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      美國調(diào)頻輔助服務(wù)市場的定價機制分析

      2018-06-21 11:01:40陳中飛荊朝霞陳達(dá)鵬謝文錦
      電力系統(tǒng)自動化 2018年12期
      關(guān)鍵詞:調(diào)頻出力里程

      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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