勤学修德明辨笃实山林寺出品共享储能商业运营模式与运行技术研究OperationModelofSharedEnergyStorage林振智（教授，系书记兼副系主任）浙江大学电气工程学院电机工程学系联系方式：15268557283，linzhenzhi@zju.edu.cn；主页：http://mypage.zju.edu.cn/linzhenzhiPage2个人简介•电机工程学系书记、系副主任•电力能源互联及其智能化研究所副所长•山东大学薛禹胜讲座教授工作经历•2019—现在：浙江大学电气工程学院，教授，博导•2007—2008：香港理工大学，ResearchAssistant•2010—2011：美国田纳西大学，ResearchScholar•2013—2014：英国杜伦大学，ResearchAssociate学术兼职•AssociateEditor,IEEETransactionsonPowerSystems•AssociateEditor,IEEEPowerEngineeringLetters•SubjectEditor,IETEnergyConversionandEconomics•《电力系统自动化》、MPCE、PCMP杂志编委个人主页山林寺课题组林振智（教授、博导）Page3林振智（教授、博导）研究方向✓电力系统态势感知与大停电预防✓电力市场与需求侧响应✓综合能源系统的规划与运行✓电力大数据挖掘与人工智能应用✓国家自然科学基金：源-荷双重不确定性下基于数据驱动的输电网运行态势感知✓浙江电力科学研究院：区块链在高弹性电网平衡及需求响应关键技术研究✓浙江华云信息科技有限公司：乡村客户侧用电大数据挖掘与用能优化技术服务✓国家电网总部课题：面向大规模新能源消纳的共享储能规划技术及运营模式研究与应用✓………………………………………………….研究课题电力市场交易PIES能源集线器PIES能源供给侧PIES负荷侧电加热器热电联产燃气锅炉地源热泵电母线热母线天然气母线热功率天然气电功率售电公司园区光伏天然气公司园区电负荷园区热负荷园区综合能源系统云储能提供商资金服务云储热装置云储电装置云储能设备控制响应目录CONTENTS1.新能源消纳背景下的共享储能商业模式2.计及多元化服务的共享储能运营模式3.考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略4.小结Page5一、新能源消纳背景下的共享储能商业模式1.我国新能源消纳现状及趋势⚫我国2030年的风电与光伏装机容量将到达800GW和1025GW，是2022年的2.2倍与2.6倍；⚫根据测算，2030年风电与光伏利用小时数分别为850小时与1000小时，与2022年几乎持平；⚫根据2030年预计的非水可再生能源电力消纳责任权重，各省份需要在2021年的基础上额外消纳9%~15.3%的新能源电量。我国各地区非水可再生能源电力消纳责任权重（a）2021年（b）2030年我国新能源发电发展情况Page6一、新能源消纳背景下的共享储能商业模式2.我国新型储能发展现状⚫截止到2022年底，我国新型储能装机规模超过13.1GW/27.1GWh，占全球装机为28.7%；⚫从2016年起，我国新型储能的年增长率均超过60%，保持着极其惊人的增长趋势；⚫根据公开招标结果，2022年的储能项目数量是2021年的7倍，新能源配套储能与独立储能电站的占比接近9成，有超过一半储能项目的装机容量在50MWh以上。新型储能系统发展现状及趋势2021年-2022年部分储能项目Page7一、新能源消纳背景下的共享储能商业模式2.我国新型储能发展现状⚫已有23个省级行政区域出台了新能源配套储能政策，作为新能源发电并网的前提条件，储能配置比例为发电装机容量的5%到30%，储能时长从1小时到4小时不等；⚫然而，新能源配套储能项目的平均等效利用系数仅为6.1%！地点印发文件目标对象储能配置要求甘肃《关于加快推进全省新能源存量项目建设工作的通知》存量新能源项目鼓励全省在建存量风光发电项目按河西5市配置10%-20%、其他地区按5%-10%配置配套储能设施，连续储能时长均不小于2小时。陕西《关于促进陕西省可再生能源高质量发展的意见（征求意见稿）》新建新能源项目关中、陕北新增集中式风电、光伏发电项目按照不低于装机容量10%配置储能设施，连续储能时长2小时以上，满足10年（5000次循环）以上工作寿命。海南《关于开展2021年度海南省集中式光伏发电平价上网项目工作的通知》新建新能源项目申报项目同步配套建设备案规模10%的储能装置。山东《2021年全省能源工作指导意见》新建新能源项目新能源场站原则上配置不低于10%储能设施。青海《支持储能产业发展的若干措施(试行)》新建新能源项目储能容量原则上不低于新能源项目装机量的10%，储能时长2小时以上。宁夏《关于加快促进自治区储能健康有序发展的通知（征求意见稿）》全部新能源项目新能源项目储能配置比例不低于10%、连续储能时长2小时以上。湖北《湖北省2020年度平价风电项目竞争配置工作方案》新建风电项目风储项目配备的储能容量不得低于风电项目配置容量的10%6.1%15.3%14.8%28.3%新能源储能火储独立储能电站用户侧储能储能类型平均等效利用系数部分地区“新能源+储能“政策一、新能源消纳背景下的共享储能商业模式3.共享储能商业模式共享储能是储能技术与共享经济理念相结合的一类新型商业模式，将闲置的储能资源在一定时间内以一定价格租赁给需求储能服务的用户，能够提高储能利用率，减少成本回收周期。Page8自有闲置储能共享独立储能共享共享储能商业模式架构《关于加快推动新型储能发展的指导意见》（发改能源规〔2021〕1051号）——鼓励探索建设共享储能《“十四五”新型储能发展实施方案》（发改能源〔2022〕209号）——鼓励以“共建共享”等方式建设运营新型储能电站“十四五”新型储能发展实施方案（发改能源〔2022〕209号）——创新新型储能商业模式，探索共享储能、云储能、储能聚合等商业模式应用共享储能架构目录CONTENTS1.新能源消纳背景下的共享储能商业模式2.计及多元化服务的共享储能运营模式3.考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略4.小结二、计及多元化服务的共享储能运营模式Page101.面向新能源消纳场景的共享储能商业运营模式以青海省的资源分布与目标需求为例，归纳并提出递进式的三类共享储能运营模式，从市场商品种类、计量结算方式、储能调度与控制角度分析了不同运营模式的特点。源-网-储单向共享模式源-网-荷-储双向共享模式互联网平台型共享模式⚫充（放）电单向共享；⚫计量与结算简单；⚫盈利模式单一。⚫充放电双向共享；⚫计量与结算、储能设备控制的难度增大；⚫多样化的电力商品。阶段1⚫存证溯源，增加可信度⚫时效性较弱的清分结算⚫电子合同保存阶段2阶段3⚫实时交易撮合⚫储能电站功率电量的记录与清分⚫数据确权，数据隐私保护⚫多样化的交易模式当前模式1~2年高比例可再生能源的消纳压力以水轮机组为调频机组的电网特性新能源配套储能已成为标配响应新基建，提高数字化、智能化程度海量数据形成大量孤岛，信息资源沉积在数据库两个细则对发电机组的压力交易平台建设路径⚫在能量共享基础上进行信息、数据、服务共享；⚫依赖平台的构建；⚫市场商品类型丰富；⚫多元盈利模式。3~5年共享储能发展动力二、计及多元化服务的共享储能运营模式Page112.考虑多种交易模式的共享储能调峰方案随着“双碳”目标的推进，新能源装机将快速增长，新能源消纳问题突出，基于此，首先提出了面向新能源消纳的共享储能调峰交易，通过双边协商、集中竞价和电网单边调用的模式，完成新能源场站与共享储能的交易，实现新能源消纳场景内储能资源的共享。面向电力调峰辅助服务的共享储能典型架构二、计及多元化服务的共享储能运营模式Page123.共享储能参与联合调频的分散交易机制研究2123maxmaxmax0xxx++=火电机组配置储能的调频性能增长函数火储联合调频的额外收益AGCP0jjjjUKpD=储能除了能够以独立主体参与调频市场之外，还能够以共享储能形式与火电机组联合调频，由火电机组统一控制参与市场，既可提高火电机组调频性能，又可使未达到准入门槛的储能资源参与调频。调频模式交易机制二、计及多元化服务的共享储能运营模式Page133.共享储能参与联合调频的分散交易机制研究共享储能联合调频分散交易流程谈判成交价格cleEG,,,1()2ijikjk=+◆无需第三方交易机构，减少交易成本；◆能够充分反映主体交易偏好；◆市场主体及时发现价格信号并调整交易策略；◆保障交易隐私性。分散交易机制的优势交易记录匹配分引入区块链技术解决交易过程中信任问题需求匹配分信用匹配分二、计及多元化服务的共享储能运营模式Page143.共享储能参与联合调频的分散交易机制研究是否考虑历史交易记录的火电机组收益对比E1E50共享储能火电机组未报价报价未成交三轮成交二轮成交首轮成交G10G1E1E50共享储能火电机组G10G1E1E50共享储能火电机组G10G1交易1交易2交易3⚫将交易记录作为分散交易过程中的主体交易偏好之一，可以使供求双方稳定匹配，提高了交易效率；⚫随着交易次数的增加，市场主体能够及时发现价格信号，实现与集中交易机制近似的市场成交情况和社会总效益基于分散交易机制的市场交易结果分散交易与集中交易下市场成交情况与社会总效益对比二、计及多元化服务的共享储能运营模式Page154.考虑新能源消纳功率基线的共享储能无功服务及其定价方法OppoInv,,Capa,Capa,,(1)hihihikhiCCQT+=+共享储能无功服务价格：投资成本机会成本CapaConv,Conv,E-AE-AE-RE-RhihiIQTCPTQT=+变流器成本：Batt,0hiC=电池成本：其他成本：OthE-ROth,E-RE-AE-R()hiIRTCTRR=+InvBattConvOth,,,,hihihihiCCCC=++ANEBLRes,,BLRes,,Oppo,BLRes,,(),20,hihihihihihihiPPTPPCPP−=hhSES,BLmax.maxmaxceil()/tTtitihiiiihipdtPSTSS+==II新能源消纳基线功率共享储能无功服务类型共享储能无功服务定价模型基于储能变流器输出特性，共享储能可在提供调峰、调频等有功服务的同时，提供无功服务。为使共享储能用户回收无功服务成本，提出一种考虑新能源消纳功率基线的无功服务定价模型。在投资成本基础上，加入无功服务产生的机会成本，通过价格信号引导共享储能在新能源消纳场景的充分利用。用于消纳新能源的共享储能平均利用率二、计及多元化服务的共享储能运营模式Page164.考虑新能源消纳功率基线的共享储能无功服务及其定价方法不同无功响应能力的无功服务价格新能源消纳功率基线(1)35MVar(2)40MVar(3)45MVar(4)50MVar考虑无功服务的共享储能收益情况◼新能源消纳功率基线体现共享储能资源在新能源消纳场景的利用效率；◼随着共享储能无功功率提高，新能源消纳能力与盈利能力降低，由此需要支付更高的无功服务费用;◼通过更新新能源消纳功率基线，形成共享储能无功服务动态价格机制；◼考虑机会成本可以补偿因无功服务导致的经济潜在损失，并反映共享储能无功资源各时段的稀缺性;二、计及多元化服务的共享储能运营模式Page175.计及多元化服务的共享储能成本-收益分析与推广模式共享储能商业模式下不同储能类型的成本-收益分析面向多元电力辅助服务的共享储能推广模式分析结合以上研究成果以及国内典型地区的储能市场规则，定性分析电网侧、较大规模电源侧（≥6MW）与较小规模电源侧（＜6MW）储能的成本-收益情况。现阶段，应在调频与调峰领域推广共享储能，同时建议推广共享储能容量租赁方式，建设大型储能电站，满足新能源场站对于储能配置需求的同时提高经济效益。目录CONTENTS1.新能源消纳背景下的共享储能商业模式2.计及多元化服务的共享储能运营模式3.考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略4.小结三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page191.计及共享储能的风光负荷聚合商优化竞价策略研究考虑共享储能使用权租赁的联盟组织模式✓共享储能减少因调峰能力不足造成的新能源弃电，提高新能源消纳水平，降低考核成本，提高能量市场收益；✓共享储能为发电商提供备用，应对预测误差对调度的影响，增加新能源电力可控性；✓共享储能可以增强联合体的调频能力，提高其在调频市场的收入。共享储能可向包含风光发电站、负荷聚合商的联合体出租短期使用权。优点三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page201.计及共享储能的风光负荷聚合商优化竞价策略研究rents,crentlifeSmCS=+租赁价格：①容量使用权机会成本单位容量租赁价格由日前能量市场单位电量收益决定②寿命折损成本考虑容量使用权机会成本和电池寿命损耗成本，提出共享储能使用权租赁机制。联合体可以根据可调节容量缺口，购买共享储能使用权，并按照租赁价格和租赁时长进行付费。三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page211.计及共享储能的风光负荷聚合商优化竞价策略研究联合体完成共享储能使用权租赁后，考虑能量与调频市场收益，以及能量市场偏差考核与共享储能租赁成本，构建以期望收益最大化为目标函数的能量-调频市场投标策略优化模型。三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page221.计及共享储能的风光负荷聚合商优化竞价策略研究⚫共享储能资源主要用于弥补风光调频控制误差、出力偏差;⚫不同组合下的联合体在购买一定量的共享储能使用权后日期望收益均有明显的提升；⚫得益于租赁了共享储能的使用权，联合体参与调频的性能指标得到提高，愿以更多容量参与调频市场;⚫风光出力存在时序互补特性，对于储能资源需求存在时间差异，联合体租赁成本比单独租赁成本降低。SDailyIncome($)EnergyIncome($)RegulationIncome($)EnergyPenalty($)RentalCost($)EnergyDeviation(MWh){1}3967(3712)3446(3732)1496(371)255(390)719(0)9.4028(14.0469){2}2304(2144)1963(2176)1376(219)176(251)860(0)5.7445(8.0542){3}-4211(-4211)-4137(-4137)0(0)74(74)0(0)2.6867(2.6867){1,2}6528(5966)5254(5882)2743(657)351(573)1119(0)12.3256(19.5968){1,3}-169(-432)-697(-406)1498(369)252(396)718(0)9.1830(14.1614){2,3}-1842(-2013)-2182(-1975)1380(236)180(274)860(0)5.9750(9.0079){1,2,3}2423(1860)1119(1736)2675(658)310(535)1061(0)10.8344(19.5968)不同组合是否考虑共享储能的成本及收益对比（括号内为不考虑共享储能的结果）不同联盟情况下的共享储能收益三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page232.考虑物理和虚拟共享储能的新型区域电力系统优化调度策略⚫储能侧物理实体储能和需求侧虚拟储能共享潜力的充分挖掘；⚫考虑多类型储能共享的电力系统优化调度策略可使系统整体的运行经济性得到最为充分的提升，同时缓解系统新能源出力和负荷不协调的问题。实体储能实体储能机械储能电气储能电化学储能热储能化学储能三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page242.考虑物理和虚拟共享储能的新型区域电力系统优化调度策略⚫储能侧物理实体储能和需求侧虚拟储能共享潜力的充分挖掘；⚫考虑多类型储能共享的电力系统优化调度策略可使系统整体的运行经济性得到最为充分的提升，同时缓解系统新能源出力和负荷不协调的问题。三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page252.考虑物理和虚拟共享储能的新型区域电力系统优化调度策略⚫储能侧物理实体储能和需求侧虚拟储能共享潜力的充分挖掘；⚫考虑多类型储能共享的电力系统优化调度策略可使系统整体的运行经济性得到最为充分的提升，同时缓解系统新能源出力和负荷不协调的问题。三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page262.考虑物理和虚拟共享储能的新型区域电力系统优化调度策略⚫储能侧物理实体储能和需求侧虚拟储能共享潜力的充分挖掘；⚫考虑多类型储能共享的电力系统优化调度策略可使系统整体的运行经济性得到最为充分的提升，同时缓解系统新能源出力和负荷不协调的问题。仅考虑实体储能实体和虚拟储能未考虑储能作用仅考虑虚拟储能✓系统整体的运行经济性提高✓缓解系统新能源出力和负荷功率不协调问题➢考虑实体和虚拟共享储能、仅考虑实体共享储能和仅考虑虚拟共享储能的县域新型电力系统优化调度结果分别相较于未考虑任何储能作用的调度结果节约51.56%、18.46%和35.86%的运行成本考虑实体和虚拟共享储能的调度结果指标三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page273.考虑共享储能和合作博弈的多园区综合能源系统优化调度在多园区综合能源系统优化调度中引入共享储能商业模式，可提高已建设实体储能综合能源系统的储能利用率，降低成本回收周期，并使部分综合能源系统无需投建实体储能，降低投资成本。考虑共享储能的多园区综合能源系统架构三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page283.考虑共享储能和合作博弈的多园区综合能源系统优化调度构建基于闲置容量的共享储能租赁模型，在此基础上，将共享储能的供应方和需求方视为一个联盟，提出以合作联盟效益最大化为目标函数的多园区综合能源系统优化调度模型，并通过纳什议价方法，确定共享储能的租赁容量和租赁单价。考虑共享储能和合作博弈的多园区综合能源系统优化调度模型R-PIESS,DPS,CR,DPR,CPIESPIESPIES,PIES,1S,DPS,CR,DPR,CPIESPIESPIES,PIES,R-PIESmax()()s.t.,,=1,2,...,NiiiiiCCCCCCCCiN=−−S,CS,C,S,C,S,CPIESenecurtSES1=()TtttCCCC=+−R,CR,C,R,C,R,C,R,CPIES,ene,curt,pass,SES,1=()TtttiiiiitCCCCC=+++S,DPS,DP,S,DP,PIESenecurt1=min()TtttCCC=+R,DPR,DP,R,DP,PIES,ene,curt,1=min()TttiiitCCC=+RR,SES,SES,R-PIES1=max(),=1,2,...,tiiTMSiN多园区综合能源系统的共享储能租赁模型➢每天租赁的共享储能容量定义为其共享储能在调度周期内的剩余容量最大值：➢共享储能租赁费用包括容量租赁费用和功率租赁费用：RR,MR,PSES,SES,SES,=+iiiCCCR,MMRSES,SES,SES,=iiiCpMR,PPR,cha,R,dis,SES,SES,SES,SES,1()==+TttiiiitCpPP➢S-PIES的共享储能收益为所有R-PIES的共享储能成本之和：R-PIESSRSESSES,1NiiCC==合作联盟效益最大化➢功率平衡约束➢能量转换设备约束➢共享储能约束三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page293.考虑共享储能和合作博弈的多园区综合能源系统优化调度由于优化调度模型的目标函数具有非凸非线性的特点，直接求解难度较大。采用两阶段等效转换方法，将其转化为两个易于求解的子模型，并利用基于交替方向乘子法的分布式求解方法，保护各主体的隐私。三、考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略Page303.考虑共享储能和合作博弈的多园区综合能源系统优化调度共享储能调度策略考虑和不考虑共享储能的综合能源系统运行成本成本/USDM-SES-NB[2]M-WSESS-PIESR-PIES1R-PIES2S-PIESR-PIES1R-PIES2能量购买成本834.088.2102.7861.375.875.7弃电惩罚成本073.533.0040.88.0运输成本00004.03.1共享储能租赁成本000-48.220.327.9总成本834.0161.7135.6813.1140.9114.7独立运行和共享储能的综合能源系统弃风/弃光对比⚫共享储能可以降低各综合能源系统的总运行成本，并且提高新能源消纳率；⚫拥有实体储能的综合能源系统可以通过储能使用权租赁获得一定收益，缩短储能设备的成本回收周期。目录CONTENTS1.新能源消纳背景下的共享储能商业模式2.计及多元化服务的共享储能运营模式3.考虑共享储能参与的电力系统优化运行策略4.小结Page32在“双碳”目标与新型储能发展计划的双轮驱动下，新型储能将保持快速增长的趋势，新能源消纳则会成为最主要的应用场景。共享储能的高效利用是实现期望盈利的重要前提。设计包含多元化服务盈利模式的共享储能运营模式，一方面可以缩短储能成本的回收期，增加储能投资的吸引力；另一方面可以使各类主体获得储能服务，提升用能质量。共享储能商业模式可以在不增加设备建设成本的基础上，有效提升储能资源的利用率，增强电力系统以及综合能源系统的调度灵活性，提供调峰、调频、调压等多元化的储能服务，促进新能源的消纳，将会是构建以新能源为主体的新型电力系统，实现“双碳”目标的关键一环。四、小结Page33序号论文名称期刊/会议完成状态1CooperativeGameBasedDay-AheadSchedulingforLocalIntegratedEnergySystemswithSharedEnergyStorage《IEEETransactionsonSustainableEnergy》发表2OptimalBiddingStrategyandProfitAllocationMethodforSharedEnergyStorage-AssistedVPPinJointEnergyandRegulationMarkets《AppliedEnergy》发表3AContract-Based,DecentralizedandPrivacy-PreservingComputationSchemeofEvaluationIndicesofSharedEnergyStorageMarketforRenewableEnergyAccommodation《IEEETransactionsonIndustryApplications》发表4考虑最优建设时序和云储能的园区综合能源系统优化配置方法《电力系统自动化》发表5“双碳”目标下面向新能源消纳场景的共享储能综合评价指标体系《电力自动化设备》发表6基于区块链的共享储能联合调频交易机制设计《电力自动化设备》发表7EvaluationIndexSystemofSharedEnergyStorageMarketTowardsRenewableEnergyAccommodationScenario:AChina’sQinghaiProvinceContext《GlobalEnergyInterconnection》发表扩展阅读四、小结谢谢大家！请批评指正！林振智（教授、博导）手机：152-6855-7283邮箱：linzhenzhi@zju.edu.cn主页：http://mypage.zju.edu.cn/linzhenzhi浙江大学电力能源互联及其智能化研究所