文 | 張柳潼
編譯 | eo記者 姜黎
在一個完全競爭市場里，如果用戶能夠?qū)r格有足夠的響應(yīng)能力，那么批發(fā)市場總是能夠順利出清。這時，市場價格信號非?？煽浚汗?yīng)短缺，價格上升，直至有足夠的用戶自愿削減負荷來平衡市場的短缺。這種情況下，用戶從不會遭遇強制錯峰限電。
但真實情況是，由于沒有實時表計、計費和其他必要設(shè)備，電力用戶無法實時地對電力價格進行響應(yīng)，電力市場只能接受“需求側(cè)缺陷”。更重要的是，儲能設(shè)備成本仍然高企，當容量稀缺時，負荷側(cè)的彈性小，供應(yīng)短缺時用戶被迫輪流停電（如圖1所示）。
圖1：供給和需求不能平衡時引起的限電/停電
Source: WaterRock Energy Research and Analysis
先進的技術(shù)應(yīng)用，如智能電表、家庭能源管理系統(tǒng)、可穿戴智能設(shè)備等，為需求側(cè)主動參與電力市場，減輕市場失靈提供了條件。
需求響應(yīng)（Demand Response，DR）一詞的定義是，用戶參與電力市場，對特定的市場變化進行主動響應(yīng)，改變其用電需求。一般來說，主要分為兩類：一類是參與電力市場的供應(yīng)側(cè),這種需求響應(yīng)在競爭市場里是可被系統(tǒng)運營商調(diào)度的，并且能夠獲得補償，不響應(yīng)則受到懲罰。另一類是參與需求側(cè)。用戶對價格信號自愿做出反應(yīng)。這種以價格為基礎(chǔ)的響應(yīng)能鼓勵用戶在高電價時段主動削峰，但這些價格敏感的負荷在實時市場中不能直接被系統(tǒng)調(diào)用。本文將重點介紹供應(yīng)側(cè)可調(diào)度的需求響應(yīng)項目。
圖2：需求響應(yīng)分類
Source: Modified from A.S. Hopkins, M, Whited, Best Practices in Utility Demand Response Programs, With Application to Hydro-Québec’s 2017–2026 Supply Plan, March 31, 2017, page 5.
DR應(yīng)用于供應(yīng)側(cè)有自身的特點。與燃氣機組可以全天候待命運行不同，DR資源受制于數(shù)量和負荷削減的可持續(xù)性，并不是隨時隨地可調(diào)遣的；同時，一些DR資源可能需要有一定預(yù)設(shè)時間的通知才能在系統(tǒng)需要時做出響應(yīng)。所有這些都讓DR資源變得不那么“靠譜”。但DR的這些特點讓它更適合作為“尖峰”存在，發(fā)揮容量備用的功能。
需求響應(yīng)如何融入電力市場？
中國多個省區(qū)都在推進競價市場建設(shè)，這個時候有必要研究需求響應(yīng)如何與市場協(xié)調(diào)發(fā)展。本文對新加坡和美國德州這兩個單一電能量市場，以及PJM這個能量+容量市場中需求響應(yīng)的情況進行了分析，以期為中國電力市場建設(shè)提供一些借鑒。
表1總結(jié)了這三個市場中DR參與能量市場、容量市場以及輔助服務(wù)市場的情況。
表1：新加坡、美國德州和PJM電力市場中的需求側(cè)響應(yīng)
Source: Data Collation from Various Market Summary Reports from Governments/Regulators by WaterRock Energy
能量服務(wù)。在系統(tǒng)正常運行時，可調(diào)度DR的參加率是微不足道的，因為能量市場的價格通常不足以激勵DR資源主動發(fā)電或削峰。
容量或緊急備用服務(wù)產(chǎn)品。在擁有容量市場的地方，比如PJM，DR可以參與到容量市場中，提供“合格”的容量而獲得補償費用。容量補償機制在PJM市場中對DR產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了很好的激勵作用。即使是在單一電量市場中，緊急響應(yīng)機制也可以用于促進DR資源進入市場，比如美國德州電力市場。
輔助服務(wù)市場。這三個市場中，DR被看作一類特殊的電廠，都可以作為備用資源提供輔助服務(wù)。
圖3：在三個市場中DR的參與率
Source: WaterRock Energy Research and analysis
新加坡電力批發(fā)市場中的需求響應(yīng)
新加坡電力現(xiàn)貨批發(fā)市場于2003年正式啟動運行。它是一個單一電能量市場，電源主力是天然氣發(fā)電廠，因常年氣候溫暖，且工業(yè)負荷占比大，負荷曲線較為平穩(wěn)。2012年到2016年間，大量的燃氣電廠投產(chǎn)，導致近年來出現(xiàn)了供給過剩的情況，拉低了現(xiàn)貨價格。過去5年中，幾乎沒有出現(xiàn)價格上漲現(xiàn)象。因此，市場對需求響應(yīng)的吸引力較弱。
圖4：新加坡需求響應(yīng)的歷史
如圖4所示，在新加坡市場中主要有兩種DR資源：一種是在輔助服務(wù)市場中的可中斷負荷，而這種資源在2018年到2019年間，使用量僅27MW；另一種是電量市場的需求響應(yīng)，由于市場價格較低，對不合規(guī)格的DR懲罰較高，從2014年引入開始直至目前幾乎沒有應(yīng)用。
2004年，新加坡引入了可中斷負荷，允許用戶為系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)，并給用戶以相應(yīng)的備用補償費用，可參與的單個最小負荷單元為0.1MW。近日，新加坡能源管理局（EMA）修訂規(guī)則，負荷集成達到0.1MW也可參與該項目。系統(tǒng)運營商要求這些負荷必須安裝“監(jiān)測-記錄-激活”設(shè)備，以便讓調(diào)度員隨時知曉、監(jiān)測和控制相關(guān)負荷設(shè)備。這些設(shè)備必須參與初試和持續(xù)的反應(yīng)能力測試，過往響應(yīng)失敗的記錄也受到密切跟蹤，確保它們能夠完全符合調(diào)度指令要求。對于參與響應(yīng)而實際又無法執(zhí)行指令的資源，罰金為損失負荷值與預(yù)備容量乘積的50%。如果發(fā)生概率過高，需要遏制，EMA可將該比例提高至100%。截至目前，僅7個用戶在市場注冊提供可中斷負荷服務(wù)，總?cè)萘繛?7.5MW（相當于尖峰負荷的0.4%）。
2014年，新加坡市場引入了可參與現(xiàn)貨批發(fā)電力市場中的可調(diào)度DR。符合要求的負荷資源需要在批發(fā)現(xiàn)貨市場中競價，其競價曲線是價格越高需求量越低。當DR資源報價低于傳統(tǒng)電廠時，他們就將被調(diào)用，所以他們也可能決定批發(fā)市場的邊際價格。這類資源對于電力稀缺時段來說是非常寶貴的，系統(tǒng)運營商可以對參加競價的負荷有效地進行自主性削減。
這種機制運作的核心是如何訂立“基準線”，即負荷削減量是相對什么基準來衡量。通常來說，“基準線”是基于歷史負荷曲線來設(shè)定的，但是新加坡能源局(EMA)考慮到基于歷史負荷的“基準線”可能導致市場主體過度博弈。例如，一個體育場為了增加它參與需求響應(yīng)時可以獲得的報酬，可能會持續(xù)一段時間白天黑夜都不熄燈，以此提高過往電力消費量的基準線。為了減少這種博弈，新加坡把“基準線”定為一個固定的財務(wù)承諾，如果用戶沒有達到申報的基準消費電量的95%，即便是DR沒有被調(diào)度，也要繳納相應(yīng)罰金。
EMA針對DR資源的特性還設(shè)置了一系列規(guī)則：
DR自2014年被引入電力市場起，DR參與的“地板價”是F級燃氣電廠長期邊際價格的1.5倍，只有當報價高于此價格時，才可被納入市場出清范圍。設(shè)置“地板價”是為了防止DR參與者的投機行為。EMA近期在考慮是否下調(diào)“地板價”以反映供給過剩的情況。
削峰電量也有上限，為200MW。
為了激勵DR參與市場，補償費用并非基于邊際定價，而是基于消費者剩余增加（consumer surplus） 的三分之一來計算。市場出清機制運行兩次，一次是有DR參與的，另一次是沒有DR參與的，具體情況如圖5所示。DR的提供能降低了批發(fā)電力市場出清價格，從而增加消費者剩余；DR提供者的補償費用是消費者剩余增加的三分之一，最高可達4500新加坡幣/兆瓦時（折合人民幣23元/千瓦時）。
懲罰機制相對嚴格。如果接到調(diào)度指令而未執(zhí)行，需要支付消費者剩余增加的三分之一，上限為4500新加坡幣/兆瓦時 （折合人民幣23元/千瓦時）。即使他們沒有收到相關(guān)指令，如果用電量低于預(yù)測的95%也將受到懲罰。
圖5：新加坡需求響應(yīng)價格激勵機制示意圖
Source: WaterRock Energy Economics
自2014年引入DR以來，新加坡市場幾乎沒有用戶參與。鉆石能源（Diamond Energy）在2017年代理它的競爭性用戶（約7.2MW）參與了市場。還有一家私人電力零售商，紅點電力（Red Dot Power）聯(lián)合新加坡南洋理工學院、淡馬錫理工學院和技術(shù)教育學院發(fā)布了線上響應(yīng)試點激勵計劃。參與的機構(gòu)如能自愿削減尖峰用電需求，可獲得一定補償。但用戶最近都不愿續(xù)簽合同，因為補償和懲罰不匹配。
在當前機制下，DR收入金額具有不確定性。由于DR參與程度低，DR對出清價格影響可能微乎其微，導致沒有產(chǎn)生多少消費者剩余。因此，DR提供者不能確定被調(diào)度后他們能夠獲得多少回報。最壞的情況下，收入可能接近零。在供給過剩、價格偏低的大環(huán)境下，這個問題變得更加嚴重。同時，嚴格的設(shè)備要求和高額懲罰也在“勸退”DR資源。再者，新加坡比較獨特的基準線的確立使得只有負荷預(yù)測最精準的用戶才可為市場提供DR服務(wù)，因為即使不會被調(diào)度，但實際需求“不達標”也要承受懲罰。
啟示
中國部分省區(qū)正在推進電力現(xiàn)貨市場建設(shè)。然而，當前市場中，“價格帽”相對較低。幾乎所有競爭市場的“價格帽”都在1元/千瓦時以下，明顯低于其他各國電力市場。
一些市場在夏季存在電力電量短時供不應(yīng)求的情況，低價格帽使尖峰電價失去了意義，同時也大大降低了用戶在電力稀缺時段主動削減負荷的動力，進而減小了對需求響應(yīng)技術(shù)的投資?？梢灶A(yù)見，需求響應(yīng)很難融入到目前中國的電量市場當中。
根據(jù)新加坡的案例，如果對不執(zhí)行指令的懲罰值設(shè)定過高，需求響應(yīng)的參與度也將受到負面影響。另外，新加坡設(shè)置的獨特的“基準線”和以消費者剩余增加決定的價格機制也不利于需求響應(yīng)參與電力市場。因此，不建議中國采取類似模式。
美國德州（ERCOT）市場中的需求響應(yīng)
美國德州電力可靠性委員會（ERCOT）運行著日前和實時電能量市場，“價格帽”達到9000美元/兆瓦時（約合人民幣62元/千瓦時）。和美國其他許多ISO運營的市場不同，德州市場沒有資源充裕度要求，因此沒有容量市場。如圖6所示，德州市場有以下幾種需求響應(yīng)項目。
圖6：ERCOT需求響應(yīng)的歷史
輔助服務(wù)?？煽刎摵少Y源可以提供備用、非旋轉(zhuǎn)備用和調(diào)節(jié)調(diào)度服務(wù)。2018年有1730MW（約為峰荷的2.4%）參與。
緊急響應(yīng)。雖然ERCOT沒有容量市場，但它會通過競爭性投標購買緊急容量資源。2018年參與這種響應(yīng)的負荷為773MW（約峰荷的1.1%）。
電能量市場。負荷資源在電能量市場中報價，但參與程度很低。
2002年以來，ERCOT允許負荷項目（Load acting as Resource, LaaR）參與輔助服務(wù)市場。負荷能夠為德州批發(fā)市場提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)，以保障在大機組出現(xiàn)事故后系統(tǒng)能盡快恢復(fù)頻率。這功能與使用低頻繼電器的大型負荷特性相匹配，所以有很多負荷合規(guī)格。提供服務(wù)的負荷項目（LaaR）上限最開始定為總旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)需求的25%，2006年提升到了50%。
2011年，ERCOT確定執(zhí)行“可控負荷資源”（CLR）項目。相比LaaR，CLR項目有著更嚴格的要求，允許負荷提供旋轉(zhuǎn)備用和調(diào)節(jié)調(diào)頻輔助服務(wù)。ERCOT沒有對CLR在供給旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)中設(shè)定上限。CLR必須具備類似電廠的能力，對系統(tǒng)的頻率變化自動做出響應(yīng)，并對調(diào)度提出的2秒鐘信號做出回應(yīng)。
雖然ERCOT沒有對參與輔助服務(wù)的負荷提供隱形補貼，同時要求負荷具備與電廠相似的響應(yīng)能力，但輔助服務(wù)市場中DR的滲透率依然較高，特別是旋轉(zhuǎn)備用輔助服務(wù)。DR參與輔助服務(wù)市場的積極性來源于其本身適合市場的諸多特性，而且市場給予了可靠的備用性費用。此外，由于備用并不是經(jīng)常需要，用戶無需為了提供輔助服務(wù)而大幅改變自己的用電習慣。
2006年春，德州市場發(fā)生了自啟動以來的首次“甩負荷”事件。事后分析結(jié)論是，如果當時有部分負荷能夠主動削減，就可以避免系統(tǒng)“甩負荷”。2008年ERCOT啟動了一項名為“緊急可中斷負荷服務(wù)”（EILS）的新項目，允許DR參與市場，直接對批發(fā)市場價格進行響應(yīng)，后更名為“緊急響應(yīng)服務(wù)”（ERS）。為吸引更多的DR資源參與市場，ERCOT不斷在微調(diào)規(guī)則。一開始時，負荷必須在接到ERCOT指令10分鐘以內(nèi)做出響應(yīng)，幾年后，市場又增加了一種30分鐘內(nèi)響應(yīng)的品種。2013年，ERCOT推出了一種天氣敏感的ERS項目，以評估空調(diào)等受天氣影響顯著的負荷參與緊急響應(yīng)的潛力。
ERCOT每年為ERS項目進行三次競爭性招標，并設(shè)立年度開支上限。這類似于戰(zhàn)略儲備，這些儲備不會對批發(fā)電力市場正常運行情況下的能源價格做出反應(yīng)，只有在能源稀缺時才會被激活。此外，ERCOT還執(zhí)行了一個可靠性價格加法方式（reliability price adder），以避免ERS或負荷資源被調(diào)度時發(fā)生價格反轉(zhuǎn)?？傮w來說，DR參與ERS的積極性相對較高。
2014年，ERCOT開始允許CLR通過提交需求側(cè)報價參與到實時電能量市場。他們需要遵守5分鐘實時調(diào)度指令。但參與度非常低。2018年，可能因為要求過高，沒有一個負荷資源符合實時市場的經(jīng)濟調(diào)度要求。
啟示
ERCOT在響應(yīng)旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)和緊急響應(yīng)服務(wù)(ERS)中有大量DR資源。旋轉(zhuǎn)備用及緊急響應(yīng)服務(wù)與DR資源的特性相匹配，且用戶知道僅在緊急情況時才會被調(diào)用，不會對生產(chǎn)造成過多“打擾”。中國也有很多大工業(yè)負荷，可以參照德州的方式來設(shè)計需求響應(yīng)參與市場的模式。
美國PJM市場的需求響應(yīng)
PJM電力批發(fā)市場在1997年開始運行。2000年，因緊急情況削峰，引入了DR試點項目。在市場不斷發(fā)展的20年中，如圖7所示，ISO為負荷側(cè)提供了許多參與市場的機會。
圖7：美國PJM需求響應(yīng)的歷史
當2007年P(guān)JM啟動容量市場（又名可靠性定價模型）時，需求響應(yīng)就被允許進入。容量市場引入了交割年前三年“基礎(chǔ)容量拍賣”(BRA)（比如，2015年的BRA購買2018/19年的容量）。如圖8所示，美國各地電力市場中，PJM的DR是最著名、最成功，也是發(fā)展最快的。
容量市場對DR的補償和給電廠的類似。在遠期容量市場中，大量的DR報價出清。2015/2016的交割年，有超過10000MW負荷在遠期容量市場中出清，占整個容量需求的6.3%。
圖8：PJM容量市場中承諾的需求響應(yīng)容量，MW
Source: pg 14 of 2019 Demand Response Operations Market Activity Report, January 2020
DR參與容量市場同樣要遵循一些規(guī)則，包括以下幾點：
可中斷次數(shù)。在PJM容量市場運行的頭幾年中，DR產(chǎn)品允許有限次中斷。
告知時間可有不同但要設(shè)置上限，PJM設(shè)置有30分鐘告知時間的，也有60分鐘和120分鐘的。
可用時段可以限制在工作時間，以最大限度提高參與度。
中斷時長根據(jù)供應(yīng)短缺事件的情況設(shè)置最大值。
剛開始的幾年里，PJM允許DR只在夏天的幾個小時參與容量市場，而且DR可以只收到固定數(shù)量的調(diào)度指令。當DR比例較小的時候，這并沒有對系統(tǒng)可靠性造成威脅。但隨著DR在容量市場中出清比例不斷增長，PJM發(fā)現(xiàn)合格的DR資源比電廠的可用性限制要多，造成了一定的可靠性風險。當其超過整個容量市場的5%時，就會替代電廠，減少僅可由電廠承擔的備用比例。因此，DR越來越有可能以超出其可用性要求的頻率和季節(jié)性被調(diào)用。這導致在夏季和其他季節(jié)出現(xiàn)供應(yīng)短缺的風險升高。
為了減低可靠性風險，2014/15交割年時，PJM設(shè)計了三種單獨的DR服務(wù)，分別是限期夏日DR（即原本的有限可用性要求）、展期夏季DR和年度DR。隨后，PJM強制執(zhí)行了年度DR產(chǎn)品的最低采購要求，以及展期夏季+年度DR的最低采購量。設(shè)定最低限額的目的是提高通過拍賣獲得的DR資源的總體質(zhì)量。高質(zhì)量的產(chǎn)品可以繼續(xù)獲得與發(fā)電容量相同的付款；符合最低要求，但質(zhì)量較差的產(chǎn)品必須以較低的價格出清。此外，PJM還加強了建立DR資源容量評級的計量和驗證(Measurement & Verification)方法。根據(jù)圖8所示的出清后的容量市場DR資源，即使有了更嚴格的準入條件，數(shù)量仍然相對較高。
PJM允許DR參與日前和實時電能量市場以及輔助服務(wù)市場，但參與水平遠低于容量市場，主要是因為補償費用往往低于容量市場。因此，DR資源通常優(yōu)先考慮參與容量市場的競爭。
在容量市場出清后的需求響應(yīng)資源有義務(wù)參與電能量或輔助服務(wù)市場。它們通常以“天花板”價參與電能量市場，因為它們通常不希望在其它所有資源都耗盡之前被調(diào)用?；旧螪R資源就是在系統(tǒng)稀缺期間被用作備用的“容量”。
啟示
PJM的經(jīng)驗表明，需求響應(yīng)可以在供應(yīng)側(cè)非常深度地參與容量市場。同時也可作為可調(diào)用的資源參與電能量市場，在緊急情況下具有定價能力。
預(yù)計中國將在多數(shù)省份引入競爭性容量市場。DR應(yīng)被允許參與容量市場，其參與資格應(yīng)仔細確定，需要在資格審查與高昂成本以及繁瑣的規(guī)則間找到平衡點。
中國如何引入需求響應(yīng)？
在電量市場中，需求響應(yīng)的價值是在供給稀缺時段“削峰”。盡管市場設(shè)置了詳細的需求響應(yīng)機制，但可調(diào)度的需求響應(yīng)資源參與率普遍較低。一定程度上是因為價格飆升和稀缺時段在能量市場中很少見。這使得主動投資研發(fā)應(yīng)用需求響應(yīng)技術(shù)，創(chuàng)業(yè)成為負荷集合商變得不經(jīng)濟。
此外，目前我國不同省份的電力市場設(shè)計價格上限較低，降低了在電力緊缺時段主動削減負荷的經(jīng)濟性。這意味著DR通過市場化方式融入中國電力能量市場的可能性非常低。
基于對國際電力市場的分析，DR資源可以在輔助服務(wù)和容量市場中發(fā)揮作用，并提供有價值的容量來確保電力系統(tǒng)的可靠性。輔助服務(wù)和容量市場的補償機制也很好地契合了DR的特征——它們提供可靠的可用性補償，但只在需要時調(diào)用DR，從而避免使負荷資源頻繁地改變其電力消費模式。
為了鼓勵需求響應(yīng)進入市場，中國應(yīng)認真研究如何將需求響應(yīng)最好地整合到輔助服務(wù)市場和未來可能有的容量市場中。實際上，在正式引入容量市場之前，中國也可以考慮引入應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)，類似于美國ERCOT市場的做法。一旦容量市場正式引入，PJM容量市場為中國提供了豐富的經(jīng)驗。
在開始階段，DR資源的資格認定并不一定要非常嚴格和繁重，以免打擊負荷資源參與的積極性。相反，當DR在市場中的滲透率較低時，監(jiān)管機構(gòu)應(yīng)在準入資格方面提供最大的靈活性，以吸引不同類型的DR資源。一旦達到某個閾值（比如5%），監(jiān)管機構(gòu)可以參考PJM的做法，考慮收緊市場規(guī)則，將不同類型的DR資源與它們所能提供的不同類型的價值服務(wù)區(qū)分開來。
