排列3投注截止时间:美國電力輔助服務市場改革趨勢及對中國輔助服務市場的借鑒意義

2019-03-28 10:32:10 能源研究俱樂部 作者:楊穎霞  點擊量: 評論 (0)
一、背景從美國1992年《國家能源法案》吹響全國電力市場化的號角,1996~2004年七大區域電力批發市場陸續建立,到今天,美國的電力市場已經
一、背景
 
從美國1992年《國家能源法案》吹響全國電力市場化的號角,1996~2004年七大區域電力批發市場陸續建立,到今天,美國的電力市場已經走過二十多年。這二十多年間,盡管電力市場一直處于不斷的改進過程中,而且各大區域電力市場模式也不盡相同,但可以說美國批發電力市場的設計和運行基本比較穩定和成熟。然而最近幾年,包括美國在內全球的電力系統發生了技術革命,傳統電力市場設計需要進行改革。其一是間歇性可再生能源,包括風電和太陽能,在清潔能源環境政策鼓勵和發電成本迅速下降的情況下,在電網中滲透率大大提高。相比傳統化石能源發電技術,這兩種發電技術受天氣的影響而不完全可控和不能完全預測。傳統電力市場主要是圍繞傳統的化石能源發電技術而設計,因此,在可再生能源大量滲透情況下,其有效性和可靠性受到了挑戰。與此同時,其他新技術,如儲能技術、需求側響應正在逐步成熟,成為應對間歇性可再生能源挑戰的潛在工具,但在傳統電力市場設計中,參與和價值認可受到阻礙。為了應對可再生能源對市場設計造成的挑戰,讓新的發電技術充分融入到電力市場,最近幾年美國各個批發電力市場做了很多改革,包括在能源、容量和輔助服務市場。本文專注于美國近幾年輔助服務市場方面的改革,希望可以為中國正在建立的輔助服務市場提供一些參考和借鑒的經驗。
 
二、美國傳統的輔助服務市場
 
美國包括七大批發電力市場,包括CAISO,ERCOT,ISO-NE,MISO,PJM,NYISO和SPP。
 
美國電力輔助服務市場改革趨勢及對中國輔助服務市場的借鑒意義
 
表1 加州傳統輔助服務產品種類及要求
 
來源:CAISO,Business Practice Manual for Market Operations.
 
每個市場中輔助服務市場的具體設計都略有不同。例如,表1是CAISO市場上交易的傳統輔助服務產品以及產品要求,包括調頻、旋轉備用和非旋轉備用1。調頻服務的目的是在系統出現發電或者負荷短期微小變化的情況下為了保持目標頻率(60赫茲)而對發電設備的出力大小進行向上或向下的調整。而旋轉備用和非旋轉備用則是為了應對系統出現一些在預期之外的變化,比如某些發電站突然出現故障無法出力,而預留的發電能力。旋轉備用通常是由已經與系統同步可以迅速做出反應的資源提供,而非旋轉備用是由那些雖然不與系統同步但可以很快啟動然后做出反應的資源提供。這些產品是根據發電設備能夠對系統需求產生響應的速度來劃分的。一般來說,響應的速度越快,產品的等級越高,而產品獲得的價格就越高2。
 
德州的批發電力市場ERCOT負責德州大概90%的用電。到2018年底,ERCOT有95吉瓦的發電設備,其中大概16吉瓦是煤電,49吉瓦是天然氣,23吉瓦風電,不到2吉瓦太陽能,5吉瓦的核電,以及其他資源3。德州風電裝機量占全美第一,因為風電利用率非常高,全年容量因子平均達到30%~50%。太陽能的容量因子也非常高,大概25%,目前裝機量在迅速增長中。
 
德州只有能量和輔助服務市場,而沒有容量市場。在美國區域批發電力市場中是唯一的。2014年ERCOT在輔助服務市場進行了一個影響非常大的改革,即引入了運營儲備需求曲線(ORDC)。2011年異常漫長的夏季熱浪導致電力近乎短缺的擔憂,同年冬天嚴寒又導致電廠故障并造成輪流停電,再加上當時預計2014年的容量冗余度僅為9.8%(與可靠性目標13.75%相比),導致2012~2013年ERCOT對是否應引入資源充足性要求和容量市場進行激烈辯論。最終,德克薩斯州公用事業委員會(PUCT)決定于2014年6月1日在輔助服務市場實施改革引入ORDC。
 
在引入ORDC以前,ERCOT運營儲備包括響應儲備(RRS)和非旋轉儲備(NSRS)。RRS要求資源在10分鐘響應系統的要求,NSRS要求資源在30分鐘內響應系統要求。這兩種產品只在日前市場交易,而實時市場只是一個能量的市場,并不同時優化能量和輔助服務市場,所以實時市場的價格只反映能量產品的價值,而不能反映輔助服務產品的價值。ORDC的設計正是將運營備用產品的價值體現出來,添加到實時市場的價格中,使發電資源能得到更多的市場報酬,從而鼓勵投資者投資更多的發電資源來滿足系統資源充分性?。
 
ERCOT在每個季節對于這兩種輔助服務產品都分別制定出6條ORDC曲線,即把每天24小時按每4小時分成一個時段,共6個時段。對每個時段,ERCOT對系統在一定儲備量的情況下估算負荷損失概率,然后將負荷損失概率乘以損失負荷的價值(在ERCOT這個損失負荷的價值是9000美元/兆瓦時)從而得到ORDC曲線。輔助服務產品的價格是ORDC的曲線減去邊際能量市場的價格。如下圖所示,當儲備過剩時,由于負載損失概率較低,儲備的價格很低,接近零。當儲備短缺時,由于負載損失很高,價格很高。當儲備少于2000兆瓦時,電力市場的價格就會達到市場價格的最大值9000美元/兆瓦時。假設當時市場的能源邊際成本是1000美元/兆瓦時的話,這意味著提供輔助服務的資源可以得到8000美元/兆瓦時的價格。
 
雖說2014年ORDC的引入是為了解決ERCOT資源充足性的問題,但效果上會對響應快靈活性資源的報酬有所提高,并解決可再生能源帶來的不穩定性問題。
 
美國電力輔助服務市場改革趨勢及對中國輔助服務市場的借鑒意義
 
圖1 ERCOT運營備用需求曲線
 
注:圖中曲線代表了夏天15時~18時所用的曲線。能量邊際成本假設為1000美元/兆瓦時。
 
來源:William Hogan and ERCOT, Back Cast of Interim Solution B+ to Improve Real-Time Scarcity Pricing, 2013/3/21.
 
三、CAISO:靈活爬坡產品FRP
 
加州有非常激進的環境政策。其可再生能源配額的目標是可再生能源發電比例在2020年達到33%,在2030年達到50%,2045年達到100%。5,6,7政策推動風電和太陽能在加州增長非常迅速。到2018年底,加州風電近6吉瓦,太陽能發電站11吉瓦,分布式太陽能近8吉瓦。2018年風電和太陽能電站提供了加州大概20%的用電,分布式太陽能提供了近4.8%的用電?。
 
間歇性可再生能源的大量滲透,尤其是太陽能,對加州的電力系統帶來了很大的挑戰。下圖是加州批發電力市場運營系統CAISO從2012年到2020年實際和預測的在某一日的凈負荷變化。由于太陽能在白天的出力迅速增加,在中午12時~下午3時系統的凈負荷變得很低,這時系統面臨非常大的出力過多風險。但在下午3時~7時左右,因為太陽能的出力迅速降低,系統凈負荷迅速增長,系統又面臨沒有足夠的資源來滿足出力增長的需求。凈負荷在一天之內這樣大幅度變化充分說明加州需要有非常靈活的資源來及時的應對風電和太陽能帶來的變化。
 
美國電力輔助服務市場改革趨勢及對中國輔助服務市場的借鑒意義
 
圖2 CAISO春天某一日內凈負荷變化
 
來源:CAISO, Fast Facts.
 
2016年,CAISO在其15分鐘和5分鐘的實時市場引入了一種新的輔助服務產品“靈活爬坡產品”(FRP)。靈活爬坡產品FRP用來應對系統凈負荷(原負荷減去風力發電量減去太陽能發電量)變化的兩個原因:預期的凈負荷變化和預期之外不確定性的凈負荷變化。和傳統的輔助服務產品不同,這種產品的需求和規格不是根據系統某一個時刻的狀態而定,而是依據兩個時間點的變化而定。例如,下圖所示的凈負荷在時間點t和t+1預期變化為200 兆瓦(從1000兆瓦到1200兆瓦),向上變化不確定性需求為50兆瓦(從1200兆瓦到1250兆瓦)。該時間間隔的向下總不確定性需求為220兆瓦(從1200兆瓦到980兆瓦),但因為預期凈負荷變化為200兆瓦,因此,實際向下變化不確定性需求為20兆瓦(220兆瓦減去200兆瓦)?。
 
美國電力輔助服務市場改革趨勢及對中國輔助服務市場的借鑒意義
 
圖3 靈活爬坡產品需求確定方法舉例
 
來源:CAISO, Business Practice Manual for Market Operations.
 
對于向上或者向下變化不確定性需求,CAISO采用需求曲線的方式來決定購買靈活爬坡產品的數量。和ERCOT所用的ORDC類似,CAISO估算在一定的靈活爬坡產品數量情況下的電力失衡概率(通過歷史數據來估算),然后將電力失衡概率乘以負荷損失的價值從而得到靈活爬坡產品的需求曲線。例如,假設電力失衡的損失成本是1000美元/兆瓦,加州在有100兆瓦向上靈活爬坡產品的情況下系統電力失衡的概率為5%,那么系統購買100兆瓦靈活爬坡產品的愿意付的最高價格就是50美元/兆瓦(1000美元×5%=50美元)。10,11用這樣的方法計算在不同的靈活爬坡數量下愿意支付的最高價格就形成了需求曲線。CAISO將這個需求曲線和其他對于能量和服務產品的需求以及發電廠的競標所形成的供應曲線一同進行優化,尋找到成本最低的決定,從而確定每個產品的市場價格和數量12。
 
這種靈活性爬坡產品從理論上來說應該可以很好的應對風電太陽能的變化和不確定性對電力系統造成的挑戰。但是目前來看在加州并沒有收到預期的效果。CAISO市場監測部門去年發現了一些實行需求曲線中的失誤,導致在系統需要這種產品的時候需求曲線的數量過低,而在系統不需要這種產品的時候需求曲線的數量過高。這個問題可能部分導致了系統電力失衡,但到底有多大的影響很難估算。CAISO目前在改正這一錯誤。另外,CAISO目前也在日前市場引入靈活性爬坡產品。13,14除了CAISO之外,MISO也在2016年引入了這種產品,并且SPP和ISO-NE也在考慮引入這種產品。15,16
 
四、PJM:調頻產品RegD
 
PJM負責美國13個州(包括賓州、新澤西、馬里蘭和其他州)以及哥倫比亞特區電力系統的運行與管理。PJM是美國目前規模最大的批發電力市場,運營能量、輔助服務和容量三大市場。2017年總裝機量近184吉瓦,其中包括65吉瓦煤電,66吉瓦天然氣發電,近9吉瓦水電,33吉瓦核電,1吉瓦風電,0.37吉瓦太陽能,以及其他發電資源17。PJM傳統上煤電占主導,但近幾年由于環境法規和低廉的天然氣導致大量煤電廠退休,天然氣電廠增加。風電和太陽能雖有增長,但并不如ERCOT和CAISO增長迅速。因為可再生能源滲透不大,PJM輔助服務市場的改革并不像ERCOT和CAISO的需求強烈。但是PJM于2012年在美國第一個實行美國能源管理委員會第755號令對調頻服務的一項改革,從效果上來說鼓勵和刺激了新興技術的發展。
 
2011年美國能源管理委員會(FERC)頒布了第755號命令,要求其管轄的各大批發電力市場對傳統輔助服務產品中調頻服務的報償機制進行改革。FERC認為傳統調頻服務的補償機制未有效體現提供調頻服務中快速反應產品的價值,這對于快速反應的產品不公平。如圖4所示,飛輪技術和傳統發電設備同時提供20兆瓦的調頻,但是飛輪技術可以更快地對系統的信號進行反應,更準確地提供系統所需要的服務來幫助調頻。FERC755號令要求其管轄內的區域電力市場要按照“基于里程”的方式來對提供調頻服務的產品提供補償,即補償不光要基于調頻服務的容量,還要包括其跟隨調度信號向上向下行走的總“距離”18。
 
 

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圖4 飛輪和發電機提供調頻服務的對比
 
來源:Beacon Power, “Overview of FERC Order 755 and Pay-for-Performance Regulation”, 2014/03.
 
為執行FERC的755號文件,PJM于2012年10月在實時市場引入新的調頻產品RegD,專門針對能夠快速反應的資源(傳統比較慢的調頻產品稱為RegA)。購買這些快速反應資源使得PJM降低對調頻服務的需求,從而降低系統的成本,同時不影響保障系統的穩定性。例如2012年10月調頻服務的要求從峰值負荷的1%減少到0.78%,11月減少到0.74%,12月繼而減少到0.70%19。這項改革大大刺激了儲能設備市場參與積極性,從2012年的4.5兆瓦增長到2017年的492兆瓦。2017年,在所有資源中(包括煤電、水電、天然氣、需求側等),儲能設備提供了PJM 46.5%的調頻需求20。
 
雖然這項改革大大地改進了PJM調頻市場,但是PJM和市場監測單位發現了一些實施中的問題,導致PJM購買了過多的RegD產品,產生不必要的成本,同時對RegD產品的付費也有偏差。PJM和其市場監測單位向FERC提出改正這些問題的建議方案,但在2018年3月遭到FERC的拒絕,認為其不符合755號令。PJM和其市場監測單位要求重審,目前還沒有定論21。
 
五、對中國輔助服務市場的借鑒意義
 
中國目前剛剛開始建立輔助服務市場。因為中國整個市場體系所處的階段不同,資源稟賦不同,美國在輔助服務產品的市場設計和改革不一定對中國全都適用。但是可再生能源對電力系統的挑戰在中國和美國乃至全球是有相同之處的。因此,美國目前對輔助服務市場改革的措施和趨勢對中國有一定的借鑒意義。本文中介紹的ERCOT,PJM以及CAISO近幾年在輔助服務市場改革經驗可以大致總結為以下幾個方面:
 
完善價格形成機制,提供有效價格信號:市場最主要的功能之一就是通過及時、準確和有效的價格信號來平衡供需關系??稍偕茉吹牟煌耆煽匭院筒蝗范ㄐ允溝玫緦ο低承棖蟊浠卻車牡緦ο低潮浠喔?。這就需要市場能有合理的價格形成機制,提供更及時和準確的價格信號。例如ERCOT的ORDC就是針對現有輔助服務產品進行更準確定價,使其價格能更準確的反映資源對系統可靠性的價值,從而刺激市場對靈活性資源的投資,在系統需要時做出及時響應。
 
針對可再生能源并網帶來的新需求開發新產品:為解決可再生能源不可控和不確定性帶來的對管理系統可靠性的挑戰,需要充分考慮系統對輔助服務的需求,針對這種需求優化產品開發的品種和規格要求。如CAISO新開發的靈活性爬坡產品FRP就是針對新需求積極的探索。
 
鼓勵新興技術的參與:新興技術是可以幫助解決可再生能源對系統帶來挑戰的有力工具。對于電力批發市場來說,關鍵問題之一就是如何能為這些新興技術除掉參與市場的一些障礙,并且對其特殊的價值給予應有的報償。PJM在實施了FERC 755號令后新開發的調頻RegD產品,就是促進儲能這樣靈活性資源能夠充分參與到市場當中的舉措。
 
最后,電力系統的控制和調度是非常復雜的系統,電力市場的設計亦是如此。而可再生能源的滲入極大了增加了這種復雜性。PJM目前在RegD產品實行過程中遇到的問題以及CAISO在靈活爬坡產品實行過程中的失誤充分體現了這一點。因此在輔助服務市場設計中對產品類型的劃分以及價格的定位一定要經過周密的考慮、細致的分析、充分的模擬來避免造成失誤和社會資源的浪費。
 
(本文只代表作者本人的觀點,不代表任何組織及作者供職單位的觀點。)
 
參考文獻
 
1.輔助服務還包括其他的產品,如頻率響應,電壓控制或者黑啟動等。但這些輔助服務目前不在電力市場中交易,而是有發電設備免費提供或者用基于成本的方式分攤給消費者。
 
2.有些批發電力市場對于產品的具體劃分不同或者響應時間要求不同。比如ERCOT對于非旋轉備用要求中只要在30分鐘內提供響應就可以。對于美國所有批發電力市場輔助服務市場的概述請參見Argonne National Laboratory, Survey of U.S. Ancillary Services Markets, 2016/1.
 
3.ERCOT, Capacity, Demand, and Resources, 2018/12/31.
 
4.David Maggio, SaiMoorty, Pamela Shaw, Scarcity Pricing using ORDC for reserves and Pricing Run for Out-Of-Market Actions, 2018/3/20.
 
5.California Senate Bill No. X 1-2 (Energy: Renewable Energy Resources), 2011/2/1.
 
6.California Senate Bill No. 350 (Clean Energy and Pollution Reduction Act of 2015), Legislative Counsel’s Digest, 2015/10/7.
 
7.California Senate Bill No. 100 (California Renewables Portfolio Standard Program: Emissions of Greenhouse Gases), Legislative Counsel’s Digest, 2018/9/10.
 
8.California Energy Commission, Tracking Progress, 2018/12.
 
9.在這個例子中,如果該時間間隔的向下不確定性低于20兆瓦,則不需要向下的靈活爬坡能力。
 
10.CAISO Department of Market Monitoring, 2016 Annual Report on Market Issues and Performance, 2017/5/8.
 
11.CAISO目前對向上靈活爬坡產品的最高限價為247美元,向下靈活爬坡產品的最低限價為-247美元。請參見CAISO, Business Practice Manual for Market Operations,第231~232頁.
 
12.CAISO, Business Practice Manual for Market Operations.
 
13.George Angelidis和Megan Poage,Day-Ahead Market EnhancementsPhase II Working Group, 2018/11/30.
 
14.除了這一在輔助服務產品方面的改革,CAISO還對其資源充足性的項目進行了改革。在其傳統的容量要求之外, CAISO在美國第一個引入了專門針對靈活性資源的容量要求。這一要求是CAISO根據系統在3小時以內的凈負荷變化大小來確定對于靈活性資源容量的需求。CAISO目前也在進一步改進這個項目.
 
15.MISO, Business Practice Manual-Energy and Operating Reserve Markets,第49頁;SPP, State of the Market 2017,第206頁.
 
16.Dane A. Schiro, Procurement and Pricing of Ramping Capability,2017/09/20.
 
17.Monitoring Analytics, PJM State of the Market 2017, Section 5 Capacity Market.
 
18.FERC Order 755, Frequency Regulation Compensation in theOrganized Wholesale Power Markets,2011/10/20.
 
19.PJM, Letter from James M. Burlew and Craig Glazer (PJM Interconnection) to Hon. Kimberly D. Bose, re Performance-Based Regulation Revisions,Docket Nos. ER12-1204-004 and ER12-2391-003, 2013/10/14,第7頁.
 
20.//www.monitoringanalytics.com/reports/pjm_state_of_the_market/2017/2017-som-pjm-sec10.pdf, 表10-35 and 表10-36.
 
21.Monitoring Analytics, PJM State of Market 2018, Section 10 Ancillary Services Markets,第452頁.
 
原標題:美國輔助服務市場改革趨勢及借鑒意義
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責任編輯:葉雨田

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