為了維持系統(tǒng)可靠性，電網(wǎng)需要實時平衡電力供給和需求，電網(wǎng)運營商密切關注負荷波動情況，需要預測負荷和提前安排發(fā)電計劃，但是難免會有短期的負荷預測錯誤或發(fā)電機組出力意外波動。由于發(fā)電和負荷需要近乎實時平衡，因此這些秒級到分鐘級的突然波動需要實時平衡，電網(wǎng)運營商依賴“調頻”資源調節(jié)微小的電力供需錯配，調頻資源根據(jù)運營商信號自動調節(jié)出力以平抑短期波動。

隨著技術進步和成本下降，儲能技術已經開始提供電力調頻服務了。2012年，區(qū)域輸電運營商PJM-運營大西洋中部13州和華盛頓特區(qū)-將其調頻市場分為慢速和快速兩部分，儲能等快速資源通過快速吸收和釋放電能，具有比燃氣發(fā)電機更快地功率調節(jié)能力。

快速調頻服務機制的初期設計原則為在平均15分鐘內調節(jié)資源為電網(wǎng)提供零電能。在該理念下調頻資源累計吸收電量等于累計釋放電量，稱為“能源中性”，該機制設計旨在提高電量有限的儲能資源響應調頻信號的能力，在該機制刺激下，PJM區(qū)域涌現(xiàn)了很多儲能投資項目。截止2016年8月，PJM區(qū)域投運電網(wǎng)級儲能占全美比例達到46%。近期加州等區(qū)域亦涌現(xiàn)大量儲能項目。

調頻服務在儲能商業(yè)化過程中發(fā)揮了巨大作用且將繼續(xù)發(fā)揮作用，然其作用大小取決于PJM調頻市場規(guī)則。PJM為解決市場中出現(xiàn)的問題采取了相關糾正措施，例如電網(wǎng)需要注入電力時，儲能資源卻在吸收電力以實現(xiàn)能量中性原則，反之亦然。

從2015年初開始，PJM采取了一些列措施以糾正調頻市場出現(xiàn)的問題，規(guī)則變更導致PJM區(qū)域的儲能資源增長率降低，儲能產業(yè)界指責這些市場規(guī)則嚴重不公，向聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會（FERC）提出了2次投訴。

PJM調頻系統(tǒng)所面臨根本問題是儲能可短時間內提供快速和準確地響應，卻難以長久維持出力，PJM、儲能產業(yè)界和聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會需要解決該市場規(guī)則挑戰(zhàn)：在提高系統(tǒng)可靠性過程中，如何設計市場規(guī)則實現(xiàn)差異技術的有效競爭？

本文專注于PJM調頻市場規(guī)則設計中的技術和經濟問題，沒有涉及法律流程問題，首先討論了調頻服務對電力系統(tǒng)可靠性的重要作用；其次簡要介紹了PJM市場規(guī)則中兩大關鍵設計：信號結構和信號估值系統(tǒng)，并分析了近期市場規(guī)則變更及其對電力系統(tǒng)可靠性和儲能運營商的影響；最終，文章展望儲能調頻服務發(fā)展方向。

調頻必要性

北美區(qū)域電網(wǎng)連接組成三個大電網(wǎng)，旨在提高可靠性冗余和獲得規(guī)模效應。大電網(wǎng)連接的所有同步發(fā)電機均在同一頻率運轉。因此電網(wǎng)頻率維持在60 Hz對系統(tǒng)可靠性至關重要。大電網(wǎng)中任何供需不匹配均會致使頻率偏離60 Hz。大電網(wǎng)分為多個監(jiān)管區(qū)域，每個區(qū)域負責管理其短期供需不匹配，也稱為區(qū)域控制錯誤（ACE）。PJM作為東部大電網(wǎng)中較大區(qū)域監(jiān)管者必須遵守北美電力可靠性委員會（NERC）制定的可靠性標準。調頻最為有效工具，可以平滑實時不平衡或ACE。調節(jié)資源自動跟隨電網(wǎng)運營商的調頻信號，實現(xiàn)提高或減少發(fā)電，也稱為自發(fā)電控制（AGC）。

圖1 調頻示意圖

信號結構：精確和持久的權衡

儲能資源在快速和精確響應調頻信號方面具有優(yōu)勢，卻在長時間持續(xù)出力方面能力不足。

精確的優(yōu)勢

發(fā)電廠等傳統(tǒng)資源通過調節(jié)轉速響應調頻信號，存在時間延遲。換句話講，電廠調節(jié)出力需要花費時間。儲能資源幾乎可瞬時調節(jié)，既在一分鐘之內實現(xiàn)100%的功率調節(jié)。2008年太平洋西北國家實驗室研究發(fā)現(xiàn)1 MW快速調節(jié)資源可提供等效調節(jié)服務為1.7 MW水力發(fā)電機組、2.7 MW的燃氣機組和29 MW 燃煤機組。

持久的優(yōu)勢

儲能設備的能量有限，意味著其吸收和釋放能量有限。如表1所示，如果快速調節(jié)資源難以長時間維持出力，其性能將會降低。

表1 快速調節(jié)資源等效調節(jié)容量

2011年，F(xiàn)ERC 755號法令要求電網(wǎng)運營商按調頻性能進行補償，調頻性能為對電力系統(tǒng)的實際調節(jié)性能和技術能力。2012年11月，PJM為了引入準確但電量有限的儲能資源，將調頻信號分內兩種信號：慢響應調節(jié)信號A(RegA)和快速響應調節(jié)信號D(RegD)。信號分開制度目的：RegA是為“能夠持續(xù)較長時間維持出力，但調節(jié)速率較慢”資源設計的；而RegD是為“能夠快速調節(jié)出力，但長時間保持出力能力不足”資源設計的。

估值系統(tǒng)：不同技術的對比

PJM目標是保證可靠性前提下實現(xiàn)系統(tǒng)成本最小，因為系統(tǒng)成本最終會由消費者承擔。經濟學研究表明在理想產出水平下獲取最低成本的方法是每個資源投入產出比等于邊界成本。PJM通過確保兩種資源價格比例為PD/PA=MBD/MBA可得到最佳低成本方案。

鑒于上述規(guī)則，PJM設計出一套估值系統(tǒng)以確定RegA和RegD的最佳混合方案。最初估值系統(tǒng)設計時，PJM采用了KEMA的一項研究成果，其模擬了不同RegA和RegD的組合方案。KEMA研究得出了顯示RegA、RegD和系統(tǒng)可靠性的關系的等高線。通過引入RegD資源，PJM可在保持相同可靠性的前提下降低總體的調節(jié)需求量；換句話講，PJM可在不增加調節(jié)需求的情況下提高系統(tǒng)可靠性。

KEMA發(fā)現(xiàn)在超過某個點后繼續(xù)增加RegD的比例會導致回報降低。KEMA解釋其原因時提到“RegD的設計是為了作為RegA的補充，而不是承擔所有系統(tǒng)調節(jié)任務”。PJM解釋稱過多RegD資源會惡化可靠性控制的原因是RegD控制信號為了保持能量中性原則，有時運動朝向“調度所需要的相反方向”。實際上RegD有時候反方向運動的情況已經被發(fā)現(xiàn)和計入估值系統(tǒng)，因為系統(tǒng)可以在不惡化可靠性前提下提高RegD的比例。

規(guī)則調整：信號和估值系統(tǒng)的修正

從2015年開始，PJM運營商注意到高比例RegD資源所導致運行和執(zhí)行的問題。PJM比較擔憂能量中性原則強制RegD信號運動方向與ACE控制所需方向相反。儲能資源為了實現(xiàn)能量中性有時執(zhí)行與電網(wǎng)調頻需求相反的操作。

為了實時保持系統(tǒng)可靠性，PJM調度人員有時必須通過人工操作解決快速調頻反向運行的問題。服務于PJM的獨立市場監(jiān)管組織-監(jiān)控分析-指出主要問題：效益因子曲線錯誤地高估了RegD的價值，解決辦法使不要一直使用效益因子曲線。這些制度缺陷導致調頻系統(tǒng)經常過度采購和補償快速調節(jié)資源。

圖2 不同等效倍率曲線比較

為了解決該問題，2015年5月26號PJM召開了關于調頻性能影響的股東會議聚焦“可以快速執(zhí)行的短期解決方案”。之后，2015年9月26號發(fā)布了調頻市場問題高級任務指令以解決調頻市場中更廣泛和相關的問題。這兩個系統(tǒng)運行和市場設計的改革提案正在走股東流程。2017年6月22號市場和可靠性委員會投票支持了高級任務指令的提案。該提案通過后會在PJM成員委員會審查。由于這些變更涉及到費率調整，PJM董事會將最終決定是否批準，也將決定是否向FERC備案這些調整。

市場規(guī)則調整影響

調頻輔助服務市場規(guī)則調整后RegD資源所提供的有效任務量降低了。圖3展現(xiàn)了效益因子調整后RegD任務量變化情況。引入快速信號之后，RegD資源調節(jié)任務量逐步提高，儲能項目建設也隨之加快。2015年12月短期市場調整后RegD資源調節(jié)任務量增長趨勢終止。這些調整限制了日內每小時RegD任務量。最終，2017年1月信號規(guī)則調整導致了RegD任務量出現(xiàn)下降。

圖3 RegD任務量占總調頻任務比例

第一條紅線是效益因子調整，第二條紅線是新信號制度。

圖4顯示了PJM系統(tǒng)平均性能得分的變化情況。調節(jié)資源性能基于三個指標：準確性、延遲性和精確度。準確性是資源響應調節(jié)信號的快慢；延遲性為從開始運動到達到預期的延遲時間；精確度是信號和響應之間瞬時錯誤。

電網(wǎng)可靠性追求目標不一定是系統(tǒng)性能得分，但更高的性能得分使電網(wǎng)調度能夠更準確地預期其響應情況。如果信號指令方向與系統(tǒng)所需相反，準確跟蹤信號對系統(tǒng)可靠性并無益處。隨著RegD信號增加，系統(tǒng)平均性能亦提高，使得RegD性能較差資源被擠出該市場。2017年調頻信號規(guī)則調整之后，系統(tǒng)平均性能發(fā)生了下降。

圖4 系統(tǒng)平均性能得分

第一條紅線是效益因子調整，第二條紅線是新信號制度。

表2 信號規(guī)則調整前后調頻性能

市場規(guī)則調整的透視

從利用經濟手段保證系統(tǒng)可靠性的角度看，PJM這些市場規(guī)則調整改善了整體穩(wěn)定性。首先，2015年12月調整RegD估值系統(tǒng)和覆蓋率有效降低了維持ACE所需人為操作的次數(shù)（如圖5所示）。2017年調整信號系統(tǒng)有效降低了人為操作的必要性，由于不會再下發(fā)惡化ACE的信號了。其次，PJM通過引入新信號系統(tǒng)實現(xiàn)了ACE控制能力的提升。如表3所示，每日的ACE均值趨近于0，同時ACE的波動也減低了。這種ACE控制能力的改善表明了RegD資源響應準確性的降低被信號提升作用所抵消。

圖5 RegD估值系統(tǒng)和信號系統(tǒng)對降低調度人為干預的影響

表3 信號規(guī)則調整對ACE影響

另一方面，這些市場調整損害了儲能服務提供商，其隨后向FERC提交了兩份投訴書以抗議PJM。2017年5月13號儲能協(xié)會向FERC投訴了PJM，次日美國可再生能源組織和Invenergy儲能公司提交了類似的投訴。調低短期效益因子降低了PJM區(qū)域內儲能運營商的收益。儲能運營商經歷了市場份額減少和收益降低，導致PJM區(qū)域內新增儲能投資下降。2015年末調低RegD效益因子之后，提高了市場優(yōu)化過程中RegD資源的實際價格，導致PJM出清的儲能調頻服務減少了。如圖6所示，2016年RegD資源的總收入下降，降幅達到32%。PJM區(qū)域電池資源的收益降低導致新建儲能投資降低，降低情況如圖7所示。

PJM最初RegD信號設計的目標是5分鐘之內實現(xiàn)收斂到能量中性，95%信號所覆蓋時間少于15分鐘。儲能運營商聲稱其根據(jù)該指導進行設計、投資和開發(fā)儲能項目，實現(xiàn)了儲能電量可以覆蓋15分鐘連續(xù)的調頻信號。儲能協(xié)會抱怨在PJM新信號規(guī)則下，調度有時給電量受限調頻資源下發(fā)持續(xù)單向信號，有時累計持續(xù)1小時。

自從能量中性原則被條件中性取代后，持續(xù)長時間的調頻信號提高了電池系統(tǒng)內流動的電量。因此，電池運營商應對措施是要么接受更高的系統(tǒng)溫度，要么降低市場中的投標容量。過高的系統(tǒng)溫度會損害電池壽命，同時使電池制造商的質保協(xié)議無效。儲能協(xié)會抗議書中提到Invenergy電池系統(tǒng)運行溫度提高了43%導致預期壽命降低了50%。儲能協(xié)會抗議書還提到有的電池項目選擇降低投標容量25%，直接導致現(xiàn)金流降低了26.75%。

圖6 RegD資源收益情況

圖7 電網(wǎng)級儲能投資情況

2016年儲能協(xié)會發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有信號和估值算法存在不一致的地方。修改后效益因子曲線降低了RegD估值，原因是其運行方向與系統(tǒng)所需相反，但是信號系統(tǒng)調整后RegD的方向不會與系統(tǒng)需求相反了。儲能協(xié)會指責PJM因為其系統(tǒng)缺陷降低了估值系統(tǒng)，隨后系統(tǒng)缺陷修復后依然保持較低估值。

儲能協(xié)會認為PJM和市場監(jiān)管者可以實現(xiàn)信號改善和更精確的技術等效曲線。PJM選擇先修正信號再逐漸調整技術等效曲線是為了獲取新信號性能的實際數(shù)據(jù)。自從采用新信號之后，PJM提到“決心升級RTS曲線以反映調頻資源的實際性能”。通過該辦法未來PJM可以通過實證數(shù)據(jù)提出RegA比RegD的估值，不再依賴于模擬分析。

提高效率的機會

基于PJM的可靠性職責和儲能在持續(xù)信號下劣勢的分析基礎上，分開的調頻信號系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)效率。原因為PJM從頻率調高和調低中獲取不同的益處。在回應ESA質問調頻信號為何更多向下時，PJM解釋為實際可靠性需求：調度員傾向于向下的調頻信號的原因是由于ACE低于0的系統(tǒng)風險高于ACE高于0。這種不對稱導致信號設定更多是向下而不是向上。實際運行過程中PJM采用不同方法解決正負ACE的問題：PJM使用同步備用協(xié)助解決系統(tǒng)干擾時低ACE的問題，而調頻是高ACE的第一道防線。

加州系統(tǒng)運營商（CAISO）所采用的分開調節(jié)信號機制是有益的。基于這種制度PJM調度者會擁有更多控制間隔，進而實現(xiàn)價格更好地反映實際系統(tǒng)情況。CAISO的頻率調高和調低價格是不同的。儲能運營商可以根據(jù)儲能荷電狀態(tài)選擇參與頻率調高還是頻率調低服務。這樣也消除了信號設計時堅持能量中性原則的必要性。最后需要繼續(xù)執(zhí)行提高系統(tǒng)效率的高級任務指令，因為技術等效曲線可以更好獲取RegD信號的真實價值。

結論

儲能調頻服務具有良好的精確性，但持續(xù)時間有限。近期PJM調整調頻規(guī)則是電力系統(tǒng)中精確性和持續(xù)性平衡的結果。調整后的市場規(guī)則能夠刺激各方在儲能開發(fā)和投資過程中更重視電量而不是功率。在條件中性新版RegD信號規(guī)則下，儲能能夠吸收或釋放更多能量將會獲得更高的性能得分。2016年PJM的性能合規(guī)經理Eric Hsia解釋：“PJM中電池儲能的未來取決于技術進步。如果電池儲能放電時間長于1小時，其想?yún)⑴c何種服務都可以”。然而，為了這些市場刺激能夠更有效，PJM需要調整估值系統(tǒng)以更好實現(xiàn)新信號規(guī)則的價值。

與此同時，正在進行的FERC投訴程序和PJM長期提議批準程序兩者共同提高了儲能參與PJM調頻市場的不確定性。FERC在“儲能參與區(qū)域輸電組織和獨立系統(tǒng)運營商”方面公共規(guī)則制定通知。該通知有助于理順市場規(guī)則和實現(xiàn)儲能技術潛力的最大化，包括更好實現(xiàn)批發(fā)市場收益和其他收益相集合。儲能開發(fā)商已經開始獲取除調頻之外的多樣化收益了，例如分布式或客戶側儲能為業(yè)主提供服務。

長期來看，當可再生能源比例更高時，儲能參與調頻服務將會發(fā)揮更大的作用。國家可再生能源實驗室和PJM等長期可再生能源發(fā)展研究均表明，可再生能源增長會提高調頻需求。國家可再生能源實驗室研究表明PJM風電和光伏等波動性發(fā)電達到30%時，調頻需求量將增加107%。PJM研究也表明波動性發(fā)電達到30%時，調頻需求會增加80%-127%，具體數(shù)據(jù)取決于不同電源比例。盡管近期調整調頻市場規(guī)則降低了儲能運營商的收益，但是在未來其有助于提高電力系統(tǒng)效率和接入更多可再生能源。

原標題：PJM儲能調頻服務市場探索：透視PJM儲能細分市場從開始到飽和的過程

作者：Thomas Lee

Kleinman Center for Energy Policy