià)格的系數(shù).

其中約束條件還包含ESS的SOC約束、個(gè)體容量約束等,均為ESS的常規(guī)約束,不再一一說明.

(2) 下層市場(chǎng)出清模型.

日前市場(chǎng):

(8)

約束條件包括能量市場(chǎng)功率平衡約束、調(diào)節(jié)容量平衡約束和調(diào)節(jié)里程約束.

其中,能量市場(chǎng)功率平衡約束為

(9)

式中:rw,t、rL,t分別為系統(tǒng)的風(fēng)電量和負(fù)荷量.

調(diào)節(jié)容量平衡約束為

(10)

調(diào)節(jié)里程約束為

(11)

常規(guī)機(jī)組申報(bào)的約束條件與ESS相同.常規(guī)機(jī)組的約束條件還包括個(gè)體容量等常規(guī)約束,不再一一說明.

實(shí)時(shí)市場(chǎng):

(12)

約束條件包括日內(nèi)偏差平衡約束和負(fù)荷削減和棄風(fēng)約束.

其中,日內(nèi)偏差平衡約束為

(13)

負(fù)荷削減和棄風(fēng)約束為

(14)

約束條件還有常規(guī)機(jī)組和ESS上、下調(diào)頻容量調(diào)用約束,調(diào)用量的大小均應(yīng)在日前中標(biāo)量范圍之內(nèi).

3.3 利益分配

利益公平分配是合作博弈的前提,因此需要著重考慮利益分配問題.合作博弈可以很好地解決資源共享及利益沖突問題,本文采用基于兩步聯(lián)盟合作博弈的電力交易算法,該算法首先采用拍賣法[35]確定交易順序,然后應(yīng)用Shapley值[36]公平分配此部分利潤.在合作博弈中的隱含假設(shè)是:參與者可以組建聯(lián)盟并就如何分配具有可轉(zhuǎn)讓效用的聯(lián)盟收益進(jìn)行具有約束力的協(xié)議.

3.4 求解算法

本文商業(yè)模式和市場(chǎng)機(jī)制所提報(bào)價(jià)策略屬于雙層博弈問題,可以基于討價(jià)還價(jià)理論進(jìn)行分析;其次,所提規(guī)模化ESS的出清模型屬于混合整數(shù)優(yōu)化問題, 在KKT最優(yōu)性條件將下層市場(chǎng)出清模型轉(zhuǎn)化為上層市場(chǎng)模型的約束條件[37],則此時(shí)原雙層模型被轉(zhuǎn)化為單層數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化方法為

(15)

式中:f(x,y)、g(x,y)和F(x,y)、G(x,y)分別為上層和下層映像函數(shù);S(x)為下層出清模型的解集,利用KKT條件,變換為單層數(shù)學(xué)模型,即

(16)

式中:兩個(gè)限制條件為下層模型的KKT最優(yōu)條件.

使用強(qiáng)對(duì)偶定理[38]簡化一些非線性表達(dá)式,可以將具有均衡約束的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題模型重構(gòu)為等效的混合整數(shù)線性規(guī)劃,變量只能取整數(shù):

min (cTx+dTy:f(x,y)=b,y≥0,0≤x∈N)

(17)

式中:c、d分別為輸入、輸出的轉(zhuǎn)置系數(shù);b為常量.

最后,使用軟件MATLAB 2016a求解此數(shù)學(xué)模型,詳細(xì)求解過程如圖7所示.

圖7 雙層模型范式求解流程Fig.7 Solution process of bilevel model paradigm

4 算例分析

當(dāng)機(jī)組的初始參數(shù)固定,選擇不同的商業(yè)模式運(yùn)行收益可能不同,也即存在一個(gè)商業(yè)模式使得機(jī)組的收益最大;同時(shí)也存在同一主體參與多個(gè)商業(yè)模式收益最優(yōu)的可能,此時(shí)研究范圍屬于最優(yōu)規(guī)劃問題,不屬于本文研究范疇,故不進(jìn)行分析.選用同一種機(jī)組分別參與3種商業(yè)模式,驗(yàn)證商業(yè)模式的有效性并給出指導(dǎo)性意見.

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

各機(jī)組參數(shù)如表1所示.表中:Pmax、Pmin分別為機(jī)組最大出力和最小出力;A、B、C為常規(guī)機(jī)組的成本特性系數(shù);Rgmax為常規(guī)機(jī)組的最大調(diào)頻容量;空白表示不適用.系統(tǒng)調(diào)頻里程乘子如表2所示.日負(fù)荷曲線、風(fēng)量預(yù)測(cè)和上/下調(diào)頻需求如圖8所示.圖中:P為能量;R為系統(tǒng)調(diào)頻容量需求.風(fēng)能以0.161元/(kW·h)的價(jià)格向日前平衡市場(chǎng)和實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)供應(yīng)電能.忽略ESS的自放電,其維護(hù)成本為0.041元/(kW·h);負(fù)載需求報(bào)價(jià)為315.17元/(MW·h);ESS租賃費(fèi)用為400元/(kW·h).為便于比較分析,仍以1 h為研究周期,未來可延長至15 min.程序收斂間隙U取 0.000 1.風(fēng)電場(chǎng)被視作負(fù)電荷,未牽涉能量報(bào)價(jià),并且ESS可以優(yōu)先消納風(fēng)電[7].

表1 機(jī)組參數(shù)Tab.1 Unit parameters

表2 系統(tǒng)調(diào)頻里程乘子Tab.2 System frequency regulation mileage multiplier

圖8 負(fù)荷與需求數(shù)據(jù)Fig.8 Load data and demand

4.2 獨(dú)立式

獨(dú)立式商業(yè)模式中,S1(S2)單獨(dú)參與市場(chǎng),此時(shí)儲(chǔ)能S2(S1)作為市場(chǎng)參數(shù).其中,上層模型函數(shù)分別表示S1(S2)最大化收益,收益如表3所示.以S1為例,能量市場(chǎng)中標(biāo)量、輔助服務(wù)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)部分中標(biāo)量如圖9和圖10所示.圖中:B為中標(biāo)量.

表3 S1/S2收益情況Tab.3 Income of S1/S2 元

圖9 能量市場(chǎng)中標(biāo)情況Fig.9 Winning-bids in energy market

圖10 調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中標(biāo)情況Fig.10 Winning-bids in ancillary services market

如圖9和圖10所示,在能量市場(chǎng)中,常規(guī)機(jī)組的中標(biāo)量占全部電量的98.31%,符合常規(guī)機(jī)組在能量市場(chǎng)的一般性和典型性.在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中,當(dāng)僅考慮S1單獨(dú)參與時(shí),S1提供的調(diào)頻輔助服務(wù)中標(biāo)量占調(diào)頻總市場(chǎng)的63.02%,這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)輔助服務(wù)供給資源相比,規(guī)模化ESS具有無記憶效應(yīng)且跟蹤能力強(qiáng),是調(diào)頻市場(chǎng)中不可多得的優(yōu)質(zhì)資源.

由表3、圖9～10可知,規(guī)模化ESS由于容量大,具有較好的調(diào)頻性能,在調(diào)頻市場(chǎng)的收益更加可觀,且在調(diào)頻市場(chǎng)的中標(biāo)量遠(yuǎn)超能量市場(chǎng).當(dāng)負(fù)荷需求較高時(shí),比如12:00—14:00,ESS可以權(quán)衡提供能量和調(diào)頻能力的利弊,選擇犧牲某時(shí)刻部分調(diào)頻能力而達(dá)到轉(zhuǎn)移峰值負(fù)載的目的.

獨(dú)立式的商業(yè)模式對(duì)于電量需求以及調(diào)節(jié)能力要求較為嚴(yán)苛.相較于互相支持性的模式,獨(dú)立式自身應(yīng)該擁有足夠大的容量,以便于提供實(shí)時(shí)需求.因此,對(duì)于獨(dú)立式商業(yè)模式,建議規(guī)模化ESS自身容量相對(duì)較大,可以開展較為廣泛的業(yè)務(wù).

4.3 聯(lián)盟式

將位于節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)10的S1和S2組成ESS聯(lián)盟,同樣以ESS聯(lián)盟收益最大為目標(biāo)進(jìn)行市場(chǎng)出清,收益及市場(chǎng)中標(biāo)量如表4和圖11所示.

表4 S1/S2收益情況Tab.4 Income of S1/S2 元

圖11 市場(chǎng)主體中標(biāo)情況Fig.11 Winning-bids of market entities

如圖11所示,在能量市場(chǎng)中,常規(guī)機(jī)組的中標(biāo)量占全部電量99.08%,ESS整體中標(biāo)量僅為0.92%;與獨(dú)立式商業(yè)模式相比,同比占比下降約為1.84%.再次證明在能量市場(chǎng)中,ESS處于極大的劣勢(shì).從中也可以得出結(jié)論:在電能量市場(chǎng)的競爭中,ESS不具有優(yōu)勢(shì).然而從ESS收益最大的角度出發(fā),能量市場(chǎng)不能缺失.

如圖12所示,在調(diào)頻市場(chǎng)中,S1和S2組成的ESS聯(lián)盟提供的調(diào)頻中標(biāo)量占調(diào)頻總市場(chǎng)74.33%,這是因?yàn)榕c獨(dú)立式商業(yè)模式相比,調(diào)頻市場(chǎng)中標(biāo)量占比同比上升約為11.31%.這說明在保證ESS收益最大化的前提下,放棄部分能量市場(chǎng)、加大在調(diào)頻市場(chǎng)的投入電量,可以使ESS聯(lián)盟更好地發(fā)揮性能,獲取更多收益.

圖12 聯(lián)盟中標(biāo)情況Fig.12 Bid-winning situation of each entity

對(duì)比表3和表4可知,在規(guī)格同樣為60 MW·h/40 MW·h的ESS機(jī)組參與市場(chǎng)時(shí),以S1為例,在能量市場(chǎng)中獨(dú)立式收益明顯高于聯(lián)盟式,約超出聯(lián)盟式25.25%;但是在調(diào)頻市場(chǎng)中,聯(lián)盟式收益遠(yuǎn)超獨(dú)立式,約超出76.57%.再次驗(yàn)證ESS參與調(diào)頻市場(chǎng)對(duì)其收益而言具有極大的優(yōu)勢(shì).

對(duì)比表3和表4可知,整體收益聯(lián)盟式遠(yuǎn)高于獨(dú)立式.這是因?yàn)镾1和S2在時(shí)間和能量上“互補(bǔ)”,極大地提高聯(lián)盟式的調(diào)節(jié)能力,提升其競爭優(yōu)勢(shì),使整體中標(biāo)量上升、投資回報(bào)率提高,這將刺激ESS的投資和商業(yè)化.否則,根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理,若聯(lián)盟式收益低于獨(dú)立式,ESS個(gè)體將退出聯(lián)盟.但是值得注意的是,這并不意味著所有機(jī)組參與聯(lián)盟式時(shí)都會(huì)大于獨(dú)立式,不同機(jī)組面臨的條件不同,收益也會(huì)有所不同.

4.4 共享式

以S1作為共享ESS商租賃自身容量為例進(jìn)行分析.共享ESS需要預(yù)留部分容量給不同的簽約客戶,未簽約的剩余容量參與市場(chǎng)交易.本文假設(shè)簽約65%的容量留給簽約客戶執(zhí)行共享ESS功能,剩余容量進(jìn)行市場(chǎng)化交易.共享ESS需要在日前和實(shí)時(shí)市場(chǎng)不斷進(jìn)行優(yōu)化,后續(xù)可進(jìn)行容量配比最優(yōu)化拓展,不做過多分析.

如圖13所示,圖中P′為功率,ESS在設(shè)定的場(chǎng)景下選擇以共享ESS租賃,但是實(shí)際上每個(gè)時(shí)刻額定容量并未全部消耗完畢.這是因?yàn)樽陨淼乩砦恢靡约俺杀镜南拗?使得ESS做出最優(yōu)規(guī)劃,選擇使自己獲利最大的一種策略.在同樣的地理位置假設(shè)全部容量均留給用戶,用戶可能仍然無法全部消耗.因此對(duì)于共享ESS來說,需要制定一定的懲罰因子以及“激勵(lì)制度”,使得用戶承擔(dān)一些風(fēng)險(xiǎn)與收益.此外,ESS租賃容量存在使用高峰期,比如9:00—16:00,因此建議共享ESS在進(jìn)行容量預(yù)留時(shí),設(shè)計(jì)時(shí)刻分段施行,從而制定更加合理的預(yù)留容量方案.

圖13 儲(chǔ)能中標(biāo)情況Fig.13 Bidding situation of ESS

S1的能量市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)、租賃市場(chǎng)收益分別為 2 782.18、7 324.82、11 940.06元,總收益為22 077.06 元.對(duì)比表3和表4可以看出,在設(shè)定場(chǎng)景下,根據(jù)ESS的收益,共享式ESS處于第三位置.本文未分析共享ESS的最優(yōu)配比,旨在說明對(duì)于ESS來說,閑置容量參與市場(chǎng)也許不能使得自己利潤最大化,需要進(jìn)一步考慮ESS的控制策略.

5 結(jié)論

針對(duì)電力市場(chǎng)放開以及電力市場(chǎng)低碳轉(zhuǎn)型應(yīng)用趨勢(shì)雙重背景,從獨(dú)立式、聯(lián)盟式、共享式3個(gè)角度提出3種規(guī)模化儲(chǔ)能參與市場(chǎng)的商業(yè)模式和出清機(jī)制,結(jié)論如下:

(1) 獨(dú)立式可通過直接交易的方式獲得保障利用小時(shí)數(shù)之外的發(fā)電量,直接放開購售電選擇權(quán),有助于形成多買家多賣家的競爭性市場(chǎng)格局.但獨(dú)立式自身調(diào)節(jié)能力及反應(yīng)能力要求較為嚴(yán)格,適合特大型儲(chǔ)能參與.

(2) 聯(lián)盟式交易將分散的規(guī)模化儲(chǔ)能整合儲(chǔ)能聯(lián)盟,實(shí)現(xiàn)資源統(tǒng)一調(diào)度,增加儲(chǔ)能市場(chǎng)競爭力和投資回報(bào)率.由于儲(chǔ)能聯(lián)盟個(gè)體之間在時(shí)間及調(diào)節(jié)能力上具有“互補(bǔ)性”,所以十分適合一般的規(guī)模化儲(chǔ)能參與.對(duì)于特大型規(guī)模化儲(chǔ)能,聯(lián)盟參與可能限制其能力.

(3) 共享式商業(yè)模式使得共享過程中儲(chǔ)能資源利用率得到提高,擁有者獲得額外收益,從而縮短成本回收周期,推動(dòng)源網(wǎng)荷各端儲(chǔ)能能力全面釋放.此種模式具有極大的開放性,對(duì)于GW·h和MW·h等一系列的規(guī)模化儲(chǔ)能均能包容,但是不能保證其收益最優(yōu)化,因此選擇此模式需提前估計(jì)收益.