批发电力市场中清洁能源发电及调度——美国的经验(下)

[《中国电力》2017年第4期], 美国可再生能源实验室(NREL) David Hurlbut Ella Chou 国网能源研究院 马莉 张凡 范孟华 李景 曲昊源 发布于 2017/9/29


近几十年,美国的电力市场经历了几个阶段的改革,逐步形成了由供需决定批发电价的电力市场。近年来,清洁能源高速发展,美国电力市场也随之发展变革,形成了许多适应清洁能源发电特性的市场机制。在探讨美国电力市场定价机制的基础上,从市场机制和调度决策结合的角度,分析美国鼓励可再生能源发展的政策和清洁能源调度的经验与实践,总结了对中国清洁能源调度的启示。

2.2  非市场重组地区的可再生能源的运行

RTO中使用的5 min调度间隔相反,垂直一体化的公用事业使用经济调度来尽量减少运营成本。但是,所有的能源和传输服务的销售和购买通常以1 h的增量进行。随着这些地区各种能源的渗透率不断提高,非RTO地区的运营挑战更加恶化。

垂直一体化的公用事业公司可以改进预测和调度实践,在不进行重组电力市场的情况下整合大量的可再生能源。在科罗拉多州,风力已达到峰值发电时间总负荷的68%,当地最大的公用事业公司一直将风力作为可调度资源[7]。它执行每小时日前计划,并实时连续调度。对风的组合进行了2种预测:每小时分辨率的168 h(一周)预报和15 min分辨率的3h预报。连接到公用事业系统的风力发电厂中近80%具有AGC能力,这使得它们能够以高精确度提供调节。

垂直一体化电力公司采用的另一种改善可再生能源并网的方法是能源不平衡市场(EIM)。美国西部的7家公用事业公司正与CAISO合作,在整个地理覆盖面积上每5 min对发电和负荷不平衡进行实时的安全约束经济调度。EIM不包括RTO的其他方面,但已经显示出显著益处。(1)更高效的调度,包括区域间和区域内;(2)减少弃风弃光;(3)降低所有BA中的灵活性储备需求[7]

3  清洁能源激励和调度

美国主要使用3种类型的政策机制来促进清洁能源投资:配额制、成本补贴制和收入补贴制[8]这些机制都能提高清洁能源项目的经济效益,而不会直接影响电网运营,也不会进入RTO金融结算流程。考虑到各市场之间的差异,以及改革后的市场与继续沿用传统公用事业垄断经营的地区之间的差异,这种机制与其他环节的独立性尤为重要。

3.1  可再生能源配额制度

可再生能源配额制度(RPS)规定了可再生能源的购买配额。该制度根据各LSE的年销售电量分配了一定的可再生能源配额。RPS保证了可再生能源的市场需求,但没有任何配额供应者能够保证找到买家。可再生能源项目业主仍然需要竞争由RPS创造的需求。

RPS并不能保证可再生能源机组在RTO市场中被优先调度。业主本身必须确保可再生能源设施在调度排序中拥有有利的地位。这是在SCED中通过报价形成的。业主报价越低,在任何特定的市场周期内发电机组被调用的可能性越大。

美国的一些州设立了配额交易机制,使满足RPS要求更加容易。由符合条件的发电机组产生的可再生能源证书(REC)可以与能源分开交易。REC价值独立于电量价值,从而向发电机组提供额外的收入。更重要的是,如果由于某种原因所签订的可再生能源机组没有被调用,LSE可以公开购买在市场上出售的REC

3.2  成本补贴制

成本补贴主要补偿建设可再生能源发电项目的一部分投资成本。美国大规模太阳能发展最常见补贴形式是投资税收抵免(ITC),它根据项目投入成本为项目提供一次性补贴。补贴的形式为减少政府向项目开发商所征收的税。如果补贴款大于所欠税款则为拨款。

成本补贴减少了一部分需要通过长期借款和股权融资来回收的项目投资成本。这使得业主能够在市场中报出更低的价格,从而提高项目的竞争力。同时提高在SCED市场中调用的概率。然而,与RPS一样,除了在市场中可以提供较低报价以外,没有被调用的保证。

3.3  收入补贴制

在美国通常用于风力发电的另一种激励方法是收入补贴。前期项目必须在没有补贴的情况下融资建设。当项目建成后,项目将以发电量为单位收到补贴。联邦生产税收抵免(PTC)为所生产的电量提供收入补贴。

另一种与PTC具有相似功能的激励制度是上网电价(FIT)PTC为项目带来的是在PPA基础上的固定价格补贴,而FIT则是固定了整个PPA的价格。目前美国有4个州实行可再生能源上网电价制度。其中3个由电力公司单独定价。

上网电价制度的优点在于简单。项目业主了解未来的收入情况,因此可以根据项目成本判断一个项目未来是否能够盈利。然而,它的主要缺点是上网电价不能代表市场价格。作为一种行政手段,上网电价由政府根据其接受的标准确定,而市场的供需并不影响价格。只有在偶然情况下,上网电价才是供应和需求方面的“合理”价格。更有可能的是,上网电价低于市场水平,在这种情况下,实际上具有经济性的项目不会被投资建设。或者,如果上网电价高于市场水平,则会鼓励低效的发展,从而导致经济受损。

与成本补贴相比,收入补贴的优势在于补贴额度取决于项目的生产力。项目的单位产能越高,收入补贴制相比于成本补贴制的收益就越发凸显。

4  调度运行问题

在改革后的美国市场,对市场定价的深度依赖也影响了电网运行的其他方面。举例来说,辅助服务的调整与执行不再是行政指令,而是根据其经济性在需要时调用。输电规划方法也有所变化,在成本监管的框架下,输电系统的规划主要依靠行政指令,将新建发电机组(同样是行政指令)与系统相连;市场化改革后,输电系统规划是由远期系统目标而不是单个发电机组决定。

4.1  减出力

减出力是常用的避免线路过载或超过安稳限制的手段,在电力市场中,SCED很大程度上避免了通过调度指令降低可再生能源出力,因为SCED会对所有发电机组的报价和曲线进行统一优化,对可能影响阻塞线路的发电机组发出最经济的调度指令。

线路阻塞的存在降低了使用这条线路的发电机组的节点电价,机组越多则价格越低。本质上,SCED直接降低发电端的节点电价,直到有足够的机组因价格过低而放弃发电,高价机组由于经济性停机,而不是调度机构的指令。

任何由阻塞造成的节点电价降低都会增加这条输电线路的“阻塞收益权”(CRR)。这样,即使SCED出于经济性的原因未让风电和光伏机组发电,这些新能源机组的所有者也能通过持有CRR获得部分收益。

4.2  辅助服务

更多的风电和光伏发电需要更多、更快的辅助服务,对美国电力市场产生了2点影响:(1)提供了区分辅助服务中的快速响应和慢速响应的可能性,快速响应的价值得到提升。(2)提高快速响应价值将激励对风机控制器和光伏逆变器的技术创新。可再生能源发电也可以提供部分快速响应。

电力市场改革也为负荷侧参与辅助服务提供了可能性,如炼钢厂之类的大用户在价格有足够吸引力的情况下,可以自愿降低负荷。如果在调度机构的辅助服务中中标,负荷会按停用小时数收到备用费,收益为节点电价乘以少用的电量。

4.3  可再生能源的输电系统规划

输电系统对清洁能源调度和成本回收有间接但很大的影响,风电和光伏发展带来了2个新问题:(1)已建输电系统距风能和太阳能条件较好地区较远。(2)输电系统规划一般早于可再生能源发电规划。

这和传统上的大型输电系统和大型发电联合规划不同,输电系统规划已经成为了一个策略问题。为了最大化通过电力市场定价优化配置电力资源,从而向用户提供低成本电力的能力,美国电网规划时即把风能和光能适合发电的地区纳入考虑,这一实践由得克萨斯州在电力市场重建中首先实施,并在许多其他的可再生能源丰富的电力市场中应用。

可再生能源发电最多的地区大多和电力市场区域重合,而不是电力公司垄断经营的区域。例如,美国中部的大平原地区是风力资源最丰富的地区,这一地区有ERCOTSPPMISO 3个区域电力市场。除此之外,美国大多数光伏和地热发电都位于加州电力市场。

新建输电线路的成本由社会共担,但新的输电通道的建设仍然取决于SCED的结果,根据市场定价决定。如果有输电通道连接风能和光伏资源丰富的地区,发电企业就可以更好的开展竞争。

4.4  储能的新角色

储能技术已经存在了几十年,早于电力市场化改革,其中抽水蓄能是最为常见的一种技术,地下压缩空气储能和大规模电池技术近期也逐步推广。

在电力市场中,技术问题并不是储能大规模应用面临的唯一挑战。最重要的问题是监管。储能本质上是一个可靠性问题(在这种情况下,储能成本会平摊到所有负荷),还是一个发电问题(在这种情况下,储能成本应包含在可再生能源发电项目中),电力市场无法对于同一个设施分别设置2种竞争性的和非竞争性的成本回收机制。如果某种设施加强了特定发电机组的市场地位,而成本由社会平摊,则这一特定发电机组的竞争者将受到影响,并可能构成人为干扰市场的行为。

5  结论及对中国的启示

在美国电力市场中,市场价格和电力调度的结合成为促进可再生能源增长的重要因素,这一变化在区域电力市场中表现的尤其明显。在传统市场中,这一原则也通过不同的机制得到体现。

基于价格的调度和基于行政命令设置价格的区别在于发电机组的收入取决于供求关系,也对清洁能源的风险控制和超前规划提出更高的要求。同时,还意味着在很多情况下,一个项目的收入不只取决于装机容量,而是系统性的变化。清洁能源项目的收入由电力市场结算和PPA补贴组成。区域市场的结算价格可能会变化,但收入波动可以通过差价合约和阻塞收益来管理。

中国电力市场尚未建立,但通过适当的调整,美国的一些市场机制也可能直接应用并获得成功,本文中美国清洁能源调度机制对中国主要有以下启示。

(1)现货市场能充分发挥清洁能源边际成本优势。在现货市场的作用下,清洁能源发电能借助低边际成本自动实现优先调度,有效促进清洁能源电力消纳。

(2)完善调峰、调频及辅助服务机制是清洁能源发电调度的保障。美国在大力发展清洁能源发电的同时,注重灵活调节电源的建设,建立完善的调峰、调频及辅助服务的市场机制。

(3)清洁能源和电力系统建设要统筹规划。市场价格信号为清洁能源和电力系统建设的规划提供了依据,通过价格信号的指引可实现清洁能源和电力系统建设的有机统一。

(注:发表这一文章,即视为基于美国政府的目的许可或授权美国政府在具有无例外条款、不需付费、不可撤销的条件下可在全世界发表这一文章。)

参考文献:

[1]Electric Reliability Council of Texas(ERCOT). 2016a. Capacity, demand and reserves report(May)[EB/OL].(2014-12-01)[2017-03-03]. http://www.ercot.com/content/wcm/lists/96607/CapacityDemandandReserveReport_May2016.xlsx.

[2]ERCOT. 2016b. Fall 2016 final seasonal assessment[EB/OL].(2016-05-01)[2017-03-03]. http://www.ercot.com/content/wcm/lists/91620/SARA_FinalFall2016.xlsx.

[3]Federal Energy Regulatory Commission(FERC). Initial report on company-specific separate proceedings and generic reevaluations; published natural gas price data; and enron trading strategies[R]. 2002.

[4]MCDERMOTT, KARL. Cost of service regulation in the investor-owned electric utility industry-a history of adaptation. washington, DC: The edison electric institute[EB/OL].(2012-06-01)[2017-03-03]. http://www.eei.org/issuesandpolicy/stateregulation/documents/cosr_history_final.pdf.

[5]State of New York Department of Public Service(DPS NY). Staff white paper on ratemaking and utility business models[R]. New York, NY: DPS NY. 2015.

[6]Public Utility Commission of Texas(PUCT). Power to choose web site[R]. 2017.

[7]Texas Utilities Code. Subchapter F: Recovery of stranded costs through competition transition charge and subchapter G: Securitization sections 39.251 through 39.313[R]. 2017.

[8]WISERRYAN.美国可再生能源财税优惠政策简介[EB/OL].(2011-01-24)[2017-03-03]. 重庆时时彩个位定胆http://www.efchina.org/Attachments/Report/reports-efchina-20110124-2-zh.

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