David Hurlbut1, 馬莉2, Ella Chou1, 張凡2, 范孟華2, 李景2, 曲昊源2(1. 美國可再生能源實驗室（NREL）,美國 華盛頓 2004-2157；2. 國網(wǎng)能源研究院,北京 102209)來源：微信公眾號“中國電力雜志”ID：zgdl1956引用本文David Hurlbut, 馬莉, Ella Chou, 張凡, 范孟華, 李景, 曲昊源. 批發(fā)電力市場中清潔能源發(fā)電及調(diào)度——美國的經(jīng)驗[J]. 中國電力, 2017,5

David Hurlbut1, 馬莉2, Ella Chou1, 張凡2, 范孟華2, 李景2, 曲昊源2

(1. 美國可再生能源實驗室（NREL）,美國 華盛頓 2004-2157；2. 國網(wǎng)能源研究院,北京 102209)

來源：微信公眾號“中國電力雜志”ID：zgdl1956

引用本文

David Hurlbut, 馬莉, Ella Chou, 張凡, 范孟華, 李景, 曲昊源. 批發(fā)電力市場中清潔能源發(fā)電及調(diào)度——美國的經(jīng)驗[J]. 中國電力, 2017,50(4): 28-34.

David Hurlbut, MA Li, Ella Chou, ZHANG Fan, FAN Menghua, LI Jing, QU Haoyuan. Clean energy generation and dispatch in reformed wholesale electricity markets:experience in the United States[J].Electric Power,  2017,50(4): 28-34.

DOI:10.11930/j.issn.1004-9649.2017.04.028.07

摘 要

近幾十年,美國的電力市場經(jīng)歷了幾個階段的改革,逐步形成了由供需決定批發(fā)電價的電力市場。近年來,清潔能源高速發(fā)展,美國電力市場也隨之發(fā)展變革,形成了許多適應(yīng)清潔能源發(fā)電特性的市場機制。在探討美國電力市場定價機制的基礎(chǔ)上,從市場機制和調(diào)度決策結(jié)合的角度,分析美國鼓勵可再生能源發(fā)展的政策和清潔能源調(diào)度的經(jīng)驗與實踐,總結(jié)了對中國清潔能源調(diào)度的啟示。

0 引言

近幾十年, 美國電力市場經(jīng)歷了不同發(fā)展階段。本文將研究這些改革對清潔能源調(diào)度的特殊影響。

調(diào)度和批發(fā)電價的形成與美國的電力市場改革密不可分。行政定價越來越少, 調(diào)度忽視定價的情況也越來越少。隨著行政定價行為的減少, 美國的電力市場改革旨在由供需情況來決定批發(fā)電價。這2個經(jīng)濟因素的結(jié)合即是調(diào)度過程。因此, 清潔能源發(fā)電機組或任何其他發(fā)電機組如何參與市場決定了它是否被調(diào)度以及能獲得多少利潤。

本文考慮了美國電力市場的所有類型, 但更側(cè)重于區(qū)域電力市場（RTO）模式下的經(jīng)驗總結(jié)。這些市場已經(jīng)采用最先進的基于市場驅(qū)動的調(diào)度系統(tǒng), 對清潔能源投資的影響是最透明的。在RTO范圍內(nèi), 一些市場原則比較容易觀察到。這些市場原則有時也出現(xiàn)在美國沒有進行重大市場改革的地區(qū), 其方法也適用于這些地區(qū)的情況。同樣, 中國也許能以不采用RTO模式的方式實現(xiàn)這些市場原則。

1 美國改革市場的價格形成

首先解釋相關(guān)術(shù)語。本文中, “ 市場” 是指基于供需形成價格的自愿能源交易。行政上設(shè)定的價格不是市場價格。因此, 任何具有行政設(shè)定價格的交易都不包括在本文所說的市場中。這一區(qū)別很重要, 因為在美國實施的大多數(shù)電力市場改革都是基于市場的價格。因此, 如果改革缺乏完善的市場機制, 不能保證價格根據(jù)供需進行調(diào)整, 那么即使應(yīng)用最成功的美國改革經(jīng)驗也可能導(dǎo)致失敗。

改革后, 美國電力市場通過基于市場的定價相互關(guān)聯(lián)。

雖然市場價格不能保證, 但如果有充分正確的信息, 價格可以在一定程度上進行預(yù)測。

即使在市場環(huán)境下一些特定的服務(wù)也可以由政府定價。然而, 極其重要的是, 不要對同一商品混合市場定價和政府定價。

因此, 本文中使用的“ 市場” 不包括政府確定能源價格的程序和決策過程。

2 美國電力市場結(jié)構(gòu)

RTO是美國重組競爭性市場努力的最高點, 反映了美國一些地區(qū)的趨勢, 遠離服務(wù)成本管制和政府定價。本節(jié)概述了垂直一體化公用事業(yè)公司和RTO之間的差異。RTO通常在較大的地理區(qū)域運行, 使可再生能源的接入更容易, 成本更低。本節(jié)將在成本回收、可再生能源的獲取和可再生能源的運行等方面對比2個模型。

圖1和圖2對比了垂直一體化公共事業(yè)公司和RTO的運行和商業(yè)信息流。傳統(tǒng)公用事業(yè)公司將所有客戶的電力需求合成負荷曲線。其控制中心對發(fā)電資源組合進行調(diào)度, 以滿足公用事業(yè)公司所有輸電和配電資產(chǎn)的需求。與需求相關(guān)的信息流向公用事業(yè)公司, 其利用自身的發(fā)電組合（包括來自獨立發(fā)電商的采購）滿足所有這些需求。

在改革市場中, 客戶需求在幾個負荷服務(wù)商（LSE）之間分配, 并且發(fā)電在幾個發(fā)電公司之間分配。電網(wǎng)運行由新的實體區(qū)域傳輸組織或獨立系統(tǒng)操作員負責。

改革市場有另一個新組織— — 調(diào)度實體（SE）。圖2顯示了SE如何作為LSE、發(fā)電商和RTO之間的協(xié)調(diào)人。SE的工作是將來自一個或多個LSE的負荷信息合并到一個整合的計劃中, 并將負荷計劃與在線并且可用于滿足該負荷量的發(fā)電機組相匹配。該計劃還包括每個發(fā)電機組的報價曲線。然后, 這些負荷和發(fā)電機組的平衡計劃被發(fā)送到RTO, RTO使用這些計劃信息進行日前和實時電網(wǎng)操作。一般來說, 每個LSE和每個發(fā)電機組只能通過一個SE操作, 并且禁止由RTO直接處理。

RTO具有關(guān)于輸電系統(tǒng)的當前狀態(tài)的詳細信息, 在下一個工作日的每個小時, 以及通常每5 min實時地執(zhí)行SCED。SCED確定包括在所有SE的調(diào)度中的哪些發(fā)電機被分派, 在所有調(diào)度中選擇以最小成本滿足對整個系統(tǒng)的需求的資源組合而不違反任何安全約束。

發(fā)電機組投入電網(wǎng)的所有發(fā)電量由SCED控制。如果發(fā)電機組的實際輸出偏離SCED超過市場規(guī)則的允許, 結(jié)算時可以對其罰款。發(fā)電罰款的多少由節(jié)點電價（LMP）來評估當時的計劃外偏差電量。因此, 由可再生能源產(chǎn)生的每兆瓦時的電量通過RTO在財務(wù)上結(jié)算, 并由購電協(xié)議（PPA）中負荷服務(wù)商（LSE）支付。

3 清潔能源激勵和調(diào)度

美國主要使用3種類型的政策機制來促進清潔能源投資：配額制、成本補貼制和收入補貼制這些機制都能提高清潔能源項目的經(jīng)濟效益, 而不會直接影響電網(wǎng)運營, 也不會進入RTO金融結(jié)算流程。考慮到各市場之間的差異, 以及改革后的市場與繼續(xù)沿用傳統(tǒng)公用事業(yè)壟斷經(jīng)營的地區(qū)之間的差異, 這種機制與其他環(huán)節(jié)的獨立性尤為重要。

3.1 可再生能源配額制度

可再生能源配額制度（RPS）規(guī)定了可再生能源的購買配額。該制度根據(jù)各LSE的年銷售電量分配了一定的可再生能源配額。RPS保證了可再生能源的市場需求, 但沒有任何配額供應(yīng)者能夠保證找到買家?？稍偕茉错椖繕I(yè)主仍然需要競爭由RPS創(chuàng)造的需求。

RPS并不能保證可再生能源機組在RTO市場中被優(yōu)先調(diào)度。業(yè)主本身必須確?？稍偕茉丛O(shè)施在調(diào)度排序中擁有有利的地位。這是在SCED中通過報價形成的。業(yè)主報價越低, 在任何特定的市場周期內(nèi)發(fā)電機組被調(diào)用的可能性越大。

3.2 成本補貼制

成本補貼主要補償建設(shè)可再生能源發(fā)電項目的一部分投資成本。美國大規(guī)模太陽能發(fā)展最常見補貼形式是投資稅收抵免（ITC）, 它根據(jù)項目投入成本為項目提供一次性補貼。補貼的形式為減少政府向項目開發(fā)商所征收的稅。如果補貼款大于所欠稅款則為撥款。

成本補貼減少了一部分需要通過長期借款和股權(quán)融資來回收的項目投資成本。這使得業(yè)主能夠在市場中報出更低的價格, 從而提高項目的競爭力。同時提高在SCED市場中調(diào)用的概率。然而, 與RPS一樣, 除了在市場中可以提供較低報價以外, 沒有被調(diào)用的保證。

3.3 收入補貼制

在美國通常用于風力發(fā)電的另一種激勵方法是收入補貼。前期項目必須在沒有補貼的情況下融資建設(shè)。當項目建成后, 項目將以發(fā)電量為單位收到補貼。聯(lián)邦生產(chǎn)稅收抵免（PTC）為所生產(chǎn)的電量提供收入補貼。

另一種與PTC具有相似功能的激勵制度是上網(wǎng)電價（FIT）。PTC為項目帶來的是在PPA基礎(chǔ)上的固定價格補貼, 而FIT則是固定了整個PPA的價格。目前美國有4個州實行可再生能源上網(wǎng)電價制度。其中3個由電力公司單獨定價。

4 調(diào)度運行問題

在改革后的美國市場, 對市場定價的深度依賴也影響了電網(wǎng)運行的其他方面。舉例來說, 輔助服務(wù)的調(diào)整與執(zhí)行不再是行政指令, 而是根據(jù)其經(jīng)濟性在需要時調(diào)用。輸電規(guī)劃方法也有所變化, 在成本監(jiān)管的框架下, 輸電系統(tǒng)的規(guī)劃主要依靠行政指令, 將新建發(fā)電機組（同樣是行政指令）與系統(tǒng)相連; 市場化改革后, 輸電系統(tǒng)規(guī)劃是由遠期系統(tǒng)目標而不是單個發(fā)電機組決定。

4.1 減出力

減出力是常用的避免線路過載或超過安穩(wěn)限制的手段, 在電力市場中, SCED很大程度上避免了通過調(diào)度指令降低可再生能源出力, 因為SCED會對所有發(fā)電機組的報價和曲線進行統(tǒng)一優(yōu)化, 對可能影響阻塞線路的發(fā)電機組發(fā)出最經(jīng)濟的調(diào)度指令。

線路阻塞的存在降低了使用這條線路的發(fā)電機組的節(jié)點電價, 機組越多則價格越低。本質(zhì)上, SCED直接降低發(fā)電端的節(jié)點電價, 直到有足夠的機組因價格過低而放棄發(fā)電, 高價機組由于經(jīng)濟性停機, 而不是調(diào)度機構(gòu)的指令。

任何由阻塞造成的節(jié)點電價降低都會增加這條輸電線路的“ 阻塞收益權(quán)” （CRR）。這樣,即使SCED出于經(jīng)濟性的原因未讓風電和光伏機組發(fā)電, 這些新能源機組的所有者也能通過持有CRR獲得部分收益。

4.2 輔助服務(wù)

更多的風電和光伏發(fā)電需要更多、更快的輔助服務(wù), 對美國電力市場產(chǎn)生了2點影響：（1）提供了區(qū)分輔助服務(wù)中的快速響應(yīng)和慢速響應(yīng)的可能性, 快速響應(yīng)的價值得到提升。（2）提高快速響應(yīng)價值將激勵對風機控制器和光伏逆變器的技術(shù)創(chuàng)新?？稍偕茉窗l(fā)電也可以提供部分快速響應(yīng)。

電力市場改革也為負荷側(cè)參與輔助服務(wù)提供了可能性, 如煉鋼廠之類的大用戶在價格有足夠吸引力的情況下, 可以自愿降低負荷。如果在調(diào)度機構(gòu)的輔助服務(wù)中中標, 負荷會按停用小時數(shù)收到備用費, 收益為節(jié)點電價乘以少用的電量。

4.3 可再生能源的輸電系統(tǒng)規(guī)劃

輸電系統(tǒng)對清潔能源調(diào)度和成本回收有間接但很大的影響, 風電和光伏發(fā)展帶來了2個新問題：（1）已建輸電系統(tǒng)距風能和太陽能條件較好地區(qū)較遠。（2）輸電系統(tǒng)規(guī)劃一般早于可再生能源發(fā)電規(guī)劃。

這和傳統(tǒng)上的大型輸電系統(tǒng)和大型發(fā)電聯(lián)合規(guī)劃不同, 輸電系統(tǒng)規(guī)劃已經(jīng)成為了一個策略問題。為了最大化通過電力市場定價優(yōu)化配置電力資源, 從而向用戶提供低成本電力的能力, 美國電網(wǎng)規(guī)劃時即把風能和光能適合發(fā)電的地區(qū)納入考慮, 這一實踐由得克薩斯州在電力市場重建中首先實施, 并在許多其他的可再生能源豐富的電力市場中應(yīng)用。

新建輸電線路的成本由社會共擔, 但新的輸電通道的建設(shè)仍然取決于SCED的結(jié)果, 根據(jù)市場定價決定。如果有輸電通道連接風能和光伏資源豐富的地區(qū), 發(fā)電企業(yè)就可以更好的開展競爭。

4.4 儲能的新角色

儲能技術(shù)已經(jīng)存在了幾十年, 早于電力市場化改革, 其中抽水蓄能是最為常見的一種技術(shù),地下壓縮空氣儲能和大規(guī)模電池技術(shù)近期也逐步推廣。

在電力市場中, 技術(shù)問題并不是儲能大規(guī)模應(yīng)用面臨的唯一挑戰(zhàn)。最重要的問題是監(jiān)管。儲能本質(zhì)上是一個可靠性問題（在這種情況下, 儲能成本會平攤到所有負荷）, 還是一個發(fā)電問題（在這種情況下, 儲能成本應(yīng)包含在可再生能源發(fā)電項目中）, 電力市場無法對于同一個設(shè)施分別設(shè)置2種競爭性的和非競爭性的成本回收機制。如果某種設(shè)施加強了特定發(fā)電機組的市場地位, 而成本由社會平攤, 則這一特定發(fā)電機組的競爭者將受到影響, 并可能構(gòu)成人為干擾市場的行為。

5 結(jié)論及對中國的啟示

在美國電力市場中, 市場價格和電力調(diào)度的結(jié)合成為促進可再生能源增長的重要因素, 這一變化在區(qū)域電力市場中表現(xiàn)的尤其明顯。在傳統(tǒng)市場中, 這一原則也通過不同的機制得到體現(xiàn)。

基于價格的調(diào)度和基于行政命令設(shè)置價格的區(qū)別在于發(fā)電機組的收入取決于供求關(guān)系, 也對清潔能源的風險控制和超前規(guī)劃提出更高的要求。同時, 還意味著在很多情況下, 一個項目的收入不只取決于裝機容量, 而是系統(tǒng)性的變化。清潔能源項目的收入由電力市場結(jié)算和PPA補貼組成。區(qū)域市場的結(jié)算價格可能會變化, 但收入波動可以通過差價合約和阻塞收益來管理。

中國電力市場尚未建立, 但通過適當?shù)恼{(diào)整, 美國的一些市場機制也可能直接應(yīng)用并獲得成功, 本文中美國清潔能源調(diào)度機制對中國主要有以下啟示。

（1）現(xiàn)貨市場能充分發(fā)揮清潔能源邊際成本優(yōu)勢。在現(xiàn)貨市場的作用下, 清潔能源發(fā)電能借助低邊際成本自動實現(xiàn)優(yōu)先調(diào)度, 有效促進清潔能源電力消納。

（2）完善調(diào)峰、調(diào)頻及輔助服務(wù)機制是清潔能源發(fā)電調(diào)度的保障。美國在大力發(fā)展清潔能源發(fā)電的同時, 注重靈活調(diào)節(jié)電源的建設(shè), 建立完善的調(diào)峰、調(diào)頻及輔助服務(wù)的市場機制。

（3）清潔能源和電力系統(tǒng)建設(shè)要統(tǒng)籌規(guī)劃。市場價格信號為清潔能源和電力系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)劃提供了依據(jù), 通過價格信號的指引可實現(xiàn)清潔能源和電力系統(tǒng)建設(shè)的有機統(tǒng)一。

原標題:【精彩回顧】批發(fā)電力市場中清潔能源發(fā)電及調(diào)度――美國的經(jīng)驗