中國儲能網(wǎng)訊：未來高比例可再生能源的電力系統(tǒng)中，需要通過電力市場機制激勵調(diào)節(jié)資源充分發(fā)揮作用，提高系統(tǒng)靈活性。美國電力市場通過完善電能量市場、豐富輔助服務(wù)交易品種、優(yōu)化容量市場等一系列舉措，有效保障了可再生能源滲透下電力市場和電力系統(tǒng)的可靠運行。本文梳理了2019年美國電力市場建設(shè)的最新進展，重點介紹了美國為適應(yīng)可再生能源進行的電力市場機制優(yōu)化，并從電力現(xiàn)貨市場建設(shè)、輔助服務(wù)交易、容量成本回收機制等方面提出了對我國電力市場建設(shè)的啟示。
適應(yīng)可再生能源的美國電力市場化改革實踐
執(zhí)筆人：曲昊源、張寒
國網(wǎng)能源院企業(yè)戰(zhàn)略研究所
一、美國電力市場概況
美國7大區(qū)域電力批發(fā)市場均采用了典型的集中式電力市場模式。電力市場運營機構(gòu)為獨立系統(tǒng)運營商（ISO）或區(qū)域輸電組織（RTO）。電力市場中的交易標的物分為電能、輔助服務(wù)、金融輸電權(quán)和容量。市場成員之間可簽訂從日前到中長期各種周期的雙邊交易合同，以規(guī)避日前和實時市場價格波動風險，不需要ISO/RTO集中組織和安全校核。雙邊交易合同約定的電量和電價只具有金融結(jié)算意義，不要求調(diào)度執(zhí)行。ISO/RTO只對現(xiàn)貨集中交易市場進行管理，主要包括日前和實時現(xiàn)貨市場。大部分現(xiàn)貨市場采用允許發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)（主要是負荷服務(wù)商）雙向報價，價格機制采用節(jié)點電價機制，并通過拍賣金融輸電權(quán)進行阻塞管理，同時開展輔助服務(wù)與電能量現(xiàn)貨聯(lián)合優(yōu)化出清。此外，PJM電力市場、紐約電力市場（NYISO）及新英格蘭電力市場（ISO-NE）建立了容量市場機制。
二、2019年美國電力市場化改革最新進展
1. 電力市場建設(shè)進展情況
進一步推動市場范圍擴大。2019年9月，CAISO決定在西部能源不平衡市場基礎(chǔ)上，建立覆蓋美國西部八州的區(qū)域性可再生能源日前市場。CAISO的評估顯示，西部能源不平衡市場（Energy Imbalance Market, EIM）可以降低美國西部八州的用電成本。為了提高機組組合效率、在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)資源優(yōu)化配置、提高可再生能源利用率，CAISO決定在EIM的基礎(chǔ)上進一步為美國西部八州的可再生能源建立區(qū)域日前市場。但是在市場建立之前，仍需解決日前市場治理結(jié)構(gòu)、輸電費用和資源充裕度等問題。2019年6月，西南電力庫（SPP）向美國西部的電力公司宣布，計劃啟動西部電能平衡服務(wù)（Western Energy Imbalance Service，WEIS），通過擴大實時集中調(diào)度范圍，優(yōu)化資源配置，提高供電可靠性，降低用能成本。
持續(xù)完善容量市場機制。2019年5月，紐約獨立系統(tǒng)運營商（NYISO）的市場監(jiān)測部門Potomac Economics建議對容量市場進行改進，采用基于邊際可靠性價值的方法對容量定價，并采用更為精細化的容量區(qū)域邊際定價（Locational Marginal Pricing of Capacity，C-LMP）機制，將容量分區(qū)劃分數(shù)量由當前4個提高至10個。2019年8月，NYISO基于對頂峰機組在電能量和輔助服務(wù)市場中收入的預(yù)估，調(diào)整了容量市場的需求曲線，預(yù)計將于2020年第三季度完成需求曲線模型，第四季度提交給FERC，在2021年5月的容量拍賣中正式使用。此外，PJM容量市場改進方案正在根據(jù)FERC要求不斷修改。
進一步改進電能量市場定價機制。2019年4月，F(xiàn)ERC指令EL18-33，EL18-34中要求NYISO和PJM調(diào)整市場規(guī)則，以更有效地為快速啟動資源定價。根據(jù)FERC要求，NYISO正在研究制定快速啟動資源的啟動成本和空載成本的分攤方法。PJM對市場定價規(guī)則進行了修訂，在對快速啟動機組進行報價校驗時統(tǒng)籌考慮其啟動成本及空載成本，并且適當放寬其綜合報價上限，允許其成為市場中定價的邊際機組。
進一步完善儲能、需求側(cè)響應(yīng)參與市場機制。2019年5月，加州公共事業(yè)委員會（CPUC）公布了關(guān)于需求響應(yīng)和電池儲能的兩項提案，旨在充分發(fā)揮需求響應(yīng)和電池儲能在電網(wǎng)中的作用。一是建議改進并延長需求響應(yīng)拍賣機制（Demand Response Auction Mechanism，DRAM）試點四年；二是建議修改自發(fā)電激勵計劃（Self-Generation Incentive Program，SGIP），要求項目業(yè)主為儲能設(shè)備開發(fā)商及用戶提供溫室氣體排放動態(tài)信號，引導(dǎo)儲能設(shè)備在系統(tǒng)排放量較低時進行充電、排放量較高時進行放電，從而有效減少溫室氣體的排放。2019年5月，NYISO提議將儲能納入電力實時市場結(jié)算中，即將儲能資源在日前市場計劃外的發(fā)用電量按實時平衡市場結(jié)算，以提高儲能資源在批發(fā)市場中的參與度。
2. 電力市場運營情況
2019年，美國各大電力市場總體運行平穩(wěn)。總體來看，天然氣發(fā)電在市場中的比例最高，約為42%；其次是煤電、核電，分別占26%、22%。各大市場中，新英格蘭電力市場（ISO-NE）中天然氣發(fā)電占比最高，為56%；中西部電力市場（MISO）和西南電力庫（SPP）煤電占比最高，約為43%。加州電力市場、西南電力庫中光伏、風電等可再生能源發(fā)電比例相對較高。美國主要電力市場發(fā)電結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 2019年1―11月美國主要電力市場發(fā)電結(jié)構(gòu)
2019年美國多數(shù)地區(qū)的年度平均批發(fā)電價相對于2018年顯著下降，主要原因是天然氣價格的大幅下降。PJM和紐約州電力市場2019年批發(fā)電價相比2018年分別降低21%、27%。但2019年得州電力市場批發(fā)電價平均為38美元/（MW?h），比2018年上漲13%，主要原因是得州2019年夏季電力需求創(chuàng)最高紀錄。2019年8月12日，ERCOT電力需求達到74666 MW的歷史新高，實時批發(fā)價格達到了 9000美元/ （MW?h）的上限。從零售電價看，2019年美國平均零售電價為10.60美分/（kW?h），較2018年提升0.07美分/（kW?h）。其中，居民、商業(yè)、工業(yè)和交通部門零售電價分別為13.04、10.66、6.83、9.73美分/（kW?h）。
三、適應(yīng)可再生能源的美國電力市場機制優(yōu)化
可再生能源比例的不斷攀升給電力系統(tǒng)運行、電力市場運營帶來了一定影響。為了適應(yīng)可再生能源帶來的運行挑戰(zhàn)，美國各大電力市場對電能量市場、輔助服務(wù)市場、容量市場等機制進行了優(yōu)化，提高電力系統(tǒng)靈活性，確保發(fā)電資源充裕度，促進可再生能源消納。
1.擴大市場范圍
近年來，美國西部能量不平衡市場（Energy Imbalance Market，EIM）快速發(fā)展，實現(xiàn)了加州電力市場區(qū)域與周邊非市場區(qū)域之間的電力平衡交易，通過大范圍共享調(diào)節(jié)資源解決可再生能源比例提高帶來的系統(tǒng)平衡問題。美國西部EIM市場由加州獨立系統(tǒng)運營機構(gòu)于2014年主導(dǎo)發(fā)起。加州附近州多個分散的非市場區(qū)域或垂直一體化電力公司由原有的各州各自控制其系統(tǒng)的方式，轉(zhuǎn)變?yōu)榧尤隕IM實時市場并共享備用的方式。
2.豐富輔助服務(wù)交易品種
一是引入爬坡類產(chǎn)品。爬坡類產(chǎn)品主要針對未來高比例可再生能源接入的電力系統(tǒng)中，由于可再生能源發(fā)電資源的臨時短缺（例如太陽落山等），對常規(guī)機組出力提出快速爬坡的需求。爬坡類產(chǎn)品由調(diào)節(jié)性能較好的發(fā)電機組提供，例如燃氣機組、抽水蓄能等。美國MISO、SPP、CAISO等電力市場已經(jīng)建立了短期爬坡交易機制。美國加州電力市場靈活爬坡交易機制示意如圖2所示。
圖2 美國加州電力市場靈活爬坡交易機制示意圖
二是引入系統(tǒng)慣性頻率響應(yīng)服務(wù)類產(chǎn)品。系統(tǒng)慣性同樣是為了應(yīng)對可再生能源接入所引入的新興輔助服務(wù)產(chǎn)品?？稍偕茉磳ο到y(tǒng)慣性的貢獻較為微弱，將對系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能帶來影響。為了確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定，需要對提供系統(tǒng)慣性、維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行的常規(guī)能源機組進行補償。2014年，美國得州市場向FERC提交的未來輔助服務(wù)市場設(shè)計草案了提出了同步慣性頻率響應(yīng)（Synchronous Inertial Response ，SIR）的交易品種。
3.確保資源充裕性
除了PJM、MISO等市場建立了容量市場機制外，美國得州、加州電力市場為了應(yīng)對資源充裕性問題也采取了創(chuàng)新性措施。
得州市場建立了稀缺定價機制（Scarcity Pricing）。美國得州市場未建立容量市場。為了機組能夠回收成本，得州市場采用稀缺定價機制，即設(shè)置較高的價格上限，在系統(tǒng)資源短缺的時候允許市場價格陡升至較高水平，從而使邊際機組能夠回收成本。當前，得州電力市場的價格上限是9000美元/（MW?h）。
加州市場建立了靈活性資源遠期備用制度（Forward Flexible Capacity Requirements）。加州電力市場暫未建立集中的容量市場交易，但為了保證系統(tǒng)中靈活性調(diào)節(jié)資源的充裕度，實行靈活性資源遠期備用制度。每年，CAISO根據(jù)系統(tǒng)負荷預(yù)測、新能源裝機情況等預(yù)測第二年系統(tǒng)中所需要的靈活性資源，并按一定規(guī)則將靈活性資源的需求分配給負荷服務(wù)商（LSE）。LSE需要通過雙邊合約的方式購買靈活性資源（包括發(fā)電、儲能、需求側(cè)響應(yīng)等）以滿足相應(yīng)的配額需要。成交后的靈活性資源需要按規(guī)則在加州日前、實時市場中進行報價，為系統(tǒng)運行提供靈活性。
4.鼓勵儲能參與電力市場
為推動儲能全面參與電力市場、進一步促進儲能行業(yè)發(fā)展，美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會（FERC）提出四項原則：一是市場準入方面，允許儲能資源可以根據(jù)其自身資源的技術(shù)特點參與電能、輔助服務(wù)與容量等不同品種交易。二是準入門檻方面，儲能參與市場的容量準入門檻應(yīng)不超過100 kW。三是報價機制方面，通過設(shè)計不同的報價參數(shù)充分考慮儲能的技術(shù)與物理特性。四是價格機制方面，參與市場的儲能可以作為電源或負荷被調(diào)度，并且購售電價均為批發(fā)市場邊際出清價格。
四、美國電力市場建設(shè)對我國的啟示
一是加快推進電力現(xiàn)貨市場建設(shè)。電力現(xiàn)貨市場的作用之一是形成反映電能商品的時間和空間屬性的價格信號。近年來美國電力市場持續(xù)完善現(xiàn)貨市場價格形成機制，確保市場價格能夠適應(yīng)可再生能源比例不斷提高的能源結(jié)構(gòu)。為了使現(xiàn)貨市場形成準確的價格信號、加大峰谷電價差，我國應(yīng)合理設(shè)置現(xiàn)貨市場價格限制，建立市場力防范機制，保證市場能夠有效發(fā)揮資源優(yōu)化配置作用。
二是豐富輔助服務(wù)交易品種。美國輔助服務(wù)市場除了傳統(tǒng)的調(diào)頻、備用等品種以外，還創(chuàng)新引入了爬坡類產(chǎn)品，促進系統(tǒng)靈活性提升。建議我國加快推動調(diào)頻、備用輔助服務(wù)市場建設(shè)，并適時引入爬坡類產(chǎn)品、系統(tǒng)慣性服務(wù)、無功支撐服務(wù)等，滿足系統(tǒng)中對于具有快速爬坡能力、調(diào)節(jié)性能良好的電源需求，并通過市場化定價方式對此類機組進行經(jīng)濟補償，進一步促進新能源消納。
三是逐步構(gòu)建容量成本回收機制。隨著新能源的高比例接入，火電在電力系統(tǒng)中的作用由提供電量逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁╇娏?。容量市場?yōu)化是美國近年來電力市場的焦點問題，各市場均對其容量市場交易機制進行了改進，確保傳統(tǒng)能源機組與可再生能源機組能夠公平競爭。建議我國研究建立容量成本回收機制，用于激勵常規(guī)火電投資建設(shè)，保障系統(tǒng)發(fā)電容量充裕度、調(diào)節(jié)能力和運行安全，促進新能源消納。
四是鼓勵新興市場主體參與市場。美國大力推動儲能、需求側(cè)響應(yīng)等主體參與電力市場，要求各市場完善相關(guān)市場規(guī)則。建議我國研究建立需求側(cè)資源、虛擬電廠、儲能等新興主體參與電力市場交易的機制，有效激發(fā)市場主體活力，以市場手段促進源網(wǎng)荷儲良好互動，保障電網(wǎng)實時供需平衡，提高系統(tǒng)運行的靈活性。
專家介紹
曲昊源，國網(wǎng)能源院企業(yè)戰(zhàn)略研究所改革與市場研究室研究員。主要從事電力市場、輔助服務(wù)市場、電力體制改革等領(lǐng)域的研究，熟悉歐洲、美國等國外電力市場設(shè)計。連續(xù)三年主筆《國內(nèi)外電力市場化改革分析報告》。曾主持、參與多項政府有關(guān)部門的委托項目以及國家電網(wǎng)有限公司重大科技項目、重大戰(zhàn)略課題、管理咨詢項目等的研究與管理工作，多次獲得國家電網(wǎng)有限公司軟科學成果獎。
張寒，電力系統(tǒng)自動化專業(yè)碩士，國網(wǎng)能源院企業(yè)戰(zhàn)略研究所改革與市場研究室研究員。主要從事電力市場、能源互聯(lián)網(wǎng)、需求側(cè)管理等方面研究。發(fā)表SCI、EI檢索論文10篇，參與國家能源局研究課題、國家電網(wǎng)公司科技項目、管理咨詢項目等10余項。
團隊簡介：企業(yè)戰(zhàn)略研究所（以下簡稱戰(zhàn)略所）成立于2009年，原名為企業(yè)戰(zhàn)略與管理咨詢研究所，2010年12月單獨設(shè)立企業(yè)戰(zhàn)略研究所，是國網(wǎng)能源院核心研究所之一。經(jīng)過多年實踐和積累，在企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃、體制改革與電力市場、企業(yè)國際化發(fā)展等領(lǐng)域已形成顯著優(yōu)勢，培養(yǎng)造就了一支專業(yè)素質(zhì)高、研究能力強的研究咨詢隊伍。戰(zhàn)略所內(nèi)設(shè)企業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃研究室、改革與市場研究室、國際化發(fā)展研究室，共有32名員工，平均年齡32歲，其中博士27人，碩士5人，具有高級職稱12人，國家電網(wǎng)公司優(yōu)秀專家人才后備3人，是一只充滿活力、善于思考、凝聚力強的團隊。曾獲得“2010年度國家電網(wǎng)公司先進黨支部”、“2011-2012年度國家電網(wǎng)公司科技工作先進集體”、“2018年度國家電網(wǎng)有限公司先進班組”、國網(wǎng)能源院“2011-2017年度先進集體”以及“課題攻關(guān)黨員先鋒團隊”等稱號。2016年，設(shè)立“馬莉勞模創(chuàng)新工作室”。
