北美电力辅助服务市场及新品种简介

摘要：风、光可再生能源发电与生俱来的间歇性、波动性给电网的运行带来了很大的隐患，前言部分仅仅展示了两种情况。为了减轻负面影响，并激励可控负荷、储能等新兴资源参与辅助服务市场，北美各ISO不断改革创新，努力探索新形势下的辅助服务新品种。

（来源：微信公众号“电力市场那些事儿”作者：郎木晨烟）

一、前言

还是以鸭形曲线开始：

上一篇提到净负荷曲线的波谷，对于以燃煤机组为主的我国来说，是个极大的挑战。曲线中还有一点也很麻烦，就是爬坡需求（ramp need）。图中，3个小时，净负荷上升13000MW。考虑2016年，加州装机57124MW，即常规机组的出力在3小时内变化了25%左右。对机组的连续快速爬坡能力提出了要求，这是问题一。

再看张某光伏电站日功率图：

这是一个夏日，坐标魔都，天气晴朗、风和日丽，但是随风飘过的朵朵白云给光伏出力带来了很的影响。设想下，当区域内光伏渗透率高到一定程度时，势必给当地电网安全稳定运行带来影响，导致频率偏离正常范围。按照电网运行规则，这样的波动应该由调频辅助服务来处理。但是如此连续、频率的功率波动，对于常规调频机组是个考验。这是问题二。

怎么办呢？我们看看北美电力市场是怎么做的。

二、北美市场中的辅助服务

正式介绍之前，我们先看看北美电力市场中常规的辅助服务项目。北美共有9个ISO，7个在美国本土或以美国为主（PJM、ISO-NE、NYISO、ERCOT、SPP、MISO、CAISO），两个在加拿大（AESO、IESO）。

按照FERC（联邦能源监管委员会）的888号令，北美地区的辅助服务包括6种辅助服务：电网调度服务、无功电压控制、调频、不平衡电量服务、旋转备用、运行备用。此外，PJM等市场还提供黑启动服务[1]。

其中，不平衡电量服务事实上属于实时能量市场范畴；而电网调度服务是ISO/RTO向市场参与主体提供的调度运行，费用由市场成员承担；无功电压控制、黑启动由ISO/RTO集中采购，向输电用户分摊。

调频和备用服务则是采用市场机制组织，与能量市场紧密耦合，联合优化出清。本文针对调频和备用。

调频是一种高等级的备用，经常被称作调节备用。调频用来应对系统扰动或负荷波动，以维持短时间内的供需平衡、频率稳定，主要通过自动发电控制AGC来实现。调频服务属于高品质的辅助服务，当波动或扰动超过一定时间时，提供调频服务的机组退出，由实时机组/备用机组顶上，以维持系统必要的调频容量。

备用又称为运行备用（OR，Operation Reserve），由于各个ISO相互独立、规则各异，备用服务各种类的名字也不尽相同，但从大类上都分为旋转备用和非旋转备用，前者要求提供服务的机组与电网同步运行，后者则没有这方面的要求。备用机组的响应时间和持续服务时间，不同ISO也给出了不同的规定。下表为各ISO的备用种类：

乍一看，会有些迷糊。也不需要深究，这都是各ISO基于各区域电源、网架、负荷的状况，通过模型演算结果选择的备用类型。每种备用服务都对应一个需求参数，即在日前/实时市场，对提供这类服务的机组的容量需求，该需求随着季节、天气、经济等客观条件会有所调整。以ISO-NE（新英格兰地区）为例，10min旋转备用和10min非旋转备用的总量要等于系统中最大的N-1故障容量乘以一个调整系数，其中前者要占比25%~50%。对于30min运行备用，可以与系统同步，也可以不同步，要求容量参数为N-2故障容量的一半[2]。

辅助服务的供应曲线类似于能量曲线，阶梯报价、单调递增。需求曲线则不同，不再是单调递增的阶梯曲线，而是一条垂直于X轴（功率，MW）的直线，X轴坐标对应备用需求容量。供需曲线相交点即为出清点，对应价格为出清价格。辅助服务市场和能量市场联合优化，发电资源可以同时参与多市场报价，得到能量、调频、备用的出清结果（包括容量和价格）。在某些ISO，市场参与的类型会受到限制，比如PJM，不能同时参加同步备用和调频市场[3]。

调频服务属于系统性服务，与资源位置无关，因此采取ISO全区域统一报价、集中出清的市场机制。备用服务则与位置有关，采用分区域的方式。其中，ISO-NE、SPP、CAISO都有4个子区域，PJM有2个，NYISO对应3个，MISO（中西部大陆）地域辽阔，有7个子区域。也有不分区域的，ERCOT、AESO、IESO。

除了AESO只在日前市场组织辅助服务之外，其他ISO/RTO均在日前、实时市场开展辅助服务交易。

过去的二、三十年间，在传统的“源随荷动”的电力供需方式下，北美各ISO的辅助服务市场有效的支撑了电力系统的安全、稳定运行，并给市场主体带来了丰厚的收益。

随着发展低碳、无碳能源的呼声越来越高，美国的可再生能源发电比例逐年增大。以德州为例，2016年2月28日，该州的风电瞬时出力达到1402万千瓦，风电满足了全天40%的用电量。

风、光可再生能源发电与生俱来的间歇性、波动性给电网的运行带来了很大的隐患，前言部分仅仅展示了两种情况。为了减轻负面影响，并激励可控负荷、储能等新兴资源参与辅助服务市场，北美各ISO不断改革创新，努力探索新形势下的辅助服务新品种，下面就介绍2个。

三、辅助服务新品种

1、CAISO的FRP

加州电力市场虽然在本世纪初遭遇滑铁卢（参见本公众号文章“中长期交易为什么能规避风险？从加州电力危机说起”），但加州电力市场人秉承一贯的“西部牛仔”的战斗精神，败而不馁、挫而不折，愈挫愈勇，不仅成功的站了起来，而且提出了全美领先的能源转型计划：可再生能源发电将在2020年占比33%，在2030年达到50%，2045年达到100%。

由此，风电和太阳能在加州增长非常迅速。到2018年底，加州风电近600万千瓦，太阳能发电站1100万千瓦，分布式太阳能发电近800万千瓦。2018年风电和太阳能电站提供了加州大概20%的用电，分布式太阳能提供了近4.8%的用电[4]。

加州的能源转型计划取得了巨大的成果，加州空气资源委员会(CARB)宣布，该州的温室气体排放量在2016年已降至4.29亿吨。低于1990年4.31亿吨，该州的二氧化碳减排目标已经提前四年完成[5]。

万事有利必有弊，加州虽然在能源转型、低碳减排方面取得了非常好的成绩，但是过多的可再生能源发电比例也给电网运行带来了困扰，有名的鸭形曲线就是来自加州2016年2月1日。

为了解决鸭形曲线中的爬坡问题，2016年，CAISO在实时市场引入FRP辅助服务品种：灵活爬坡产品，Flexible Ramp Product。以下文字摘自《美国辅助服务市场改革趋势及借鉴意义》，杨颖霞。

灵活爬坡产品FRP用来应对高比例可再生能源发电下的系统净负荷的快速变化情况，综合考虑预期的净负荷变化和预期之外不确定性的净负荷变化。和传统的辅助服务产品不同，这种产品的需求和规格不是根据系统某一个时刻的状态而定，而是依据两个时间点的变化而定。例如，下图所示的净负荷在时间点t和t+1预期变化为200 兆瓦（从1000兆瓦到1200兆瓦），向上变化不确定性需求为50兆瓦（从1200兆瓦到1250兆瓦）。该时间间隔的向下总不确定性需求为220兆瓦（从1200兆瓦到980兆瓦），但因为预期净负荷变化为200兆瓦，因此，实际向下变化不确定性需求为20兆瓦（220兆瓦减去200兆瓦）。

来源：CAISO, Business Practice Manual for Market Operations.

CAISO估算在一定的灵活爬坡产品数量情况下的电力失衡概率（通过历史数据来估算），然后将电力失衡概率乘以负荷损失的价值从而得到灵活爬坡产品的需求曲线。例如，假设电力失衡的损失成本是1000美元/兆瓦，加州在有100兆瓦向上灵活爬坡产品的情况下系统电力失衡的概率为5%，那么系统购买100兆瓦灵活爬坡产品的愿意付的最高价格就是50美元/兆瓦（1000美元×5%=50美元）。用这样的方法计算在不同的灵活爬坡数量下愿意支付的最高价格就形成了需求曲线。CAISO将这个需求曲线参与市场，与能量和其他辅助服务品种联合优化出清。

这种灵活性爬坡产品从理论上来说应该可以很好的应对风电太阳能的变化和不确定性对电力系统造成的挑战。但是实施效果不甚理想，CAISO还在继续改进。另外，CAISO也在日前市场引入灵活性爬坡产品。

除了CAISO之外，MISO也在2016年引入了这种产品，并且SPP和ISO-NE也在考虑引入这种产品。

实话实说，没有看懂，。预期的净负荷变化和预期之外不确定性的净负荷变化，究竟如何与FRP需求对应？

2、PJM的RegD调频产品

加州的FRP产品可以解决爬坡问题，却不能应付光伏出力的频繁波动。有研究表明，当PJM的风电和光伏等发电渗透率达到30%时，调频需求将增加107%[6]。为此，PJM设计了调频新产品：RegD。

2012年11月，PJM将调频资源分为两类：慢响应调节A(RegA)和快速响应调节D(RegD)。前者对应传统的调频资源，比如CCGT机组，能够持续较长时间维持出力，但调节速率较慢。而RegD则是针对新的市场参与主体，比如储能、可控负荷等等，能够快速调节功率，但长时间保持能力不足。

在该政策的刺激下，PJM区域涌现了大量储能调频项目。截止2016年8月，PJM区域投运电网级储能占全美比例达到46%[6]。从市场效果上看，2017年，在所有资源中（包括煤电、水电、天然气、需求侧等），储能设备提供了PJM 46.5%的调频需求[4]。

虽然RegD大大地改进了PJM调频市场，但是实施中也存在问题，导致PJM购买了过多的RegD产品，产生不必要的成本，同时对RegD产品的付费也有偏差。PJM和其市场监测单位向FERC提出改正这些问题的建议方案，但在2018年3月遭到FERC的拒绝，认为其不符合755号令。PJM和其市场监测单位要求重审，目前还没有定论[4]。

FERC775号令要求考核调频资源的3个指标：准确性、延迟性和精确度，类似于国内的调节速率、响应时间和调节精度。

3. 其他ISO

除了CAISO和PJM之外，其他ISO也在探索适合自己的创新之路。2019年7月，NYISO（纽约）在一份报告中表示，随着与天气有关的发电资源的增多，将研究如何提高备用等辅助服务的短缺定价。该项研究计划于第四季度完成。

四、启示

在能源结构调整过程中，中国将面临更大的挑战。一方面，中美两国资源禀赋差异较大。中国以燃煤机组为主，天然气发电等灵活性资源相对较少；其次，中国电力发展过程中，长期采用“大发电+大电网”的集中供应模式下，刚性有余、柔性不足，计划调度模式下掩盖的诸多问题或将在经济调度模型下暴露出来。

因此，为了保证完全市场竞争环境下电网的安全稳定运行，需要格外重视辅助服务市场，提前布局谋划，不能看作可有可无、可改可不改的市场。并针对现实中暴露出的新情况、新问题，进行卓有成效的创新工作，比如市场规则、交易品种、价格机制、分摊模式等等，北美市场的FRP和RegD给了我们很好的启示。

此外，近年来政府部门为了支持某些新兴技术、产业的发展，经常会出台一些补贴性质的激励政策。但是，效果却往往差强人意，导致政策频繁调整，让人无所适从，电动汽车和光伏就是活生生的例子。这一点，要学习北美市场的创新机制。不管是FRP，还是RegD，都是目的导向、问题导向，并没有规定具体的实现手段，方式，因此将具有长久的生命力。就像IEC 61850标准，通过抽象出ACSI（Abstrct Communication Service Interface）与通信实现方式脱钩，通信可以落伍、标准不会过时！