中國儲能網(wǎng)訊：“鴨子曲線”是指在高比例可再生能源，尤其是光伏滲透的電力市場中，由于光伏發(fā)電在白天出力高峰時段大發(fā)導致電力供應過剩，而傍晚出力減少后，電力需求又迅速上升，由此形成的類似鴨子形狀的凈負荷曲線。這種現(xiàn)象對電力系統(tǒng)的運行和市場機制設計提出了新的挑戰(zhàn)。本文圍繞電力市場中的“鴨子曲線”現(xiàn)象，從以下幾個方面展開探討：
1.歷史背景：
美國加利福尼亞州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO）于2014年提交的靈活性充裕度資源要求修正案，是“鴨子曲線”現(xiàn)象被廣泛關注的起點。
2.案例分析：
?美國加州（CAISO）市場：分析加州單一光伏高滲透率地區(qū)的市場機制和電池儲能應用市場的發(fā)展。
?美國得克薩斯州（ERCOT）市場：討論ERCOT市場的價格機制如何影響系統(tǒng)負荷峰值的出現(xiàn)時機。
?澳大利亞國家電力市場（NEM）：探討屋頂光伏對凈負荷曲線的影響以及不同州之間的發(fā)電出力組合差異。
?德國與波蘭：對比單一光伏高滲透率市場與風光組合高滲透率市場的差異。
3. 技術發(fā)展：
討論電池儲能設施的部署和應用如何改變CAISO市場的“鴨子曲線”。
4. 市場機制：
分析不同市場如何通過價格機制和靈活性資源來應對“鴨子曲線”帶來的挑戰(zhàn)。
5. 靈活性資源：
探討不同地區(qū)如何利用各自的靈活性資源（如抽水蓄能、風電、聯(lián)絡線、天然氣等）來應對能源轉型中的挑戰(zhàn)。
6. 國際比較：
通過比較不同國家的市場和電力系統(tǒng)，展示不同地區(qū)在面對相似挑戰(zhàn)時采取的不同策略。
加州陽光下的“鴨子”
故事先從加州陽光下誕生的那只“鴨子”開始。
圖1：CAISO于2014年提交靈活性充裕度資源要求修正案中被可變可再生能源養(yǎng)胖了的“鴨子”
圖片來源：Re: California Independent System Operator Corporation Docket No. ER14-____- 000 Flexible Resource Adequacy Capacity Requirement Amendment
距2014年CAISO首次提交靈活性充裕度資源要求修正案已過去十年有余[1]，彼時對凈負荷曲線變化趨勢的預言變成了當下現(xiàn)實。而導致凈負荷曲線變化的“蠶食現(xiàn)象”[2]亦已成近年多個地區(qū)發(fā)電與儲能行業(yè)的熱點話題。
圖2：CAISO與ERCOT2020—2024年10月份倒數(shù)第二個周二的發(fā)電出力組合（不含電池儲能充電負荷）
圖片來源：grid status
CAISO市場是典型的單一光伏高滲透率地區(qū)，市場管理部門根據(jù)預判的變化趨勢，設計批準了相應的靈活性容量充裕機制[1]，同時也造就了全球最為成熟的電池儲能應用市場之一。但也正是因為該市場采用了相對溫和的容量充裕機制，CAISO市場價格對負荷需求改變的引導作用弱于ERCOT市場。
相較于CAISO，ERCOT狂野電價或許確實改變了近年系統(tǒng)負荷峰值出現(xiàn)的時機[3]，改善了社會總福利。但這種激進的市場經(jīng)濟價格機制，也許只能被部分經(jīng)濟學家所接受。
儲能給“鴨子”減肥
圖3：不疊加（上）與疊加（下）電池充電負荷調整后的CAISO典型時段的平均負荷變化
圖片來源: grid status
隨著近兩年加州電池儲能設施的大量部署與應用，疊加電池充電負荷后的CAISO典型時段的平均負荷曲線出現(xiàn)了范式上的轉變，2024年的“鴨子”相比2023年變瘦了。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)意味著午間電池充電負荷對系統(tǒng)的影響已經(jīng)超越了光伏發(fā)電的影響，其他類型靈活性資源面臨的運行壓力開始下降。
站在屋頂上的“鴨子”
澳大利亞國家電力市場（NEM）2024年10月12日13：00 屋頂光伏首次超過需求50%，上一次令人印象深刻的記錄則是由南澳州于2023年12月31日13：30創(chuàng)下的網(wǎng)供負荷小于零。
澳大利亞的凈負荷曲線是一只站在屋頂上的“鴨子”。
澳大利亞各州發(fā)電出力組合差異較大，其中南澳州已實現(xiàn)極高比例的風光發(fā)電出力組合供電，風光不可用時的靈活性需求則由聯(lián)絡線以及多種燃氣機組滿足。與南澳州相鄰的維多利亞州則仍然保留了較高比例的褐煤發(fā)電機組，系統(tǒng)所需的剩余靈活性則來自聯(lián)絡線、水電、小比例天然氣機組的組合。
圖4：澳大利亞維多利亞州與南澳州的發(fā)電出力組合情況
圖片來源：openelectricity
一群風光的“鴨子”
與CAISO單一光伏高滲透率市場不同，ERCOT市場、澳大利亞維多利亞州與南澳州均為風光組合高滲透率市場。由于風電出力與負荷正相關性更強，同時在聯(lián)絡線容量充裕的條件下不同相鄰地理位置的風電出力相關性弱于光伏出力，相比而言，通過聯(lián)絡線的風電可以為負荷提供更好的容量支撐，因此風光組合高滲透率市場的“鴨子曲線”出現(xiàn)晚于單一光伏高滲透率市場。類似的典型風光組合高滲透率的市場還有德國與波蘭地區(qū)。
圖5：德國與波蘭的發(fā)電出力組合情況
圖片來源：energy-charts
靈活的“鴨子”與鏡中的“鴨子”
前述討論的“鴨子曲線”源自于電能量市場的“蠶食”現(xiàn)象。隨著風光裝機在系統(tǒng)中比例的進一步提高，全球部分地區(qū)的運行備用或輔助服務市場中同樣觀察到了來自風光資源對傳統(tǒng)靈活性資源的“蠶食”（圖6）。與電能量市場中的產(chǎn)品價格通常和凈負荷呈現(xiàn)很強的正相關關系不同，運行備用市場中下調產(chǎn)品價格與凈負荷表現(xiàn)出負相關關系。化石燃料機組的開機比例越低，則備用市場下調產(chǎn)品價格越高，在備用市場中形成了一條與電能量市場價格呈鏡像關系的反鴨子價格曲線（圖7）。一旦市場價格高于風光資源參與其他市場的機會成本，在價格信號的指引下，風光機組也將選擇提供更多的備用市場產(chǎn)品。
圖6：西班牙二次備用市場中出現(xiàn)了由光伏發(fā)電提供的調節(jié)服務
圖片來源：Javier PamosSerrano
圖7：德國市場中aFRR下調產(chǎn)品價格與電能量日前價格呈鏡像關系
圖片來源：Julien Jomaux
同樣的世界，不同的“鴨子”
圖8：西班牙市場與CAISO市場典型日的發(fā)電組合出力情況對比
圖片來源：西班牙市場 energy-charts
凈負荷形態(tài)類似的不同地區(qū)的負荷晚高峰靈活性來源呈現(xiàn)出來源多樣化的特點，西班牙系統(tǒng)的靈活性來自豐富的抽水蓄能與水庫發(fā)電、風電、聯(lián)絡線、天然氣以及特色的光熱發(fā)電。CAISO系統(tǒng)的靈活性則主要來自鋰電池儲能、風電與天然氣。在面臨能源轉型挑戰(zhàn)時，不同市場根據(jù)各自情況交出了不同的答卷。
最后，用丹麥國家輸電系統(tǒng)運營商Energinet公司的一句標語作為本文結語，“市場創(chuàng)造解決方案。”[5]
