中國儲能網(wǎng)訊：為了維持系統(tǒng)可靠性，電網(wǎng)需要實時平衡電力供給和需求，電網(wǎng)運營商密切關注負荷波動情況，需要預測負荷和提前安排發(fā)電計劃，但是難免會有短期的負荷預測錯誤或發(fā)電機組出力意外波動。由于發(fā)電和負荷需要近乎實時平衡，因此這些秒級到分鐘級的突然波動需要實時平衡，電網(wǎng)運營商依賴“調(diào)頻”資源調(diào)節(jié)微小的電力供需錯配，調(diào)頻資源根據(jù)運營商信號自動調(diào)節(jié)出力以平抑短期波動。
隨著技術進步和成本下降，儲能技術已經(jīng)開始提供電力調(diào)頻服務了。2012年，區(qū)域輸電運營商PJM-運營大西洋中部13州和華盛頓特區(qū)-將其調(diào)頻市場分為慢速和快速兩部分，儲能等快速資源通過快速吸收和釋放電能，具有比燃氣發(fā)電機更快地功率調(diào)節(jié)能力。
快速調(diào)頻服務機制的初期設計原則為在平均15分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)資源為電網(wǎng)提供零電能。在該理念下調(diào)頻資源累計吸收電量等于累計釋放電量，稱為“能源中性”，該機制設計旨在提高電量有限的儲能資源響應調(diào)頻信號的能力，在該機制刺激下，PJM區(qū)域涌現(xiàn)了很多儲能投資項目。截止2016年8月，PJM區(qū)域投運電網(wǎng)級儲能占全美比例達到46%。近期加州等區(qū)域亦涌現(xiàn)大量儲能項目。
調(diào)頻服務在儲能商業(yè)化過程中發(fā)揮了巨大作用且將繼續(xù)發(fā)揮作用，然其作用大小取決于PJM調(diào)頻市場規(guī)則。PJM為解決市場中出現(xiàn)的問題采取了相關糾正措施，例如電網(wǎng)需要注入電力時，儲能資源卻在吸收電力以實現(xiàn)能量中性原則，反之亦然。
從2015年初開始，PJM采取了一些列措施以糾正調(diào)頻市場出現(xiàn)的問題，規(guī)則變更導致PJM區(qū)域的儲能資源增長率降低，儲能產(chǎn)業(yè)界指責這些市場規(guī)則嚴重不公，向聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會（FERC）提出了2次投訴。
PJM調(diào)頻系統(tǒng)所面臨根本問題是儲能可短時間內(nèi)提供快速和準確地響應，卻難以長久維持出力，PJM、儲能產(chǎn)業(yè)界和聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會需要解決該市場規(guī)則挑戰(zhàn)：在提高系統(tǒng)可靠性過程中，如何設計市場規(guī)則實現(xiàn)差異技術的有效競爭？
本文專注于PJM調(diào)頻市場規(guī)則設計中的技術和經(jīng)濟問題，沒有涉及法律流程問題，首先討論了調(diào)頻服務對電力系統(tǒng)可靠性的重要作用；其次簡要介紹了PJM市場規(guī)則中兩大關鍵設計：信號結構和信號估值系統(tǒng)，并分析了近期市場規(guī)則變更及其對電力系統(tǒng)可靠性和儲能運營商的影響；最終，文章展望儲能調(diào)頻服務發(fā)展方向。
調(diào)頻必要性
北美區(qū)域電網(wǎng)連接組成三個大電網(wǎng)，旨在提高可靠性冗余和獲得規(guī)模效應。大電網(wǎng)連接的所有同步發(fā)電機均在同一頻率運轉(zhuǎn)。因此電網(wǎng)頻率維持在60 Hz對系統(tǒng)可靠性至關重要。大電網(wǎng)中任何供需不匹配均會致使頻率偏離60 Hz。大電網(wǎng)分為多個監(jiān)管區(qū)域，每個區(qū)域負責管理其短期供需不匹配，也稱為區(qū)域控制錯誤（ACE）。PJM作為東部大電網(wǎng)中較大區(qū)域監(jiān)管者必須遵守北美電力可靠性委員會（NERC）制定的可靠性標準。調(diào)頻最為有效工具，可以平滑實時不平衡或ACE。調(diào)節(jié)資源自動跟隨電網(wǎng)運營商的調(diào)頻信號，實現(xiàn)提高或減少發(fā)電，也稱為自發(fā)電控制（AGC）。
圖1 調(diào)頻示意圖
信號結構：精確和持久的權衡
儲能資源在快速和精確響應調(diào)頻信號方面具有優(yōu)勢，卻在長時間持續(xù)出力方面能力不足。
精確的優(yōu)勢
發(fā)電廠等傳統(tǒng)資源通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速響應調(diào)頻信號，存在時間延遲。換句話講，電廠調(diào)節(jié)出力需要花費時間。儲能資源幾乎可瞬時調(diào)節(jié)，既在一分鐘之內(nèi)實現(xiàn)100%的功率調(diào)節(jié)。2008年太平洋西北國家實驗室研究發(fā)現(xiàn)1 MW快速調(diào)節(jié)資源可提供等效調(diào)節(jié)服務為1.7 MW水力發(fā)電機組、2.7 MW的燃氣機組和29 MW 燃煤機組。
持久的優(yōu)勢
儲能設備的能量有限，意味著其吸收和釋放能量有限。如表1所示，如果快速調(diào)節(jié)資源難以長時間維持出力，其性能將會降低。
表1 快速調(diào)節(jié)資源等效調(diào)節(jié)容量
2011年，F(xiàn)ERC 755號法令要求電網(wǎng)運營商按調(diào)頻性能進行補償，調(diào)頻性能為對電力系統(tǒng)的實際調(diào)節(jié)性能和技術能力。2012年11月，PJM為了引入準確但電量有限的儲能資源，將調(diào)頻信號分內(nèi)兩種信號：慢響應調(diào)節(jié)信號A(RegA)和快速響應調(diào)節(jié)信號D(RegD)。信號分開制度目的：RegA是為“能夠持續(xù)較長時間維持出力，但調(diào)節(jié)速率較慢”資源設計的；而RegD是為“能夠快速調(diào)節(jié)出力，但長時間保持出力能力不足”資源設計的。
估值系統(tǒng)：不同技術的對比
PJM目標是保證可靠性前提下實現(xiàn)系統(tǒng)成本最小，因為系統(tǒng)成本最終會由消費者承擔。經(jīng)濟學研究表明在理想產(chǎn)出水平下獲取最低成本的方法是每個資源投入產(chǎn)出比等于邊界成本。PJM通過確保兩種資源價格比例為PD/PA=MBD/MBA可得到最佳低成本方案。
鑒于上述規(guī)則，PJM設計出一套估值系統(tǒng)以確定RegA和RegD的最佳混合方案。最初估值系統(tǒng)設計時，PJM采用了KEMA的一項研究成果，其模擬了不同RegA和RegD的組合方案。KEMA研究得出了顯示RegA、RegD和系統(tǒng)可靠性的關系的等高線。通過引入RegD資源，PJM可在保持相同可靠性的前提下降低總體的調(diào)節(jié)需求量；換句話講，PJM可在不增加調(diào)節(jié)需求的情況下提高系統(tǒng)可靠性。
KEMA發(fā)現(xiàn)在超過某個點后繼續(xù)增加RegD的比例會導致回報降低。KEMA解釋其原因時提到“RegD的設計是為了作為RegA的補充，而不是承擔所有系統(tǒng)調(diào)節(jié)任務”。PJM解釋稱過多RegD資源會惡化可靠性控制的原因是RegD控制信號為了保持能量中性原則，有時運動朝向“調(diào)度所需要的相反方向”。實際上RegD有時候反方向運動的情況已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和計入估值系統(tǒng)，因為系統(tǒng)可以在不惡化可靠性前提下提高RegD的比例。
規(guī)則調(diào)整：信號和估值系統(tǒng)的修正
從2015年開始，PJM運營商注意到高比例RegD資源所導致運行和執(zhí)行的問題。PJM比較擔憂能量中性原則強制RegD信號運動方向與ACE控制所需方向相反。儲能資源為了實現(xiàn)能量中性有時執(zhí)行與電網(wǎng)調(diào)頻需求相反的操作。
為了實時保持系統(tǒng)可靠性，PJM調(diào)度人員有時必須通過人工操作解決快速調(diào)頻反向運行的問題。服務于PJM的獨立市場監(jiān)管組織-監(jiān)控分析-指出主要問題：效益因子曲線錯誤地高估了RegD的價值，解決辦法使不要一直使用效益因子曲線。這些制度缺陷導致調(diào)頻系統(tǒng)經(jīng)常過度采購和補償快速調(diào)節(jié)資源。
圖2 不同等效倍率曲線比較
為了解決該問題，2015年5月26號PJM召開了關于調(diào)頻性能影響的股東會議聚焦“可以快速執(zhí)行的短期解決方案”。之后，2015年9月26號發(fā)布了調(diào)頻市場問題高級任務指令以解決調(diào)頻市場中更廣泛和相關的問題。這兩個系統(tǒng)運行和市場設計的改革提案正在走股東流程。2017年6月22號市場和可靠性委員會投票支持了高級任務指令的提案。該提案通過后會在PJM成員委員會審查。由于這些變更涉及到費率調(diào)整，PJM董事會將最終決定是否批準，也將決定是否向FERC備案這些調(diào)整。
市場規(guī)則調(diào)整影響
調(diào)頻輔助服務市場規(guī)則調(diào)整后RegD資源所提供的有效任務量降低了。圖3展現(xiàn)了效益因子調(diào)整后RegD任務量變化情況。引入快速信號之后，RegD資源調(diào)節(jié)任務量逐步提高，儲能項目建設也隨之加快。2015年12月短期市場調(diào)整后RegD資源調(diào)節(jié)任務量增長趨勢終止。這些調(diào)整限制了日內(nèi)每小時RegD任務量。最終，2017年1月信號規(guī)則調(diào)整導致了RegD任務量出現(xiàn)下降。
圖3 RegD任務量占總調(diào)頻任務比例
第一條紅線是效益因子調(diào)整，第二條紅線是新信號制度。
圖4顯示了PJM系統(tǒng)平均性能得分的變化情況。調(diào)節(jié)資源性能基于三個指標：準確性、延遲性和精確度。準確性是資源響應調(diào)節(jié)信號的快慢；延遲性為從開始運動到達到預期的延遲時間；精確度是信號和響應之間瞬時錯誤。
電網(wǎng)可靠性追求目標不一定是系統(tǒng)性能得分，但更高的性能得分使電網(wǎng)調(diào)度能夠更準確地預期其響應情況。如果信號指令方向與系統(tǒng)所需相反，準確跟蹤信號對系統(tǒng)可靠性并無益處。隨著RegD信號增加，系統(tǒng)平均性能亦提高，使得RegD性能較差資源被擠出該市場。2017年調(diào)頻信號規(guī)則調(diào)整之后，系統(tǒng)平均性能發(fā)生了下降。
圖4 系統(tǒng)平均性能得分
第一條紅線是效益因子調(diào)整，第二條紅線是新信號制度。
表2 信號規(guī)則調(diào)整前后調(diào)頻性能
市場規(guī)則調(diào)整的透視
從利用經(jīng)濟手段保證系統(tǒng)可靠性的角度看，PJM這些市場規(guī)則調(diào)整改善了整體穩(wěn)定性。首先，2015年12月調(diào)整RegD估值系統(tǒng)和覆蓋率有效降低了維持ACE所需人為操作的次數(shù)（如圖5所示）。2017年調(diào)整信號系統(tǒng)有效降低了人為操作的必要性，由于不會再下發(fā)惡化ACE的信號了。其次，PJM通過引入新信號系統(tǒng)實現(xiàn)了ACE控制能力的提升。如表3所示，每日的ACE均值趨近于0，同時ACE的波動也減低了。這種ACE控制能力的改善表明了RegD資源響應準確性的降低被信號提升作用所抵消。
圖5 RegD估值系統(tǒng)和信號系統(tǒng)對降低調(diào)度人為干預的影響
表3 信號規(guī)則調(diào)整對ACE影響
另一方面，這些市場調(diào)整損害了儲能服務提供商，其隨后向FERC提交了兩份投訴書以抗議PJM。2017年5月13號儲能協(xié)會向FERC投訴了PJM，次日美國可再生能源組織和Invenergy儲能公司提交了類似的投訴。調(diào)低短期效益因子降低了PJM區(qū)域內(nèi)儲能運營商的收益。儲能運營商經(jīng)歷了市場份額減少和收益降低，導致PJM區(qū)域內(nèi)新增儲能投資下降。2015年末調(diào)低RegD效益因子之后，提高了市場優(yōu)化過程中RegD資源的實際價格，導致PJM出清的儲能調(diào)頻服務減少了。如圖6所示，2016年RegD資源的總收入下降，降幅達到32%。PJM區(qū)域電池資源的收益降低導致新建儲能投資降低，降低情況如圖7所示。
PJM最初RegD信號設計的目標是5分鐘之內(nèi)實現(xiàn)收斂到能量中性，95%信號所覆蓋時間少于15分鐘。儲能運營商聲稱其根據(jù)該指導進行設計、投資和開發(fā)儲能項目，實現(xiàn)了儲能電量可以覆蓋15分鐘連續(xù)的調(diào)頻信號。儲能協(xié)會抱怨在PJM新信號規(guī)則下，調(diào)度有時給電量受限調(diào)頻資源下發(fā)持續(xù)單向信號，有時累計持續(xù)1小時。
自從能量中性原則被條件中性取代后，持續(xù)長時間的調(diào)頻信號提高了電池系統(tǒng)內(nèi)流動的電量。因此，電池運營商應對措施是要么接受更高的系統(tǒng)溫度，要么降低市場中的投標容量。過高的系統(tǒng)溫度會損害電池壽命，同時使電池制造商的質(zhì)保協(xié)議無效。儲能協(xié)會抗議書中提到Invenergy電池系統(tǒng)運行溫度提高了43%導致預期壽命降低了50%。儲能協(xié)會抗議書還提到有的電池項目選擇降低投標容量25%，直接導致現(xiàn)金流降低了26.75%。
圖6 RegD資源收益情況
圖7 電網(wǎng)級儲能投資情況
2016年儲能協(xié)會發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有信號和估值算法存在不一致的地方。修改后效益因子曲線降低了RegD估值，原因是其運行方向與系統(tǒng)所需相反，但是信號系統(tǒng)調(diào)整后RegD的方向不會與系統(tǒng)需求相反了。儲能協(xié)會指責PJM因為其系統(tǒng)缺陷降低了估值系統(tǒng)，隨后系統(tǒng)缺陷修復后依然保持較低估值。
儲能協(xié)會認為PJM和市場監(jiān)管者可以實現(xiàn)信號改善和更精確的技術等效曲線。PJM選擇先修正信號再逐漸調(diào)整技術等效曲線是為了獲取新信號性能的實際數(shù)據(jù)。自從采用新信號之后，PJM提到“決心升級RTS曲線以反映調(diào)頻資源的實際性能”。通過該辦法未來PJM可以通過實證數(shù)據(jù)提出RegA比RegD的估值，不再依賴于模擬分析。
提高效率的機會
基于PJM的可靠性職責和儲能在持續(xù)信號下劣勢的分析基礎上，分開的調(diào)頻信號系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)效率。原因為PJM從頻率調(diào)高和調(diào)低中獲取不同的益處。在回應ESA質(zhì)問調(diào)頻信號為何更多向下時，PJM解釋為實際可靠性需求：調(diào)度員傾向于向下的調(diào)頻信號的原因是由于ACE低于0的系統(tǒng)風險高于ACE高于0。這種不對稱導致信號設定更多是向下而不是向上。實際運行過程中PJM采用不同方法解決正負ACE的問題：PJM使用同步備用協(xié)助解決系統(tǒng)干擾時低ACE的問題，而調(diào)頻是高ACE的第一道防線。
加州系統(tǒng)運營商（CAISO）所采用的分開調(diào)節(jié)信號機制是有益的?；谶@種制度PJM調(diào)度者會擁有更多控制間隔，進而實現(xiàn)價格更好地反映實際系統(tǒng)情況。CAISO的頻率調(diào)高和調(diào)低價格是不同的。儲能運營商可以根據(jù)儲能荷電狀態(tài)選擇參與頻率調(diào)高還是頻率調(diào)低服務。這樣也消除了信號設計時堅持能量中性原則的必要性。最后需要繼續(xù)執(zhí)行提高系統(tǒng)效率的高級任務指令，因為技術等效曲線可以更好獲取RegD信號的真實價值。
結論
儲能調(diào)頻服務具有良好的精確性，但持續(xù)時間有限。近期PJM調(diào)整調(diào)頻規(guī)則是電力系統(tǒng)中精確性和持續(xù)性平衡的結果。調(diào)整后的市場規(guī)則能夠刺激各方在儲能開發(fā)和投資過程中更重視電量而不是功率。在條件中性新版RegD信號規(guī)則下，儲能能夠吸收或釋放更多能量將會獲得更高的性能得分。2016年PJM的性能合規(guī)經(jīng)理Eric Hsia解釋：“PJM中電池儲能的未來取決于技術進步。如果電池儲能放電時間長于1小時，其想?yún)⑴c何種服務都可以”。然而，為了這些市場刺激能夠更有效，PJM需要調(diào)整估值系統(tǒng)以更好實現(xiàn)新信號規(guī)則的價值。
與此同時，正在進行的FERC投訴程序和PJM長期提議批準程序兩者共同提高了儲能參與PJM調(diào)頻市場的不確定性。FERC在“儲能參與區(qū)域輸電組織和獨立系統(tǒng)運營商”方面公共規(guī)則制定通知。該通知有助于理順市場規(guī)則和實現(xiàn)儲能技術潛力的最大化，包括更好實現(xiàn)批發(fā)市場收益和其他收益相集合。儲能開發(fā)商已經(jīng)開始獲取除調(diào)頻之外的多樣化收益了，例如分布式或客戶側儲能為業(yè)主提供服務。
長期來看，當可再生能源比例更高時，儲能參與調(diào)頻服務將會發(fā)揮更大的作用。國家可再生能源實驗室和PJM等長期可再生能源發(fā)展研究均表明，可再生能源增長會提高調(diào)頻需求。國家可再生能源實驗室研究表明PJM風電和光伏等波動性發(fā)電達到30%時，調(diào)頻需求量將增加107%。PJM研究也表明波動性發(fā)電達到30%時，調(diào)頻需求會增加80%-127%，具體數(shù)據(jù)取決于不同電源比例。盡管近期調(diào)整調(diào)頻市場規(guī)則降低了儲能運營商的收益，但是在未來其有助于提高電力系統(tǒng)效率和接入更多可再生能源。
原標題：PJM儲能調(diào)頻服務市場探索：透視PJM儲能細分市場從開始到飽和的過程
作者：Thomas Lee
Kleinman Center for Energy Policy
