中國(guó)儲(chǔ)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(chǎng)機(jī)制激勵(lì)調(diào)節(jié)資源充分發(fā)揮作用，提高系統(tǒng)靈活性。美國(guó)電力市場(chǎng)通過完善電能量市場(chǎng)、豐富輔助服務(wù)交易品種、優(yōu)化容量市場(chǎng)等一系列舉措，有效保障了可再生能源滲透下電力市場(chǎng)和電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。本文梳理了2019年美國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了美國(guó)為適應(yīng)可再生能源進(jìn)行的電力市場(chǎng)機(jī)制優(yōu)化，并從電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)、輔助服務(wù)交易、容量成本回收機(jī)制等方面提出了對(duì)我國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)的啟示。
適應(yīng)可再生能源的美國(guó)電力市場(chǎng)化改革實(shí)踐
執(zhí)筆人：曲昊源、張寒
國(guó)網(wǎng)能源院企業(yè)戰(zhàn)略研究所
一、美國(guó)電力市場(chǎng)概況
美國(guó)7大區(qū)域電力批發(fā)市場(chǎng)均采用了典型的集中式電力市場(chǎng)模式。電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（ISO）或區(qū)域輸電組織（RTO）。電力市場(chǎng)中的交易標(biāo)的物分為電能、輔助服務(wù)、金融輸電權(quán)和容量。市場(chǎng)成員之間可簽訂從日前到中長(zhǎng)期各種周期的雙邊交易合同，以規(guī)避日前和實(shí)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，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(jià)只具有金融結(jié)算意義，不要求調(diào)度執(zhí)行。ISO/RTO只對(duì)現(xiàn)貨集中交易市場(chǎng)進(jìn)行管理，主要包括日前和實(shí)時(shí)現(xiàn)貨市場(chǎng)。大部分現(xiàn)貨市場(chǎng)采用允許發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)（主要是負(fù)荷服務(wù)商）雙向報(bào)價(jià)，價(jià)格機(jī)制采用節(jié)點(diǎn)電價(jià)機(jī)制，并通過拍賣金融輸電權(quán)進(jìn)行阻塞管理，同時(shí)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(chǎng)、紐約電力市場(chǎng)（NYISO）及新英格蘭電力市場(chǎng)（ISO-NE）建立了容量市場(chǎng)機(jī)制。
二、2019年美國(guó)電力市場(chǎng)化改革最新進(jìn)展
1. 電力市場(chǎng)建設(shè)進(jìn)展情況
進(jìn)一步推動(dòng)市場(chǎng)范圍擴(kuò)大。2019年9月，CAISO決定在西部能源不平衡市場(chǎng)基礎(chǔ)上，建立覆蓋美國(guó)西部八州的區(qū)域性可再生能源日前市場(chǎng)。CAISO的評(píng)估顯示，西部能源不平衡市場(chǎng)（Energy Imbalance Market, EIM）可以降低美國(guó)西部八州的用電成本。為了提高機(jī)組組合效率、在更大范圍內(nèi)實(shí)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(jìn)一步為美國(guó)西部八州的可再生能源建立區(qū)域日前市場(chǎng)。但是在市場(chǎng)建立之前，仍需解決日前市場(chǎng)治理結(jié)構(gòu)、輸電費(fèi)用和資源充裕度等問題。2019年6月，西南電力庫(kù)（SPP）向美國(guó)西部的電力公司宣布，計(jì)劃啟動(dòng)西部電能平衡服務(wù)（Western Energy Imbalance Service，WEIS），通過擴(kuò)大實(shí)時(shí)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(chǎng)機(jī)制。2019年5月，紐約獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（NYISO）的市場(chǎng)監(jiān)測(cè)部門Potomac Economics建議對(duì)容量市場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn)，采用基于邊際可靠性價(jià)值的方法對(duì)容量定價(jià)，并采用更為精細(xì)化的容量區(qū)域邊際定價(jià)（Locational Marginal Pricing of Capacity，C-LMP）機(jī)制，將容量分區(qū)劃分?jǐn)?shù)量由當(dāng)前4個(gè)提高至10個(gè)。2019年8月，NYISO基于對(duì)頂峰機(jī)組在電能量和輔助服務(wù)市場(chǎng)中收入的預(yù)估，調(diào)整了容量市場(chǎng)的需求曲線，預(yù)計(jì)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(chǎng)改進(jìn)方案正在根據(jù)FERC要求不斷修改。
進(jìn)一步改進(jìn)電能量市場(chǎng)定價(jià)機(jī)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(chǎng)規(guī)則，以更有效地為快速啟動(dòng)資源定價(jià)。根據(jù)FERC要求，NYISO正在研究制定快速啟動(dòng)資源的啟動(dòng)成本和空載成本的分?jǐn)偡椒?。PJM對(duì)市場(chǎng)定價(jià)規(guī)則進(jìn)行了修訂，在對(duì)快速啟動(dòng)機(jī)組進(jìn)行報(bào)價(jià)校驗(yàn)時(shí)統(tǒng)籌考慮其啟動(dòng)成本及空載成本，并且適當(dāng)放寬其綜合報(bào)價(jià)上限，允許其成為市場(chǎng)中定價(jià)的邊際機(jī)組。
進(jìn)一步完善儲(chǔ)能、需求側(cè)響應(yīng)參與市場(chǎng)機(jī)制。2019年5月，加州公共事業(yè)委員會(huì)（CPUC）公布了關(guān)于需求響應(yīng)和電池儲(chǔ)能的兩項(xiàng)提案，旨在充分發(fā)揮需求響應(yīng)和電池儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的作用。一是建議改進(jìn)并延長(zhǎng)需求響應(yīng)拍賣機(jī)制（Demand Response Auction Mechanism，DRAM）試點(diǎn)四年；二是建議修改自發(fā)電激勵(lì)計(jì)劃（Self-Generation Incentive Program，SGIP），要求項(xiàng)目業(yè)主為儲(chǔ)能設(shè)備開發(fā)商及用戶提供溫室氣體排放動(dòng)態(tài)信號(hào)，引導(dǎo)儲(chǔ)能設(shè)備在系統(tǒng)排放量較低時(shí)進(jìn)行充電、排放量較高時(shí)進(jìn)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(chǔ)能納入電力實(shí)時(shí)市場(chǎng)結(jié)算中，即將儲(chǔ)能資源在日前市場(chǎng)計(jì)劃外的發(fā)用電量按實(shí)時(shí)平衡市場(chǎng)結(jié)算，以提高儲(chǔ)能資源在批發(fā)市場(chǎng)中的參與度。
2. 電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)情況
2019年，美國(guó)各大電力市場(chǎng)總體運(yùn)行平穩(wěn)?？傮w來看，天然氣發(fā)電在市場(chǎng)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(chǎng)中，新英格蘭電力市場(chǎng)（ISO-NE）中天然氣發(fā)電占比最高，為56%；中西部電力市場(chǎng)（MISO）和西南電力庫(kù)（SPP）煤電占比最高，約為43%。加州電力市場(chǎng)、西南電力庫(kù)中光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電比例相對(duì)較高。美國(guó)主要電力市場(chǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 2019年1―11月美國(guó)主要電力市場(chǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)
2019年美國(guó)多數(shù)地區(qū)的年度平均批發(fā)電價(jià)相對(duì)于2018年顯著下降，主要原因是天然氣價(jià)格的大幅下降。PJM和紐約州電力市場(chǎng)2019年批發(fā)電價(jià)相比2018年分別降低21%、27%。但2019年得州電力市場(chǎng)批發(fā)電價(jià)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(jì)錄。2019年8月12日，ERCOT電力需求達(dá)到74666 MW的歷史新高，實(shí)時(shí)批發(fā)價(jià)格達(dá)到了 9000美元/ （MW?h）的上限。從零售電價(jià)看，2019年美國(guó)平均零售電價(jià)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(jià)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(guó)電力市場(chǎng)機(jī)制優(yōu)化
可再生能源比例的不斷攀升給電力系統(tǒng)運(yùn)行、電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)帶來了一定影響。為了適應(yīng)可再生能源帶來的運(yùn)行挑戰(zhàn)，美國(guó)各大電力市場(chǎng)對(duì)電能量市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)、容量市場(chǎng)等機(jī)制進(jìn)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(jìn)可再生能源消納。
1.擴(kuò)大市場(chǎng)范圍
近年來，美國(guó)西部能量不平衡市場(chǎng)（Energy Imbalance Market，EIM）快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了加州電力市場(chǎng)區(qū)域與周邊非市場(chǎng)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(guó)西部EIM市場(chǎng)由加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)于2014年主導(dǎo)發(fā)起。加州附近州多個(gè)分散的非市場(chǎng)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(shí)時(shí)市場(chǎng)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(duì)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(shí)短缺（例如太陽(yáng)落山等），對(duì)常規(guī)機(jī)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(jī)組提供，例如燃?xì)鈾C(jī)組、抽水蓄能等。美國(guó)MISO、SPP、CAISO等電力市場(chǎng)已經(jīng)建立了短期爬坡交易機(jī)制。美國(guó)加州電力市場(chǎng)靈活爬坡交易機(jī)制示意如圖2所示。
圖2 美國(guó)加州電力市場(chǎng)靈活爬坡交易機(jī)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(duì)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?duì)系統(tǒng)慣性的貢獻(xiàn)較為微弱，將對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能帶來影響。為了確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，需要對(duì)提供系統(tǒng)慣性、維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的常規(guī)能源機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)償。2014年，美國(guó)得州市場(chǎng)向FERC提交的未來輔助服務(wù)市場(chǎng)設(shè)計(jì)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(chǎng)建立了容量市場(chǎng)機(jī)制外，美國(guó)得州、加州電力市場(chǎng)為了應(yīng)對(duì)資源充裕性問題也采取了創(chuàng)新性措施。
得州市場(chǎng)建立了稀缺定價(jià)機(jī)制（Scarcity Pricing）。美國(guó)得州市場(chǎng)未建立容量市場(chǎng)。為了機(jī)組能夠回收成本，得州市場(chǎng)采用稀缺定價(jià)機(jī)制，即設(shè)置較高的價(jià)格上限，在系統(tǒng)資源短缺的時(shí)候允許市場(chǎng)價(jià)格陡升至較高水平，從而使邊際機(jī)組能夠回收成本。當(dāng)前，得州電力市場(chǎng)的價(jià)格上限是9000美元/（MW?h）。
加州市場(chǎng)建立了靈活性資源遠(yuǎn)期備用制度（Forward Flexible Capacity Requirements）。加州電力市場(chǎng)暫未建立集中的容量市場(chǎng)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(shí)行靈活性資源遠(yuǎn)期備用制度。每年，CAISO根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)、新能源裝機(jī)情況等預(yù)測(cè)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(fù)荷服務(wù)商（LSE）。LSE需要通過雙邊合約的方式購(gòu)買靈活性資源（包括發(fā)電、儲(chǔ)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(shí)時(shí)市場(chǎng)中進(jìn)行報(bào)價(jià)，為系統(tǒng)運(yùn)行提供靈活性。
4.鼓勵(lì)儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)
為推動(dòng)儲(chǔ)能全面參與電力市場(chǎng)、進(jìn)一步促進(jìn)儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展，美國(guó)聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)（FERC）提出四項(xiàng)原則：一是市場(chǎng)準(zhǔn)入方面，允許儲(chǔ)能資源可以根據(jù)其自身資源的技術(shù)特點(diǎn)參與電能、輔助服務(wù)與容量等不同品種交易。二是準(zhǔn)入門檻方面，儲(chǔ)能參與市場(chǎng)的容量準(zhǔn)入門檻應(yīng)不超過100 kW。三是報(bào)價(jià)機(jī)制方面，通過設(shè)計(jì)不同的報(bào)價(jià)參數(shù)充分考慮儲(chǔ)能的技術(shù)與物理特性。四是價(jià)格機(jī)制方面，參與市場(chǎng)的儲(chǔ)能可以作為電源或負(fù)荷被調(diào)度，并且購(gòu)售電價(jià)均為批發(fā)市場(chǎng)邊際出清價(jià)格。
四、美國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)對(duì)我國(guó)的啟示
一是加快推進(jìn)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)。電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的作用之一是形成反映電能商品的時(shí)間和空間屬性的價(jià)格信號(hào)。近年來美國(guó)電力市場(chǎng)持續(xù)完善現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格形成機(jī)制，確保市場(chǎng)價(jià)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(chǎng)形成準(zhǔn)確的價(jià)格信號(hào)、加大峰谷電價(jià)差，我國(guó)應(yīng)合理設(shè)置現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格限制，建立市場(chǎng)力防范機(jī)制，保證市場(chǎng)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(guó)輔助服務(wù)市場(chǎng)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(jìn)系統(tǒng)靈活性提升。建議我國(guó)加快推動(dòng)調(diào)頻、備用輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)，并適時(shí)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(duì)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(chǎng)化定價(jià)方式對(duì)此類機(jī)組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，進(jìn)一步促進(jìn)新能源消納。
三是逐步構(gòu)建容量成本回收機(jī)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?chǎng)優(yōu)化是美國(guó)近年來電力市場(chǎng)的焦點(diǎn)問題，各市場(chǎng)均對(duì)其容量市場(chǎng)交易機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)，確保傳統(tǒng)能源機(jī)組與可再生能源機(jī)組能夠公平競(jìng)爭(zhēng)。建議我國(guó)研究建立容量成本回收機(jī)制，用于激勵(lì)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(yùn)行安全，促進(jìn)新能源消納。
四是鼓勵(lì)新興市場(chǎng)主體參與市場(chǎng)。美國(guó)大力推動(dòng)儲(chǔ)能、需求側(cè)響應(yīng)等主體參與電力市場(chǎng)，要求各市場(chǎng)完善相關(guān)市場(chǎng)規(guī)則。建議我國(guó)研究建立需求側(cè)資源、虛擬電廠、儲(chǔ)能等新興主體參與電力市場(chǎng)交易的機(jī)制，有效激發(fā)市場(chǎng)主體活力，以市場(chǎng)手段促進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)良好互動(dòng)，保障電網(wǎng)實(shí)時(shí)供需平衡，提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。
專家介紹
曲昊源，國(guó)網(wǎng)能源院企業(yè)戰(zhàn)略研究所改革與市場(chǎng)研究室研究員。主要從事電力市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)、電力體制改革等領(lǐng)域的研究，熟悉歐洲、美國(guó)等國(guó)外電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)。連續(xù)三年主筆《國(guó)內(nèi)外電力市場(chǎng)化改革分析報(bào)告》。曾主持、參與多項(xiàng)政府有關(guān)部門的委托項(xiàng)目以及國(guó)家電網(wǎng)有限公司重大科技項(xiàng)目、重大戰(zhàn)略課題、管理咨詢項(xiàng)目等的研究與管理工作，多次獲得國(guó)家電網(wǎng)有限公司軟科學(xué)成果獎(jiǎng)。
張寒，電力系統(tǒng)自動(dòng)化專業(yè)碩士，國(guó)網(wǎng)能源院企業(yè)戰(zhàn)略研究所改革與市場(chǎng)研究室研究員。主要從事電力市場(chǎng)、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(guó)家能源局研究課題、國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目、管理咨詢項(xiàng)目等10余項(xiàng)。
團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：企業(yè)戰(zhàn)略研究所（以下簡(jiǎn)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(dú)設(shè)立企業(yè)戰(zhàn)略研究所，是國(guó)網(wǎng)能源院核心研究所之一。經(jīng)過多年實(shí)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(chǎng)、企業(yè)國(guó)際化發(fā)展等領(lǐng)域已形成顯著優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)造就了一支專業(yè)素質(zhì)高、研究能力強(qiáng)的研究咨詢隊(duì)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(chǎng)研究室、國(guó)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(jí)職稱12人，國(guó)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(qiáng)的團(tuán)隊(duì)。曾獲得“2010年度國(guó)家電網(wǎng)公司先進(jìn)黨支部”、“2011-2012年度國(guó)家電網(wǎng)公司科技工作先進(jìn)集體”、“2018年度國(guó)家電網(wǎng)有限公司先進(jìn)班組”、國(guó)網(wǎng)能源院“2011-2017年度先進(jìn)集體”以及“課題攻關(guān)黨員先鋒團(tuán)隊(duì)”等稱號(hào)。2016年，設(shè)立“馬莉勞模創(chuàng)新工作室”。
