儲能在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，已成為我國能源轉(zhuǎn)型和市場化改革進(jìn)程中的一個重要技術(shù)手段和活躍因素。國網(wǎng)能源院新能源與統(tǒng)計研究所主要圍繞電化學(xué)儲能、儲熱、梯次利用，從政策分析、技術(shù)經(jīng)濟性、規(guī)劃配置、運營模式、市場機制、并網(wǎng)接入管理和調(diào)度運行管理等方面進(jìn)行研究，開發(fā)了包含儲能模型的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟性分析軟件、含儲能運行模擬、太陽能熱發(fā)電儲熱配比功能的新能源電力系統(tǒng)分析軟件等軟件工具。本專欄將圍繞經(jīng)濟性與商業(yè)模式、發(fā)展關(guān)鍵問題、政策導(dǎo)向、國際經(jīng)驗等，結(jié)合相關(guān)成果和研究思考與讀者進(jìn)行交流分享。
文章導(dǎo)讀：美國電化學(xué)儲能發(fā)展較快、電力市場建設(shè)較為成熟，儲能在電網(wǎng)中應(yīng)用的市場機制也先于我國進(jìn)行探索與完善。本文分析了美國電化學(xué)儲能在電網(wǎng)中應(yīng)用的市場機制發(fā)展歷程，重點介紹了儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的情況，希望能夠為我國儲能在電網(wǎng)中應(yīng)用的市場機制設(shè)計提供參考。
美國電化學(xué)儲能在電網(wǎng)中應(yīng)用的
市場機制
執(zhí)筆人：雷雪姣、王彩霞、李梓仟
國網(wǎng)能源院
新能源與統(tǒng)計研究所
1、美國儲能應(yīng)用市場機制發(fā)展歷程
2007年以來，為推廣儲能應(yīng)用、提升電網(wǎng)可靠性和運行效率、減少新建電廠投資以及促進(jìn)新能源發(fā)展，美國聯(lián)邦能源管理委員會（FERC）陸續(xù)頒布法令推動新能源參與市場。其中，890號法令（2007年）和719號法令（2008年）要求各區(qū)域電力系統(tǒng)運營機構(gòu)（ISOs/RTOs）修訂市場規(guī)則，允許儲能進(jìn)入電能批發(fā)市場；755號（2011年）、784號（2013年）和792號法令（2013年）強調(diào)各區(qū)域市場應(yīng)允許儲能參與調(diào)頻服務(wù)和其他輔助服務(wù)市場并獲得合理收益。
2018年2月，美國發(fā)布841號法令再次要求各電力市場研究制定儲能公平參與電力市場的相關(guān)規(guī)則，允許100kW以上的小型儲能資源獨立參與各類電力市場（電能市場、輔助服務(wù)和容量市場）。841號法令提出13個儲能資源的物理運行特性，包括與充電狀態(tài)、充電時間、充電/放電限制、運行時間、充電/放電爬坡率等相關(guān)的特性，要求在市場規(guī)則設(shè)計時充分考慮儲能運行特性。
調(diào)頻輔助服務(wù)市場是美國儲能在電網(wǎng)中應(yīng)用的最大市場。盡管841號法令要求各電力市場允許儲能參與電能批發(fā)市場、輔助服務(wù)市場以及容量市場，但目前大部分市場中儲能尚未正式參與電能批發(fā)市場，調(diào)頻輔助服務(wù)市場仍是美國儲能在電網(wǎng)中應(yīng)用的最大市場。2018年，美國76%的電化學(xué)儲能參與電力調(diào)頻輔助服務(wù)。
圖1 美國電池儲能參與不同服務(wù)場景的容量
2、儲能參與調(diào)頻市場機制
（1）美國調(diào)頻市場特點分析
目前，美國賓夕法尼亞—新澤西—馬里蘭州（PJM）、加利福尼亞州（CAISO）、德克薩斯州（ERCOT）、中西部（MISO）、新英格蘭（ISO-NE）區(qū)域電力市場中均允許儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)。以PJM、CAISO、ERCOT市場為例對比分析調(diào)頻市場特點。
在調(diào)頻標(biāo)的方面，PJM和CAISO均同時考慮調(diào)頻容量和調(diào)頻里程，但兩者在里程定價和機會成本計算方法方面有所差別，ERCOT由于不受FERC監(jiān)管，僅考慮單一的調(diào)頻容量價格，沒有設(shè)置里程價格。在調(diào)頻方向上，PJM不區(qū)分向上調(diào)頻和向下調(diào)頻，CAISO以及ERCOT區(qū)分向上調(diào)頻和向下調(diào)頻。
在電能與調(diào)頻輔助服務(wù)市場出清關(guān)系方面，PJM、CAISO和ERCOT均采用電能量和輔助服務(wù)聯(lián)合優(yōu)化出清方式。
在交易和結(jié)算方式方面，PJM采用日前報價預(yù)出清、時前出清確定容量、實時出清確定價格和里程的方式，按照實時出清價格結(jié)算；CAISO日前確定出清價格和調(diào)頻容量，調(diào)頻里程按照實際調(diào)用里程結(jié)算；ERCOT采用日前確定出清價格、按照實際調(diào)用情況結(jié)算。
表1 美國典型調(diào)頻輔助服務(wù)市場機制對比分析
（2）儲能參與調(diào)頻市場情況
在各區(qū)域調(diào)頻輔助服務(wù)市場中，PJM調(diào)頻輔助服務(wù)市場啟動較早、市場規(guī)則也歷經(jīng)調(diào)整，因此選取PJM市場分析儲能參與調(diào)頻市場情況。
2012年，依據(jù)755號法令要求，PJM對調(diào)頻市場進(jìn)行完善，將調(diào)頻資源根據(jù)調(diào)頻性能及其市場選擇分為A類資源和D類資源，分別響應(yīng)較慢調(diào)頻指令以及快速響應(yīng)動態(tài)調(diào)頻指令，儲能因其響應(yīng)速度較快一般作為D類調(diào)頻資源參與市場。得益于這一市場規(guī)則充分考慮了快速調(diào)頻資源特性，PJM調(diào)頻市場中儲能收益顯著提升。下圖為PJM市場規(guī)則改進(jìn)3年以來儲能收益與其他地區(qū)儲能收益的對比情況，可以看出，PJM調(diào)頻市場中儲能平均收益明顯高于其他地區(qū)。
圖2 PJM市場規(guī)則改進(jìn)3年以來儲能收益與其他地區(qū)對比
注：SERC、WECC、FRCC為北美可靠性管理委員會下屬的區(qū)域可靠性委員會管轄的垂直一體化地區(qū)，儲能調(diào)頻收益基于固定價格確定，CAISO、PJM和NYISO為放開管制的電力市場，儲能收益基于市場競爭機制確定。
在市場收益驅(qū)動下，大規(guī)模儲能積極參與PJM快速調(diào)頻。下圖展示了某年P(guān)JM調(diào)頻市場總A類和D類調(diào)頻資源容量及比例?？梢钥吹剑瑓⑴cPJM調(diào)頻市場的電化學(xué)儲能占快速響應(yīng)資源的26%。
圖3 PJM市場A類資源和D類調(diào)頻資源
隨著儲能調(diào)頻容量增長，也暴露出一些問題。儲能作為D類調(diào)頻資源，響應(yīng)速度快，但持續(xù)提供調(diào)頻服務(wù)的時間有限制；傳統(tǒng)A類調(diào)頻資源響應(yīng)速度慢，但在持續(xù)調(diào)頻時間幾乎無限制。由于電池儲能存在持續(xù)充/放電時間，如果參與快速調(diào)頻時充/放電耗盡，則可能反向放電/充電，給系統(tǒng)增加調(diào)頻負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致PJM向A類調(diào)頻資源支付更多調(diào)頻費用。因此，雖然儲能參與調(diào)頻市場可改善電網(wǎng)頻率性能指標(biāo)，但存在一定的最優(yōu)容量上限，即系統(tǒng)中存在A類資源和D類資源的最優(yōu)容量比例。PJM也在研究進(jìn)一步完善相應(yīng)的市場機制。
3、小結(jié)
從美國電化學(xué)儲能參與市場的歷程來看，美國推動儲能參與市場的相關(guān)法令中，首要明確了給予儲能市場準(zhǔn)入和定位，作為合理設(shè)計市場機制的基礎(chǔ)。盡管聯(lián)邦政府出臺了頂層要求，但不同區(qū)域市場根據(jù)自身市場情況形成了各自市場規(guī)則，在調(diào)頻標(biāo)的、交易和結(jié)算方式等方面各特點。此外，市場設(shè)計應(yīng)本著遵循系統(tǒng)需求體現(xiàn)不同類型資源的運行特性、促進(jìn)各類調(diào)節(jié)資源共同競爭進(jìn)行，進(jìn)而發(fā)揮各類資源調(diào)節(jié)性能與積極性。
專家介紹
雷雪姣，博士，國網(wǎng)能源院新能源與統(tǒng)計研究所高級研究員。長期從事新能源政策與市場機制、新能源運行與消納機制、儲能在電網(wǎng)中應(yīng)用等研究。參與完成國家發(fā)改委、國家能源局委托項目、國網(wǎng)公司十大戰(zhàn)略課題、國網(wǎng)公司科技項目等數(shù)十項重大課題。編寫出版《重塑電力市場-低碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過程中的市場設(shè)計與監(jiān)管》《中國新能源發(fā)電分析報告》《國內(nèi)外能源與電力發(fā)展?fàn)顩r分析報告》等著作10余部。獲得北京市科學(xué)技術(shù)獎三等獎1項，國網(wǎng)能源院科技進(jìn)步一等獎多項。
王彩霞，博士，國網(wǎng)能源院新能源與統(tǒng)計研究所專家。長期從事新能源政策與電力市場機制設(shè)計、高比例新能源電力系統(tǒng)運行分析、儲能在電網(wǎng)中應(yīng)用等研究。獲國家能源局能源軟科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎、北京市科技進(jìn)步獎、國家電網(wǎng)公司科技進(jìn)步獎、國家電網(wǎng)公司管理咨詢優(yōu)秀成果特別獎、國網(wǎng)能源院科技進(jìn)步特等獎等獎項40余項。在期刊雜志上發(fā)表研究論文近50篇，獲得發(fā)明專利授權(quán)7項，出版著作20余部。
李梓仟，碩士，國網(wǎng)能源院新能源與統(tǒng)計研究所中級研究員。長期從事新能源政策、新能源運行消納、新能源參與電力市場分析。參與完成國家發(fā)改委、國家能源局委托項目、國網(wǎng)公司十大戰(zhàn)略課題、國網(wǎng)公司科技項目等數(shù)十項重大課題。編寫出版《重塑電力市場-低碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過程中的市場設(shè)計與監(jiān)管》、《中國分布式電源與微電網(wǎng)發(fā)展前景及實現(xiàn)路徑》、《中國新能源發(fā)電分析報告》《國內(nèi)外能源與電力發(fā)展?fàn)顩r分析報告》等著作10余部；獲得北京市科學(xué)技術(shù)獎三等獎1項，國網(wǎng)能源院科技進(jìn)步一等獎多項。
團(tuán)隊簡介：國網(wǎng)能源院新能源與統(tǒng)計研究所專注新能源、分布式電源、儲能和農(nóng)村能源的政策管理、規(guī)劃運營和市場機制研究，以及國際能源電力信息統(tǒng)計分析，撰寫材料經(jīng)國家電網(wǎng)有限公司上報多次獲得中央領(lǐng)導(dǎo)重要批示，長期支撐國家政府部門和國家電網(wǎng)有限公司決策，多次獲得國家發(fā)改委和國家能源局發(fā)來的感謝信。
新能源所高質(zhì)量完成了國家發(fā)改委委托的《清潔能源多發(fā)滿發(fā)研究》《分布式能源發(fā)展和利用研究》《電網(wǎng)側(cè)儲能關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究》等近百項重大課題研究任務(wù)，配合制定了《關(guān)于改善電力運行調(diào)節(jié)促進(jìn)清潔能源多發(fā)滿發(fā)的指導(dǎo)意見》《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》等多份政策文件，出版《中國新能源發(fā)電分析報告》《中國分布式電源和微電網(wǎng)發(fā)展前景及實現(xiàn)路徑》《重塑電力市場-低碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過程中的市場設(shè)計與監(jiān)管》《世界能源與電力發(fā)展?fàn)顩r分析》等著作二十余部。
新能源所三十余次獲得北京市科學(xué)技術(shù)獎、國家能源局軟科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎、中國管理科學(xué)學(xué)會管理科學(xué)獎、中國能源研究會學(xué)術(shù)創(chuàng)新獎等省部級獎項。多次獲評國家電網(wǎng)有限公司先進(jìn)班組、營銷工作先進(jìn)集體等集體榮譽，多人次獲評國家電網(wǎng)有限公司發(fā)展工作先進(jìn)個人等稱號。
