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。

 

（來源：微信公眾號“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）

 

 

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

 

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。

 

 

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.

 

 

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。