為了維持系統可靠性，電網需要實時平衡電力供給和需求，電網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電計劃，但是難免會有短期的負荷預測錯誤或發電機組出力意外波動。由于發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，電網運營商依賴“調頻”資源調節微小的電力供需錯配，調頻資源根據運營商信號自動調節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，區域輸電運營商PJM-運營大西洋中部13州和華盛頓特區-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，具有比燃氣發電機更快地功率調節能力。

快速調頻服務機制的初期設計原則為在平均15分鐘內調節資源為電網提供零電能。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區域涌現了很多儲能投資項目。截止2016年8月，PJM區域投運電網級儲能占全美比例達到46%。近期加州等區域亦涌現大量儲能項目。

調頻服務在儲能商業化過程中發揮了巨大作用且將繼續發揮作用，然其作用大小取決于PJM調頻市場規則。PJM為解決市場中出現的問題采取了相關糾正措施，例如電網需要注入電力時，儲能資源卻在吸收電力以實現能量中性原則，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的問題，規則變更導致PJM區域的儲能資源增長率降低，儲能產業界指責這些市場規則嚴重不公，向聯邦能源監管委員會（FERC）提出了2次投訴。

PJM調頻系統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、儲能產業界和聯邦能源監管委員會需要解決該市場規則挑戰：在提高系統可靠性過程中，如何設計市場規則實現差異技術的有效競爭？

本文專注于PJM調頻市場規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可靠性的重要作用；其次簡要介紹了PJM市場規則中兩大關鍵設計：信號結構和信號估值系統，并分析了近期市場規則變更及其對電力系統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展方向。

調頻必要性

北美區域電網連接組成三個大電網，旨在提高可靠性冗余和獲得規模效應。大電網連接的所有同步發電機均在同一頻率運轉。因此電網頻率維持在60 Hz對系統可靠性至關重要。大電網中任何供需不匹配均會致使頻率偏離60 Hz。大電網分為多個監管區域，每個區域負責管理其短期供需不匹配，也稱為區域控制錯誤（ACE）。PJM作為東部大電網中較大區域監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。調節資源自動跟隨電網運營商的調頻信號，實現提高或減少發電，也稱為自發電控制（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勢，卻在長時間持續出力方面能力不足。

精確的優勢

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

持久的優勢

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，如果快速調節資源難以長時間維持出力，其性能將會降低。

表1 快速調節資源等效調節容量

2011年，FERC 755號法令要求電網運營商按調頻性能進行補償，調頻性能為對電力系統的實際調節性能和技術能力。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：慢響應調節信號A(RegA)和快速響應調節信號D(RegD)。信號分開制度目的：RegA是為“能夠持續較長時間維持出力，但調節速率較慢”資源設計的；而RegD是為“能夠快速調節出力，但長時間保持出力能力不足”資源設計的。

估值系統：不同技術的對比

PJM目標是保證可靠性前提下實現系統成本最小，因為系統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。

鑒于上述規則，PJM設計出一套估值系統以確定RegA和RegD的最佳混合方案。最初估值系統設計時，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需求量；換句話講，PJM可在不增加調節需求的情況下提高系統可靠性。

KEMA發現在超過某個點后繼續增加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調節任務”。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現和計入估值系統，因為系統可以在不惡化可靠性前提下提高RegD的比例。

規則調整：信號和估值系統的修正

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。儲能資源為了實現能量中性有時執行與電網調頻需求相反的操作。

為了實時保持系統可靠性，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的獨立市場監管組織-監控分析-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經常過度采購和補償快速調節資源。

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“可以快速執行的短期解決方案”。之后，2015年9月26號發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。

市場規則調整影響

調頻輔助服務市場規則調整后RegD資源所提供的有效任務量降低了。圖3展現了效益因子調整后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月信號規則調整導致了RegD任務量出現下降。

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系統平均性能得分的變化情況。調節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。

電網可靠性追求目標不一定是系統性能得分，但更高的性能得分使電網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所需相反，準確跟蹤信號對系統可靠性并無益處。隨著RegD信號增加，系統平均性能亦提高，使得RegD性能較差資源被擠出該市場。2017年調頻信號規則調整之后，系統平均性能發生了下降。

圖4 系統平均性能得分

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 信號規則調整前后調頻性能

市場規則調整的透視

從利用經濟手段保證系統可靠性的角度看，PJM這些市場規則調整改善了整體穩定性。首先，2015年12月調整RegD估值系統和覆蓋率有效降低了維持ACE所需人為操作的次數（如圖5所示）。2017年調整信號系統有效降低了人為操作的必要性，由于不會再下發惡化ACE的信號了。其次，PJM通過引入新信號系統實現了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估值系統和信號系統對降低調度人為干預的影響

表3 信號規則調整對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該指導進行設計、投資和開發儲能項目，實現了儲能電量可以覆蓋15分鐘連續的調頻信號。儲能協會抱怨在PJM新信號規則下，調度有時給電量受限調頻資源下發持續單向信號，有時累計持續1小時。

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

圖6 RegD資源收益情況

圖7 電網級儲能投資情況

2016年儲能協會發現了現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所需相反，但是信號系統調整后RegD的方向不會與系統需求相反了。儲能協會指責PJM因為其系統缺陷降低了估值系統，隨后系統缺陷修復后依然保持較低估值。

儲能協會認為PJM和市場監管者可以實現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據。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可以通過實證數據提出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信號下劣勢的分析基礎上，分開的調頻信號系統可以提高系統效率。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使用同步備用協助解決系統干擾時低ACE的問題，而調頻是高ACE的第一道防線。

加州系統運營商（CAISO）所采用的分開調節信號機制是有益的?；谶@種制度PJM調度者會擁有更多控制間隔，進而實現價格更好地反映實際系統情況。CAISO的頻率調高和調低價格是不同的。儲能運營商可以根據儲能荷電狀態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。最后需要繼續執行提高系統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，但持續時間有限。近期PJM調整調頻規則是電力系統中精確性和持續性平衡的結果。調整后的市場規則能夠刺激各方在儲能開發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，其想參與何種服務都可以”。然而，為了這些市場刺激能夠更有效，PJM需要調整估值系統以更好實現新信號規則的價值。

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“儲能參與區域輸電組織和獨立系統運營商”方面公共規則制定通知。該通知有助于理順市場規則和實現儲能技術潛力的最大化，包括更好實現批發市場收益和其他收益相集合。儲能開發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電達到30%時，調頻需求量將增加107%。PJM研究也表明波動性發電達到30%時，調頻需求會增加80%-127%，具體數據取決于不同電源比例。盡管近期調整調頻市場規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