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适应可再生能源的美国电力市场化改革实践

北极星售电网  来源:中国电力  作者:曲昊源、张寒  2020/11/18 10:16:51  我要投稿  

北极星售电网讯:编者按:国网能源院企业战略研究所围绕国外电力行业市场化改革与市场建设的热点难点问题,主要聚焦于国外电力体制改革历程、电力行业结构演变、电力市场相关政策规则、电力市场模式与机制、电力市场运行情况、电力市场发展趋势等方面,通过对国内外电力市场化改革的最新进展和重大事件进行跟踪和分析,研究改革的发展趋势和规律,为进一步深化我国电力体制改革和电力市场建设提供借鉴和参考。本专栏将围绕国际电力市场的基本模式、最新动态、热点问题、趋势分析、规律研判等方面展开,结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。

文章导读:未来高比例可再生能源的电力系统中,需要通过电力市场机制激励调节资源充分发挥作用,提高系统灵活性。美国电力市场通过完善电能量市场、丰富辅助服务交易品种、优化容量市场等一系列举措,有效保障了可再生能源渗透下电力市场和电力系统的可靠运行。本文梳理了2019年美国电力市场建设的最新进展,重点介绍了美国为适应可再生能源进行的电力市场机制优化,并从中国电力建设、辅助服务交易、容量成本回收机制等方面提出了对我国电力市场建设的启示。

适应可再生能源的美国电力市场化改革实践

(来源:中国电力 ID:ELECTRIC-POWER 执笔人:国网能源院企业战略研究所 曲昊源、张寒)

一、美国电力市场概况

美国7大区域电力批发市场均采用了典型的集中式电力市场模式。电力市场运营机构为独立系统运营商(ISO)或区域输电组织(RTO)。电力市场中的交易标的物分为电能、辅助服务、金融输电权和容量。市场成员之间可签订从日前到中长期各种周期的双边交易合同,以规避日前和实时市场价格波动风险,不需要ISO/RTO集中组织和安全校核。双边交易合同约定的电量和电价只具有金融结算意义,不要求调度执行。ISO/RTO只对现货集中交易市场进行管理,主要包括日前和实时现货市场。大部分现货市场采用允许发电侧和用户侧(主要是负荷服务商)双向报价,价格机制采用节点电价机制,并通过拍卖金融输电权进行阻塞管理,同时开展辅助服务与电能量现货联合优化出清。此外,PJM电力市场、纽约电力市场(NYISO)及新英格兰电力市场(ISO-NE)建立了容量市场机制。

二、2019年美国电力市场化改革最新进展

1. 电力市场建设进展情况

进一步推动市场范围扩大。2019年9月,CAISO决定在西部能源不平衡市场基础上,建立覆盖美国西部八州的区域性可再生能源日前市场。CAISO的评估显示,西部能源不平衡市场(Energy Imbalance Market, EIM)可以降低美国西部八州的用电成本。为了提高机组组合效率、在更大范围内实现资源优化配置、提高可再生能源利用率,CAISO决定在EIM的基础上进一步为美国西部八州的可再生能源建立区域日前市场。但是在市场建立之前,仍需解决日前市场治理结构、输电费用和资源充裕度等问题。2019年6月,西南电力库(SPP)向美国西部的电力公司宣布,计划启动西部电能平衡服务(Western Energy Imbalance Service,WEIS),通过扩大实时集中调度范围,优化资源配置,提高供电可靠性,降低用能成本。

持续完善容量市场机制。2019年5月,纽约独立系统运营商(NYISO)的市场监测部门Potomac Economics建议对容量市场进行改进,采用基于边际可靠性价值的方法对容量定价,并采用更为精细化的容量区域边际定价(Locational Marginal Pricing of Capacity,C-LMP)机制,将容量分区划分数量由当前4个提高至10个。2019年8月,NYISO基于对顶峰机组在电能量和辅助服务市场中收入的预估,调整了容量市场的需求曲线,预计将于2020年第三季度完成需求曲线模型,第四季度提交给FERC,在2021年5月的容量拍卖中正式使用。此外,PJM容量市场改进方案正在根据FERC要求不断修改。

进一步改进电能量市场定价机制。2019年4月,FERC指令EL18-33,EL18-34中要求NYISO和PJM调整市场规则,以更有效地为快速启动资源定价。根据FERC要求,NYISO正在研究制定快速启动资源的启动成本和空载成本的分摊方法。PJM对市场定价规则进行了修订,在对快速启动机组进行报价校验时统筹考虑其启动成本及空载成本,并且适当放宽其综合报价上限,允许其成为市场中定价的边际机组。

进一步完善储能、需求侧响应参与市场机制。2019年5月,加州公共事业委员会(CPUC)公布了关于需求响应和电池储能的两项提案,旨在充分发挥需求响应和电池储能在电网中的作用。一是建议改进并延长需求响应拍卖机制(Demand Response Auction Mechanism,DRAM)试点四年;二是建议修改自发电激励计划(Self-Generation Incentive Program,SGIP),要求项目业主为储能设备开发商及用户提供温室气体排放动态信号,引导储能设备在系统排放量较低时进行充电、排放量较高时进行放电,从而有效减少温室气体的排放。2019年5月,NYISO提议将储能纳入电力实时市场结算中,即将储能资源在日前市场计划外的发用电量按实时平衡市场结算,以提高储能资源在批发市场中的参与度。

2. 电力市场运营情况

2019年,美国各大电力市场总体运行平稳。总体来看,天然气发电在市场中的比例最高,约为42%;其次是煤电、核电,分别占26%、22%。各大市场中,新英格兰电力市场(ISO-NE)中天然气发电占比最高,为56%;中西部电力市场(MISO)和西南电力库(SPP)煤电占比最高,约为43%。加州电力市场、西南电力库中光伏、风电等可再生能源发电比例相对较高。美国主要电力市场发电结构如图1所示。

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图1 2019年1―11月美国主要电力市场发电结构

2019年美国多数地区的年度平均批发电价相对于2018年显著下降,主要原因是天然气价格的大幅下降。PJM和纽约州电力市场2019年批发电价相比2018年分别降低21%、27%。但2019年得州电力市场批发电价平均为38美元/(MW•h),比2018年上涨13%,主要原因是得州2019年夏季电力需求创最高纪录。2019年8月12日,ERCOT电力需求达到74666 MW的历史新高,实时批发价格达到了 9000美元/ (MW•h)的上限。从零售电价看,2019年美国平均零售电价为10.60美分/(kW•h),较2018年提升0.07美分/(kW•h)。其中,居民、商业、工业和交通部门零售电价分别为13.04、10.66、6.83、9.73美分/(kW•h)。

三、适应可再生能源的美国电力市场机制优化

可再生能源比例的不断攀升给电力系统运行、电力市场运营带来了一定影响。为了适应可再生能源带来的运行挑战,美国各大电力市场对电能量市场、辅助服务市场、容量市场等机制进行了优化,提高电力系统灵活性,确保发电资源充裕度,促进可再生能源消纳。

1.扩大市场范围

近年来,美国西部能量不平衡市场(Energy Imbalance Market,EIM)快速发展,实现了加州电力市场区域与周边非市场区域之间的电力平衡交易,通过大范围共享调节资源解决可再生能源比例提高带来的系统平衡问题。美国西部EIM市场由加州独立系统运营机构于2014年主导发起。加州附近州多个分散的非市场区域或垂直一体化电力公司由原有的各州各自控制其系统的方式,转变为加入EIM实时市场并共享备用的方式。

2.丰富辅助服务交易品种

一是引入爬坡类产品。爬坡类产品主要针对未来高比例可再生能源接入的电力系统中,由于可再生能源发电资源的临时短缺(例如太阳落山等),对常规机组出力提出快速爬坡的需求。爬坡类产品由调节性能较好的发电机组提供,例如燃气机组、抽水蓄能等。美国MISO、SPP、CAISO等电力市场已经建立了短期爬坡交易机制。美国加州电力市场灵活爬坡交易机制示意如图2所示。

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图2 美国加州电力市场灵活爬坡交易机制示意图

二是引入系统惯性频率响应服务类产品。系统惯性同样是为了应对可再生能源接入所引入的新兴辅助服务产品。可再生能源对系统惯性的贡献较为微弱,将对系统调节性能带来影响。为了确保系统运行的稳定,需要对提供系统惯性、维持系统稳定运行的常规能源机组进行补偿。2014年,美国得州市场向FERC提交的未来辅助服务市场设计草案了提出了同步惯性频率响应(Synonous Inertial Response ,SIR)的交易品种。

3.确保资源充裕性

除了PJM、MISO等市场建立了容量市场机制外,美国得州、加州电力市场为了应对资源充裕性问题也采取了创新性措施。

得州市场建立了稀缺定价机制(Scarcity Pricing)。美国得州市场未建立容量市场。为了机组能够回收成本,得州市场采用稀缺定价机制,即设置较高的价格上限,在系统资源短缺的时候允许市场价格陡升至较高水平,从而使边际机组能够回收成本。当前,得州电力市场的价格上限是9000美元/(MW•h)。

加州市场建立了灵活性资源远期备用制度(Forward Flexible Capacity Requirements)。加州电力市场暂未建立集中的容量市场交易,但为了保证系统中灵活性调节资源的充裕度,实行灵活性资源远期备用制度。每年,CAISO根据系统负荷预测、新能源装机情况等预测第二年系统中所需要的灵活性资源,并按一定规则将灵活性资源的需求分配给负荷服务商(LSE)。LSE需要通过双边合约的方式购买灵活性资源(包括发电、储能、需求侧响应等)以满足相应的配额需要。成交后的灵活性资源需要按规则在加州日前、实时市场中进行报价,为系统运行提供灵活性。

4.鼓励储能参与电力市场

为推动储能全面参与电力市场、进一步促进储能行业发展,美国联邦能源监管委员会(FERC)提出四项原则:一是市场准入方面,允许储能资源可以根据其自身资源的技术特点参与电能、辅助服务与容量等不同品种交易。二是准入门槛方面,储能参与市场的容量准入门槛应不超过100 kW。三是报价机制方面,通过设计不同的报价参数充分考虑储能的技术与物理特性。四是价格机制方面,参与市场的储能可以作为电源或负荷被调度,并且购售电价均为批发市场边际出清价格。

四、美国电力市场建设对我国的启示

一是加快推进电力现货市场建设。电力现货市场的作用之一是形成反映电能商品的时间和空间属性的价格信号。近年来美国电力市场持续完善现货市场价格形成机制,确保市场价格能够适应可再生能源比例不断提高的能源结构。为了使现货市场形成准确的价格信号、加大峰谷电价差,我国应合理设置现货市场价格限制,建立市场力防范机制,保证市场能够有效发挥资源优化配置作用。

二是丰富辅助服务交易品种。美国辅助服务市场除了传统的调频、备用等品种以外,还创新引入了爬坡类产品,促进系统灵活性提升。建议我国加快推动调频、备用辅助服务市场建设,并适时引入爬坡类产品、系统惯性服务、无功支撑服务等,满足系统中对于具有快速爬坡能力、调节性能良好的电源需求,并通过市场化定价方式对此类机组进行经济补偿,进一步促进新能源消纳。

三是逐步构建容量成本回收机制。随着新能源的高比例接入,火电在电力系统中的作用由提供电量逐渐转变为提供电力。容量市场优化是美国近年来电力市场的焦点问题,各市场均对其容量市场交易机制进行了改进,确保传统能源机组与可再生能源机组能够公平竞争。建议我国研究建立容量成本回收机制,用于激励常规火电投资建设,保障系统发电容量充裕度、调节能力和运行安全,促进新能源消纳。

四是鼓励新兴市场主体参与市场。美国大力推动储能、需求侧响应等主体参与电力市场,要求各市场完善相关市场规则。建议我国研究建立需求侧资源、虚拟电厂、储能等新兴主体参与电力市场交易的机制,有效激发市场主体活力,以市场手段促进源网荷储良好互动,保障电网实时供需平衡,提高系统运行的灵活性。

专家介绍

曲昊源,国网能源院企业战略研究所改革与市场研究室研究员。主要从事电力市场、辅助服务市场、电力体制改革等领域的研究,熟悉欧洲、美国等国外电力市场设计。连续三年主笔《国内外电力市场化改革分析报告》。曾主持、参与多项政府有关部门的委托项目以及国家电网有限公司重大科技项目、重大战略课题、管理咨询项目等的研究与管理工作,多次获得国家电网有限公司软科学成果奖。

张寒,电力系统自动化专业硕士,国网能源院企业战略研究所改革与市场研究室研究员。主要从事电力市场、能源互联网、需求侧管理等方面研究。发表SCI、EI检索论文10篇,参与国家能源局研究课题、国家电网公司科技项目、管理咨询项目等10余项。

团队简介:企业战略研究所(以下简称战略所)成立于2009年,原名为企业战略与管理咨询研究所,2010年12月单独设立企业战略研究所,是国网能源院核心研究所之一。经过多年实践和积累,在企业发展战略与规划、体制改革与电力市场、企业国际化发展等领域已形成显著优势,培养造就了一支专业素质高、研究能力强的研究咨询队伍。战略所内设企业战略规划研究室、改革与市场研究室、国际化发展研究室,共有32名员工,平均年龄32岁,其中博士27人,硕士5人,具有高级职称12人,国家电网公司优秀专家人才后备3人,是一只充满活力、善于思考、凝聚力强的团队。曾获得“2010年度国家电网公司先进党支部”、“2011-2012年度国家电网公司科技工作先进集体”、“2018年度国家电网有限公司先进班组”、国网能源院“2011-2017年度先进集体”以及“课题攻关党员先锋团队”等称号。2016年,设立“马莉劳模创新工作室”。

原标题:【国际电力市场观察】适应可再生能源的美国电力市场化改革实践

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