中國(guó)儲(chǔ)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(chǎng)中，由于光伏發(fā)電在白天出力高峰時(shí)段大發(fā)導(dǎo)致電力供應(yīng)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(fù)荷曲線。這種現(xiàn)象對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行和市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。本文圍繞電力市場(chǎng)中的“鴨子曲線”現(xiàn)象，從以下幾個(gè)方面展開探討：
1.歷史背景：
美國(guó)加利福尼亞州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)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(guān)注的起點(diǎn)。
2.案例分析：
?美國(guó)加州（CAISO）市場(chǎng)：分析加州單一光伏高滲透率地區(qū)的市場(chǎng)機(jī)制和電池儲(chǔ)能應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展。
?美國(guó)得克薩斯州（ERCOT）市場(chǎng)：討論ERCOT市場(chǎng)的價(jià)格機(jī)制如何影響系統(tǒng)負(fù)荷峰值的出現(xiàn)時(shí)機(jī)。
?澳大利亞國(guó)家電力市場(chǎng)（NEM）：探討屋頂光伏對(duì)凈負(fù)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(guó)與波蘭：對(duì)比單一光伏高滲透率市場(chǎng)與風(fēng)光組合高滲透率市場(chǎng)的差異。
3. 技術(shù)發(fā)展：
討論電池儲(chǔ)能設(shè)施的部署和應(yīng)用如何改變CAISO市場(chǎng)的“鴨子曲線”。
4. 市場(chǎng)機(jī)制：
分析不同市場(chǎng)如何通過價(jià)格機(jī)制和靈活性資源來應(yīng)對(duì)“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(fēng)電、聯(lián)絡(luò)線、天然氣等）來應(yīng)對(duì)能源轉(zhuǎn)型中的挑戰(zhàn)。
6. 國(guó)際比較：
通過比較不同國(guó)家的市場(chǎng)和電力系統(tǒng)，展示不同地區(qū)在面對(duì)相似挑戰(zhàn)時(shí)采取的不同策略。
加州陽(yáng)光下的“鴨子”
故事先從加州陽(yáng)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(shí)對(duì)凈負(fù)荷曲線變化趨勢(shì)的預(yù)言變成了當(dāng)下現(xiàn)實(shí)。而導(dǎo)致凈負(fù)荷曲線變化的“蠶食現(xiàn)象”[2]亦已成近年多個(gè)地區(qū)發(fā)電與儲(chǔ)能行業(yè)的熱點(diǎn)話題。
圖2：CAISO與ERCOT2020—2024年10月份倒數(shù)第二個(gè)周二的發(fā)電出力組合（不含電池儲(chǔ)能充電負(fù)荷）
圖片來源：grid status
CAISO市場(chǎng)是典型的單一光伏高滲透率地區(qū)，市場(chǎng)管理部門根據(jù)預(yù)判的變化趨勢(shì)，設(shè)計(jì)批準(zhǔn)了相應(yīng)的靈活性容量充裕機(jī)制[1]，同時(shí)也造就了全球最為成熟的電池儲(chǔ)能應(yīng)用市場(chǎng)之一。但也正是因?yàn)樵撌袌?chǎng)采用了相對(duì)溫和的容量充裕機(jī)制，CAISO市場(chǎng)價(jià)格對(duì)負(fù)荷需求改變的引導(dǎo)作用弱于ERCOT市場(chǎng)。
相較于CAISO，ERCOT狂野電價(jià)或許確實(shí)改變了近年系統(tǒng)負(fù)荷峰值出現(xiàn)的時(shí)機(jī)[3]，改善了社會(huì)總福利。但這種激進(jìn)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)格機(jī)制，也許只能被部分經(jīng)濟(jì)學(xué)家所接受。
儲(chǔ)能給“鴨子”減肥
圖3：不疊加（上）與疊加（下）電池充電負(fù)荷調(diào)整后的CAISO典型時(shí)段的平均負(fù)荷變化
圖片來源: grid status
隨著近兩年加州電池儲(chǔ)能設(shè)施的大量部署與應(yīng)用，疊加電池充電負(fù)荷后的CAISO典型時(shí)段的平均負(fù)荷曲線出現(xiàn)了范式上的轉(zhuǎn)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(fù)荷對(duì)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(yùn)行壓力開始下降。
站在屋頂上的“鴨子”
澳大利亞國(guó)家電力市場(chǎng)（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(fù)荷小于零。
澳大利亞的凈負(fù)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(shí)現(xiàn)極高比例的風(fēng)光發(fā)電出力組合供電，風(fēng)光不可用時(shí)的靈活性需求則由聯(lián)絡(luò)線以及多種燃?xì)鈾C(jī)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(jī)組，系統(tǒng)所需的剩余靈活性則來自聯(lián)絡(luò)線、水電、小比例天然氣機(jī)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(fēng)光的“鴨子”
與CAISO單一光伏高滲透率市場(chǎng)不同，ERCOT市場(chǎng)、澳大利亞維多利亞州與南澳州均為風(fēng)光組合高滲透率市場(chǎng)。由于風(fēng)電出力與負(fù)荷正相關(guān)性更強(qiáng)，同時(shí)在聯(lián)絡(luò)線容量充裕的條件下不同相鄰地理位置的風(fēng)電出力相關(guān)性弱于光伏出力，相比而言，通過聯(lián)絡(luò)線的風(fēng)電可以為負(fù)荷提供更好的容量支撐，因此風(fēng)光組合高滲透率市場(chǎng)的“鴨子曲線”出現(xiàn)晚于單一光伏高滲透率市場(chǎng)。類似的典型風(fēng)光組合高滲透率的市場(chǎng)還有德國(guó)與波蘭地區(qū)。
圖5：德國(guó)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(chǎng)的“蠶食”現(xiàn)象。隨著風(fēng)光裝機(jī)在系統(tǒng)中比例的進(jìn)一步提高，全球部分地區(qū)的運(yùn)行備用或輔助服務(wù)市場(chǎng)中同樣觀察到了來自風(fēng)光資源對(duì)傳統(tǒng)靈活性資源的“蠶食”（圖6）。與電能量市場(chǎng)中的產(chǎn)品價(jià)格通常和凈負(fù)荷呈現(xiàn)很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系不同，運(yùn)行備用市場(chǎng)中下調(diào)產(chǎn)品價(jià)格與凈負(fù)荷表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系?；剂蠙C(jī)組的開機(jī)比例越低，則備用市場(chǎng)下調(diào)產(chǎn)品價(jià)格越高，在備用市場(chǎng)中形成了一條與電能量市場(chǎng)價(jià)格呈鏡像關(guān)系的反鴨子價(jià)格曲線（圖7）。一旦市場(chǎng)價(jià)格高于風(fēng)光資源參與其他市場(chǎng)的機(jī)會(huì)成本，在價(jià)格信號(hào)的指引下，風(fēng)光機(jī)組也將選擇提供更多的備用市場(chǎng)產(chǎn)品。
圖6：西班牙二次備用市場(chǎng)中出現(xiàn)了由光伏發(fā)電提供的調(diào)節(jié)服務(wù)
圖片來源：Javier PamosSerrano
圖7：德國(guó)市場(chǎng)中aFRR下調(diào)產(chǎn)品價(jià)格與電能量日前價(jià)格呈鏡像關(guān)系
圖片來源：Julien Jomaux
同樣的世界，不同的“鴨子”
圖8：西班牙市場(chǎng)與CAISO市場(chǎng)典型日的發(fā)電組合出力情況對(duì)比
圖片來源：西班牙市場(chǎng) energy-charts
凈負(fù)荷形態(tài)類似的不同地區(qū)的負(fù)荷晚高峰靈活性來源呈現(xiàn)出來源多樣化的特點(diǎn)，西班牙系統(tǒng)的靈活性來自豐富的抽水蓄能與水庫(kù)發(fā)電、風(fēng)電、聯(lián)絡(luò)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(chǔ)能、風(fēng)電與天然氣。在面臨能源轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)時(shí)，不同市場(chǎng)根據(jù)各自情況交出了不同的答卷。
最后，用丹麥國(guó)家輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商Energinet公司的一句標(biāo)語(yǔ)作為本文結(jié)語(yǔ)，“市場(chǎng)創(chuàng)造解決方案?！盵5]
參考文獻(xiàn)
[1]Re: California Independent System Operator Corporation Docket No. ER14-____- 000 Flexible Resource Adequacy Capacity Requirement Amendment
[2]蠶食現(xiàn)象：技術(shù)進(jìn)步帶來的生產(chǎn)效率提升減小了某類資源的稀缺性，從供給端引發(fā)了價(jià)降量升的市場(chǎng)波動(dòng)，該波動(dòng)進(jìn)而又繼續(xù)引發(fā)了后續(xù)一系列的電力系統(tǒng)與市場(chǎng)的響應(yīng)與機(jī)制變化。
[3]包括為該地區(qū)吸引到了大量大型靈活性負(fù)荷
[4]Clemens Stiewe, Alice Lixuan Xu, Anselm Eicke, Lion Hirth
Cross-border cannibalization: Spillover effects of wind and solar energy on interconnected European electricity markets
[5]原文為“Energinet creates the foundation, the market creates the solutions”來源：https://www.fingrid.fi/globalassets/dokumentit/fi/ajankohtaista-tapahtumat/reservimarkkinapaiva-2024-esitysmateriaalit-eng.pdf
（作者為電力行業(yè)從業(yè)者）
