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如何设计储能在电力市场中的参与机制?

编者荐语:


近日,国家能源局、发改委印发了《“十四五”新型储能发展实施方案》,提出到2025年,新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段,提出要营造良好市场环境、合理疏导新型储能成本,并拓展新型储能商业模式。本文研究了储能参与市场的机制,供读者讨论。

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储能在未来电力市场中的重要角色


为了达成“2030年碳达峰,2060年碳中和”的目标,作为碳排放大户,电力行业需要构建以新能源为主体的新型电力系统。由于风光出力具有波动性、随机性问题,             具有调峰调频能力的储能的重要性日益凸显,在新型电力系统中不可或缺
随着电力市场化改革在主要发达国家的推进,未来储能资源将主要通过市场机制实现优化配置。然而,储能在效用功能、成本特性、物理约束、装置规模等方面具备特殊性。因此,原先面向源、荷两侧设计的市场机制适应性不足,             需要研究适合储能的参与方式,明确需要调整的机制要素并选择合适的技术路线
本文综述了学界在储能参与市场方面的研究,调研了美国、英国、澳大利亚的业界实践,旨在对储能参与电力市场的交易机制进行系统化梳理,以冀于探索未来机制设计的路径选择与发展方向。

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储能参与市场的研究综述


各类文献从储能的物理特性与市场价值、储能参与市场的框架设计、储能参与批发市场的模型修正、分布式储能参与市场的组织模式等方面展开了综述研究。
部分文献基于储能的物理特性,明确了储能可为电力系统带来的调峰、辅助服务、容量、输电资产等价值,并研究了储能的同种价值在发电侧、电网侧、用户侧、市场侧的不同表现形式。例如,由于储能可以存储能量,在发电侧、电网侧、用户侧分别表现为存储超发电量、缓解调峰压力、错峰用电节约电费的功能,并通过市场中的分时电价信号呈现。

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图1 储能为电力系统和电力市场带来的价值


部分文献探讨了包含储能的市场框架体系设计。有文献将储能视作被管制主体,站在独立系统运营商的角度对其展开直接投资和调度;有文献将储能视作市场主体,研究其投资和交易策略;还有文献以储能使用权为标的,设计了双边合约、保险、拍卖等多种交易工具。
部分文献研究了利用批发市场配置储能的模型。针对储能的荷电状态约束、充放电双向功率流、能量有限性、快速响应性等物理特性,这些文献研究了现有的能量、辅助服务、容量市场模型的不足。
部分文献探索了如何配置配网侧的分布式储能资源。有文献设计了“批发市场-聚合商-储能”的三层架构,以聚合商为媒介帮助储能参与市场,也有文献研究了配网内部的直接交易机制。

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841法案下美国储能参与市场的实践


近年来,随着储能主体数量的增加和总容量的扩大,美国开始尝试赋予储能市场主体的地位。    
2018年出台的841号法案,要求市场公平赋予储能和其他主体一样的地位,并要求市场考虑一些储能特殊的物理特性。    
作为现货市场体系的核心,能量市场能直接产生短期调度结果和价格信号,市场组织者尤其注重其出清模型的修正。加州独立系统运营商以充放电循环为标的,组织储能展开竞价,并允许储能提交期望达到的末尾荷电状态。在美国的宾西法尼亚-新泽西-马里兰(PJM)电力市场中,储能需要提交期望的工作状态,包括充电、放电、连续、不可用四种。    
此外,美国市场在辅助服务、容量市场、输电资产、分布式资源聚合等方面推动了一系列变革,帮助储能在市场中充分实现其价值。    

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图2 美国推动储能参与的市场改革措施

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英国和澳大利亚储能参与市场的实践


与美国全电量出清的模式不同,英国的市场主体需在日前自主申报发用电计划,并在实时不平衡市场中交易上下调量。储能有两种参与市场的方式:一是提前通过双边谈判或在交易所交易购入或出售电能,明确交割电力曲线并在日前提交二是参与实时的平衡市场,依靠自身的灵活性提供上下调量。此外,英国也允许储能参与辅助服务市场和容量市场,获取多种收益。
澳大利亚和美国市场一样执行全电量出清的模式,但它缺乏成熟的容量补偿机制。从2021年10月开始,市场的结算细粒度从30分钟降为5分钟,以反映极短供需紧张时段内能量的尖峰价值。

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储能参与市场的关键问题


在设计储能参与市场的机制之前,应当首先明确储能的角色定位。相对作为单一市场主体或单一被管制主体,若储能同时作为市场主体和被管制主体,其多元价值可获得充分实现和奖励,但需要在价格机制、调度利用方面实现充分协调。
利用市场配置储能资源时,需要设计合适的框架,明确与现有市场的融合方式。相比独立的储能使用权市场,若利用现有的市场体系实现储能资源的统一配置,可实现社会福利最大化,但提高了对模型准确度和求解算法效率的要求。
在设计能量市场出清模型时,需要明确储能的优化方式和荷电状态约束的责任方。为了满足不同类型储能的需要,可保留配置储能的多种优化方式。相比储能作为荷电状态责任方,若将独立系统运营商作为责任方,可保证出清结果落在储能运行可行域之内,但大大增加了求解的难度。
在设计价格机制时,需要为储能提供合适的激励。采用按贡献支付的机制代替目前的边际电价机制后,储能的策略性行为得以被有效抑制,但需妥善应对不平衡资金的疏导和市场主体的质疑。
在容量充裕性机制中,需要准确核定储能的容量价值。相比直接折价模式,若采用分段容量系数、有效带负荷能力等方式,理论上可得到较为准确的储能容量价值,但其执行方式需要精细设计。
为充分利用分布式储能资源,需要为分布式储能设计创新性的市场参与模式。若采用聚合商聚合的模式,需要充分考虑批发市场、聚合商、分布式资源间的互动。若采用配网侧直接交易的模式,需要探索交易模式简单的机制,适应小规模主体较低的市场参与意愿和能力。

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对中国储能参与市场的建议


目前,中国开始逐步赋予储能参与市场的独立主体地位:多地开展了调峰、调频、需求侧响应市场部分地区还积极推动现货市场建设,尝试将储能直接纳入现货市场优化体系之中。但是,储能的市场参与依旧面临着准入门槛过高、价格激励信号不完善等问题。    
本文结合学界的研究进展、各国市场的实践探索,对中国储能参与市场的机制设计提出如下建议。    
一方面,需要解决过渡阶段中国一些特色问题,具体包括:明确储能的市场主体定位,并探索储能从被管制渠道获取收益的可行性;扩大储能的市场参与范围,促进各类型、各产权储能共同参与市场,并降低准入门槛;形成更有效的调峰、调频价格信号,并逐步向现货市场的分时价格体系过渡。    
另一方面,考虑到先行国家已有的现货市场机制也面临着储能的不适配性,中国在现货建设过程中宜提高市场机制设计的完备性。具体包括:将储能纳入统一的市场运行框架之中,同时探索以储能容量使用权为标的的交易机制;完善能量市场出清模型,使之适应储能的物理特性,并探索不同参与机制对不同类型储能的适用性;考虑现货市场边际电价支付机制下储能潜在的策略性行为,制定更为有效的价格信号;核算储能资源的容量价值时,充分结合尖峰负荷曲线形状、电源结构等系统特性;激励分布式储能投资,积极培育聚合商主体,并探索储能参与配网侧直接交易的模式。    

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结语


本文综述了国内外储能参与市场的研究情况和业界实践,从六个方面归纳了储能参与市场交易的关键机制问题,并对中国储能参与市场提出了政策建议。希望本文的研究成果,能更好地帮助储能参与市场,推动以新能源为主体的新型电力系统构建。

   

延伸阅读

1

姜海洋,杜尔顺,朱桂萍,等.面向高比例可再生能源电力系统的季节性储能综述与展望[J].电力系统自动化,2020,44(19):194-207

2

孙伟卿,向威,裴亮,等.电力辅助服务市场下的用户侧广义储能控制策略[J].电力系统自动化,2020,44(02):68-76.



   
原文发表在《电力系统自动化》2021年第45卷第16期,欢迎品读!      

引文信息


         

陈启鑫,房曦晨,郭鸿业,等.储能参与电力市场机制:现状与展望[J].电力系统自动化, 2021,45(16): 14-28. DOI: 10.7500/AEPS20210227001.

CHEN Qixin, FANG Xichen, GUO Hongye, et al. Mechanism for Participation of Energy Storage in Electricity Market: Status Quo and Prospect[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(16): 14-28. DOI: 10.7500/AEPS20210227001.




作者简介


陈启鑫

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男,通信作者,博士,清华大学电机系长聘副教授、博士生导师,清华大学能源互联网创新研究院副院长,获国家自然科学基金优秀青年课题、青年拔尖人才计划资助,主要研究方向:电力市场、能源互联网、电力系统运行。


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房曦晨

男,清华大学博士研究生,主要研究方向:电力市场、均衡分析。

郭鸿业

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男,博士,清华大学电机系博士后,获博士后面上基金、清华大学“水木学者”项目资助,主要研究方向:电力市场、机器学习、均衡分析、机制设计等。


         
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