该文为国家自然科学基金资助项目成果，2018年7月发表于MPCE第6卷第4期。
引文信息：
Kangning LIU, Qixin CHEN, Chongqing KANG, et al. Optimal operation strategy for distributed battery aggregator providing energy and ancillary services[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2018, 6(4): 722-732
Optimal operation strategy for distributed battery aggregator providing energy and ancillary services
分布式储能电池代理商提供能量和辅助服务的优化运营策略
DOI: 10.1007/s40565-017-0325-9
作者：刘康宁，陈启鑫，康重庆等
分布式、可再生能源和电动汽车的大规模接入，对电网的安全、经济运行提出了更高的要求。装配在需求侧的分布式储能电池不仅可以增加电网的可靠性和安全性，还可以通过参与电力市场获得经济效益。随着“电改9号文”开启中国新一轮的电力体制改革，国内电力零售市场正在开放，为分布式储能电池的发展与应用提供了全新的机遇。考虑到分布式储能电池大量散落在用户端，可通过负荷聚集商、售电商代理的方式，“聚沙成塔”地形成一个聚合的市场主体，并提供电能、调频、调峰等各种服务。因此，代理商如何在聚合大量分布式储能设备的基础上参与市场交易，并根据市场交易的结果在分布式电池之间分配相应的能量与辅助服务，就成为一个重要的研究点，将对代理商与分布式电池的运行收益均产生巨大的影响。本文对分布式电池参与电力市场的机制与商业模式进行了分析，在考虑电池寿命折损、电池运行特性和市场边界条件的前提上，建立了分布式电池代理商参与能量-辅助服务联合市场交易投标的优化运营模型，协同考虑了分布式储能电池间的性能差异，并构建算例，分析了协同优化所产生的经济效益。
1、分布式储能电池相比于集中式储能存在哪些难点？
分布式储能电池往往包括了不同类型、不同工况、不同技术特性的设备，代理商在进行相应的投标与控制优化时，需要具体地考虑不同设备在容量、功率、效率、寿命折损等方面的差异，实现对于分布式储能电池的协同优化，以实现自身的经济收益最大化。
2、代理商代理分布式储能电池参与电力市场的商业模式
代理商制定电力市场的优化竞标策略和具体的分配策略，在电力批发市场统一竞标后，将竞标结果分配到具体的分布式电池实体。在优化竞标方面，分布式储能电池参与电力市场的收益主要来自于两部分：能量市场和辅助服务市场。在能量市场上，分布式储能可以通过负荷预测等方式，结合历史电价采取“高发低储”的策略获得利润。在辅助服务市场上，本文主要考虑的是调频市场，调频市场的主要作用是满足发电和负荷的瞬时平衡，维持频率的稳定。本文参考了美国德州电力市场的市场机制，除了容量收入之外，该机制对于类似储能电池的具有良好的快速响应特性的调频设备给予了额外的调频绩效收入作为奖励。而制定分配策略时，储能代理商除了需要考虑到电池的物理特性差异之外，也需要满足用户自身独特的服务需求。
3、优化运营模型的构建方法
优化运营模型以24小时内利润最大化为目标函数，利润取决于市场收入（能量市场和辅助服务市场）及各种成本（运营成本、电池折损成本和维持成本）。由于电力市场电价可能具有多个场景，所以最终利润为在各个场景下的利润的加权平均值，权重为代理商对于各个电价场景发生的概率预测。本文首先对电池进行了量化建模，模型考虑了电池的成本、功率、容量、能量效率、折损特性和荷电状态（SOC）特性，由此能够在进一步分析中将电池差异化处理；在此基础上，考虑到具体的市场参与场景，建立了竞标模型，并考虑了分布式电池的SOC约束、能量功率约束，建立了分配模型。
4、模型效果
本文的案例研究考察了由代理商运营10组分布式电池参与能量市场和辅助服务市场的商业场景。10组电池除折损率参数差异之外其他参数均相同，从1号到10号，折损率依次递增（即电池的单位老化折损成本依次增加）。代理商整体竞标结果如图1所示，可以看出，代理商的竞标主要集中在调频市场，在能量市场上仅买入电量而不卖出电量，且仅在电价较低时买入电量，所购入的电量用于承担调频时充放电的能量损耗。对比研究表明，若只参与能量市场，在能量市场上套利收益并不足以弥补成本，并不具有经济可行性。储能代理商最主要的获利途径为参与到调频市场中，储能良好的调频响应速度也使得调频绩效电价部分带来的收益较高。图2描述了分布式电池参与能量市场的具体出力分配，可以看出，折损成本最低的电池1号与2号得到优先利用，由此，代理商可以获得能量市场上电池折损成本的最小化。
研究表明，代理商通过聚少成多，具有参与电力批发市场进行投标的能力，并且可以基于分布式电池的特性进行优化，灵活地在不同电池之间分配投标量，使得这种商业模式具有经济可行性。
图1 电池代理商电力批发市场竞标构成
图2 分布式电池在能量市场的具体出力分配
主要作者及团队介绍
刘康宁：清华大学工学学士, 瑞士苏黎世联邦理工学院硕士研究生。主要研究方向：储能系统、电力市场、大数据、机器学习。
陈启鑫：清华大学电机系副教授、博士生导师。主要研究方向：电力市场、低碳电力技术、电力系统调度、负荷预测、能源互联网、大数据。
康重庆：清华大学电机系教授、党委书记、博士生导师，IEEE Fellow，IET Fellow。主要研究方向：电力系统运行与规划、可再生能源、负荷预测、低碳电力技术。
团队介绍：
清华大学智慧能源实验室（Energy IntelligenceLaboratory, EILAB）目前主要从事电力系统规划、调度运行、智能电网、电力市场、负荷预测、可再生能源、低碳电力和综合能源系统等领域的研究工作。近5年团队发表或录用SCI论文70余篇。所研发的负荷预测软件在我国200余家地市电网得到推广应用，发电计划与检修计划软件在全国10余个省级调度中心应用，电力系统运行模拟软件在全国10余个省级经研院或规划中心应用，参与设计了我国新一轮电力体制改革多个试点市场的机制设计。
