美國調(diào)頻輔助服務(wù)市場的定價機制分析

陳中飛, 荊朝霞, 陳達(dá)鵬, 謝文錦

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院, 廣東省廣州市 510640)

0 引言

充足、有效的輔助服務(wù)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要條件，尤其在可再生能源比例不斷升高的情況下。調(diào)頻服務(wù)是輔助服務(wù)中最為重要的一種，其主要目的是維持電力功率的實時平衡。電力市場環(huán)境下，輔助服務(wù)的供給情況一方面與系統(tǒng)的電源、電網(wǎng)、負(fù)荷結(jié)構(gòu)等有關(guān)，另一方面，很大程度上取決于相關(guān)的市場機制。合理的調(diào)頻市場機制可以給予市場主體正確的經(jīng)濟激勵，引導(dǎo)其在合適的時間提供合適數(shù)量的調(diào)頻服務(wù)。一個產(chǎn)品的市場機制包括兩個主要方面：產(chǎn)品的設(shè)計和定價機制的設(shè)計。產(chǎn)品的設(shè)計主要考慮的問題是用哪種或哪些物理量來衡量提供的調(diào)頻服務(wù)的數(shù)量。定價機制的設(shè)計考慮的是對某種確定的產(chǎn)品，如何制定報價、出清及結(jié)算等規(guī)則。實際上，不同地區(qū)的調(diào)頻輔助服務(wù)市場的機制差別也主要在這兩個方面。

在產(chǎn)品的設(shè)計方面，早期的電力市場中主要考慮(調(diào)頻)備用容量，提供調(diào)頻服務(wù)的市場主體主要獲得容量補償收益[1-2]；近年來，隨著以蓄電池和飛輪機等儲能裝置為代表的快速響應(yīng)調(diào)頻資源(FRR)的引入，以及系統(tǒng)對快速調(diào)節(jié)需求的增加，美國能源監(jiān)管委員會(FERC)頒布755號法令[3-4]，美國許多州引入了基于實際調(diào)頻量和調(diào)頻效果的機制[5-14]，調(diào)頻服務(wù)的計量除了考慮提供的備用容量，還考慮調(diào)節(jié)里程和調(diào)節(jié)效果。新的調(diào)頻機制已經(jīng)引起了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。文獻(xiàn)[15-17]對這種新的機制進(jìn)行了介紹，并對市場主體在這種調(diào)頻市場下的相關(guān)策略進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[18]對多個州的調(diào)頻市場機制進(jìn)行了比較，對調(diào)頻里程的測量方法、調(diào)頻效果的考核和補償機制進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹和對比分析。

產(chǎn)品的定價機制與產(chǎn)品的設(shè)計直接相關(guān)。在單一容量的調(diào)頻服務(wù)產(chǎn)品設(shè)計下，定價機制比較簡單：調(diào)頻資源申報單一的容量價格，獲得的補償也僅有容量補償一項，其需要考慮的內(nèi)容包括與能量、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用等其他產(chǎn)品之間的關(guān)系(是否聯(lián)合出清)，以及出清的方式(按報價出清還是統(tǒng)一出清)等。在新的考慮調(diào)節(jié)里程和調(diào)節(jié)質(zhì)量的調(diào)頻市場設(shè)計下，定價機制更加復(fù)雜，需要考慮更多的方面，如市場組織時序、出清模型、機會成本的計算方法等。而在這些方面，美國不同州電力市場的做法各不相同。

目前，中國大多數(shù)地區(qū)的調(diào)頻服務(wù)是按照計劃體制下的輔助服務(wù)“兩個細(xì)則”來計量和補償，補償價格是根據(jù)行政方式核定的，并不是通過市場方式來確定[19-21]。在大多數(shù)地區(qū)，這個補償價格相對較低，無法激勵市場主體主動提供調(diào)頻服務(wù)，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成了一定的隱患,特別是在很多地區(qū)已經(jīng)進(jìn)行中長期的電量交易的情況。也有一些地區(qū)已經(jīng)開始探討市場化的調(diào)頻市場機制，基本都是借鑒美國最新的調(diào)頻市場機制。

對任何產(chǎn)品市場的設(shè)計，定價機制的設(shè)計都是核心。定價機制不合理，可能起不到預(yù)想的結(jié)果，甚至產(chǎn)生反向的激勵。如上所述，美國不同州的調(diào)頻市場的定價機制有很大的區(qū)別。每種機制都有其合理的地方，也都有一定的適用性和局限性。

中國的電力市場建設(shè)必須借鑒國外的經(jīng)驗[22-24]，同時必須考慮中國的實際情況[25-27]，而對國外不同的市場機制進(jìn)行深入分析、討論顯得尤其重要。在基于調(diào)節(jié)里程和調(diào)節(jié)質(zhì)量的新調(diào)頻機制方面，有一些文獻(xiàn)對其產(chǎn)品的設(shè)計、運作的流程做了介紹，但缺少對其定價機制的深入分析和討論。本文在這方面進(jìn)行了探討，對美國調(diào)頻市場的定價機制進(jìn)行梳理、分類，分析不同方法的適用條件，并結(jié)合中國電力市場建設(shè)給出了一些建議。

1 美國調(diào)頻市場定價機制的基本概念

美國賓夕法尼亞—新澤西—馬里蘭州聯(lián)合電力系統(tǒng)(PJM)、加利福尼亞州獨立系統(tǒng)運營商(CAISO)和德克薩斯州電力可靠性委員會(ERCOT)都是美國典型的電力市場，其中PJM和CAISO的調(diào)頻市場發(fā)展較為成熟，但兩者在里程定價和機會成本計算方面存在較大差異，而ERCOT由于不受FERC監(jiān)管，尚沒有設(shè)置里程價格。本文主要對這3個市場中的調(diào)頻市場定價機制進(jìn)行分析。

在具體分析各個市場的調(diào)頻定價機制以前，這里首先對相關(guān)的基本概念進(jìn)行介紹和分析。

為簡化表述，本文中用“調(diào)頻資源”表示調(diào)頻市場提供調(diào)頻服務(wù)的市場主體,包括傳統(tǒng)發(fā)電機組、新式電源(儲能裝置等)或者其代理商等。

1)交易標(biāo)的

交易標(biāo)的是指前面所述的調(diào)頻輔助服務(wù)中交易的產(chǎn)品。在美國電力市場改革的初期，調(diào)頻市場的交易標(biāo)的僅是指調(diào)頻容量，對“調(diào)頻量”缺少完整的概念，也沒有關(guān)于“調(diào)頻量”的交易標(biāo)的。在這種市場模式下，在實際調(diào)頻過程中所增加或減少的發(fā)電量都按照實時市場價格來結(jié)算，“調(diào)頻量”可簡單認(rèn)為是實際出力水平與能量出力水平之差在時間上的積分。其中能量出力水平是指調(diào)頻資源在實時市場上中標(biāo)出力，如圖1中的虛線所示；實際出力曲線是指在能量出力水平上進(jìn)行上下調(diào)頻后的實際出力，如圖1中的紅色折線所示。

FERC在2011年發(fā)布了755號法令對調(diào)頻市場進(jìn)行改革，引入新的市場標(biāo)的“調(diào)頻里程”，調(diào)頻里程是指一段時間段內(nèi)調(diào)頻資源根據(jù)調(diào)頻指令上調(diào)或者下調(diào)出力的絕對值之和[3]，即圖2中所有雙箭頭虛線的長度之和。改革后的“調(diào)頻量”可以認(rèn)為是在原來的基礎(chǔ)上增加了調(diào)頻里程這個產(chǎn)品(標(biāo)的物)。

圖1 調(diào)頻量Fig.1 Quantity of frequency regulation

圖2 調(diào)頻里程Fig.2 Frequency regulation mileage

此外，調(diào)頻市場標(biāo)的還可以細(xì)分為上調(diào)頻和下調(diào)頻兩種單向的調(diào)頻服務(wù)，兩種調(diào)頻服務(wù)分別出清，其市場價格各不相同。若不進(jìn)行細(xì)分，則調(diào)頻服務(wù)為雙向(bi-directional)的上下調(diào)頻服務(wù)。

2)調(diào)頻需求與責(zé)任

調(diào)頻需求一般是指整個電力系統(tǒng)的調(diào)頻容量需求，由獨立系統(tǒng)運營商(independent system operator,ISO)負(fù)責(zé)預(yù)測，主要是根據(jù)高峰負(fù)荷的百分比來設(shè)置，可以是固定的，也可以是變動的，但必須滿足北美能源管理委員會(NERC)的規(guī)定。此外，部分ISO還引入了調(diào)頻里程需求，由ISO負(fù)責(zé)預(yù)測，主要是根據(jù)歷史的里程調(diào)用率來估算出里程需求量，用于調(diào)頻市場出清。

調(diào)頻責(zé)任是指提供或購買調(diào)頻服務(wù)的責(zé)任，一般由電力用戶來承擔(dān)。市場總的調(diào)頻需求需要按一定方式分配給用戶，如根據(jù)負(fù)荷的大小按比例來分配。

3)市場組織形式

美國調(diào)頻市場的組織形式具體如下：ISO在運行日(operating day)的前一天(簡稱日前)預(yù)測和公布系統(tǒng)調(diào)頻需求，然后將調(diào)頻需求按一定規(guī)則分配給負(fù)荷用戶作為其調(diào)頻責(zé)任，負(fù)荷用戶一般是負(fù)荷服務(wù)商(load service entity,LSE)或合格服務(wù)商(qualified service entity,QSE)。負(fù)荷用戶可以利用自有的調(diào)頻資源或與第三方簽訂合同來獲取調(diào)頻資源，來履行自己的調(diào)頻責(zé)任；若仍然無法完全履行其調(diào)頻責(zé)任，則可以從調(diào)頻市場上購買調(diào)頻服務(wù)。在調(diào)頻市場上，ISO確定需要從調(diào)頻市場購買調(diào)頻服務(wù)的總需求量，然后供應(yīng)商報價，ISO按一定方式出清，得到市場出清價格，需要購買調(diào)頻輔助服務(wù)的市場主體付費，中標(biāo)的調(diào)頻資源獲得補償。

4)里程價格與機會成本

755號法令要求調(diào)頻市場采用兩部制定價：一部分是考慮機會成本的容量價格(capacity price)，另外一部分是基于調(diào)頻效果的里程價格(performance price)。調(diào)頻效果主要是與供應(yīng)商的調(diào)頻性能和質(zhì)量有關(guān)，F(xiàn)ERC要求設(shè)置調(diào)頻性能指標(biāo)等參數(shù)對其進(jìn)行考核。機會成本主要是指調(diào)頻資源由于提供調(diào)頻而不能完全參與能量市場而導(dǎo)致的損失。

2 PJM調(diào)頻市場定價機制

PJM調(diào)頻市場發(fā)展較為成熟，其調(diào)頻里程定價機制和機會成本計算方法設(shè)計巧妙，能夠有效地引入儲能裝置參與調(diào)頻市場。下面系統(tǒng)地介紹PJM調(diào)頻市場定價機制。

2.1 調(diào)頻產(chǎn)品的需求和信號

PJM采用雙向的調(diào)頻服務(wù)。每小時的調(diào)頻需求分為峰時需求(05:00—24:00)和谷時需求(00:00—05:00)，PJM負(fù)責(zé)預(yù)測下一運行日的負(fù)荷曲線，分別取峰荷和谷荷的0.7%作為這兩個時段的調(diào)頻需求。

PJM設(shè)置了兩種調(diào)頻信號：響應(yīng)較慢的傳統(tǒng)調(diào)頻信號(A信號)和快速響應(yīng)的動態(tài)調(diào)頻信號(D信號)，調(diào)頻資源可以根據(jù)其調(diào)頻資源的性能和商業(yè)策略選擇響應(yīng)不同類型的性能。選擇響應(yīng)A信號的調(diào)頻資源簡稱為A信號資源，選擇響應(yīng)D信號的調(diào)頻資源簡稱為D信號資源。

2.2 日前報價

在日前市場上，參與調(diào)頻服務(wù)的資源進(jìn)行報價，具體包括3個部分：容量報價、里程報價和愿意提供的調(diào)頻容量。調(diào)頻資源的機會成本由ISO計算，要求調(diào)頻資源提供其運行成本曲線。為體現(xiàn)調(diào)頻性能和調(diào)頻資源類型的區(qū)別，PJM對任一參與報價調(diào)頻資源i的容量報價和里程報價進(jìn)行調(diào)整，如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

2.3 時前出清

(3)

PJM按照調(diào)頻資源的排序價格由低到高排序并出清，直到中標(biāo)的容量(實際可提供容量)滿足總的調(diào)頻容量需求，如式(4)所示。

(4)

式中：Rc為運行日某1 h的調(diào)頻市場需購買的調(diào)頻容量；cq,i為報價資源i的中標(biāo)容量;I為所有參與調(diào)頻報價的資源。

市場出清完成，同時確定調(diào)頻機組組合，即確定各調(diào)頻資源調(diào)頻容量的中標(biāo)量。表1所示為簡單出清算例，假設(shè)某1 h的調(diào)頻容量需求為56 MW，按照排序價格由低到高排序。

根據(jù)式(4)進(jìn)行出清，可得資源4為邊際出清資源，確定調(diào)頻市場的容量中標(biāo)量。

2.4 實時出清

進(jìn)入實時調(diào)度以后，每個調(diào)度小時分為12個調(diào)度時段，每個調(diào)度時段為5 min。每5 min都會進(jìn)行一次能量出清，并確定該調(diào)度時段的LMP，PJM根據(jù)每5 min的LMP重新計算已中標(biāo)調(diào)頻資源的機會成本(該機會成本與時前市場的計算方法相同，在2.6節(jié)詳細(xì)說明)，在容量報價和里程報價不變的基礎(chǔ)上，機會成本改為實時出清的機會成本，里程調(diào)用率由歷史值改為實際值，從而得到新的排序價格。在每個調(diào)度時段內(nèi)，PJM根據(jù)新的排序價格實時出清：排序價格的邊際為調(diào)頻市場出清價格ps,5，被調(diào)資源的邊際里程報價即為里程價格pm,5，調(diào)頻市場出清價格減去里程價格得到容量價格pc,5，如式(5)所示。

pc,5=ps,5-pm,5

(5)

表2使用簡單算例說明如何確定每個調(diào)度時段的里程價格和容量價格。

表1 時前出清算例Table 1 Example for hour-ahead clearing

表2 實時市場出清算例Table 2 Example for real-time market clearing

調(diào)頻報價和調(diào)頻需求不變，PJM重新計算調(diào)頻資源的機會成本(算例數(shù)據(jù)為假設(shè)值)，排序價格的邊際是資源4的總報價，即ps,5=13.47美元/MW，里程報價的邊際是資源3的報價，即該調(diào)度時段的里程價格pm,5=7.98美元/MW，容量價格pc,5=(13.47-7.98)美元/MW=5.49美元/MW。

PJM對每隔5 min都進(jìn)行同樣的市場出清，從而得到12個調(diào)度時段的容量價格和里程價格，然后分別求12個時段的算術(shù)平均值，得到該小時的容量價格pc和里程價格pm，用于市場結(jié)算。

市場出清過程如圖3所示。

2.5 市場結(jié)算

PJM調(diào)頻市場采用兩部制結(jié)算機制，即調(diào)頻資源可以獲得容量收益rc和里程收益rm，對任一調(diào)頻資源i，其具體結(jié)算過程如式(6)和式(7)所示。

rc,i=cc,isa,ipc

(6)

rm,i=cc,isa,iar,ipm

(7)

式中：cc,i為該調(diào)頻資源的中標(biāo)容量；sa,i為該調(diào)頻資源的實際性能指標(biāo)；ar,i為該調(diào)頻資源的實際里程調(diào)用率。

圖3 PJM調(diào)頻市場出清過程Fig.3 Clearing process of frequency regulation market in PJM

2.6 機會成本計算

1)基本定義

PJM對調(diào)頻機會成本的定義為：調(diào)頻資源由于提供調(diào)頻而不能完全參與能量市場而導(dǎo)致的損失。機會成本分為3個部分：①在進(jìn)入調(diào)頻時段前(shoulder hour before)，因調(diào)整出力而損失的收益；②在調(diào)頻時段內(nèi)(regulation hour)，因提供了調(diào)頻服務(wù)而不能進(jìn)行能量供應(yīng)而損失的收益；③在退出調(diào)頻時段后(shoulder hour after)，調(diào)整出力而損失的收益；分別記為Clo,shb，Clo,rh，Clo,sha，如圖4所示。

圖4 調(diào)頻機會成本Fig.4 Lost opportunity cost of frequency regulation

2)計算方法

PJM為既參與調(diào)頻輔助服務(wù)又同時提供電能量的機組提供機會成本補償。參與現(xiàn)貨市場報價的容量資源，稱為池調(diào)度資源(pool-scheduled resources)，不參與現(xiàn)貨市場報價的容量資源稱為自調(diào)度資源(self-scheduled resources)，池調(diào)度資源的機會成本由PJM進(jìn)行統(tǒng)一計算，自調(diào)度機組的機會成本為0。不申報機組運行成本曲線的機組的機會成本也為0。

理論上，機會成本是調(diào)頻資源參與能量市場的單位利潤乘以損失發(fā)電容量在時間上的積分值，如式(8)所示。

Ci=

(8)

式中：t0為收到調(diào)頻指令后，開始調(diào)整出力到調(diào)頻出力水平的時刻；t1為完成調(diào)頻指令后，恢復(fù)到正常出力水平的時刻；pi(t)為在時刻t下，調(diào)頻資源i所在節(jié)點的LMP；glmp,i(t)為資源i在時刻t對應(yīng)的LMP情況下，假設(shè)不參與調(diào)頻市場，僅參與能量市場的可中標(biāo)出力水平；gr,i(t)為資源i在時刻t的實際出力水平；e(gr,i(t))i為資源i在時刻t實際出力水平情況下的運行成本值；Ci為資源i參與調(diào)頻的機會成本。

由于參與調(diào)頻的容量一般都比較小，其成本變化值不大，可忽略不變。因此，PJM對機會成本的計算方法進(jìn)行簡化，忽略成本的變化，直接由能量市場的最大單位利潤乘以經(jīng)濟出力與調(diào)頻容量出力調(diào)整量差值再乘以調(diào)頻時間。具體如下。

在時前市場上，任一參與調(diào)頻市場的池調(diào)度機組i的機會成本計算方法如下：

Clo,shb,i=|pshb,i-eshb,i||glmp,shb-gr,i|tshb,i

(9)

Clo,rh,i=|prh,i-erh,i||glmp,rh-gr,i|

(10)

式中：pshb,i為預(yù)測的運行小時前1 h的LMP；prh,i為預(yù)測的運行小時的LMP；eshb,i為在運行小時的前1 h內(nèi)，因為提供調(diào)頻服務(wù)而需要調(diào)整到調(diào)頻出力水平，機組在該出力水平下的運行成本；erh,i為在運行小時內(nèi)，因為提供調(diào)頻服務(wù)而需要調(diào)整到調(diào)頻出力水平，在這水平下的機組邊際成本；glmp,shb和glmp,rh分別為在運行小時前1 h和運行小時內(nèi)，假設(shè)機組僅參與能量市場報價，根據(jù)預(yù)測的LMP計算出的可中標(biāo)出力水平；gr,i為調(diào)頻出力水平；tshb,i為在運行小時前1 h內(nèi)，機組i從可中標(biāo)出力水平調(diào)整到調(diào)頻出力水平所需的時間。

在實時調(diào)度中，機會成本的計算方法是一樣的，區(qū)別在于僅考慮Clo,rh，不考慮Clo,shb，并且用實際出清的每5 min的LMP代替預(yù)測的LMP。

3)調(diào)用規(guī)則

在時前預(yù)出清時，PJM需要確定哪些調(diào)頻資源可以中標(biāo)，從而滿足下一運行小時的調(diào)頻需求。PJM在計算調(diào)頻資源的機會成本后，將Clo,shb和Clo,rh納入初始報價中，進(jìn)行出清。

在實時出清時，只有Clo,rh納入市場初始報價中進(jìn)行出清和定價。

在實時出清結(jié)束以后，PJM會根據(jù)實際調(diào)度結(jié)果重新計算每個調(diào)頻資源的Clo,shb和Clo,sha，并對沒有完全補償機會成本的調(diào)頻資源進(jìn)行補償。PJM對調(diào)頻資源進(jìn)行事后結(jié)算，取以下兩者的最大值作為補償值：①按容量報價和里程報價計算的收益+Clo,rh+重新計算的Clo,shb和Clo,sha；②按調(diào)頻市場出清價格計算的收益。

2.7 收益因子計算方法

收益因子在時前出清和實時出清都會重新計算，對于任一D信號資源i的收益因子的計算方法如下。

1)計算i的可用調(diào)頻容量cr,i，如式(11)所示。

(11)

2)計算初始排序報價，計算方法與2.3節(jié)的報價資源排序方法類似，不同的是將原來的收益因子取為1。

3)根據(jù)初始排序報價由小到大排序，并將對應(yīng)的cr,i疊加，制作收益因子圖，如圖5所示。

4)根據(jù)收益因子曲線圖計算每個D信號資源的收益因子。

收益因子在1～2.9范圍內(nèi)的D信號資源更容易中標(biāo)，而在0～1范圍內(nèi)的則較難中標(biāo)。

圖5 收益因子曲線 Fig.5 Curve of benefit factor

3 CAISO調(diào)頻市場定價機制

CAISO在日前市場通過聯(lián)合優(yōu)化來對調(diào)頻容量和里程進(jìn)行定價。與其他ISO不同的是，CAISO會在日前計算出一個估計的里程需求，根據(jù)該里程需求得到里程價格。在實時市場上，不再進(jìn)行調(diào)頻市場出清。

3.1 調(diào)頻產(chǎn)品與需求

CAISO對容量需求的計算方法與PJM類似，根據(jù)峰荷來設(shè)置一個比例，得到調(diào)頻容量需求。與PJM不同的是，CAISO采用單向的調(diào)頻服務(wù)，其產(chǎn)品分為上調(diào)頻和下調(diào)頻，分別計算調(diào)頻容量需求和里程需求。

CAISO為了確保調(diào)頻資源的充足，在日前市場計算得到里程需求，并引入系統(tǒng)調(diào)頻里程系數(shù)kr和機組調(diào)頻里程系數(shù)ki，分別指系統(tǒng)和某機組的單位調(diào)頻容量可能會被調(diào)度的里程量與調(diào)頻容量之比。CAISO會使用上一周7 d的歷史調(diào)度數(shù)據(jù)來計算，算例如表3所示。

表3 調(diào)頻里程系數(shù)算例Table 3 Example for frequency regulation mileage multiplier

如表3所示，系統(tǒng)的調(diào)頻里程系數(shù)是9 300/2 575≈3.61，同理可計算出資源A，B，C的調(diào)頻里程系數(shù)分別為3 250/740≈4.39，2 750/720≈3.82，3 300/1 115≈2.96。

3.2 日前市場聯(lián)合優(yōu)化

CAISO在日前市場對能量、備用、調(diào)頻資源進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，其出清模型可用式(12)—式(18)來表示。

(12)

(13)

(14)

(15)

kicc,i-mc,i≥0

(16)

-cc,i+mc,i≥0

(17)

(18)

式中：i為參與調(diào)頻市場報價的機組，I為其集合；j為參與旋轉(zhuǎn)備用市場報價的機組，J為其集合；mc,i為機組i調(diào)頻里程中標(biāo)量；csr,i為機組i的旋轉(zhuǎn)備用中標(biāo)量；Rr,c和Rsr,c分別為系統(tǒng)的調(diào)頻總需求和旋轉(zhuǎn)備用總需求；Rr,m,t-1為上一周的里程需求；ee和eas分別為購買能量和其他輔助服務(wù)的費用，這里對其簡化表述。

加上其他約束條件可進(jìn)行聯(lián)合出清，得到調(diào)頻容量的市場出清價格；由式(15)—式(18)所示約束可以得到調(diào)頻里程的市場出清價格。

3.3 機會成本計算方法

PJM對機組的機會成本進(jìn)行核定，而CAISO則允許機組在容量報價時一起申報機會成本，納入容量報價中，按市場邊際價格給予補償。

3.4 市場結(jié)算

CAISO調(diào)頻市場采用兩部制結(jié)算機制，即調(diào)頻資源可以獲得容量收益rc和里程收益rm，對任一調(diào)頻資源i，其具體結(jié)算過程如式(19)和式(20)所示。

rc,i=cc,ipc

(19)

rm,i=mr,isa,ipm

(20)

式中：mr,i為該調(diào)頻資源的實際里程值。

4 ERCOT調(diào)頻市場定價機制

ERCOT的調(diào)頻市場與PJM和CAISO不同，沒有對調(diào)頻里程進(jìn)行定價和補償，在日前市場上能量和輔助服務(wù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化出清，只有單一的容量價格。在實時調(diào)度時，按電廠的實際出力結(jié)算，不考慮輔助服務(wù)引起的里程量。

4.1 調(diào)頻產(chǎn)品與需求

ERCOT設(shè)計了上調(diào)頻和下調(diào)頻兩類服務(wù)。ERCOT的調(diào)頻容量需求每小時都不一樣，具體根據(jù)其電力系統(tǒng)的實際運行情況進(jìn)行計算。與PJM和CAISO不同的是，ERCOT會將調(diào)頻需求量作為調(diào)頻責(zé)任分?jǐn)偨o作為市場主體的合格的發(fā)電和負(fù)荷代理商(QSE)，分配的方法是郵票法，根據(jù)QSE代理的負(fù)荷峰值來分配，QSE需要滿足自己的調(diào)頻責(zé)任。ERCOT組建了調(diào)頻輔助服務(wù)的集中式市場和二級市場。集中式市場是ERCOT組織的單一買方市場，由ERCOT統(tǒng)一購買調(diào)頻容量，并將其成本分?jǐn)偨o調(diào)頻容量不足的QSE；二級市場在集中式市場出清之前，QSE可自由交易其調(diào)頻容量資源。QSE可使用自己的調(diào)頻資源來滿足其調(diào)頻責(zé)任，若自己的調(diào)頻資源不夠則可在集中式市場或二級市場上購買；若有多余的調(diào)頻容量資源，也可以在兩個市場上出售，提供調(diào)頻輔助服務(wù)。

4.2 機會成本

ERCOT沒有對機組的機會成本進(jìn)行核定，也沒有在申報的時候增設(shè)獨立的機會成本報價，但允許機組在調(diào)頻容量報價中包含機會成本。本質(zhì)上，ERCOT的做法與CAISO的做法是相同的，即將機會成本納入容量報價中，由市場主體自行申報。

對于ERCOT這種沒有考慮調(diào)頻里程的調(diào)頻市場模式，其上調(diào)頻和下調(diào)頻服務(wù)的機會成本可能存在較大的區(qū)別。不難發(fā)現(xiàn)，在能量出力水平上方進(jìn)行調(diào)頻可以獲得更多的能量費，如圖1所示的情況；而能量出力水平下方進(jìn)行調(diào)頻則會減少能量費的收入，如圖6所示的情況。采用單向的調(diào)頻服務(wù)則可以一定程度地減少機會成本的問題。

5 美國電力市場調(diào)頻定價機制的總結(jié)及對中國的啟示

5.1 美國調(diào)頻市場定價機制總結(jié)

美國調(diào)頻市場定價機制的不同，主要體現(xiàn)在市場標(biāo)的、里程定價、市場時序、機會成本計算方法等方面，具體如下。

圖6 下調(diào)頻較多情況下的調(diào)頻量Fig.6 Quantity of frequency regulation in the situation with more down frequency regulation

1)交易標(biāo)的

交易標(biāo)的的區(qū)別主要體現(xiàn)在兩個方面：是否考慮調(diào)頻里程，以及是否區(qū)分上下調(diào)頻市場。對于沒有考慮里程定價的市場，僅有容量價格，其定價機制一般是以邊際報價作為調(diào)頻容量的出清價格，上下調(diào)頻出力以實時能量價格來結(jié)算，這樣會導(dǎo)致提供調(diào)頻里程量無法得到合理的補償。對于不區(qū)分上下調(diào)頻的情況，同一調(diào)頻資源可以在一定范圍內(nèi)上下調(diào)頻，有利于提高調(diào)頻資源的利用率，但只有單一的調(diào)頻容量需求和單一的調(diào)頻價格，無法有效區(qū)分上調(diào)頻和下調(diào)頻的容量成本。對于區(qū)分上下調(diào)頻的情況，則有利于上下調(diào)頻的報價，市場價格能夠給予合理的機會成本補償。當(dāng)系統(tǒng)各機組的上下調(diào)頻的成本差別不大時，可以選擇采用不區(qū)分上下調(diào)頻；反之，則應(yīng)該區(qū)分上下調(diào)頻。

2)里程定價

對于考慮里程定價的市場，主要有兩種定價方式。一種是以PJM為代表的統(tǒng)一定價方式：以調(diào)整后的容量報價和里程報價之和作為排序依據(jù)；為了使里程報價和容量報價的單位一致，PJM設(shè)置了里程調(diào)用率來進(jìn)行調(diào)整，該參數(shù)是同一類信號資源的里程調(diào)用率，不是單個報價資源的，即平等對同一類信號的全部資源，不考慮單個資源的里程調(diào)用率；然后以所有中標(biāo)資源中的調(diào)頻報價的最大值作為里程出清價格，該里程出清價格是指單位調(diào)頻容量所能提供里程量的價格，而不是單位里程的價格,結(jié)算時不考慮單個資源的調(diào)頻里程量。這種定價方式是將里程折算成容量來定價，由于其里程調(diào)用率主要只是區(qū)分兩種不同的調(diào)頻信號(A和D信號)的調(diào)頻量的差別，在同一種調(diào)頻信號內(nèi)各調(diào)頻資源沒有區(qū)分度。另外一種是以CAISO為代表的分別定價方式：分別計算調(diào)頻容量需求和調(diào)頻里程需求；以容量報價和里程報價作為排序依據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)調(diào)頻里程系數(shù)來確定里程中標(biāo)量，按邊際出清，分別確定容量價格和里程價格；該里程價格是指單位里程的價格，在結(jié)算時，按照各個調(diào)頻資源的實際里程來結(jié)算。本質(zhì)上，這兩種方式是一致的，其初始的里程報價都是指單位里程的價格，在定價時都考慮了歷史的里程調(diào)用率，但不同的是里程調(diào)用率的計算方法和使用途徑。PJM的里程調(diào)用率只區(qū)分兩種不同的調(diào)頻信號(A信號和D信號)，在同一種調(diào)頻信號內(nèi)不區(qū)分各調(diào)頻資源的里程量；而且將里程價折算成容量價，按照容量的需求進(jìn)行出清。CAISO則是考慮了每個調(diào)頻資源和系統(tǒng)的里程調(diào)用率，按照系統(tǒng)的里程需求來出清。因此，選擇哪種定價方式，關(guān)鍵在于各調(diào)頻資源的里程調(diào)用率的差別大小，若只有快速調(diào)頻和慢速調(diào)頻的區(qū)別，可選擇PJM的方式；若各調(diào)頻資源的差別都很大，則可以采用CAISO的方式。

3)市場時序

市場組織時序主要是指報價、中標(biāo)(確定市場中標(biāo)量)和定價(確定市場價格)的時間安排，這里的中標(biāo)量主要是針對調(diào)頻容量的中標(biāo)，調(diào)頻里程的中標(biāo)量是機組根據(jù)系統(tǒng)實時情況共同調(diào)整出力來確定，調(diào)用機制與其里程報價沒有直接關(guān)系。其中，報價一般是在中標(biāo)和定價之前；而中標(biāo)在定價之前，或者中標(biāo)定價同時完成。理論上，報價、中標(biāo)和定價的時間越靠近實時調(diào)度，其價格越能反映實時的供需情況，但是由于電力功率實時平衡、提前安排機組組合等物理特性的限制，在實時報價并出清容易產(chǎn)生較大的市場力，因此在美國調(diào)頻市場中，報價基本都是在日前完成。美國調(diào)頻市場組織時序主要的不同在于中標(biāo)和定價的時序安排，可分為時前中標(biāo)實時定價(PJM)、日前中標(biāo)和定價兩種形式(CAISO和ERCOT)。對于PJM，在日前市場上ISO聯(lián)合優(yōu)化出清能量、備用、調(diào)頻，但對調(diào)頻不進(jìn)行結(jié)算，在時前再重新聯(lián)合優(yōu)化出清，確定調(diào)頻資源的機組組合和中標(biāo)調(diào)頻容量，在進(jìn)入運行小時以前，機組必須按照指令將其出力水平調(diào)整到調(diào)頻出力水平，即在時前完成了調(diào)頻市場中標(biāo)；在進(jìn)入運行小時以后，ISO聯(lián)合優(yōu)化出清能量、備用和調(diào)頻，確定實時市場LMP、調(diào)頻容量價格、調(diào)頻里程價格，完成了調(diào)頻市場定價。對于CAISO和ERCOT，ISO在日前出清調(diào)頻市場，同時確定其中標(biāo)量和市場價格。由于時前中標(biāo)實時定價方式所采用的預(yù)測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，尤其是對新能源相關(guān)數(shù)據(jù)的預(yù)測，使得其市場價格更加能夠反映當(dāng)時系統(tǒng)的調(diào)頻需求，適用于新能源接入比例較高的電力系統(tǒng)。

4)機會成本計算方式

機會成本計算方式主要分為兩類，一類是以PJM為代表的統(tǒng)一核算方式，一類是以CAISO為代表的市場主體自行申報的方式。理論上，這兩種方式都可以反映調(diào)頻資源的機會成本，其區(qū)別在于計算機會成本的主體不一樣：統(tǒng)一核算方式下由一個集中的機構(gòu)統(tǒng)一核算，在市場出清中保證其機會成本的回收；自行申報方式下由市場主體根據(jù)自身的成本、交易情況及對整體市場的預(yù)測自行測算并反映到總的報價中，能否真正回收相關(guān)機會成本很大程度上取決于其對市場情況的預(yù)測的準(zhǔn)確性。兩種方式?jīng)]有絕對的好壞之分，本質(zhì)是“集中式”和“分散式”市場機制的區(qū)別，市場中選擇哪種方式與整體市場的設(shè)計及相關(guān)技術(shù)、經(jīng)濟條件有關(guān)。對于沒有能力預(yù)測或者控制其機會成本的調(diào)頻資源，統(tǒng)一核算方式能減少其機會成本不確定性的風(fēng)險，提高市場的穩(wěn)定性。在機組啟停、出力均由市場主體自行決定的情況下，自行申報方式更加能夠反映各市場主體自己的意愿，其實現(xiàn)資源優(yōu)化配置的條件是市場信息透明、對稱，市場主體也有較強的市場意識和正確報價的能力。PJM電力市場中存在自調(diào)度和池調(diào)度兩類發(fā)電資源，自調(diào)度資源的出力水平完全是自己決定的，因此認(rèn)為其容量報價中已經(jīng)含了機會成本，PJM另外核定的調(diào)頻機會成本為0；但對于池調(diào)度的發(fā)電資源，其向PJM分別申報啟停成本、空載成本和微增成本，由PJM進(jìn)行調(diào)度并保證其成本的回收，市場主體對機組的出力很難控制，其機會成本也很難預(yù)測，因此采用統(tǒng)一核算機會成本的方式。

5.2 對中國電力市場改革的啟示

美國的調(diào)頻輔助服務(wù)市場是在已建立能量市場的基礎(chǔ)上設(shè)計的，不斷改進(jìn)以提高市場效率，優(yōu)化資源配置。中國電力市場改革正處于發(fā)展初期，能量市場和調(diào)頻市場都尚在建設(shè)中，在借鑒美國電力市場經(jīng)驗時，需要充分考慮國內(nèi)的電力市場現(xiàn)狀[25-27]。

中國現(xiàn)階段的年度和月度電量市場(簡稱電量市場)與國外能量市場的最大區(qū)別在于交易標(biāo)的。電量市場的交易標(biāo)的是年度或者月度的電量交易，市場結(jié)果沒有形成電力調(diào)度曲線；能量市場的交易標(biāo)的是各機組在運行日內(nèi)各調(diào)度時段(小時或幾分鐘)的實際出力，形成電力調(diào)度曲線。由此可見，兩者在機組組合和實時調(diào)度的方式存在較大的區(qū)別。由于發(fā)電容量有限，調(diào)頻市場除了受能量市場的影響以外，還與備有市場、容量市場等密切相關(guān)，在設(shè)計調(diào)頻市場時，必須同時考慮不同的容量產(chǎn)品之間的相互影響。

“十三五”規(guī)劃明確規(guī)定啟動輔助服務(wù)市場試點，輔助服務(wù)市場可能先于能量市場建立[27]，即先在電量市場基礎(chǔ)上建立調(diào)頻市場，然后逐步過渡到能量市場，可以將中國電力市場改革建設(shè)路徑劃分為3個階段：①過渡階段，電量市場+調(diào)頻市場；②初級階段，能量市場+調(diào)頻市場；③成熟階段，能量市場+備用市場+調(diào)頻市場+容量市場。下面結(jié)合美國電力市場的經(jīng)驗,為中國提出不同階段下建立調(diào)頻市場的建議。

1)過渡階段

在電量市場上建立調(diào)頻市場，最大的特點是調(diào)度機構(gòu)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)、計劃電量和中長期市場電量來統(tǒng)一安排各機組發(fā)電、備用和調(diào)頻的容量，調(diào)頻容量的價格難以發(fā)現(xiàn)，并且提供調(diào)頻服務(wù)幾乎不會影響機組在電量市場的收入，使得調(diào)頻的機會成本難以申報或計算。在該階段的調(diào)頻市場，調(diào)頻市場的交易標(biāo)的主要是調(diào)頻里程，采用單位調(diào)頻時段內(nèi)機組的爬坡容量作為其調(diào)頻容量，不需要考慮容量市場價格和機會成本，考慮到中國當(dāng)前的調(diào)度模式，可以選擇雙向的調(diào)頻產(chǎn)品。調(diào)頻資源主要是滿足考核要求的自動發(fā)電控制(AGC)機組，并且要求所有調(diào)頻主體必須報價。在里程定價方面，調(diào)頻資源可以申報單位里程的價格，采用歷史的里程調(diào)用率對初始報價進(jìn)行調(diào)整，使得其單位為元/MW，以滿足系統(tǒng)調(diào)頻容量需求進(jìn)行出清。在報價和結(jié)算機制中引入調(diào)頻性能指標(biāo)，對初始報價進(jìn)行調(diào)整，在結(jié)算時按照實際里程量來結(jié)算。在市場組織時序方面，可采用日前報價、時前中標(biāo)和定價的模式，以反映更準(zhǔn)確的調(diào)頻需求。為了避免用戶電價變化較大，調(diào)頻成本由所有的發(fā)電資源來承擔(dān)。

2)初級階段

在建立起電力現(xiàn)貨市場以后，調(diào)頻市場的交易標(biāo)的應(yīng)該增加調(diào)頻容量。在調(diào)頻資源方面，可逐漸引入FRR等資源。市場報價必須考慮調(diào)頻容量及其機會成本，機會成本的計算方式要考慮市場的整體設(shè)計理念和框架，以及市場的發(fā)展階段。相對來說，統(tǒng)一核算方式的計劃性更強，市場更容易控制，而市場主體自行申報方式對市場主體市場意識、信息發(fā)布等的要求更高。同時，設(shè)置不同的控制信號，以區(qū)分傳統(tǒng)調(diào)頻資源與FRR，對不同的調(diào)頻資源設(shè)置不同的報價調(diào)整機制與補償機制(收益因子)。調(diào)頻費用可以逐漸由發(fā)電側(cè)承擔(dān)過渡到由所有的負(fù)荷用戶來承擔(dān)。

3)成熟階段

隨著電力市場的不斷發(fā)展，逐步建立備用輔助服務(wù)市場，在現(xiàn)貨市場上采用能量、備用、調(diào)頻聯(lián)合優(yōu)化的出清模型，為發(fā)電資源提供準(zhǔn)確的價格信號。同時，可建立不同類型發(fā)電容量的容量市場(如快速調(diào)節(jié)容量市場等)，為不同類型的發(fā)電容量提供不同的更為準(zhǔn)確的長期投資經(jīng)濟信號；最終的成本分?jǐn)倯?yīng)該由不同類型的用戶來承擔(dān)，即按照“誰受益，誰承擔(dān)”的原則，對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大的用戶，應(yīng)該繳納更多的輔助服務(wù)費用，從發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)共同提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

隨著可再生能源的不斷發(fā)展，調(diào)頻需求日益增大，為了更好地優(yōu)化配置不同的調(diào)頻資源，尤其是調(diào)節(jié)性能更好的新式電源技術(shù)(如儲能裝置)，合理的定價機制顯得尤為重要。為此，F(xiàn)ERC提出改進(jìn)調(diào)頻市場定價機制，引入調(diào)頻里程價格、調(diào)頻性能指標(biāo)、機會成本。本文主要梳理了美國PJM，CAISO，ERCOT等電力市場的調(diào)頻市場的相關(guān)規(guī)則，分別從交易標(biāo)的、里程定價、市場組織時序、機會成本計算方法等主要環(huán)節(jié)進(jìn)行比較分析，并總結(jié)其適用條件。最后，結(jié)合中國當(dāng)前電力體制改革現(xiàn)狀，針對不同市場階段提出建設(shè)調(diào)頻市場定價機制的具體可行的建議。

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