储能友好型频率响应服务市场：英国视角

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0068

储能友好型频率响应服务市场：英国视角

范馥麟^,¹, 李军徽^,², 严干贵¹, 李翠萍²

1.思克莱德大学能源与环境学院，英国格拉斯哥 G1 1XW

2.现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学)，吉林吉林 132012

Energy storage-friendly frequency response service markets： The UK perspective

FAN Fulin^,¹, LI Junhui^,², David CAMPOS-GAONA¹, YAN Gangui²

1.Institute for Energy and Environment, University of Strathclyde, Glasgow G1 1XW, UK

2.Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology, Ministry of Education (Northeast Electric Power University), Jilin 132012, Jilin, China

通讯作者: 李军徽，博士，教授，主要研究方向为新能源发电与储能技术，E-mail：lijunhui@neepu.edu.cn。

收稿日期: 2022-02-15 修回日期: 2022-03-20

基金资助:

吉林省自然科学基金联合基金项目. 2020122352JC

Received: 2022-02-15 Revised: 2022-03-20

作者简介 About authors

范馥麟（1990—），男，博士，副研究员，主要研究方向为电力系统与电力市场，E-mail：f.fan@strath.ac.uk； E-mail：f.fan@strath.ac.uk。

摘要

首先综述了自2016年起英国频率响应服务市场的储能友好型逐步改革，包括：引入含双频率响应曲线的增强频率响应服务，允许储能运营商根据荷电状态，在两条响应曲线间提供服务；缩短服务竞标周期至每周或日前，使储能运营商能够更准确地预估其在服务周期内的可用性；缩短服务费用评估周期，并引入特定能量状态规则，以降低储能运营商的潜在市场经济风险；规定最低频率响应时长，以降低储能运营商的市场准入门槛；发展终极频率响应产品(动态遏制、动态稳定、动态调节)，加强市场的标准化与透明化建设。为了直观地展示储能系统在最新频率响应服务市场下的运营，基于动态稳定服务的最新技术要求与市场机制，模拟了某兆瓦级锂电池储能系统向英国输电网提供动态稳定服务，并根据其一小时后结算期的初始荷电状态预测值，提交相应运行基线以进行能量管理。然后通过计算储能系统的能量状态与响应误差，确定了该储能运营商是否服从终极服务市场的特定能量状态规则及其在市场中的收益；并基于锂电池储能系统当前价格及其生命周期能量吞吐量模型，分析并讨论了该储能运营商在储能友好型市场改革下的盈利性。所设计并模拟的储能系统运行策略充分考虑了终极频率响应服务的特有市场机制，通过接近实时的能量管理，确保储能系统能够交付所需频率响应；尤其在终极频率响应服务市场的发展初期阶段，为储能系统运营商提供了有针对性与创新性的运营方案。

关键词： 电池储能系统 ; 频率响应服务市场 ; 储能友好型市场改革 ; 英国视角

Abstract

To counterbalance the reduction of system inertia with increasing renewable generation, the frequency response (FR) service markets in the UK have been reforming to enable procurement from diverse technologies including energy storage systems (ESSs). The Enhanced FR product was introduced in 2016 to allow ESSs to manage the state of energy (SOE) within two envelopes. A two-year weekly auction trial was launched in 2019 to test closer-to-real-time procurement and reduce the financial risk of ESSs by evaluating their performance and payments in each week separately instead of an entire month. In addition, an integrated suite of end-state services has been successively released since 2020 with the phase-out of existing FR services so as to increase the standardisation and transparency of FR markets. The end-end services consisting of Dynamic Containment (DC), Dynamic Moderation (DM) and Dynamic Regulation (DR) deal with different frequency deviation levels and have a limited requirement on full-response duration, which mitigates the barrier to entry for ESSs. The SOE rules are additionally specified to indicate the cases in which ESSs will not be penalised for the under-delivery of DC, DM or DR. Based on the latest technical requirements and procurement/payment mechanisms of DM, this paper simulates the techno-economic operation of a grid-scale lithium-ion battery ESS (BESS) that provides DM to the AC grid while following its operational baselines to restore the SOE. The SOE levels and FR errors of the BESS are calculated to determine its compliance with the SOE rules and under-delivery penalties. Then the DM payment is compared with BESS costs to estimate the net present value at the end of the energy throughput-based lifetime, indicating the profitability of the BESS under the latest energy storage-friendly FR markets. The BESS operating strategy designed here fully considers the specific market mechanisms of end-state FR services, allowing the closer-to-real-time SOE management and meeting the required FR delivery. The specific and novel strategy design and the resulting simulation offer BESS developers with an insight into potential operating scenarios especially at the early stage of end-state FR service markets.

Keywords： battery energy storage system ; frequency response service markets ; energy storage-friendly market reforms ; UK perspective

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本文引用格式

范馥麟, 李军徽, 严干贵, 李翠萍. 储能友好型频率响应服务市场：英国视角[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(4): 1278-1288

FAN Fulin. Energy storage-friendly frequency response service markets： The UK perspective[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(4): 1278-1288

在低碳能源转型进程中，具备快速响应能力的电池储能系统可以极大提升电网的灵活性，促进间歇性可再生能源的消纳^[1-3]。英国国家电网电力系统运营商(National Grid Electricity System Operator，NGESO)主要通过平衡机制、备用服务、频率响应服务来保证电力系统的电力平衡。其中，固定频率响应服务作为现有频率响应容量的主要来源，其招标周期与服务费用评估周期均以月为单位，使电池储能系统等有限容量提供商难以准确预估储能系统在服务月内的可用性并造成了一定的市场收益风险，从而阻碍了储能系统参与频率响应服务市场。为了弥补因大规模可再生能源并网而造成的电网惯性损失，鼓励电池储能系统参与电网平衡调节，NGESO正在逐步改革英国频率响应服务市场^[4-5]，通过标准化频率响应产品、更接近实时的产品采购、允许提交运行基线、缩短服务费用评估周期、引入特定能量状态规则等一系列储能友好型改革举措，降低了有限容量提供商(如电池储能运营商)的市场准入门槛，使其能更准确地预估储能系统在服务周期内的可用性，并保证其在频率响应服务市场中的经济效益。英国频率响应服务市场的改革，一方面使参与市场的服务提供商更加多样，从而增强市场的竞争性与流动性，另一方面，也为电池储能运营商提供了稳定的收益来源，从而促进电池储能项目的投资建设。因此，英国逐步面向储能友好转型的频率响应服务市场具有一定的借鉴意义。本文介绍了自2016年起英国频率响应服务市场的逐步改革，分别阐述了现有产品、过渡产品、终极产品的技术要求、招标采购与费用评估机制，及其对储能系统运营商荷电状态管理与经济收益风险的影响。根据终极频率响应产品的最新市场信息，从技术与经济角度模拟了某兆瓦级锂电池储能系统向英国输电网提供频率响应服务的运营情况；并基于锂电池储能系统成本及其生命周期能量吞吐量模型，评估了在储能友好型频率响应服务市场下投资电池储能项目的经济可行性。针对终极频率响应服务所设计并模拟的储能运行策略直观地展示了储能系统运营商在英国最新频率响应服务市场机制下的运营情况。通过与提供固定频率响应服务的储能系统运行情况对比，体现了引入运行基线与特定能量状态规则对保证储能系统运营商市场经济收益的重要性。

1 英国动态频率响应服务市场

1.1　市场发展概况

为使国家输电网的频率稳定在标准50 Hz左右，英国国家电网电力系统运营商(NGESO)推出了一系列频率响应产品，以快速解决发用电之间的不平衡。部分频率响应容量源自强制频率响应(mandatory frequency response，MFR)服务，由NGESO与符合条件的特定机组签订MFR协议，作为其并网运行的先决条件；剩余所需频率响应容量则由NGESO通过组织相应的频率响应服务市场，以竞标的方式向市场参与者采购^[6]，如每月竞标的固定频率响应(firm frequency response，FFR)服务，包含一次低频响应(primary response)、二次低频响应(secondary response)与高频响应(high frequency response)^[7]。

随着可再生能源发电占比的逐年增长，电力系统惯性的降低迫使NGESO需要更多的频率响应容量来保证电网的安全稳定运行。作为采购更多FFR容量的替代方案，NGESO于2016年推出了为期四年的增强频率响应(enhanced frequency response，EFR)服务^[8]，要求EFR提供商先于FFR提供商做出响应，以减少在电网惯性较低时所需的额外频率响应容量^[9-10]。由于EFR服务的双频率响应曲线设定允许有限容量提供商在频率死区内调整荷电状态，第一次EFR服务竞标中的8位中标者均使用锂电池储能系统，总计提供201兆瓦的EFR容量^[9]。但NGESO随后决定不再采购EFR服务，转而通过改善频率响应产品来获取更快的频率响应，鼓励有限容量提供商参与频率响应服务市场。

由于FFR提供商不允许在频率死区内调整荷电状态^[11]，且FFR服务费用取决于提供商全月的供应表现，FFR市场内的有限容量提供商可能面临极高的经济收益风险。为了使有限容量提供商更准确地预估荷电状态从而及时调整竞标策略，降低其在市场中的经济风险，NGESO于2019年11月推出了一款过渡产品—动态低高(dynamic low high，DLH)频率响应服务^[12]，并启动了为期两年的每周竞价试验，以测试更接近于实时的频率响应服务采购^[13]。作为FFR服务的标准化产品，DLH市场参与者必须提供相同的低高频容量；此外，DLH服务费用由每周的交付表现决定，降低了有限容量提供商的经济风险^[13]。同时，NGESO积极推进终极频率响应产品的发展部署，旨在满足电网对更快频率响应速度的需求，并逐步替代市场内的现有产品，加强频率响应服务市场的标准化与透明化建设。

终极频率响应产品包括动态遏制(dynamic containment，DC)服务、动态稳定(dynamic moderation，DM)服务与动态调节(dynamic regulation，DR)服务，旨在应对不同程度的电网频率误差。其中，DC服务已于2020年10月进入软启动，DM与DR服务计划于2022年投入市场^[14-15]。为了进一步鼓励有限容量提供商参与终极频率响应服务市场，NGESO采用日前竞标的采购方式，以便有限容量提供商更及时准确地根据荷电状态修改竞标策略；并将服务费用评估周期缩短为每4小时的电力远期协议(electricity forward agreement，EFA)时块，极大保证了有限容量提供商的经济效益^[15]。此外，NGESO允许有限容量提供商提交其一小时后的运行基线，用于调整能量状态(state of energy，SOE)；并为其专设了能量状态规则(SOE rules)，以避免其因荷电不足或满荷无法交付所需响应而受到处罚^[16]。当前，终极服务市场仍处于初期阶段，提供商在同一EFA时块只允许提供DC、DM或DR中的一类服务；随着市场的逐步发展，NGESO将制定合适的市场机制以使提供商能够对三类终极产品进行叠加并提供相应的整合服务^[17]。表1列出了上述频率响应产品规定的响应速度、最小容量、竞拍周期与服务费用评估周期。

表1 英国动态频率响应服务技术要求与市场机制

Table 1 Technical requirements and market mechanisms of dynamic frequency response services in the UK

服务	响应速度 /s	最小容量 /min	竞拍周期	赔付评估周期
固定一次低频响应^[7]	10	1/3	每服务月	每服务月
固定二次低频响应^[7]	30	30	每服务月	每服务月
固定高频响应^[7]	10	无限期	每服务月	每服务月
动态低高频率响应^[12]	10	30	每服务周	每服务周
增强频率响应^[8]	1	15	仅一次	每半小时
动态遏制频率响应^[18]	1	15	每服务日	每四小时
动态稳定频率响应^[15]	1	30	每服务日	每四小时
动态调节频率响应^[15]	10	60	每服务日	每四小时

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1.2　固定频率响应(FFR)与动态低高(DLH)频率响应

图1为FFR服务^[19]与DLH服务^[12]的频率响应曲线。FFR提供商可以竞标不同容量的一次低频、二次低频、高频响应服务，而DLH要求必须提供相同容量的低频与高频响应。FFR(或DLH)市场参与者须在每月(或每周)的竞标中明确其将提供的频率响应容量(兆瓦)、EFA时块与相应报价[英镑/(兆瓦·时)]。成功签订协议的FFR或DLH提供商须根据协议容量与图1中的频率响应曲线，向电网提供相应的频率响应。

图1

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图1 FFR或DLH响应曲线

Fig. 1 Response curve of FFR or DLH

FFR(或DLH)提供商在某一服务月 $m$ (或周 $w$ )所获得的服务费用由其在该月(或周)的交付表现决定：NGESO将从该月(或周)的协议EFA时块中任意选取一段半小时样本，计算该样本中FFR(或DLH)提供商实际交付响应的代数和与其所应交付响应的代数和的比值，作为该提供商在该月(或周)的百分比绩效测量(percentage performance measure，PPM)；并依据表2，将其转换为绩效因子(performance factor，PF)，记作 $K_{m}^{F F R}$ 或 $K_{w}^{D L H}$ ，分别代入式(1)或式(2)中计算服务月 $m$ 的FFR服务费用 $R_{m}^{F F R}$ ^[19]或服务周 $w$ 的DLH服务费用 $R_{w}^{D L H}$ ^[12]

R_{m}^{F F R} = K_{m}^{F F R} P_{m}^{F F R} 𝒫_{m}^{F F R} H_{m}^{F F R}

(1)

R_{w}^{D L H} = K_{w}^{D L H} \sum_{e} (P_{w, e}^{D L H} 𝒫_{w, e}^{D L H} H_{w, e}^{D L H})

(2)

其中， $P_{m}^{F F R}$ 与 $𝒫_{m}^{F F R}$ (或 $P_{w, e}^{D L H}$ 与 $𝒫_{w, e}^{D L H}$ )分别代表FFR(或DLH)提供商在服务月 $m$ 的FFR协议容量(兆瓦)与报价价格[英镑/(兆瓦·时)](或在服务周 $w$ 内EFA时块 $e$ 的DLH协议容量与出清价格)； $H_{m}^{F F R}$ (或 $H_{w, e}^{D L H}$ )代表FFR(或DLH)提供商在服务月 $m$ (或周 $w$ 内EFA时块 $e$ )提供有效服务的时长(小时)，即，若该提供商在某半小时结算期(settlement period，SP)无法交付全部所需频率响应，则不能获得该结算期的相应服务费用。基于DLH市场第一年运营期间各EFA时块的出清价格^[20]，图2采用箱线图刻画了服务周内所有42个EFA时块的出清价格分布。DLH服务历史出清价格总体围绕在8英镑/(兆瓦·时)波动，其中7点—11点所对应EFA时块(如EFA3与EFA9)与15点—23点所对应EFA时块(如EFA5、EFA6、EFA11与EFA12)的出清价格偏高。因此，参与DLH服务市场的有限容量提供商在制定竞标策略时，可选择在出清价格偏高的EFA时块提供DLH服务，并利用出清价格偏低的EFA时块调节荷电状态^[21-22]。

表2 FFR或DLH百分比绩效测量与绩效因子转换

Table 2 Conversion from PPM into PF for FFR or DLH

百分比绩效测量	绩效因子
0%～10%	0%
10%～60%	50%
60%～95%	75%
95%～100%	100%

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图2

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图2 周内各EFA时块DLH服务出清价格箱线图

Fig. 2 Boxplots of DLH clearing prices at EFA blocks

1.3　增强频率响应 (EFR)

图3展示了EFR服务的两种双响应曲线设定^[8]，8位中标者均采用了电池储能系统并遵循频率死区较窄的双响应曲线。相较于FFR与DLH的单条响应曲线，双曲线设定使有限容量提供商能够根据自身荷电状态在上下限之间调整频率响应，并允许在频率死区进行一定的荷电状态管理^[23]。

图3

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图3 EFR服务双频率响应曲线设定

Fig. 3 Upper and lower response curves of EFR services

EFR服务费用的评估周期为每半小时结算期，NGESO将根据式(3)评估EFR提供商在某结算期内每秒的绩效测量(second-by-second performance measure，SBSPM)，并计算该结算期内SBSPM的平均值，作为服务绩效测量(service performance measure，SPM)；后依据表3将SPM转换为EFR提供商在该结算期 $s$ 的可利用因子(availability factor，AF)，记作 $K_{s}^{E F R}$ ，并代入式(4)计算其在结算期 $s$ 的服务费用 $R_{s}^{E F R}$ ^[8]：

S B S P M = \{\begin{matrix} \begin{matrix} 1 - \frac{(P_{a c t}^{E F R} - U)}{P_{c o n t}^{E F R}}, \forall P_{a c t}^{E F R} > U \\ 1, \forall L \leq P_{a c t}^{E F R} \leq U \end{matrix} \\ 1 - \frac{(L - P_{a c t}^{E F R})}{P_{c o n t}^{E F R}}, \forall P_{a c t}^{E F R} < L \end{matrix}

(3)

R_{s}^{E F R} = K_{s}^{E F R} P_{c o n t}^{E F R} 𝒫^{E F R} \times 0.5 h

(4)

其中， $P_{c o n t}^{E F R}$ 与 $P_{a c t}^{E F R}$ 分别代表协议EFR容量(兆瓦)与实际交付的频率响应(兆瓦)。若 $P_{a c t}^{E F R}$ 介于频率响应上限 $U$ 与下限 $L$ 之间[见图3(b)]，则SBSPM等于1；否则，SBSPM小于1将使结算期 $s$ 的SPM小于100%，可能导致 $K_{s}^{E F R}$ 低于100%进而造成服务费用 $R_{s}^{E F R}$ 的减少。 $𝒫^{E F R}$ 代表EFR提供商的上报价格。如表4所示，8位EFR提供商的协议EFR容量(或储能系统兆瓦容量)均在10 MW及以上，上报价格平均值约为9.44英镑/(兆瓦·时)^[9]。

表3 EFR服务绩效测量与可利用因子转换

Table 3 Conversion from SPM into AF for EFR

服务绩效测量	可利用因子
0%～50%	0%
50%～75%	50%
75%～95%	75%
95%～100%	100%

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表4 EFR提供商的协议容量与上报价格

Table 4 Contracted EFR capacity and tender prices of providers

EFR提供商	协议容量/MW	上报价格 /[GBP/(MW·h)]
EDF Energy Renewables	49	7
Vattenfall	22	7.45
Low Carbon (Cleator)	10	7.94
Low Carbon (Glassenbury)	40	9.38
E.ON UK	10	11.09
Element Power	25	11.49
Renewable Energy Systems	35	11.93
Belectric	10	11.97

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1.4　终极频率响应(DC，DM，DR)

图4比较了动态遏制(DC)，动态稳定(DM)与动态调节(DR)的频率响应曲线^[14-15]：DC服务多用于应对故障后的严重频率偏差(超过0.2 Hz)，以满足NGESO对更快频率响应(1秒内)的迫切需求；DM服务可对超过0.1 Hz的频率偏差做出快速响应(1秒内)，帮助NGESO将频率维持在运行限制内；响应速度较慢(10秒内)的DR服务则用于修正持续发生的小频率偏差。

图4

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图4 DC，DM与DR频率响应曲线

Fig. 4 Response curves of DC，DM and DR services

在提供DC、DM或DR服务的同时，NGESO允许提供商在未来某结算期的一小时前(即关闸时刻)提交其在该结算期的运行基线(operational baseline，OB)，以帮助有限容量提供商调节能量状态^[16]。此外，NGESO为有限容量提供商设定了能量状态规则(SOE rules)：若有限容量提供商在某EFA时块起始时刻的存储能量与存储空间满足表1中的最小容量要求(minimum energy requirement，MER)，且在每结算期内的能量状态调整总量达到至少MER的20%，则该提供商不会因频率响应交付不足而受到处罚，仍可获取全额服务费用；若有限容量提供商不满足SOE规则，NGESO将计算其在某EFA时块 $e$ 内的最大频率响应误差 $ε_{e}^{D X}$ ，并使用式(5)将 $ε_{e}^{D X}$ 转化为可利用因子 $K_{e}^{D X}$ ，后代入式(6)中评估其在EFA时块 $e$ 的服务费用 $R_{e}^{D X}$ (英镑)^[18]

K_{e}^{D X} = \{\begin{matrix} \begin{matrix} 1, \forall \frac{ε_{e}^{D X}}{P_{e}^{D X}} \leq 3 % \\ 1 - \frac{ε_{e}^{D X} / P_{e}^{D X} - 3 %}{7 % ~ 3 %}, \forall 3 % < \frac{ε_{e}^{D X}}{P_{e}^{D X}} < 7 % \end{matrix} \\ 0, \forall \frac{ε_{e}^{D X}}{P_{e}^{D X}} \geq 7 % \end{matrix}

(5)

R_{e}^{D X} = K_{e}^{D X} P_{e}^{D X} 𝒫_{e}^{D X} H_{e}^{D X}

(6)

其中，上角标 $D X$ 代表DC、DM或DR(当前，提供商在某一EFA时块内只允许提供一类服务)； $P_{e}^{D X}$ 与 $𝒫_{e}^{D X}$ 分别代表提供商在EFA时块 $e$ 的协议容量(兆瓦)与出清价格[英镑/(兆瓦·时)]； $H_{e}^{D X}$ 代表其在EFA时块 $e$ 内提供有效服务的时长(小时)。DC服务市场软启动前三个月的平均出清价格约为17英镑/(兆瓦·时)^[24]，将用于后文的电池储能项目模拟。

2 电池储能项目模拟

本节以动态稳定(DM)服务为例，为参与DM服务市场的某锂电池储能运营商设计了相关运营策略；并根据英国市场信息，建立了该电池储能项目的经济模型。

2.1　电池储能运行模拟

2.1.1　储能系统容量配置

假设某提供商与NGESO协议持续提供容量为1 MW的DM服务，则与低高频响应相对应的最小容量要求MER均为0.5 MW·h，即电池储能容量应至少为1 MW·h(为了直观体现市场机制对储能容量与运行的影响，电池储能的充放电损耗忽略不计)。依据MER与SOE规则要求，该DM提供商可选用1.2 MW/1.5 MW·h的锂电池储能系统：一方面，使储能系统剩余容量在衰减到额定容量的80%时仍可满足MER，另一方面，使储能系统能够遵循0.2 MW的运行基线，在每半小时结算期内回收0.1 MW·h能量(即MER的20%)。值得注意的是，所假设的储能系统容量仅满足DM服务市场的最低准入门槛，并非由优化算法决定。在储能项目建设中，应综合考虑储能系统运营商的市场收益与投资成本，在满足当地并网要求与市场准入门槛的前提下，通过最大化运营商的净收益，评估最优储能系统容量配置与运行策略^[21-23]。

2.1.2　频率响应与运行基线

设储能系统在结算期 $s$ 内时步 $t (t = 1, \dots, T$ )的所需频率响应与运行基线分别为 $P_{s, t}^{D M}$ 与 $P_{s, t}^{O B}$ ，则储能系统所需输出功率 $P_{s, t}^{r e q}$ 等于 $P_{s, t}^{D M}$ 与 $P_{s, t}^{O B}$ 之和。当荷电不足或接近满荷时，储能系统可能无法输出所需功率 $P_{s, t}^{r e q}$ ，其实际功率 $P_{s, t}^{a c t}$ 将受限于式(7)

\underset{̲}{S O E} \leq S O E_{s}^{t} - P_{s, t}^{a c t} ∆ t \leq \bar{S O E}

(7)

其中， $P_{s, t}^{a c t} > 0$ 或 $P_{s, t}^{a c t} < 0$ 分别代表储能系统的放电功率或充电功率(兆瓦)； $∆ t$ 为时步长度(秒)； $S O E_{s}^{t}$ 为时步 $t$ 的初始能量状态(兆瓦时)； $\underset{̲}{S O E}$ 或 $\bar{S O E}$ 分别代表所允许的最小或最大能量状态水平(分别假设为零或储能在老化过程中的剩余容量)。由于运行基线 $P_{s, t}^{O B}$ 不可变更， $P_{s, t}^{a c t}$ 与 $P_{s, t}^{r e q}$ 的差异等同于频率响应误差。储能系统输出功率 $P_{s, t}^{a c t}$ 后，其能量状态将更新为

S O E_{s}^{t + 1} = S O E_{s}^{t} - P_{s, t}^{a c t} ∆ t

(8)

为了调整能量状态以避免频率响应误差或服从SOE规则，该提供商可根据当前能量状态以及已为结算期 $s$ 、( $s$ +1)、( $s$ +2)提交的运行基线，对未来一小时后的结算期( $s$ +3)初始能量状态 $S O E_{s + 3}^{1, p r e}$ 进行预测，并相应地制定结算期( $s$ +3)的运行基线。假设该提供商将在各结算期内遵循一条恒定的运行基线，并将结算期( $s$ +1)与( $s$ +2)的运行基线分别记作 $P_{s + 1}^{O B}$ 与 $P_{s + 2}^{O B}$ ，则在结算期( $s$ +3)的关闸时刻[即结算期 $s$ 结束时刻或结算期( $s$ +1)起始时刻]可通过式(9)预测 $S O E_{s + 3}^{1, p r e}$

S O E_{s + 3}^{1, p r e} = S O E_{s + 1}^{t = 1} - (P_{s + 1}^{O B} + P_{s + 2}^{O B}) \times 0.5 h

(9)

设定第 $d$ 日的理想能量状态水平 $S O E_{d}^{o p}$ 为储能系统日更剩余容量 $E_{d}^{r m}$ 的50%，为了在结算期( $s$ +3)内最大程度上调整至 $S O E_{d}^{o p}$ ，则在关闸时刻为结算期( $s$ +3)提交的运行基线 $P_{s + 3}^{O B}$ 等于

P_{s + 3}^{O B} = m i n [\frac{S O E_{s + 3}^{1, p r e} - S O E_{d}^{o p}}{0.5 h}, \frac{(S O E_{s + 3}^{1, p r e} - S O E_{d}^{o p}) \times 0.2 M W}{|S O E_{s + 3}^{1, p r e} - S O E_{d}^{o p}|}]

(10)

其中， $P_{s + 3}^{O B}$ 不能超过所允许的运行基线最大幅值0.2 MW，即储能系统额定功率1.2 MW与DM协议容量1 MW的差值，以保证储能系统在遵循运行基线时仍可以提供全额频率响应。储能系统在老化过程中的剩余容量 $E_{d}^{r m}$ 将根据储能系统当前放电总量，循环寿命 $N_{c}$ (假设3000次^[2])，以及生命周期吞吐量模型^[25]进行简易评估

E_{d}^{r m} = 1.5 (M W \cdot h) \times [100 % - \frac{\sum_{s} \sum_{t} m a x (P_{s, t}^{a c t}, 0) ∆ t}{1.5 (M W \cdot h) \times N_{c}}]

(11)

2.2　电池储能经济模拟

2.2.1　电池储能成本

锂电池储能系统资本支出主要包含锂电池成本、转换器成本、辅助设备成本；假设三者的单位成本分别为128千英镑/(兆瓦·时)^[26]、66千镑/兆瓦^[27]、锂电池与转换器总成本的30%^[27]，则所选用的1.2 MW/1.5 MW·h锂电池储能系统的总资本支出约为352.56千英镑。此外，假设该储能系统的年运营维护成本约为总资本支出的2%^[27]，即约7.05千英镑/年。值得注意的是，储能系统在英国的并网运行还将涉及申请费、输电网使用费、平衡服务使用费等多种费用，但由于锂电池储能系统的资本支出与运营维护成本一般占项目总成本的比重较高，本文暂未考虑储能系统并网运行的费用^[21-23]。

2.2.2　市场成本收益

假设DM服务出清价格 $𝒫_{e}^{D M}$ 为17英镑/(兆瓦·时)，储能系统提供协议容量 $P_{e}^{D M}$ 为1 MW的DM服务费用可通过1.4节中描述的方法进行计算：若储能系统在某EFA时块符合SOE规则(即EFA时块的初始能量状态不低于MER，且每半小时结算期内的能量状态调整量达到MER的20%或回归至 $S O E_{d}^{o p}$ )，则可获取该EFA时块的全额DM服务费用；否则，将通过式(5)与式(6)计算该EFA时块的可利用因子 $K_{e}^{D M}$ 与相应DM服务费用。

此外，该DM提供商须分别与电力批发市场中的用电商或发电商就储能系统的放电或充电运行基线签订日内合同；本文将选取英国电力批发市场日前价格作为日内合同价格的近似替代，以评估与运行基线相关的电力批发市场成本或收益。

基于上述项目成本与收益，将采用年折现率8%计算该DM提供商的累积净现值 $N P V$ ，以评估其盈利性^[23]

N P V = - C_{0} + \sum_{m} \frac{R_{m}^{D M} + R_{m}^{O B} - C_{m}}{{(1 + 8 %)}^{m / 12}}

(12)

其中， $C_{0}$ 为储能系统总资本支出； $C_{m}$ ， $R_{m}^{D M}$ 与 $R_{m}^{O B}$ 分别代表储能系统在月 $m$ 的运行维护成本、DM服务市场收益与电力批发市场收益。

3 模拟结果与分析

本节所涉及的电池储能项目模拟均由MATLAB^[28]实现。英国国家电力传输系统在2016—2019年间的每秒频率(Hz)^[29]将用于计算储能系统所需交付的频率响应；同时期内电力批发市场的日前每小时价格[英镑/(兆瓦·时)]^[30]将用于评估储能系统运行基线的相关成本或收益。

3.1　储能系统运行分析

图5展示了在锂电池循环寿命周期内储能系统能量状态与剩余容量的变化。在约3年半的项目期间内，储能系统通过运行基线调整能量状态，始终留有足够的存储能量与存储空间，以持续提供所需频率响应，如图6所示，储能系统实际提供的频率响应完全符合DM响应曲线。图7检验了储能系统在EFA时块起始时刻的存储能量与存储空间是否满足SOE规则中最小容量要求MER。尽管在个别EFA时块内储能系统因初始存储能量或存储空间低于MER而无法满足SOE规则，该DM提供商因持续遵循DM响应曲线仍可获取全额DM服务费用。

图5

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图5 储能系统能量状态与剩余容量

Fig. 5 SOE and remaining capacity of the energy storage system

图6

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图6 DM响应曲线与实际提供频率响应

Fig. 6 DM curve against actual responses of the energy storage system

图7

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图7 EFA时块初始存储能量或存储空间分布

Fig. 7 Distribution of SOE footroom or headroom at start of EFA blocks

图8展示了储能系统在某24小时内的运行基线、输出功率与荷电状态时间序列。储能系统在运行基线的基础上，向输电网提供所需DM频率响应。由于储能系统在自14点起的一段时间内连续提供低频响应，其荷电状态在14:30已下降至理想水平50%以下；因此，该提供商为一小时后的结算期(即15:30—16:00)提交一条充电运行基线，以调整回理想荷电水平。反之，自22点起的连续高频响应使荷电状态超过理想水平50%；因此，该提供商为相应的一小时后结算期提交放电运行基线。由于该提供商通过运行基线不断调整荷电状态或能量状态，储能系统的荷电状态在大部分时间内维持在理想水平50%左右，如图9所示。

图8

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图8 某24小时内储能系统的运行基线、输出功率与荷电状态

Fig. 8 Operational baselines, power outputs and state of charge levels over a particular 24-hour period

图9

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图9 提供DM服务的储能系统荷电状态分布

Fig. 9 State of charge distribution of the energy storage system for DM provision

为体现终极频率响应服务的储能友好特性，图10、图11分别展示了同等规模的储能系统提供FFR服务的实际频率响应与其荷电状态分布。因FFR服务不允许储能系统通过提交运行基线进行能量管理，图11显示该储能系统荷电状态低于1%或高于99%的时间分别约占其寿命周期的1%或2.3%，极易导致无法交付FFR服务所需的低频或高频响应(图10)。由于特定SOE规则仅适用于终极频率响应服务，根据1.2节中的FFR服务费用评估机制，图10中频率响应误差极易造成该储能系统在相应服务月的收益损失。因此，相较于储能系统可选择在全部EFA时块提供DM服务，参与FFR服务市场的储能系统需要预留部分EFA时块进行荷电状态管理，通过牺牲这些EFA时块的服务费用收益以避免或减少频率响应误差^[21-22]。

图10

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图10 FFR响应曲线与实际提供频率响应

Fig. 10 FFR curve against actual responses of the energy storage system

图11

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图11 提供FFR服务的储能系统荷电状态分布

Fig. 11 State of charge distribution of the energy storage system for FFR provision

3.2　储能系统经济分析

图12展示了该储能项目各项成本收益的各月现值以及项目的累积净现值。与运维成本及电力批发市场收益相比，该提供商从DM服务市场获取的收益占每月现金流的绝大部分，且DM服务收益的累积现值超过锂电池储能系统总资本支出(表5)，使项目的累积净现值达到约86.3千英镑，内部收益率约为23.1%。值得注意的是，本文假设DM出清价格保持在17英镑/(兆瓦·时)；以DLH服务出清价格作为参考(见图2)，未来DM出清价格将随着DM服务市场的逐步成熟而下降，进而降低储能系统运营商的盈利性。依据表5计算，DM出清价格下降至13.78英镑/(兆瓦·时)将会导致项目累积净现值为零。因此，该储能系统运营商可选取13.78英镑/(兆瓦·时)以上作为其在DM服务市场中的竞标价格，以保证其储能投资项目的盈利性。

图12

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图12 各项成本收益的各月现值与项目累积净现值

Fig. 12 Monthly present values of cost/revenue components and cumulative NPV of the project

表5 储能项目成本收益累积现值

Table 5 Cumulative present values of cost/revenue components of the energy storage project

款项	金额/kGBP
储能资本支出	352.56
储能运维成本	21.55
电力批发市场收益	5.27
动态稳定市场收益	455.10
项目净现值	86.27
内部收益率	23.1%

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表5所示的储能项目成本收益分析可应用于不同频率响应服务市场、不同规模的电池储能系统，以评估其参与相关市场的盈利性与最低竞标价格。储能项目的投资成本、市场收益与最低竞标价格间的关系，在很大程度上取决于储能系统规模与频率响应服务协议容量。较大规模的储能系统可以竞标较高的频率响应服务容量，有更充足的存储能量或存储空间以交付所需频率响应，在较长的寿命周期内持续提供频率响应服务，从而在频率响应服务中获取较高的市场收益；但储能系统的规模增长也将导致投资成本的相应增加。因此，在投资储能项目时，运营商须通过经济优化等方法确定最优储能系统规模，在储能系统投资成本与市场收益之间做出最优权衡^[21-23]。运营商须明确频率响应服务等市场的服务招标与费用评估机制，制定储能系统在提供频率响应服务期间或之后进行荷电状态调整的策略，以使储能系统能够交付所需频率响应，避免或减少因频率响应误差而造成的收益损失。同时，频率响应服务等辅助服务市场应从储能系统等有限容量提供商的角度出发，评估其因容量有限而可能面临的技术困难与市场经济风险，进而调整或制定相关市场机制与规则(如引入运行基线与特定SOE规则)；通过在允许范围内降低市场准入门槛并保证有限容量提供商的市场经济收益，鼓励更多有限容量提供商参与电网平衡调节，有效提升辅助服务市场的竞争性。

4 结论

（1）从经济收益风险与能量状态管理的角度，阐述了英国频率响应服务市场的储能友好型改革对鼓励有限容量提供商(如储能系统运营商)参与市场，保证其市场经济收益，以及提升市场参与者多样性与竞争性的积极影响。

（2）缩短频率响应服务竞拍周期与服务费用评估周期可有效降低有限容量提供商在频率响应服务市场中的潜在经济风险。

（3）在终极频率响应服务市场中，允许有限容量提供商通过提交并遵循未来结算期的运行基线进行接近实时的荷电状态调整，保证了有限容量提供商有足够的存储能量或存储空间以持续交付所需频率响应。

（4）针对动态稳定频率响应服务的特有市场机制，为1.2 MW/1.5 MW·h锂电池储能系统设计了提供频率响应服务，并利用运行基线进行能量管理的运行策略。模拟结果表明该运行策略有效地保证了储能系统的频率响应服务表现。

（5）综合考虑锂电池储能市场、终极频率响应服务市场、电力批发市场的价格，对1.2 MW/1.5 MW·h储能系统进行了成本收益分析，并根据项目净现值占服务市场累积现值的比例，评估最低服务竞标价格，约为13.8英镑/(兆瓦·时)。

（6）在储能项目投资建设中，可将储能系统提供频率响应服务的技术经济模拟与优化算法相结合，优化储能系统配置与运行策略(如储能系统容量、理想荷电水平、竞标服务容量等)，帮助有限容量提供商在投资成本与市场收益之间做出最优权衡。有限容量提供商可通过比较其最低服务竞标价格与历史出清价格，合理制定竞标价格，在保证市场竞争力的同时实现盈利最大化。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

张鸿宇, 王宇. 国外电网侧储能电站参与调频辅助服务市场的机制经验及对我国的启示[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(2): 766-773.

[本文引用: 1]

ZHANG H Y, WANG Y. Mechanism experience of foreign grid-side storage participating in frequency regulation auxiliary service market and its enlightenment to China[J]. Energy Storage Science and Technology, 2021, 10(2): 766-773.

[本文引用: 1]

[2]

International Renewable Energy Agency (IRENA). Electricity storage and renewables: Costs and markets to 2030[R]. Abu Dhabi:IRENA,2017.

[本文引用: 1]

[3]

FAN F L, KOCKAR I, XU H, et al. Scheduling framework using dynamic optimal power flow for battery energy storage systems[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2021, 8(1): 271-280.

[本文引用: 1]

[4]

朱寰, 徐健翔, 刘国静, 等. 英国储能相关政策机制与商业模式及对我国的启示[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(1): 370-378.

[本文引用: 1]

ZHU H, XU J X, LIU G J, et al. UK policy mechanisms and business models for energy storage and their applications to China[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(1): 370-378.

[本文引用: 1]

[5]

NGESO. Future of frequency response industry update[R]. Warwick:NGESO,2019.

[本文引用: 1]

[6]

Energy UK. Ancillary services report 2017[R]. London:Energy UK,2017.

[本文引用: 1]

[7]

NGESO. Firm frequency response (FFR)[EB/OL]. [2022-01-27]. https://www.nationalgrideso.com/industry-information/balancing-services/frequency-response-services/firm-frequency-response-ffr.

[本文引用: 4]

[8]

NGESO. Enhanced frequency response invitation to tender for pre-qualified parties[R]. Warwick:NGESO,2016.

[本文引用: 4]

[9]

NGESO. Enhanced frequency response market information report[R]. Warwick:NGESO,2016.

[本文引用: 3]

[10]

NGESO. Enhanced frequency response frequently asked questions[R]. Warwick:NGESO,2016.

[本文引用: 1]

[11]

NGESO. State of charge modelling and analysis[R]. Warwick:NGESO,2018.

[本文引用: 1]

[12]

NGESO. Response auction trial service terms (phase 2)‍[R]. Warwick: NGESO,2019.

[本文引用: 4]

[13]

ESP Consulting. Frequency response auction trial: Evaluation report[R]. Amsterdam: ESP Consulting,2020.

[本文引用: 2]

[14]

NGESO. Response reform 29 April 2021[EB/OL]. [2022-01-27]. https://www.nationalgrideso.com/document/191296/download.

[本文引用: 2]

[15]

NGESO. Response & reserve reform 04 November 2021[EB/OL]. [2022-01-27]. https://www.nationalgrideso.com/document/219466/download.

[本文引用: 5]

[16]

NGESO. Dynamic containment participation guidance document[R]. Warwick:NGESO,2021.

[本文引用: 2]

[17]

NGESO. DM/DR FAQ document-December 2021[EB/OL]. [2022-01-27]. ‍https://www.‍nationalgrideso.‍com/document/223776/download.

[本文引用: 1]

[18]

NGESO. Dynamic containment service terms[R]. Warwick:NGESO, 2021.

[本文引用: 2]

[19]

NGESO. Firm frequency response tender rules and standard contract terms[R]. Warwick:NGESO,2019.

[本文引用: 2]

[20]

NGESO. Phase 2 auction trial market information[EB/OL]. [2022-01-27]. https://www.nationalgrideso.com/industry-information/balancing-services/frequency-response-services/frequency-auction-trial?‍market-information.

[本文引用: 1]

[21]

FAN Fulin,CAMPOS-GAONA David,John Nwobu. Wind-plus-battery system optimisation for stacking of frequency response and black start services in the UK//Proc. 11^th International Conference on Power Electronics, Machines and Drives[C]. London,UK:The Institute of Engineering and Technology,2022:1-7.

[本文引用: 5]

[22]

FAN Fulin,ZORZI Giorgio,CAMPOS-GAONA David,et al. Wind-plus-battery system optimisation for frequency response services: The UK perspective//Proc. 22^nd Power Systems Computation Conference[C]. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2022:1-9.

[本文引用: 2]

[23]

FAN F L, ZORZI G, CAMPOS-GAONA D, et al. Sizing and coordination strategies of battery energy storage system co-located with wind farm: The UK perspective[J]. Energies, 2021, 14(5): 1439.

[本文引用: 5]

[24]

NGESO. Dynamic containment soft launch development document version 2[EB/OL]. [2022-01-27]. https://www.nationalgrideso.com/document/182176/download.

[本文引用: 1]

[25]

KHOJASTEH M, FARIA P, VALE Z. Energy-constrained model for scheduling of battery storage systems in joint energy and ancillary service markets based on the energy throughput concept[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2021, 133: doi: 10.1016/j.ijepes.2021.107213.

[本文引用: 1]

[26]

CAMPOS-GAONA D, MADARIAGA A, ZAFAR J, et al. Techno-economic analysis of energy storage system for wind farms: The UK perspective[C]//2018 International Conference on Smart Energy Systems and Technologies (SEST). September 10-12, 2018, Seville, Spain. IEEE, 2018: 1-6.

[本文引用: 1]

[27]

JÜLCH V. Comparison of electricity storage options using levelized cost of storage (LCOS) method[J]. Applied Energy, 2016, 183: 1594-1606.

[本文引用: 3]

[28]

The MathWorks, Inc. MATLAB Release 2021a[CP]. USA,Massachusetts: The MathWorks, Inc., 2021.

[本文引用: 1]

[29]

NGESO. Historic frequency data[EB/OL]. [2022-01-29]. https://www.‍nationalgrideso.‍com/industry-information/balancing-services/frequency-response-services/historic-frequency-data.

[本文引用: 1]

[30]

NORD P. N2EX day ahead auction prices[EB/OL]. [2022-01-29]. https://www.‍nordpoolgroup.‍com/Market-data1/GB/Auction-prices/UK/Hourly/?view=table.

[本文引用: 1]

... 在低碳能源转型进程中，具备快速响应能力的电池储能系统可以极大提升电网的灵活性，促进间歇性可再生能源的消纳^[1-3].英国国家电网电力系统运营商(National Grid Electricity System Operator，NGESO)主要通过平衡机制、备用服务、频率响应服务来保证电力系统的电力平衡.其中，固定频率响应服务作为现有频率响应容量的主要来源，其招标周期与服务费用评估周期均以月为单位，使电池储能系统等有限容量提供商难以准确预估储能系统在服务月内的可用性并造成了一定的市场收益风险，从而阻碍了储能系统参与频率响应服务市场.为了弥补因大规模可再生能源并网而造成的电网惯性损失，鼓励电池储能系统参与电网平衡调节，NGESO正在逐步改革英国频率响应服务市场^[4-5]，通过标准化频率响应产品、更接近实时的产品采购、允许提交运行基线、缩短服务费用评估周期、引入特定能量状态规则等一系列储能友好型改革举措，降低了有限容量提供商(如电池储能运营商)的市场准入门槛，使其能更准确地预估储能系统在服务周期内的可用性，并保证其在频率响应服务市场中的经济效益.英国频率响应服务市场的改革，一方面使参与市场的服务提供商更加多样，从而增强市场的竞争性与流动性，另一方面，也为电池储能运营商提供了稳定的收益来源，从而促进电池储能项目的投资建设.因此，英国逐步面向储能友好转型的频率响应服务市场具有一定的借鉴意义.本文介绍了自2016年起英国频率响应服务市场的逐步改革，分别阐述了现有产品、过渡产品、终极产品的技术要求、招标采购与费用评估机制，及其对储能系统运营商荷电状态管理与经济收益风险的影响.根据终极频率响应产品的最新市场信息，从技术与经济角度模拟了某兆瓦级锂电池储能系统向英国输电网提供频率响应服务的运营情况；并基于锂电池储能系统成本及其生命周期能量吞吐量模型，评估了在储能友好型频率响应服务市场下投资电池储能项目的经济可行性.针对终极频率响应服务所设计并模拟的储能运行策略直观地展示了储能系统运营商在英国最新频率响应服务市场机制下的运营情况.通过与提供固定频率响应服务的储能系统运行情况对比，体现了引入运行基线与特定能量状态规则对保证储能系统运营商市场经济收益的重要性. ...

... 其中，

P_{s + 3}^{O B}

不能超过所允许的运行基线最大幅值0.2 MW，即储能系统额定功率1.2 MW与DM协议容量1 MW的差值，以保证储能系统在遵循运行基线时仍可以提供全额频率响应.储能系统在老化过程中的剩余容量

E_{d}^{r m}

将根据储能系统当前放电总量，循环寿命

N_{c}

(假设3000次^[2])，以及生命周期吞吐量模型^[25]进行简易评估 ...

... 为使国家输电网的频率稳定在标准50 Hz左右，英国国家电网电力系统运营商(NGESO)推出了一系列频率响应产品，以快速解决发用电之间的不平衡.部分频率响应容量源自强制频率响应(mandatory frequency response，MFR)服务，由NGESO与符合条件的特定机组签订MFR协议，作为其并网运行的先决条件；剩余所需频率响应容量则由NGESO通过组织相应的频率响应服务市场，以竞标的方式向市场参与者采购^[6]，如每月竞标的固定频率响应(firm frequency response，FFR)服务，包含一次低频响应(primary response)、二次低频响应(secondary response)与高频响应(high frequency response)^[7]. ...

... Technical requirements and market mechanisms of dynamic frequency response services in the UK

Table 1

服务	响应速度 /s	最小容量 /min	竞拍周期	赔付评估周期
固定一次低频响应^[7]	10	1/3	每服务月	每服务月
固定二次低频响应^[7]	30	30	每服务月	每服务月
固定高频响应^[7]	10	无限期	每服务月	每服务月
动态低高频率响应^[12]	10	30	每服务周	每服务周
增强频率响应^[8]	1	15	仅一次	每半小时
动态遏制频率响应^[18]	1	15	每服务日	每四小时
动态稳定频率响应^[15]	1	30	每服务日	每四小时
动态调节频率响应^[15]	10	60	每服务日	每四小时

1.2　固定频率响应(FFR)与动态低高(DLH)频率响应

图1为FFR服务^[19]与DLH服务^[12]的频率响应曲线.FFR提供商可以竞标不同容量的一次低频、二次低频、高频响应服务，而DLH要求必须提供相同容量的低频与高频响应.FFR(或DLH)市场参与者须在每月(或每周)的竞标中明确其将提供的频率响应容量(兆瓦)、EFA时块与相应报价[英镑/(兆瓦·时)].成功签订协议的FFR或DLH提供商须根据协议容量与图1中的频率响应曲线，向电网提供相应的频率响应. ...

... [7]3030每服务月每服务月固定高频响应^[7]10无限期每服务月每服务月动态低高频率响应^[12]1030每服务周每服务周增强频率响应^[8]115仅一次每半小时动态遏制频率响应^[18]115每服务日每四小时动态稳定频率响应^[15]130每服务日每四小时动态调节频率响应^[15]1060每服务日每四小时1.2　固定频率响应(FFR)与动态低高(DLH)频率响应

... [7]10无限期每服务月每服务月动态低高频率响应^[12]1030每服务周每服务周增强频率响应^[8]115仅一次每半小时动态遏制频率响应^[18]115每服务日每四小时动态稳定频率响应^[15]130每服务日每四小时动态调节频率响应^[15]1060每服务日每四小时1.2　固定频率响应(FFR)与动态低高(DLH)频率响应

... 随着可再生能源发电占比的逐年增长，电力系统惯性的降低迫使NGESO需要更多的频率响应容量来保证电网的安全稳定运行.作为采购更多FFR容量的替代方案，NGESO于2016年推出了为期四年的增强频率响应(enhanced frequency response，EFR)服务^[8]，要求EFR提供商先于FFR提供商做出响应，以减少在电网惯性较低时所需的额外频率响应容量^[9-10].由于EFR服务的双频率响应曲线设定允许有限容量提供商在频率死区内调整荷电状态，第一次EFR服务竞标中的8位中标者均使用锂电池储能系统，总计提供201兆瓦的EFR容量^[9].但NGESO随后决定不再采购EFR服务，转而通过改善频率响应产品来获取更快的频率响应，鼓励有限容量提供商参与频率响应服务市场. ...

... Technical requirements and market mechanisms of dynamic frequency response services in the UK

Table 1

服务	响应速度 /s	最小容量 /min	竞拍周期	赔付评估周期
固定一次低频响应^[7]	10	1/3	每服务月	每服务月
固定二次低频响应^[7]	30	30	每服务月	每服务月
固定高频响应^[7]	10	无限期	每服务月	每服务月
动态低高频率响应^[12]	10	30	每服务周	每服务周
增强频率响应^[8]	1	15	仅一次	每半小时
动态遏制频率响应^[18]	1	15	每服务日	每四小时
动态稳定频率响应^[15]	1	30	每服务日	每四小时
动态调节频率响应^[15]	10	60	每服务日	每四小时

1.2　固定频率响应(FFR)与动态低高(DLH)频率响应

... 图3展示了EFR服务的两种双响应曲线设定^[8]，8位中标者均采用了电池储能系统并遵循频率死区较窄的双响应曲线.相较于FFR与DLH的单条响应曲线，双曲线设定使有限容量提供商能够根据自身荷电状态在上下限之间调整频率响应，并允许在频率死区进行一定的荷电状态管理^[23]. ...

... EFR服务费用的评估周期为每半小时结算期，NGESO将根据式(3)评估EFR提供商在某结算期内每秒的绩效测量(second-by-second performance measure，SBSPM)，并计算该结算期内SBSPM的平均值，作为服务绩效测量(service performance measure，SPM)；后依据表3将SPM转换为EFR提供商在该结算期

s

的可利用因子(availability factor，AF)，记作

K_{s}^{E F R}

，并代入式(4)计算其在结算期

s

的服务费用

R_{s}^{E F R}

^[8]： ...

... [9].但NGESO随后决定不再采购EFR服务，转而通过改善频率响应产品来获取更快的频率响应，鼓励有限容量提供商参与频率响应服务市场. ...

... 其中，

P_{c o n t}^{E F R}

与

P_{a c t}^{E F R}

分别代表协议EFR容量(兆瓦)与实际交付的频率响应(兆瓦).若

P_{a c t}^{E F R}

介于频率响应上限

U

与下限

L

之间[见图3(b)]，则SBSPM等于1；否则，SBSPM小于1将使结算期

s

的SPM小于100%，可能导致

K_{s}^{E F R}

低于100%进而造成服务费用

R_{s}^{E F R}

的减少.

𝒫^{E F R}

代表EFR提供商的上报价格.如表4所示，8位EFR提供商的协议EFR容量(或储能系统兆瓦容量)均在10 MW及以上，上报价格平均值约为9.44英镑/(兆瓦·时)^[9]. ...

... 由于FFR提供商不允许在频率死区内调整荷电状态^[11]，且FFR服务费用取决于提供商全月的供应表现，FFR市场内的有限容量提供商可能面临极高的经济收益风险.为了使有限容量提供商更准确地预估荷电状态从而及时调整竞标策略，降低其在市场中的经济风险，NGESO于2019年11月推出了一款过渡产品—动态低高(dynamic low high，DLH)频率响应服务^[12]，并启动了为期两年的每周竞价试验，以测试更接近于实时的频率响应服务采购^[13].作为FFR服务的标准化产品，DLH市场参与者必须提供相同的低高频容量；此外，DLH服务费用由每周的交付表现决定，降低了有限容量提供商的经济风险^[13].同时，NGESO积极推进终极频率响应产品的发展部署，旨在满足电网对更快频率响应速度的需求，并逐步替代市场内的现有产品，加强频率响应服务市场的标准化与透明化建设. ...

... Technical requirements and market mechanisms of dynamic frequency response services in the UK

Table 1

服务	响应速度 /s	最小容量 /min	竞拍周期	赔付评估周期
固定一次低频响应^[7]	10	1/3	每服务月	每服务月
固定二次低频响应^[7]	30	30	每服务月	每服务月
固定高频响应^[7]	10	无限期	每服务月	每服务月
动态低高频率响应^[12]	10	30	每服务周	每服务周
增强频率响应^[8]	1	15	仅一次	每半小时
动态遏制频率响应^[18]	1	15	每服务日	每四小时
动态稳定频率响应^[15]	1	30	每服务日	每四小时
动态调节频率响应^[15]	10	60	每服务日	每四小时

1.2　固定频率响应(FFR)与动态低高(DLH)频率响应

... 图1为FFR服务^[19]与DLH服务^[12]的频率响应曲线.FFR提供商可以竞标不同容量的一次低频、二次低频、高频响应服务，而DLH要求必须提供相同容量的低频与高频响应.FFR(或DLH)市场参与者须在每月(或每周)的竞标中明确其将提供的频率响应容量(兆瓦)、EFA时块与相应报价[英镑/(兆瓦·时)].成功签订协议的FFR或DLH提供商须根据协议容量与图1中的频率响应曲线，向电网提供相应的频率响应. ...

... FFR(或DLH)提供商在某一服务月

m

(或周

w

)所获得的服务费用由其在该月(或周)的交付表现决定：NGESO将从该月(或周)的协议EFA时块中任意选取一段半小时样本，计算该样本中FFR(或DLH)提供商实际交付响应的代数和与其所应交付响应的代数和的比值，作为该提供商在该月(或周)的百分比绩效测量(percentage performance measure，PPM)；并依据表2，将其转换为绩效因子(performance factor，PF)，记作

K_{m}^{F F R}

或

K_{w}^{D L H}

，分别代入式(1)或式(2)中计算服务月

m

的FFR服务费用

R_{m}^{F F R}

^[19]或服务周

w

的DLH服务费用

R_{w}^{D L H}

^[12] ...

... [13].同时，NGESO积极推进终极频率响应产品的发展部署，旨在满足电网对更快频率响应速度的需求，并逐步替代市场内的现有产品，加强频率响应服务市场的标准化与透明化建设. ...

... 终极频率响应产品包括动态遏制(dynamic containment，DC)服务、动态稳定(dynamic moderation，DM)服务与动态调节(dynamic regulation，DR)服务，旨在应对不同程度的电网频率误差.其中，DC服务已于2020年10月进入软启动，DM与DR服务计划于2022年投入市场^[14-15].为了进一步鼓励有限容量提供商参与终极频率响应服务市场，NGESO采用日前竞标的采购方式，以便有限容量提供商更及时准确地根据荷电状态修改竞标策略；并将服务费用评估周期缩短为每4小时的电力远期协议(electricity forward agreement，EFA)时块，极大保证了有限容量提供商的经济效益^[15].此外，NGESO允许有限容量提供商提交其一小时后的运行基线，用于调整能量状态(state of energy，SOE)；并为其专设了能量状态规则(SOE rules)，以避免其因荷电不足或满荷无法交付所需响应而受到处罚^[16].当前，终极服务市场仍处于初期阶段，提供商在同一EFA时块只允许提供DC、DM或DR中的一类服务；随着市场的逐步发展，NGESO将制定合适的市场机制以使提供商能够对三类终极产品进行叠加并提供相应的整合服务^[17].表1列出了上述频率响应产品规定的响应速度、最小容量、竞拍周期与服务费用评估周期. ...

... 图4比较了动态遏制(DC)，动态稳定(DM)与动态调节(DR)的频率响应曲线^[14-15]：DC服务多用于应对故障后的严重频率偏差(超过0.2 Hz)，以满足NGESO对更快频率响应(1秒内)的迫切需求；DM服务可对超过0.1 Hz的频率偏差做出快速响应(1秒内)，帮助NGESO将频率维持在运行限制内；响应速度较慢(10秒内)的DR服务则用于修正持续发生的小频率偏差. ...

... [15].此外，NGESO允许有限容量提供商提交其一小时后的运行基线，用于调整能量状态(state of energy，SOE)；并为其专设了能量状态规则(SOE rules)，以避免其因荷电不足或满荷无法交付所需响应而受到处罚^[16].当前，终极服务市场仍处于初期阶段，提供商在同一EFA时块只允许提供DC、DM或DR中的一类服务；随着市场的逐步发展，NGESO将制定合适的市场机制以使提供商能够对三类终极产品进行叠加并提供相应的整合服务^[17].表1列出了上述频率响应产品规定的响应速度、最小容量、竞拍周期与服务费用评估周期. ...

... Technical requirements and market mechanisms of dynamic frequency response services in the UK

Table 1

服务	响应速度 /s	最小容量 /min	竞拍周期	赔付评估周期
固定一次低频响应^[7]	10	1/3	每服务月	每服务月
固定二次低频响应^[7]	30	30	每服务月	每服务月
固定高频响应^[7]	10	无限期	每服务月	每服务月
动态低高频率响应^[12]	10	30	每服务周	每服务周
增强频率响应^[8]	1	15	仅一次	每半小时
动态遏制频率响应^[18]	1	15	每服务日	每四小时
动态稳定频率响应^[15]	1	30	每服务日	每四小时
动态调节频率响应^[15]	10	60	每服务日	每四小时

1.2　固定频率响应(FFR)与动态低高(DLH)频率响应

... [15]1060每服务日每四小时1.2　固定频率响应(FFR)与动态低高(DLH)频率响应

... 在提供DC、DM或DR服务的同时，NGESO允许提供商在未来某结算期的一小时前(即关闸时刻)提交其在该结算期的运行基线(operational baseline，OB)，以帮助有限容量提供商调节能量状态^[16].此外，NGESO为有限容量提供商设定了能量状态规则(SOE rules)：若有限容量提供商在某EFA时块起始时刻的存储能量与存储空间满足表1中的最小容量要求(minimum energy requirement，MER)，且在每结算期内的能量状态调整总量达到至少MER的20%，则该提供商不会因频率响应交付不足而受到处罚，仍可获取全额服务费用；若有限容量提供商不满足SOE规则，NGESO将计算其在某EFA时块

e

内的最大频率响应误差

ε_{e}^{D X}

，并使用式(5)将

ε_{e}^{D X}

转化为可利用因子

K_{e}^{D X}

，后代入式(6)中评估其在EFA时块

e

的服务费用

R_{e}^{D X}

(英镑)^[18] ...

... Technical requirements and market mechanisms of dynamic frequency response services in the UK

Table 1

服务	响应速度 /s	最小容量 /min	竞拍周期	赔付评估周期
固定一次低频响应^[7]	10	1/3	每服务月	每服务月
固定二次低频响应^[7]	30	30	每服务月	每服务月
固定高频响应^[7]	10	无限期	每服务月	每服务月
动态低高频率响应^[12]	10	30	每服务周	每服务周
增强频率响应^[8]	1	15	仅一次	每半小时
动态遏制频率响应^[18]	1	15	每服务日	每四小时
动态稳定频率响应^[15]	1	30	每服务日	每四小时
动态调节频率响应^[15]	10	60	每服务日	每四小时

1.2　固定频率响应(FFR)与动态低高(DLH)频率响应

e

内的最大频率响应误差

ε_{e}^{D X}

，并使用式(5)将

ε_{e}^{D X}

转化为可利用因子

K_{e}^{D X}

，后代入式(6)中评估其在EFA时块

e

的服务费用

R_{e}^{D X}

(英镑)^[18] ...

... FFR(或DLH)提供商在某一服务月

m

(或周

w

K_{m}^{F F R}

或

K_{w}^{D L H}

，分别代入式(1)或式(2)中计算服务月

m

的FFR服务费用

R_{m}^{F F R}

^[19]或服务周

w

的DLH服务费用

R_{w}^{D L H}

^[12] ...

... 其中，

P_{m}^{F F R}

与

𝒫_{m}^{F F R}

(或

P_{w, e}^{D L H}

与

𝒫_{w, e}^{D L H}

)分别代表FFR(或DLH)提供商在服务月

m

的FFR协议容量(兆瓦)与报价价格[英镑/(兆瓦·时)](或在服务周

w

内EFA时块

e

的DLH协议容量与出清价格)；

H_{m}^{F F R}

(或

H_{w, e}^{D L H}

)代表FFR(或DLH)提供商在服务月

m

(或周

w

内EFA时块

e

)提供有效服务的时长(小时)，即，若该提供商在某半小时结算期(settlement period，SP)无法交付全部所需频率响应，则不能获得该结算期的相应服务费用.基于DLH市场第一年运营期间各EFA时块的出清价格^[20]，图2采用箱线图刻画了服务周内所有42个EFA时块的出清价格分布.DLH服务历史出清价格总体围绕在8英镑/(兆瓦·时)波动，其中7点—11点所对应EFA时块(如EFA3与EFA9)与15点—23点所对应EFA时块(如EFA5、EFA6、EFA11与EFA12)的出清价格偏高.因此，参与DLH服务市场的有限容量提供商在制定竞标策略时，可选择在出清价格偏高的EFA时块提供DLH服务，并利用出清价格偏低的EFA时块调节荷电状态^[21-22]. ...

... 其中，

P_{m}^{F F R}

与

𝒫_{m}^{F F R}

(或

P_{w, e}^{D L H}

与

𝒫_{w, e}^{D L H}

)分别代表FFR(或DLH)提供商在服务月

m

的FFR协议容量(兆瓦)与报价价格[英镑/(兆瓦·时)](或在服务周

w

内EFA时块

e

的DLH协议容量与出清价格)；

H_{m}^{F F R}

(或

H_{w, e}^{D L H}

)代表FFR(或DLH)提供商在服务月

m

(或周

w

内EFA时块

e

... 假设某提供商与NGESO协议持续提供容量为1 MW的DM服务，则与低高频响应相对应的最小容量要求MER均为0.5 MW·h，即电池储能容量应至少为1 MW·h(为了直观体现市场机制对储能容量与运行的影响，电池储能的充放电损耗忽略不计).依据MER与SOE规则要求，该DM提供商可选用1.2 MW/1.5 MW·h的锂电池储能系统：一方面，使储能系统剩余容量在衰减到额定容量的80%时仍可满足MER，另一方面，使储能系统能够遵循0.2 MW的运行基线，在每半小时结算期内回收0.1 MW·h能量(即MER的20%).值得注意的是，所假设的储能系统容量仅满足DM服务市场的最低准入门槛，并非由优化算法决定.在储能项目建设中，应综合考虑储能系统运营商的市场收益与投资成本，在满足当地并网要求与市场准入门槛的前提下，通过最大化运营商的净收益，评估最优储能系统容量配置与运行策略^[21-23]. ...

... 锂电池储能系统资本支出主要包含锂电池成本、转换器成本、辅助设备成本；假设三者的单位成本分别为128千英镑/(兆瓦·时)^[26]、66千镑/兆瓦^[27]、锂电池与转换器总成本的30%^[27]，则所选用的1.2 MW/1.5 MW·h锂电池储能系统的总资本支出约为352.56千英镑.此外，假设该储能系统的年运营维护成本约为总资本支出的2%^[27]，即约7.05千英镑/年.值得注意的是，储能系统在英国的并网运行还将涉及申请费、输电网使用费、平衡服务使用费等多种费用，但由于锂电池储能系统的资本支出与运营维护成本一般占项目总成本的比重较高，本文暂未考虑储能系统并网运行的费用^[21-23]. ...

... 为体现终极频率响应服务的储能友好特性，图10、图11分别展示了同等规模的储能系统提供FFR服务的实际频率响应与其荷电状态分布.因FFR服务不允许储能系统通过提交运行基线进行能量管理，图11显示该储能系统荷电状态低于1%或高于99%的时间分别约占其寿命周期的1%或2.3%，极易导致无法交付FFR服务所需的低频或高频响应(图10).由于特定SOE规则仅适用于终极频率响应服务，根据1.2节中的FFR服务费用评估机制，图10中频率响应误差极易造成该储能系统在相应服务月的收益损失.因此，相较于储能系统可选择在全部EFA时块提供DM服务，参与FFR服务市场的储能系统需要预留部分EFA时块进行荷电状态管理，通过牺牲这些EFA时块的服务费用收益以避免或减少频率响应误差^[21-22]. ...

... 表5所示的储能项目成本收益分析可应用于不同频率响应服务市场、不同规模的电池储能系统，以评估其参与相关市场的盈利性与最低竞标价格.储能项目的投资成本、市场收益与最低竞标价格间的关系，在很大程度上取决于储能系统规模与频率响应服务协议容量.较大规模的储能系统可以竞标较高的频率响应服务容量，有更充足的存储能量或存储空间以交付所需频率响应，在较长的寿命周期内持续提供频率响应服务，从而在频率响应服务中获取较高的市场收益；但储能系统的规模增长也将导致投资成本的相应增加.因此，在投资储能项目时，运营商须通过经济优化等方法确定最优储能系统规模，在储能系统投资成本与市场收益之间做出最优权衡^[21-23].运营商须明确频率响应服务等市场的服务招标与费用评估机制，制定储能系统在提供频率响应服务期间或之后进行荷电状态调整的策略，以使储能系统能够交付所需频率响应，避免或减少因频率响应误差而造成的收益损失.同时，频率响应服务等辅助服务市场应从储能系统等有限容量提供商的角度出发，评估其因容量有限而可能面临的技术困难与市场经济风险，进而调整或制定相关市场机制与规则(如引入运行基线与特定SOE规则)；通过在允许范围内降低市场准入门槛并保证有限容量提供商的市场经济收益，鼓励更多有限容量提供商参与电网平衡调节，有效提升辅助服务市场的竞争性. ...

... 其中，

P_{m}^{F F R}

与

𝒫_{m}^{F F R}

(或

P_{w, e}^{D L H}

与

𝒫_{w, e}^{D L H}

)分别代表FFR(或DLH)提供商在服务月

m

的FFR协议容量(兆瓦)与报价价格[英镑/(兆瓦·时)](或在服务周

w

内EFA时块

e

的DLH协议容量与出清价格)；

H_{m}^{F F R}

(或

H_{w, e}^{D L H}

)代表FFR(或DLH)提供商在服务月

m

(或周

w

内EFA时块

e

... 基于上述项目成本与收益，将采用年折现率8%计算该DM提供商的累积净现值

N P V

，以评估其盈利性^[23] ...

... 其中，上角标

D X

代表DC、DM或DR(当前，提供商在某一EFA时块内只允许提供一类服务)；

P_{e}^{D X}

与

𝒫_{e}^{D X}

分别代表提供商在EFA时块

e

的协议容量(兆瓦)与出清价格[英镑/(兆瓦·时)]；

H_{e}^{D X}

代表其在EFA时块

e

内提供有效服务的时长(小时).DC服务市场软启动前三个月的平均出清价格约为17英镑/(兆瓦·时)^[24]，将用于后文的电池储能项目模拟. ...

... 其中，

P_{s + 3}^{O B}

E_{d}^{r m}

将根据储能系统当前放电总量，循环寿命

N_{c}

(假设3000次^[2])，以及生命周期吞吐量模型^[25]进行简易评估 ...

... [27]，则所选用的1.2 MW/1.5 MW·h锂电池储能系统的总资本支出约为352.56千英镑.此外，假设该储能系统的年运营维护成本约为总资本支出的2%^[27]，即约7.05千英镑/年.值得注意的是，储能系统在英国的并网运行还将涉及申请费、输电网使用费、平衡服务使用费等多种费用，但由于锂电池储能系统的资本支出与运营维护成本一般占项目总成本的比重较高，本文暂未考虑储能系统并网运行的费用^[21-23]. ...

... [27]，即约7.05千英镑/年.值得注意的是，储能系统在英国的并网运行还将涉及申请费、输电网使用费、平衡服务使用费等多种费用，但由于锂电池储能系统的资本支出与运营维护成本一般占项目总成本的比重较高，本文暂未考虑储能系统并网运行的费用^[21-23]. ...

... 本节所涉及的电池储能项目模拟均由MATLAB^[28]实现.英国国家电力传输系统在2016—2019年间的每秒频率(Hz)^[29]将用于计算储能系统所需交付的频率响应；同时期内电力批发市场的日前每小时价格[英镑/(兆瓦·时)]^[30]将用于评估储能系统运行基线的相关成本或收益. ...

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