独立储能的现货电能量与调频辅助服务市场出清协调机制附Matlab代码

最新推荐文章于 2025-11-26 18:45:00 发布

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🔥 内容介绍

在能源转型的大背景下，可再生能源在电力系统中的占比持续攀升。然而，其固有的间歇性与波动性给电力系统的稳定运行带来了前所未有的挑战，对系统的灵活性与可靠性提出了更高要求。独立储能系统（Independent Energy Storage System, IESS）凭借快速响应、灵活调控等显著特性，成为缓解这一困境的关键手段。IESS 不仅能够在电力供需失衡时提供电能量支持，还能凭借其卓越的动态调节能力，为电力系统高效地提供调频、调压及备用等辅助服务。

构建一套科学合理、行之有效的协调 IESS 参与现货电能量市场与调频辅助服务市场出清的机制，对于全方位提升电力系统的运行效率、大力促进可再生能源的消纳、切实降低系统整体运行成本而言，具有举足轻重的意义。它能够充分挖掘 IESS 的潜力，优化资源配置，保障电力系统安全、稳定、经济运行，推动电力行业朝着绿色、可持续方向发展。因此，深入研究这一协调机制具有极高的理论价值与迫切的现实需求。

二、现货电能量与调频辅助服务市场特性及 IESS 参与现状

2.1 现货电能量市场特性及 IESS 参与方式

现货电能量市场聚焦于电力在实时状态下的平衡调配，其出清价格犹如灵敏的 “晴雨表”，精准反映着电力系统瞬间的供需关系。在这个市场中，IESS 以独立市场主体身份参与竞争，通过精心制定竞价策略获取电能量交易契机。其报价过程极为复杂，需综合权衡自身充放电效率、电池剩余寿命、当前及预测的电能量价格走势等多重因素。从本质上讲，IESS 参与现货电能量市场的核心目标在于实现自身经济效益最大化，尽可能在电价波动中捕捉高收益时机，例如在低谷电价时段吸纳电能储存，于高峰电价时段释放储存电能，从中赚取差价利润。

2.2 调频辅助服务市场特性及 IESS 参与优势

调频辅助服务市场的核心使命是全力维护电力系统的频率稳定性。当系统频率因各类扰动偏离额定值时，市场迅速响应，要求参与者即刻提供向上或向下的调频功率，及时补偿频率偏差，确保系统频率始终稳定在安全区间。IESS 投身该市场具备得天独厚的优势，其响应速度堪称 “闪电级别”，能在毫秒级时间内完成充放电状态切换，输出精准的调频功率。并且，IESS 提供的调频服务以功率为计价单位，由于其服务的及时性与重要性，市场定价通常显著高于现货电能量市场价格。IESS 参与调频辅助服务市场，不仅有力保障了系统的稳定运行，自身也能收获可观的服务补偿收益，实现社会效益与经济效益的双赢。

2.3 当前 IESS 在两个市场参与中面临的问题

尽管 IESS 具备参与两个市场的潜力，但当前电力市场机制在设计之初主要面向传统发电机组，对 IESS 独特特性的考量存在明显不足。在现货市场，结算周期往往过长，无法精准匹配 IESS 快速充放电的卓越特性，致使其在市场中的价值被严重低估。在辅助服务市场，现有的定价机制未能充分彰显 IESS 快速响应服务的稀缺价值，未能合理反映其对系统稳定性的巨大贡献。

从技术层面看，IESS 自身的充放电功率上限、有限的储能容量以及循环寿命衰减等技术瓶颈，极大限制了其在电能量和调频市场中的参与深度与广度。如何巧妙规避这些技术约束，深度挖掘 IESS 潜力，优化其充放电策略，成为提升收益的关键难题。同时，电网调度机构与 IESS 之间存在严重的信息不对称问题。调度机构难以实时、精准掌握 IESS 的实时运行状态、剩余储能容量等关键信息，这极易导致下达的调度指令不合理，不仅无法充分发挥 IESS 效能，甚至可能因不当操作对 IESS 设备造成不可逆的损害。

此外，IESS 同时涉足电能量市场与调频辅助服务市场时，面临棘手的容量分配难题。在不同市场需求各异、瞬息万变的情况下，如何科学、合理地在两个市场间分配有限的储能容量，避免出现顾此失彼的容量冲突，确保各市场需求均能得到有效满足，成为横亘在实现 IESS 收益最大化道路上的一道难关。再者，IESS 的计量与结算工作相较于传统机组更为复杂，亟需构建一套全面、完善的计量体系，精确计量其在各个市场提供的多元服务，并据此进行公平、公正、合理的结算，以保障各方利益。

三、独立储能参与两个市场的冲突与耦合分析

3.1 决策目标冲突

IESS 在现货电能量市场与调频辅助服务市场的决策目标存在显著的内在冲突。在现货电能量市场，为追求经济利益最大化，IESS 可能倾向于在电价高企时段集中大量放电，将储存的电能高价售出。然而，这一行为会导致其储能容量迅速下降，可用于参与调频辅助服务的能量大幅减少，当系统出现频率波动需要调频支持时，IESS 因储能不足无法及时、足额提供调频功率，严重威胁系统频率稳定性。反之，若 IESS 为确保调频辅助服务的可靠性与高效性，始终预留充足的储能容量，维持较高的储能水平，那么在现货电能量市场中，其可用于交易的电量将受到极大限制，错过电价波动带来的高收益时机，直接导致经济收益减少。这种决策目标的冲突使得 IESS 在两个市场间的运营决策陷入两难困境。

3.2 出清结果耦合

两个市场的出清结果并非相互独立，而是存在紧密的耦合效应。具体而言，现货电能量市场的出清结果会对 IESS 的储能状态产生直接影响，进而深刻改变其在调频辅助服务市场中的竞争力与参与能力。例如，若 IESS 在现货电能量市场中大量放电，其储能容量锐减，当调频辅助服务市场需要其提供调频功率时，可能因储能不足无法满足市场对调频容量和响应速度的严苛要求，在激烈的市场竞争中被淘汰出局，失去获取调频服务补偿收益的机会。反之，若 IESS 在调频辅助服务市场中频繁参与调频动作，消耗大量储能，也会影响其后续在现货电能量市场中的电量储备与交易策略，降低其在电能量市场的收益潜力。这种出清结果的耦合进一步增加了 IESS 统筹参与两个市场的复杂性与难度。

四、独立储能参与现货电能量与调频辅助服务市场出清协调机制构建

4.1 完善市场机制

缩短现货市场结算周期
：当前较长的现货市场结算周期与 IESS 快速充放电的特性严重不匹配，无法及时、准确地反映 IESS 在电能量市场中的真实价值。应大幅缩短结算周期，使其能够紧密跟踪电力市场的实时动态变化，契合 IESS 快速响应的优势，让 IESS 在频繁的充放电操作中，其价值能够在市场价格中得到及时、合理的体现，提升 IESS 参与现货电能量市场的积极性与收益水平。
建立灵活的辅助服务定价机制
：摒弃传统单一、固定的辅助服务定价模式，采用基于性能指标的灵活定价机制。对于 IESS 提供的调频辅助服务，依据其响应速度的快慢、调节精度的高低、持续服务时间的长短等关键性能指标进行综合定价。例如，对于能够在极短时间内快速响应且调节精度极高的 IESS，给予更高的服务价格，充分彰显其快速响应服务的独特价值，激励 IESS 不断提升服务质量与性能。
设计专门针对 IESS 的市场产品
：充分考量 IESS 的技术特点与优势，量身定制专属的市场产品。比如，开发 “快速调频产品”，明确规定该产品需在极短时间内（如几毫秒到数秒）提供精准的调频功率，满足系统对快速频率响应的迫切需求；推出 “容量备用产品”，要求 IESS 在特定时段内保持一定的储能容量作为备用，随时响应系统调用，保障电力系统在突发情况下的电力供应安全。通过这些专属产品，为 IESS 开辟更广阔、更契合其特性的市场空间，增强其市场竞争力。

4.2 优化调度策略

考虑 IESS 的技术约束
：在对 IESS 进行调度安排时，必须将其充放电功率限制、有限的储能容量以及循环寿命衰减等技术因素纳入核心考量范畴。制定科学合理的调度计划，避免因过度追求经济效益或系统应急需求而对 IESS 进行过度充放电操作，防止设备过早老化损坏，确保 IESS 在安全、稳定的前提下，持续高效地参与市场运行。
建立预测模型
：借助大数据分析、机器学习等先进技术手段，充分挖掘 IESS 的历史运行数据以及电力市场的实时数据。构建高精度的 IESS 充放电功率预测模型，对不同时段、不同市场条件下 IESS 的充放电需求与功率变化进行精准预测。以此为基础，电网调度机构能够提前制定更为合理、精准的调度策略，提高对 IESS 的调度精度与效率，实现资源的优化配置。
采用优化算法
：引入先进的优化算法，如动态规划算法，通过对 IESS 在不同时段、不同市场状态下的充放电策略进行动态规划，综合考虑电能量价格波动、调频服务价格差异、储能容量变化等因素，寻求最优的充放电路径，实现 IESS 在两个市场中的收益最大化。或者运用模型预测控制算法，根据电力系统的实时运行状态与预测趋势，滚动优化 IESS 的充放电策略，使其始终能够适应复杂多变的市场环境与系统需求。

4.3 加强信息共享

建立信息平台
：搭建一个功能强大、安全可靠的信息交互平台，实现 IESS 与电网调度机构之间的信息实时、双向共享。IESS 能够通过该平台及时向调度机构上传自身的运行状态信息，包括当前的充放电功率、实时储能容量、设备健康状况等；电网调度机构则可将电力系统的实时运行参数，如系统频率、负荷变化情况、市场价格信号等关键信息精准传递给 IESS。通过这种高效的信息共享，消除双方之间的信息不对称，为科学决策与合理调度提供坚实的数据支撑。
提高预测精度
：电网调度机构应加大在技术研发与数据处理方面的投入，运用先进的气象预测模型、负荷预测算法以及机器学习技术，对可再生能源发电的不确定性进行更为精准的预测。结合 IESS 的预测充放电功率，综合考虑电力系统的整体供需平衡与稳定性需求，制定更为科学、合理的调度计划，提升对 IESS 的调度水平，充分发挥其在平衡电力供需、稳定系统频率方面的关键作用。

4.4 建立协调机制

集中优化
：采用集中式优化方法，将现货电能量市场与调频辅助服务市场纳入一个统一的大规模优化模型框架中。在该模型中，综合权衡两个市场的多元需求，如电能量市场的电量平衡需求、调频辅助服务市场的频率稳定需求，以及 IESS 自身的技术约束和运行成本等因素。通过运用大规模优化算法，对 IESS 的容量在两个市场间进行全局优化分配，寻求整体效益最优解，实现电力系统运行效率与 IESS 经济效益的双重提升。
分阶段优化
：分阶段实施优化策略，首先针对现货电能量市场进行独立出清计算，根据市场供需关系、电价机制以及 IESS 的参与情况，确定 IESS 在电能量市场中的充放电计划与交易电量。然后，将电能量市场的出清结果作为已知条件，纳入调频辅助服务市场的出清模型中。在考虑 IESS 剩余储能容量、系统实时频率偏差以及调频需求的基础上，进行调频辅助服务市场的出清计算，确定 IESS 在调频市场中的参与程度与调频功率输出，从而有效协调两个市场的容量分配，降低决策复杂性。
市场交易平台
：构建一个开放、透明、高效的市场交易平台，允许 IESS 在不同市场之间灵活进行容量交易。当 IESS 在某个市场的容量需求较低而在另一个市场具有更大收益潜力时，可通过该平台将闲置容量转移至更具价值的市场进行交易。例如，在现货电能量市场电价较低、需求疲软时，IESS 可将部分容量出售给调频辅助服务市场，以获取更高的收益。通过这种灵活的容量交易机制，IESS 能够根据市场动态变化及时调整容量分配策略，提高整体收益水平。

五、算例分析

5.1 算例构建

假设某区域电力系统中接入一座额定功率为 100MW、额定容量为 200MWh 的独立储能电站（IESS），其充放电效率高达 95%，电池设计寿命为 10 年。构建包含该 IESS 的现货电能量与调频辅助服务市场出清模型，模拟其在不同市场机制与协调策略下的运行情况。

5.2 参数设置

现货电能量市场价格
：依据该区域历史电力市场数据，生成具有一定波动性的现货电能量市场价格曲线，价格波动范围设定在 0.2 - 0.5 元 /kWh 之间，以模拟实际市场中电价随供需变化的动态特性。
调频辅助服务市场价格
：同样参考历史数据，生成调频辅助服务市场价格曲线，价格波动范围为 0.5 - 1.0 元 / MW，反映调频服务的市场价值及其随系统调频需求变化的情况。
调频需求
：基于该区域电力系统的负荷特性、可再生能源接入比例以及历史频率波动数据，生成符合实际情况的调频需求曲线，调频需求波动范围为 0 - 50MW，用以模拟系统在不同运行工况下对调频功率的需求变化。

5.3 不同协调机制下的出清结果对比

顺次出清结果
：在顺次出清机制下，IESS 首先全力参与现货电能量市场的交易竞争。根据市场价格信号与自身充放电策略，在电价较高时段放电售电，电价较低时段充电储能。完成电能量市场出清后，IESS 依据剩余储能容量，在有限范围内参与调频辅助服务市场。算例结果显示，由于 IESS 将主要精力与储能容量投入现货电能量市场，在该市场中获取了相对较高的收益。然而，其在调频辅助服务市场中的参与程度较低，调频服务收益有限，且对系统频率稳定性的贡献相对不足，系统频率波动相对较大。
联合出清结果
：采用联合出清机制时，将现货电能量市场与调频辅助服务市场纳入统一优化模型进行协同出清。模型充分考虑两个市场的需求以及 IESS 的技术约束，对 IESS 的容量在两个市场间进行优化分配。算例结果表明，IESS 在两个市场中的收益均得到显著提升。在保障系统频率稳定性方面，由于 IESS 能够更合理地分配储能容量用于调频服务，系统频率波动明显减小，频率稳定性得到极大增强。通过对比发现，联合出清机制下 IESS 的总收益相较于顺次出清机制有大幅提高，充分彰显了联合出清机制在优化 IESS 资源配置、提升电力系统综合效益方面的巨大优势。

六、结论与展望

独立储能系统（IESS）参与现货电能量市场与调频辅助服务市场，对提升电力系统稳定性、促进可再生能源消纳及降低运行成本意义重大。但当前市场机制不完善、技术约束、信息不对称及协调难题等阻碍其效能发挥。通过构建涵盖完善市场机制、优化调度策略、加强信息共享及建立协调机制等多方面的出清协调机制，能有效解决上述问题。算例分析表明，联合出清机制在提升 IESS 收益与增强系统频率稳定性上优势显著。

未来，随着电力系统中可再生能源占比持续提高、电力市场改革不断深化，独立储能的作用将愈发关键。后续研究可聚焦于运用更先进的人工智能算法，如深度强化学习，进一步优化 IESS 在复杂多变市场环境下的充放电策略与容量分配方案；探索构建更具前瞻性、适应性的市场机制，充分挖掘独立储能在新兴应用场景（如虚拟电厂、分布式能源协同调度）中的潜力；加强对独立储能与其他新型电力技术（如柔性输电技术、分布式电源）协同运行的研究，推动电力系统向更加清洁、高效、智能、可靠的方向发展，以满足未来能源发展的需求。