深度文章｜美国加州辅助服务市场发展解析及其对我国电力市场的启示

基金项目：国家自然科学基金项目“动态可控负荷参与电力系统调频辅助服务理论与方法研究”; 南瑞集团智能电网保护与控制重点实验室项目“大规模清洁能源跨省区消纳的市场机制”; 宁夏电力交易中心科技项目“电力市场环境下促进新能源消纳的多元化交易机制”;

文章编号:1000-3673（2019）08-2711-07中图分类号:TM73

（来源：电网技术 作者：喻洁1, 刘云仁2, 杨家琪1, 高赐威1, 杨颖霞3, 丁恰4）

1．东南大学 电气工程学院,江苏省 南京市 210096

2．加州独立系统运营商CAISO,美国 加利福尼亚州 95757

3．布雷托咨询公司,美国 华盛顿哥伦比亚特区 20036

4．南瑞集团有限公司,江苏省 南京市 210096

摘要

当前我国正处于新一轮电力体制改革的关键时期,完善的辅助服务市场是电力系统稳定运行的机制保障,解析国外电力市场辅助服务的发展历程对我国电力市场建设具有重要的借鉴意义。首先介绍了加州辅助服务市场发展历史及其辅助服务的种类,然后对比分析了两种辅助服务的出清方法：分离顺序法和协同优化法及其各自的优缺点;并结合加州新能源发展,介绍了应对新能源发电出力不确定性的新型辅助服务产品——灵活爬坡产品;最后分析了美国加州辅助服务市场对于中国现货市场的可借鉴性并提出了建议。

关键词 :辅助服务市场;分离顺序法;协同优化法;灵活爬坡产品;

0 引言

辅助服务是保证电力系统安全可靠运行的基础,辅助服务市场是完善的电力市场中不可缺少的功能。在新一轮电改的背景下,我国在电力市场改革的起步阶段,也逐步开始建设辅助服务市场[1]。长久以来我国大多数地区的调频服务是按照计划体制下的辅助服务“两个细则”进行考核,并按照规定的价格进行补偿而并非通过市场方式[2]。其中较低的补偿价格无法提高市场主体提供调频辅助服务的积极性。此外,随着电力市场的进一步完善和发展,仅依靠调频辅助服务还是无法满足保证电力系统经济可靠运行的需求,需要建设多时间尺度、多类型交易品种完善的辅助服务市场机制。因此,在考虑中国实际情况的前提下,辅助服务市场的建设非常有必要吸取国外的经验[3]。文献[4]针对作为首个跨国区域市场的北欧的发展经验对我国资源禀赋、网络阻塞和负荷分布等现状提出若干建议;文献[5]介绍了英国辅助服务市场中的短期运行备用(short-term operation reserve,STOR)服务的运行与补偿机制以及对中国辅助服务市场的发展和建设的启示;文献[6]通过分析英国、美国德州及北欧电力市场的交易结算机制,对我国单一买方模式下与辅助服务有关的不平衡电量处理提出了建议。

美国辅助服务市场是世界上最成功的电力市场之一,其市场模型、定价机制等都具有很高的借鉴意义[7-9]。此外,有的研究也关注了国外电力市场模式在我国的适应性[10-11]。

在美国多个电力市场中,加州电力市场是第一个正式投入运营的电力市场,经历了主能量与辅助服务分离以及协同优化的发展历程[12],与我国电力市场初步阶段具有相似性,具有借鉴与研究价值。

本文以美国加州电力市场为例,介绍了加州电力辅助服务市场的发展历史及其多种辅助服务,并对比分析不同的辅助服务出清方法的优缺点,最后对中国现货市场中的辅助服务市场提出建议。

1 加州辅助服务市场发展历史简述

辅助服务市场是电力市场中的一部分,因此加州辅助服务市场是随着电力市场而发展变化的。加州从1996年开始对其计划管制下的电力系统进行市场化改革。改革的目的是想通过引入市场竞争来提高发电系统的效率,降低电价。当时,加州的电价是全美最高的电价之一,1990—1995年其全州平均零售电价为9.55美分/(kW·h),比同期美国平均零售电价高出40%。

加州电力市场从1998年4月开始运行,该年的全州平均零售电价为9.03美分/(kW·h)。运行初期辅助服务市场与日前能量交易分离运行,电力交易市场运营商(California Power Exchange,CALPX)负责能量市场的运行,而独立系统运营商(California Independent System Operator,CAISO)负责辅助服务市场的运行。需要在辅助服务市场购买的产品包括4种：调频备用,旋转备用,非旋转备用和替代备用,出清方法为分离顺序法。

2001年的加州能源危机使平均零售电价从2000年的9.47美分/(kW·h)突然增长到11.22美分/ (kW·h)。之后,加州开始实行一系列改进市场设计的措施MRTU工程(Market Redesign and Technology Upgrade),并于2009年4月开始运营。从此时开始,加州不再将日前能量市场和电网调度分开,而是将日前市场与辅助服务市场等集合成一个统一优化的市场。

最近几年,由于可再生能源配额制政策的推动,加州风电和光伏发电迅速增加,从2000年占总装机量的大概5%,增加到2010年8%,到现在30%左右。从1998年到2009年的这10年时间内,全州平均零售电价从9.47美分/(kW·h)增长到了13.24美分/(kW·h),全州的总装机容量从46 295.6MW增长到了59 188.6 MW,但全州的净发电量(net generation)从199 415.29 GW·h减少到了190 636.87 GW·h。

加州的环境政策非常激进[13],相比传统化石能源发电技术,风电和光伏发电的不完全可控性和不能完全预测性使得系统净负荷(原负荷减去风力发电量减去太阳能发电量)在1天内大幅度变化。为了这一问题,2016年CAISO在实时市场引入了一种新的辅助服务产品“灵活爬坡产品”(flexible ramping product,FRP)[12]以应对预期之外的不确定性的净负荷短时间的变化。

以下各小节对加州电力市场辅助服务种类、可替代性以及出清方法做详细介绍。

2 加州电力市场辅助服务种类

在美国加州辅助服务市场上主要包括调频备用和运行备用产品,以及2016年引入的灵活爬坡产品。

其中,调频备用分为向上调频(regulation up)和向下调频(regulation down)。日前市场(day-ahead market)和实时市场(real-time market)每15min所需的向上调频与向下调频量由CASIO根据日前和实时市场的需求预测按适用比例确定。此外,CAISO根据调频容量的需求确定任一结算周期内的调频里程[7](regulation mileage),以及该结算周期内中标的调频容量。其中,调频里程是指15min内,每4 s之间,提供调频备用的资源的AGC设定点之差的绝对值之和,如下所示：

运行备用是为了应对负荷增加或供给侧的资源减少输出或停机的事件。运行备用通常分为旋转备用(spinning reserve)和非旋转备用(non-spinning reserve)。其中旋转备用又被称为同步备用,由正在在线发电并有能力增加出力的发电机组提供;非旋转备用又被称为非同步备用,由没有在线发电但能在给定时间,通常在10 min到30 min内启动并提供电力的发电机组提供。

其他的辅助服务类型,包括黑启动能力(black start capability),无功备用和电压控制(voltage support)等一般不在市场上实时购买,由ISO/RTO与提供这些服务的资源签订中长期合同得以保证。加州的辅助服务市场不包括调峰产品,调峰问题由日前能量市场做出的日计划解决。2016年开始新增加FRP。在实时市场中,FRP是应对预期之外的不确定性的净负荷短时间的变化而预留的爬坡容量,用于维持系统功率的平衡,以免出现因爬坡能力不足而导致系统失衡的现象。这种产品不参加日前市场和实时市场的投标竞价,而只在实时15 min (fifteen minute market,FMM)和实时5 min市场(real-time dispatch,RTD)中由系统运营商根据发电机组的爬坡能力以及可用容量来购买。

3 辅助服务间的可替代性

在满足可靠性标准的前提下,CAISO通过增加对某一种辅助服务的购买来替代其他辅助服务,以达到降低采购辅助服务总成本的目的。本节所述辅助服务间的可替代性(substitution)只用于购买辅助服务市场中参与投标的辅助服务,不包括自主提供的辅助服务。辅助服务间的替代基于以下原则：

1）调频备用的需求只能由有资格提供调频备用的资源进行投标来满足。