儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，已成為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和市場(chǎng)化改革進(jìn)程中的一個(gè)重要技術(shù)手段和活躍因素。國(guó)網(wǎng)能源院新能源與統(tǒng)計(jì)研究所主要圍繞電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、梯次利用，從政策分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、規(guī)劃配置、運(yùn)營(yíng)模式、市場(chǎng)機(jī)制、并網(wǎng)接入管理和調(diào)度運(yùn)行管理等方面進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)了包含儲(chǔ)能模型的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析軟件、含儲(chǔ)能運(yùn)行模擬、太陽(yáng)能熱發(fā)電儲(chǔ)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(jì)性與商業(yè)模式、發(fā)展關(guān)鍵問(wèn)題、政策導(dǎo)向、國(guó)際經(jīng)驗(yàn)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(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展較快、電力市場(chǎng)建設(shè)較為成熟，儲(chǔ)能在電網(wǎng)中應(yīng)用的市場(chǎng)機(jī)制也先于我國(guó)進(jìn)行探索與完善。本文分析了美國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能在電網(wǎng)中應(yīng)用的市場(chǎng)機(jī)制發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹了儲(chǔ)能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的情況，希望能夠?yàn)槲覈?guó)儲(chǔ)能在電網(wǎng)中應(yīng)用的市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)提供參考。
美國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能在電網(wǎng)中應(yīng)用的
市場(chǎng)機(jī)制
執(zhí)筆人：雷雪姣、王彩霞、李梓仟
國(guó)網(wǎng)能源院
新能源與統(tǒng)計(jì)研究所
1、美國(guó)儲(chǔ)能應(yīng)用市場(chǎng)機(jī)制發(fā)展歷程
2007年以來(lái)，為推廣儲(chǔ)能應(yīng)用、提升電網(wǎng)可靠性和運(yùn)行效率、減少新建電廠投資以及促進(jìn)新能源發(fā)展，美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）陸續(xù)頒布法令推動(dòng)新能源參與市場(chǎng)。其中，890號(hào)法令（2007年）和719號(hào)法令（2008年）要求各區(qū)域電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)（ISOs/RTOs）修訂市場(chǎng)規(guī)則，允許儲(chǔ)能進(jìn)入電能批發(fā)市場(chǎng)；755號(hào)（2011年）、784號(hào)（2013年）和792號(hào)法令（2013年）強(qiáng)調(diào)各區(qū)域市場(chǎng)應(yīng)允許儲(chǔ)能參與調(diào)頻服務(wù)和其他輔助服務(wù)市場(chǎng)并獲得合理收益。
2018年2月，美國(guó)發(fā)布841號(hào)法令再次要求各電力市場(chǎng)研究制定儲(chǔ)能公平參與電力市場(chǎng)的相關(guān)規(guī)則，允許100kW以上的小型儲(chǔ)能資源獨(dú)立參與各類電力市場(chǎng)（電能市場(chǎng)、輔助服務(wù)和容量市場(chǎng)）。841號(hào)法令提出13個(gè)儲(chǔ)能資源的物理運(yùn)行特性，包括與充電狀態(tài)、充電時(shí)間、充電/放電限制、運(yùn)行時(shí)間、充電/放電爬坡率等相關(guān)的特性，要求在市場(chǎng)規(guī)則設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮儲(chǔ)能運(yùn)行特性。
調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)是美國(guó)儲(chǔ)能在電網(wǎng)中應(yīng)用的最大市場(chǎng)。盡管841號(hào)法令要求各電力市場(chǎng)允許儲(chǔ)能參與電能批發(fā)市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)以及容量市場(chǎng)，但目前大部分市場(chǎng)中儲(chǔ)能尚未正式參與電能批發(fā)市場(chǎng)，調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)仍是美國(guó)儲(chǔ)能在電網(wǎng)中應(yīng)用的最大市場(chǎng)。2018年，美國(guó)76%的電化學(xué)儲(chǔ)能參與電力調(diào)頻輔助服務(wù)。
圖1 美國(guó)電池儲(chǔ)能參與不同服務(wù)場(chǎng)景的容量
2、儲(chǔ)能參與調(diào)頻市場(chǎng)機(jī)制
（1）美國(guó)調(diào)頻市場(chǎng)特點(diǎn)分析
目前，美國(guó)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(chǎng)中均允許儲(chǔ)能參與調(diào)頻輔助服務(wù)。以PJM、CAISO、ERCOT市場(chǎng)為例對(duì)比分析調(diào)頻市場(chǎng)特點(diǎn)。
在調(diào)頻標(biāo)的方面，PJM和CAISO均同時(shí)考慮調(diào)頻容量和調(diào)頻里程，但兩者在里程定價(jià)和機(jī)會(huì)成本計(jì)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?jī)r(jià)格，沒(méi)有設(shè)置里程價(jià)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(chǎng)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(bào)價(jià)預(yù)出清、時(shí)前出清確定容量、實(shí)時(shí)出清確定價(jià)格和里程的方式，按照實(shí)時(shí)出清價(jià)格結(jié)算；CAISO日前確定出清價(jià)格和調(diào)頻容量，調(diào)頻里程按照實(shí)際調(diào)用里程結(jié)算；ERCOT采用日前確定出清價(jià)格、按照實(shí)際調(diào)用情況結(jié)算。
表1 美國(guó)典型調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制對(duì)比分析
（2）儲(chǔ)能參與調(diào)頻市場(chǎng)情況
在各區(qū)域調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中，PJM調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)啟動(dòng)較早、市場(chǎng)規(guī)則也歷經(jīng)調(diào)整，因此選取PJM市場(chǎng)分析儲(chǔ)能參與調(diào)頻市場(chǎng)情況。
2012年，依據(jù)755號(hào)法令要求，PJM對(duì)調(diào)頻市場(chǎng)進(jìn)行完善，將調(diào)頻資源根據(jù)調(diào)頻性能及其市場(chǎng)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(dòng)態(tài)調(diào)頻指令，儲(chǔ)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(chǎng)。得益于這一市場(chǎng)規(guī)則充分考慮了快速調(diào)頻資源特性，PJM調(diào)頻市場(chǎng)中儲(chǔ)能收益顯著提升。下圖為PJM市場(chǎng)規(guī)則改進(jìn)3年以來(lái)儲(chǔ)能收益與其他地區(qū)儲(chǔ)能收益的對(duì)比情況，可以看出，PJM調(diào)頻市場(chǎng)中儲(chǔ)能平均收益明顯高于其他地區(qū)。
圖2 PJM市場(chǎng)規(guī)則改進(jìn)3年以來(lái)儲(chǔ)能收益與其他地區(qū)對(duì)比
注：SERC、WECC、FRCC為北美可靠性管理委員會(huì)下屬的區(qū)域可靠性委員會(huì)管轄的垂直一體化地區(qū)，儲(chǔ)能調(diào)頻收益基于固定價(jià)格確定，CAISO、PJM和NYISO為放開(kāi)管制的電力市場(chǎng)，儲(chǔ)能收益基于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制確定。
在市場(chǎng)收益驅(qū)動(dòng)下，大規(guī)模儲(chǔ)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(chǎng)總A類和D類調(diào)頻資源容量及比例?？梢钥吹?，參與PJM調(diào)頻市場(chǎng)的電化學(xué)儲(chǔ)能占快速響應(yīng)資源的26%。
圖3 PJM市場(chǎng)A類資源和D類調(diào)頻資源
隨著儲(chǔ)能調(diào)頻容量增長(zhǎng)，也暴露出一些問(wèn)題。儲(chǔ)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(shí)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(shí)間幾乎無(wú)限制。由于電池儲(chǔ)能存在持續(xù)充/放電時(shí)間，如果參與快速調(diào)頻時(shí)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(fèi)用。因此，雖然儲(chǔ)能參與調(diào)頻市場(chǎng)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(chǎng)機(jī)制。
3、小結(jié)
從美國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能參與市場(chǎng)的歷程來(lái)看，美國(guó)推動(dòng)儲(chǔ)能參與市場(chǎng)的相關(guān)法令中，首要明確了給予儲(chǔ)能市場(chǎng)準(zhǔn)入和定位，作為合理設(shè)計(jì)市場(chǎng)機(jī)制的基礎(chǔ)。盡管聯(lián)邦政府出臺(tái)了頂層要求，但不同區(qū)域市場(chǎng)根據(jù)自身市場(chǎng)情況形成了各自市場(chǎng)規(guī)則，在調(diào)頻標(biāo)的、交易和結(jié)算方式等方面各特點(diǎn)。此外，市場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)本著遵循系統(tǒng)需求體現(xiàn)不同類型資源的運(yùn)行特性、促進(jìn)各類調(diào)節(jié)資源共同競(jìng)爭(zhēng)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(guó)網(wǎng)能源院新能源與統(tǒng)計(jì)研究所高級(jí)研究員。長(zhǎng)期從事新能源政策與市場(chǎng)機(jī)制、新能源運(yùn)行與消納機(jī)制、儲(chǔ)能在電網(wǎng)中應(yīng)用等研究。參與完成國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局委托項(xiàng)目、國(guó)網(wǎng)公司十大戰(zhàn)略課題、國(guó)網(wǎng)公司科技項(xiàng)目等數(shù)十項(xiàng)重大課題。編寫出版《重塑電力市場(chǎng)-低碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過(guò)程中的市場(chǎng)設(shè)計(jì)與監(jiān)管》《中國(guó)新能源發(fā)電分析報(bào)告》《國(guó)內(nèi)外能源與電力發(fā)展?fàn)顩r分析報(bào)告》等著作10余部。獲得北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)網(wǎng)能源院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)多項(xiàng)。
王彩霞，博士，國(guó)網(wǎng)能源院新能源與統(tǒng)計(jì)研究所專家。長(zhǎng)期從事新能源政策與電力市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)、高比例新能源電力系統(tǒng)運(yùn)行分析、儲(chǔ)能在電網(wǎng)中應(yīng)用等研究。獲國(guó)家能源局能源軟科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)、北京市科技進(jìn)步獎(jiǎng)、國(guó)家電網(wǎng)公司科技進(jìn)步獎(jiǎng)、國(guó)家電網(wǎng)公司管理咨詢優(yōu)秀成果特別獎(jiǎng)、國(guó)網(wǎng)能源院科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)40余項(xiàng)。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(xiàng)，出版著作20余部。
李梓仟，碩士，國(guó)網(wǎng)能源院新能源與統(tǒng)計(jì)研究所中級(jí)研究員。長(zhǎng)期從事新能源政策、新能源運(yùn)行消納、新能源參與電力市場(chǎng)分析。參與完成國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局委托項(xiàng)目、國(guó)網(wǎng)公司十大戰(zhàn)略課題、國(guó)網(wǎng)公司科技項(xiàng)目等數(shù)十項(xiàng)重大課題。編寫出版《重塑電力市場(chǎng)-低碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過(guò)程中的市場(chǎng)設(shè)計(jì)與監(jiān)管》、《中國(guó)分布式電源與微電網(wǎng)發(fā)展前景及實(shí)現(xiàn)路徑》、《中國(guó)新能源發(fā)電分析報(bào)告》《國(guó)內(nèi)外能源與電力發(fā)展?fàn)顩r分析報(bào)告》等著作10余部；獲得北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)網(wǎng)能源院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)多項(xiàng)。
團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：國(guó)網(wǎng)能源院新能源與統(tǒng)計(jì)研究所專注新能源、分布式電源、儲(chǔ)能和農(nóng)村能源的政策管理、規(guī)劃運(yùn)營(yíng)和市場(chǎng)機(jī)制研究，以及國(guó)際能源電力信息統(tǒng)計(jì)分析，撰寫材料經(jīng)國(guó)家電網(wǎng)有限公司上報(bào)多次獲得中央領(lǐng)導(dǎo)重要批示，長(zhǎng)期支撐國(guó)家政府部門和國(guó)家電網(wǎng)有限公司決策，多次獲得國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局發(fā)來(lái)的感謝信。
新能源所高質(zhì)量完成了國(guó)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(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究》等近百項(xiàng)重大課題研究任務(wù)，配合制定了《關(guān)于改善電力運(yùn)行調(diào)節(jié)促進(jìn)清潔能源多發(fā)滿發(fā)的指導(dǎo)意見(jiàn)》《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機(jī)制的通知》等多份政策文件，出版《中國(guó)新能源發(fā)電分析報(bào)告》《中國(guó)分布式電源和微電網(wǎng)發(fā)展前景及實(shí)現(xiàn)路徑》《重塑電力市場(chǎng)-低碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過(guò)程中的市場(chǎng)設(shè)計(jì)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(jiǎng)、國(guó)家能源局軟科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)、中國(guó)管理科學(xué)學(xué)會(huì)管理科學(xué)獎(jiǎng)、中國(guó)能源研究會(huì)學(xué)術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)等省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。多次獲評(píng)國(guó)家電網(wǎng)有限公司先進(jìn)班組、營(yíng)銷工作先進(jìn)集體等集體榮譽(yù)，多人次獲評(píng)國(guó)家電網(wǎng)有限公司發(fā)展工作先進(jìn)個(gè)人等稱號(hào)。
