CN116845929A - 一种储能参与的电能量与调频辅助服务市场协调出清方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统市场技术领域，公开了一种储能参与的电能量与调频辅助服务市场协调出清方法，该方法针对电能量市场出清，先制定电能量市场投标机制，确定各主体申报参数，再构建电能量市场出清模型，对储能市场收益进行结算；针对调频辅助服务市场出清，先制定调频市场投标机制，确定各主体申报参数，再构建调频市场出清模型，对储能在调频市场中的收益进行结算。实现了电能量与调频辅助服务市场顺次出清和联合出清，同时引入效率因子，对系统快慢调频资源的中标容量进行优化调整；引入动态因子，对系统调频资源在不同调度时段中标里程进行优化。

Description

一种储能参与的电能量与调频辅助服务市场协调出清方法

技术领域

本发明涉及电力系统市场研究领域，尤其涉及一种储能参与的电能量与调频辅助服务市场协调出清方法。

背景技术

随着储能技术的快速发展，储能资源在电力系统中的应用日益广泛。储能资源能够有效实现电能转换、储存和利用，有助于促进可再生能源消纳并提升电力系统运行灵活性。储能的功率调节灵活可控和充放电模式快速切换的技术特性使其能够为电网运行和调度提供不同类型和价值的服务。储能电站同一时段仅参与能量市场或仅参与辅助服务市场时，无法保证系统总购电成本最低，并且可能出现备用价格高于能量价格的情况。储能电站以能量市场和辅助服务市场联合调度的形式参与联合市场交易是必然趋势，同时参与能量市场和辅助服务市场可以更好地保证收益。目前，储能参与多市场联合出清时，在不同类型市场下储能提供的电量需求考虑不够全面，会导致储能充放电行为不合理，从而会使储能放弃参与多市场的机会。由于储能具有较好的调频性能，储能在调频辅助服务市场中的收益较大，因此在辅助服务市场中可以仅考虑调频辅助服务。储能参与调频辅助服务市场的机制对储能的调频收益有重大影响。目前尚未有充分考虑储能特点的电能量及调频辅助服务市场协调出清机制的研究。

在不考虑调频效果对结算影响的情况下，对于调频性能较好的辅助服务供应商来说是不公平的，并且无法促使资源提升其调频性能为系统提升服务质量。现有市场机制中的性能评价指标体系对储能类的非传统调频资源参与调频辅助服务市场的性能评估具有一定的局限性。另一方面，不同调频时段系统的调频需求差异较大，目前的研究大多未考虑系统调频需求变化对调频市场出清价格的影响。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种储能参与的电能量与调频辅助服务市场协调出清方法，可实现电能量与调频辅助服务市场顺次出清和联合出清；考虑了快慢调频资源的调频效果差异和系统调频需求变化，以优化调频信号价格机制，更好发挥储能的市场价值。

本发明公开了一种储能参与的电能量与调频辅助服务市场协调出清方法，其包括以下步骤：

步骤1，构建储能参与的电能量市场出清模型，制定电能量市场投标和定价机制；

步骤2，构建储能参与的调频市场出清模型，制定调频辅助服务市场投标和定价机制；

步骤3，构建储能参与的电能量和调频市场联合出清模型，得到联合出清结果。

作为优选地，所述步骤1具体包括以下步骤：

1)设计电能量市场投标机制，确定储能参与电能量市场需申报的参数；

2)建立电能市场出清数学模型，确定电能量市场的定价机制。

进一步地，所述电能市场出清数学模型包括优化目标和各种约束条件。

可选地，所述电能市场出清模型的优化目标，基于以下表达式表示：

其中，f₁为电能市场出清优化目标；T为出清时段集合；G为发电机组集合；为发电机组g在t时刻的申报电价；/>为发电机组的中标电量；E为储能集合；β_ch,e为储能e充电的单位成本，β_di,e为储能e放电的单位成本；/>为储能e在t时刻的中标充电电量，/>为储能e在t时刻的中标放电电量。

可选地，所述电能市场出清数学模型的约束条件包括：能量平衡约束、发电机组出力约束、发电机组爬坡约束、线路约束、储能充放电功率约束、储能充放电状态变量约束、储能电量约束。

进一步地，电能市场对常规主体采取节点边际电价定价机制；储能收益表达式如下：

其中，E₁为储能在电能市场的收益，将储能的分时充放电功率按分时节点边际价格结算，得到能量套利部分的净利润与充电成本之差；为储能e在t时刻的充电报价，为储能e在t时刻的放电报价。

作为优选地，所述步骤2构建储能参与的调频市场出清模型包括以下步骤：

A.设计调频市场投标机制，确定各主体参与调频市场需申报的参数；

B.建立调频市场出清数学模型，确定调频市场的定价机制。

进一步地，所述调频市场出清数学模型包括优化目标和各种约束条件。

可选地，所述调频市场优化目标为最小化调频成本，基于以下表达式表示：

其中，f₂为系统调频成本；I∈{G,E}为调频资源发电机组和储能的集合，为调频资源i在时段t的效率因子；d^t为调频资源i在时段t的动态因子；k_i为调频资源i的综合调频性能指标；r_i ^t为调频资源i在时段t的调频容量报价；/>为调频资源i在时段t的调频里程报价；/>为调频资源i在时段t中标的调频容量；/>为调频资源i在时段t中标的调频里程。

进一步地，所述调频资源的综合调频性能指标用于量化不同调频资源的调频性能差异，k_i表达式如下：

k_i＝φ₁k_1,i+φ₂k_2,i+φ₃k_3,i

其中，k_1,i表示调频资源i的调节精度，用以衡量调频资源实际调频出力与调频指令信号之间的偏差程度；Q为一个调度周期内调频资源响应指令的次数；为调频资源i响应第q个调频指令信号的实际出力，/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的要求出力；k_2,i表示调频资源i的调节速度，用以衡量调频资源响应调频指令的快慢；/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的起始出力，/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的结束出力；/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的起始时间，/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的结束时间；v_base为调频市场标准调节速度；k_3,i表示调频资源i的响应时间，用以衡量调频资源穿越调节死区的长短；/>为调频资源i接收第q个调频指令信号后的调节死区时间；φ₁为调节精度指标k_1,i的权重系数，φ₂为调节速度指标k_2,i的权重系数，φ₃为响应时间k_3,i指标的权重系数，可通过历史数据和运行经验确定。

进一步地，所述调频资源的效率因子为在满足同样调频需求时所需的传统调频资源容量与储能快速调频资源容量的比值，用来对储能调频资源的价值进行衡量，可实现对调频辅助服务市场任意调度周期内不同类型调频资源中标调频容量进行优化；所述效率因子可表示为：

其中，为调频资源i在时段t的效率因子；/>为调频资源i在时段t的综合调频性能指标；/>为所有火电机组综合调频性能指标加权平均值；G为调度周期火电机组总数；/>为火电机组g在时段t的综合调频性能指标；/>为参与调频市场的火电机组g在时段t的可调节容量。

进一步地，所述调频资源的动态因子为任意调度时段系统调频需求容量与上一个调度时段系统调频需求容量的比值，可用来描述调频资源在不同调度时段需求容量变化对调频价格信号的作用，引导储能调频资源更理性地参与调频辅助服务市场；所述动态因子可表示为：

其中，d^t为任意调频资源在时段t的动态因子；为电力系统在时段t的调频容量需求，/>为电力系统在时段t-1的调频容量需求。

可选地，所述调频市场出清数学模型的约束条件包括：系统调频容量约束、系统调频里程约束、调频资源的最大调频容量约束。

进一步地，边际调频资源的价格由里程成本、容量成本和机会成本组成。市场的调频里程价格为边际调频资源的调频里程价格，调频容量价格为边际调频资源价格减去边际调频里程价格，调频收益表达式如下：

其中，E₂为调频市场的收益；为边际调频资源i在时段t的价格；N为边际调频资源总数。

作为优选地，所述步骤3的联合出清模型包括构建目标函数和约束条件。目标函数同时考虑电能量和调频辅助服务购买总成本的最小化，其表达式如下：

进一步地，所述电能量和调频市场联合出清模型的约束条件包括所述电能市场出清模型的约束条件和所述调频市场出清模型的约束条件。

更进一步地，求解所述储能参与的电能量和调频辅助服务市场联合出清模型，得到联合市场最终出清结果。

本发明的有益效果：1)本发明考虑储能同时参与电能量和调频辅助服务市场的多市场联合出清，对储能提供不同类型服务的电量需求进行充分考虑，可以优化储能的充放电行为；2)本发明通过引入效率因子来表示快慢调频资源的调频差异，可制定出更为合理的调频资源差异化补偿机制，引导储能等快速调频资源积极有序参与调频辅助服务市场；3)本发明通过引入动态因子来表示系统在不同时段调频需求容量变化对调频价格信号的影响，进一步优化调频信号价格机制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据该附图获得其他的附图。

如图1所示，本发明公开了一种储能参与的电能量与调频辅助服务市场协调出清方法，具体包括以下步骤：

S1：设计电能量市场投标机制，确定储能参与电能量市场需申报的参数，并构建储能参与的电能量市场出清模型，制定电能量市场投标和定价机制；

具体的，储能主体提交充放电里程成本分段曲线，充放电里程成本分段曲线包括荷电量状态上下限、额定容量、中标电量上限以及充放电报价；发电机组提交发电成本分段函数，发电成本分段函数包括发电机组中标电量上限、爬坡约束以及报价等。

电能市场出清模型的优化目标的表达式如下：

其中，f₁为电能市场出清优化目标；T为出清时段集合；G为发电机组集合；为发电机组g在t时刻的申报电价；/>为发电机组的中标电量；E为储能集合；β_ch,e为储能e充电的单位成本，β_di,e为储能e放电的单位成本；/>为储能e在t时刻的中标充电电量，/>为储能e在t时刻的中标放电电量。

电能市场出清模型的约束条件包括：能量平衡约束、发电机组出力约束、发电机组爬坡约束、线路约束、储能充放电功率约束、储能充放电状态变量约束、储能电量约束。

电能市场对常规主体采取节点边际电价定价机制。储能收益表达式如下：

其中，E₁为储能在电能市场的收益，将储能的分时充放电功率按分时节点边际价格结算，得到能量套利部分的净利润与充电成本之差；为储能e在t时刻的充电报价，为储能e在t时刻的放电报价。

S2：设计调频市场投标机制，确定储能参与调频市场需申报的参数，并构建储能参与的调频市场出清模型，制定调频市场投标和定价机制；

具体的，参与调频的市场主体申报调频容量价格、调频里程价格、最大调频容量以及储能的基准电量。

调频市场出清模型的优化目标为最小化调频成本，基于以下表达式表示：

其中，f₂为系统调频成本；I∈{G,E}为调频资源发电机组和储能的集合，为调频资源i在时段t的效率因子；d^t为调频资源i在时段t的动态因子；k_i为调频资源i的综合调频性能指标；r_i ^t为调频资源i在时段t的调频容量报价；/>为调频资源i在时段t的调频里程报价；/>为调频资源i在时段t中标的调频容量；/>为调频资源i在时段t中标的调频里程。

调频资源的综合调频性能指标用于量化不同调频资源的调频性能差异，k_i表达式如下：

k_i＝φ₁k_1,i+φ₂k_2,i+φ₃k_3,i

其中，k_1,i表示调频资源i的调节精度，用以衡量调频资源实际调频出力与调频指令信号之间的偏差程度；Q为一个调度周期内调频资源响应指令的次数；为调频资源i响应第q个调频指令信号的实际出力，/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的要求出力；k_2,i表示调频资源i的调节速度，用以衡量调频资源响应调频指令的快慢；/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的起始出力，/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的结束出力；/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的起始时间，/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的结束时间；v_base为调频市场标准调节速度；k_3,i表示调频资源i的响应时间，用以衡量调频资源穿越调节死区的长短；/>为调频资源i接收第q个调频指令信号后的调节死区时间；φ₁为调节精度指标k_1,i的权重系数，φ₂为调节速度指标k_2,i的权重系数，φ₃为响应时间k_3,i指标的权重系数，可通过历史数据和运行经验确定。

随着系统调频缺额不断增加，调频市场开始鼓励储能等快速调频资源加入调频，并对市场机制进行改进，以适应储能参与。储能作为快速调频资源能以更少的容量来达到同样的调频目的，具有更好的调频效果。引入效率因子对调频辅助服务市场任意调度周期内不同类型调频资源中标调频容量进行优化，提升调频市场公平性。效率因子可表示为：

其中，为调频资源i在时段t的效率因子；/>为调频资源i在时段t的综合调频性能指标；/>为所有火电机组综合调频性能指标加权平均值；G为调度周期火电机组总数；/>为火电机组g在时段t的综合调频性能指标；/>为参与调频市场的火电机组g在时段t的可调节容量。

电力系统发电和用电的不确定性会导致电网频率随机波动，系统调频需求容量随时间动态变化。当系统调频需求容量减少时，需要退出部分调频资源，引导其参与到其他电力市场中获得利益；当系统调频需求容量增加时，需要吸引更多的调频资源参与调频市场，保障电力系统安全稳定运行。调频需求容量的动态变化对调频资源的中标容量和出清价格影响重大，引入动态因子来描述调频资源在不同调度时段需求容量变化对调频价格信号的作用，可引导储能调频资源更理性地参与调频辅助服务市场。动态因子可表示为：

其中，d^t为任意调频资源在时段t的动态因子；为电力系统在时段t的调频容量需求，/>为电力系统在时段t-1的调频容量需求。

调频市场出清数学模型的约束条件包括：系统调频容量约束、系统调频里程约束、调频资源的最大调频容量约束。

边际调频资源的价格由里程成本、容量成本和机会成本组成。市场的调频里程价格为边际调频资源的调频里程价格，调频容量价格为边际调频资源价格减去边际调频里程价格，调频收益表达式如下：

其中，E₂为调频市场的收益；为边际调频资源i在时段t的价格；N为边际调频资源总数。

S3：构建储能参与的电能量和调频市场联合出清模型，得到联合出清结果。

联合出清模型目标函数同时考虑电能量和调频辅助服务购买总成本的最小化，其表达式如下：

联合出清模型的约束条件包括电能市场出清模型的约束条件和调频市场出清模型的约束条件。求解所述储能参与的电能量和调频辅助服务市场联合出清模型，得到联合市场最终出清结果。

采用上述技术方案后，本发明具有以下优点：1)本发明考虑储能同时参与电能量和调频辅助服务市场的多市场联合出清，对储能提供不同类型服务的电量需求进行充分考虑，可以优化储能的充放电行为；2)本发明通过引入效率因子来表示快慢调频资源的调频差异，可制定出更为合理的调频资源差异化补偿机制，引导储能等快速调频资源积极有序参与调频辅助服务市场；3)本发明通过引入动态因子来表示系统在不同时段调频需求容量变化对调频价格信号的影响，进一步优化调频信号价格机制。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种储能参与的电能量与调频辅助服务市场协调出清方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构建储能参与的电能量市场出清模型，制定电能量市场投标和定价机制；

步骤2，构建储能参与的调频市场出清模型，制定调频辅助服务市场投标和定价机制；

步骤3，构建储能参与的电能量和调频市场联合出清模型，得到联合出清结果；

所述步骤1具体包括以下步骤：

1)设计电能量市场投标机制，确定储能参与电能量市场需申报的参数；

2)建立电能市场出清模型的优化目标和约束条件，确定电能量市场的定价机制；

所述电能市场出清模型的优化目标表达式如下：

其中，f₁为电能市场出清优化目标；T为出清时段集合；G为发电机组集合；为发电机组g在t时刻的申报电价；/>为发电机组的中标电量；E为储能集合；β_ch,e为储能e充电的单位成本，β_di,e为储能e放电的单位成本；/>为储能e在t时刻的中标充电电量，/>为储能e在t时刻的中标放电电量；

所述电能市场出清模型的约束条件包括：能量平衡约束、发电机组出力约束、发电机组爬坡约束、线路约束、储能充放电功率约束、储能充放电状态变量约束和储能电量约束；

电能市场对常规主体采取节点边际电价定价机制，储能收益表达式如下：

其中，E₁为储能在电能市场的收益，将储能的分时充放电功率按分时节点边际价格结算，得到能量套利部分的净利润与充电成本之差；为储能e在t时刻的充电报价，/>为储能e在t时刻的放电报价；

所述步骤2构建储能参与的调频市场出清模型包括以下步骤：

A.制定调频市场投标机制，确定各主体参与调频市场需申报的参数；

B.建立调频市场出清模型的优化目标和各种约束条件，确定调频市场的定价机制。

所述调频市场出清模型的优化目标为最小化调频成本，基于以下表达式表示：

其中，f₂为系统调频成本；I∈{G,E}为调频资源发电机组和储能的集合，为调频资源i在时段t的效率因子；d^t为调频资源i在时段t的动态因子；k_i为调频资源i的综合调频性能指标；/>为调频资源i在时段t的调频容量报价；/>为调频资源i在时段t的调频里程报价；/>为调频资源i在时段t中标的调频容量；/>为调频资源i在时段t中标的调频里程；

所述调频市场出清模型的约束条件包括：系统调频容量约束、系统调频里程约束和调频资源的最大调频容量约束；

边际调频资源的价格由里程成本、容量成本和机会成本组成；调频收益表达式如下：

其中，E₂为调频市场的收益；为边际调频资源i在时段t的价格；N为边际调频资源总数；

所述步骤3的联合出清模型包括构建目标函数和约束条件，目标函数同时考虑电能量和调频辅助服务购买总成本的最小化，其表达式如下：

所述联合出清模型的约束条件包括所述电能市场出清模型的约束条件和所述调频市场出清模型的约束条件。

2.如权利要求1所述的一种储能参与的电能量与调频辅助服务市场协调出清方法，其特征在于，所述调频资源i的综合调频性能指标k_i用于量化不同调频资源的调频性能差异，k_i表达式如下：

k_i＝φ₁k_1,i+φ₂k_2,i+φ₃k_3,i

其中，k_1,i表示调频资源i的调节精度，用以衡量调频资源实际调频出力与调频指令信号之间的偏差程度；Q为一个调度周期内调频资源响应指令的次数；为调频资源i响应第q个调频指令信号的实际出力，/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的要求出力；k_2,i表示调频资源i的调节速度，用以衡量调频资源响应调频指令的快慢；/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的起始出力，/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的结束出力；/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的起始时间，/>为调频资源i响应第q个调频指令信号的结束时间；v_base为调频市场标准调节速度；k_3,i表示调频资源i的响应时间，用以衡量调频资源穿越调节死区的长短；/>为调频资源i接收第q个调频指令信号后的调节死区时间；φ₁为调节精度指标k_1,i的权重系数，φ₂为调节速度指标k_2,i的权重系数，φ₃为响应时间k_3,i指标的权重系数，可通过历史数据和运行经验确定。

3.如权利要求1所述的一种储能参与的电能量与调频辅助服务市场协调出清方法，其特征在于，所述调频资源i在时段t的效率因子l_i ^t为在满足同样调频需求时所需的传统调频资源容量与储能快速调频资源容量的比值，用来对储能调频资源的价值进行衡量，实现对调频辅助服务市场任意调度周期内不同类型调频资源中标调频容量进行优化；所述效率因子表示为：

其中，为调频资源i在时段t的综合调频性能指标；/>为所有火电机组综合调频性能指标加权平均值；G为调度周期火电机组总数；/>为火电机组g在时段t的综合调频性能指标；/>为参与调频市场的火电机组g在时段t的可调节容量。

4.如权利要求1所述的一种储能参与的电能量与调频辅助服务市场协调出清方法，其特征在于，任意一个调频资源在时段t的动态因子d^t为任意调度时段系统调频需求容量与上一个调度时段系统调频需求容量的比值，可用来描述调频资源在不同调度时段需求容量变化对调频价格信号的作用，引导储能调频资源更理性地参与调频辅助服务市场；所述动态因子表示为：

其中，为电力系统在时段t的调频容量需求，/>为电力系统在时段t-1的调频容量需求。