從美國1992年《國家能源法案》吹響全國電力市場化的號(hào)角，1996～2004年七大區(qū)域電力批發(fā)市場陸續(xù)建立，到今天，美國的電力市場已經(jīng)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(jìn)過程中，而且各大區(qū)域電力市場模式也不盡相同，但可以說美國批發(fā)電力市場的設(shè)計(jì)和運(yùn)行基本比較穩(wěn)定和成熟。然而最近幾年，包括美國在內(nèi)全球的電力系統(tǒng)發(fā)生了技術(shù)革命，傳統(tǒng)電力市場設(shè)計(jì)需要進(jìn)行改革。其一是間歇性可再生能源，包括風(fēng)電和太陽能，在清潔能源環(huán)境政策鼓勵(lì)和發(fā)電成本迅速下降的情況下，在電網(wǎng)中滲透率大大提高。相比傳統(tǒng)化石能源發(fā)電技術(shù)，這兩種發(fā)電技術(shù)受天氣的影響而不完全可控和不能完全預(yù)測。傳統(tǒng)電力市場主要是圍繞傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電技術(shù)而設(shè)計(jì)，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(zhàn)。與此同時(shí)，其他新技術(shù)，如儲(chǔ)能技術(shù)、需求側(cè)響應(yīng)正在逐步成熟，成為應(yīng)對(duì)間歇性可再生能源挑戰(zhàn)的潛在工具，但在傳統(tǒng)電力市場設(shè)計(jì)中，參與和價(jià)值認(rèn)可受到阻礙。為了應(yīng)對(duì)可再生能源對(duì)市場設(shè)計(jì)造成的挑戰(zhàn)，讓新的發(fā)電技術(shù)充分融入到電力市場，最近幾年美國各個(gè)批發(fā)電力市場做了很多改革，包括在能源、容量和輔助服務(wù)市場。本文專注于美國近幾年輔助服務(wù)市場方面的改革，希望可以為中國正在建立的輔助服務(wù)市場提供一些參考和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

 

（來源：微信公眾號(hào)“能源研究俱樂部”ID:nyqbyj 作者：美國布雷托咨詢公司資深助理 楊穎霞）

 

 

美國包括七大批發(fā)電力市場，包括CAISO，ERCOT，ISO-NE，MISO，PJM，NYISO和SPP。

 

每個(gè)市場中輔助服務(wù)市場的具體設(shè)計(jì)都略有不同。例如，表1是CAISO市場上交易的傳統(tǒng)輔助服務(wù)產(chǎn)品以及產(chǎn)品要求，包括調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用1。調(diào)頻服務(wù)的目的是在系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)電或者負(fù)荷短期微小變化的情況下為了保持目標(biāo)頻率（60赫茲）而對(duì)發(fā)電設(shè)備的出力大小進(jìn)行向上或向下的調(diào)整。而旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用則是為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)一些在預(yù)期之外的變化，比如某些發(fā)電站突然出現(xiàn)故障無法出力，而預(yù)留的發(fā)電能力。旋轉(zhuǎn)備用通常是由已經(jīng)與系統(tǒng)同步可以迅速做出反應(yīng)的資源提供，而非旋轉(zhuǎn)備用是由那些雖然不與系統(tǒng)同步但可以很快啟動(dòng)然后做出反應(yīng)的資源提供。這些產(chǎn)品是根據(jù)發(fā)電設(shè)備能夠?qū)ο到y(tǒng)需求產(chǎn)生響應(yīng)的速度來劃分的。一般來說，響應(yīng)的速度越快，產(chǎn)品的等級(jí)越高，而產(chǎn)品獲得的價(jià)格就越高2。

 

 

德州的批發(fā)電力市場ERCOT負(fù)責(zé)德州大概90%的用電。到2018年底，ERCOT有95吉瓦的發(fā)電設(shè)備，其中大概16吉瓦是煤電，49吉瓦是天然氣，23吉瓦風(fēng)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(fēng)電裝機(jī)量占全美第一，因?yàn)轱L(fēng)電利用率非常高，全年容量因子平均達(dá)到30%～50%。太陽能的容量因子也非常高，大概25%，目前裝機(jī)量在迅速增長中。

 

德州只有能量和輔助服務(wù)市場，而沒有容量市場。在美國區(qū)域批發(fā)電力市場中是唯一的。2014年ERCOT在輔助服務(wù)市場進(jìn)行了一個(gè)影響非常大的改革，即引入了運(yùn)營儲(chǔ)備需求曲線（ORDC）。2011年異常漫長的夏季熱浪導(dǎo)致電力近乎短缺的擔(dān)憂，同年冬天嚴(yán)寒又導(dǎo)致電廠故障并造成輪流停電，再加上當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)2014年的容量冗余度僅為9.8％（與可靠性目標(biāo)13.75％相比），導(dǎo)致2012～2013年ERCOT對(duì)是否應(yīng)引入資源充足性要求和容量市場進(jìn)行激烈辯論。最終，德克薩斯州公用事業(yè)委員會(huì)（PUCT）決定于2014年6月1日在輔助服務(wù)市場實(shí)施改革引入ORDC。

 

在引入ORDC以前，ERCOT運(yùn)營儲(chǔ)備包括響應(yīng)儲(chǔ)備（RRS）和非旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備（NSRS）。RRS要求資源在10分鐘響應(yīng)系統(tǒng)的要求，NSRS要求資源在30分鐘內(nèi)響應(yīng)系統(tǒng)要求。這兩種產(chǎn)品只在日前市場交易，而實(shí)時(shí)市場只是一個(gè)能量的市場，并不同時(shí)優(yōu)化能量和輔助服務(wù)市場，所以實(shí)時(shí)市場的價(jià)格只反映能量產(chǎn)品的價(jià)值，而不能反映輔助服務(wù)產(chǎn)品的價(jià)值。ORDC的設(shè)計(jì)正是將運(yùn)營備用產(chǎn)品的價(jià)值體現(xiàn)出來，添加到實(shí)時(shí)市場的價(jià)格中，使發(fā)電資源能得到更多的市場報(bào)酬，從而鼓勵(lì)投資者投資更多的發(fā)電資源來滿足系統(tǒng)資源充分性?。

 

ERCOT在每個(gè)季節(jié)對(duì)于這兩種輔助服務(wù)產(chǎn)品都分別制定出6條ORDC曲線，即把每天24小時(shí)按每4小時(shí)分成一個(gè)時(shí)段，共6個(gè)時(shí)段。對(duì)每個(gè)時(shí)段，ERCOT對(duì)系統(tǒng)在一定儲(chǔ)備量的情況下估算負(fù)荷損失概率，然后將負(fù)荷損失概率乘以損失負(fù)荷的價(jià)值（在ERCOT這個(gè)損失負(fù)荷的價(jià)值是9000美元/兆瓦時(shí)）從而得到ORDC曲線。輔助服務(wù)產(chǎn)品的價(jià)格是ORDC的曲線減去邊際能量市場的價(jià)格。如下圖所示，當(dāng)儲(chǔ)備過剩時(shí)，由于負(fù)載損失概率較低，儲(chǔ)備的價(jià)格很低，接近零。當(dāng)儲(chǔ)備短缺時(shí)，由于負(fù)載損失很高，價(jià)格很高。當(dāng)儲(chǔ)備少于2000兆瓦時(shí)，電力市場的價(jià)格就會(huì)達(dá)到市場價(jià)格的最大值9000美元/兆瓦時(shí)。假設(shè)當(dāng)時(shí)市場的能源邊際成本是1000美元/兆瓦時(shí)的話，這意味著提供輔助服務(wù)的資源可以得到8000美元/兆瓦時(shí)的價(jià)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(huì)對(duì)響應(yīng)快靈活性資源的報(bào)酬有所提高，并解決可再生能源帶來的不穩(wěn)定性問題。

 

 

注：圖中曲線代表了夏天15時(shí)～18時(shí)所用的曲線。能量邊際成本假設(shè)為1000美元/兆瓦時(shí)。

 

來源：William Hogan and ERCOT, Back Cast of Interim Solution B+ to Improve Real-Time Scarcity Pricing, 2013/3/21.

 

 

加州有非常激進(jìn)的環(huán)境政策。其可再生能源配額的目標(biāo)是可再生能源發(fā)電比例在2020年達(dá)到33%，在2030年達(dá)到50%，2045年達(dá)到100%。5,6,7政策推動(dòng)風(fēng)電和太陽能在加州增長非常迅速。到2018年底，加州風(fēng)電近6吉瓦，太陽能發(fā)電站11吉瓦，分布式太陽能近8吉瓦。2018年風(fēng)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(duì)加州的電力系統(tǒng)帶來了很大的挑戰(zhàn)。下圖是加州批發(fā)電力市場運(yùn)營系統(tǒng)CAISO從2012年到2020年實(shí)際和預(yù)測的在某一日的凈負(fù)荷變化。由于太陽能在白天的出力迅速增加，在中午12時(shí)～下午3時(shí)系統(tǒng)的凈負(fù)荷變得很低，這時(shí)系統(tǒng)面臨非常大的出力過多風(fēng)險(xiǎn)。但在下午3時(shí)～7時(shí)左右，因?yàn)樘柲艿某隽ρ杆俳档停到y(tǒng)凈負(fù)荷迅速增長，系統(tǒng)又面臨沒有足夠的資源來滿足出力增長的需求。凈負(fù)荷在一天之內(nèi)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(shí)的應(yīng)對(duì)風(fēng)電和太陽能帶來的變化。