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

(1. 美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）,美國(guó) 華盛頓 2004-2157；2. 國(guó)網(wǎng)能源研究院,北京 102209)

來(lái)源：微信公眾號(hào)“中國(guó)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(chǎng)中清潔能源發(fā)電及調(diào)度——美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)[J]. 中國(guó)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(guó)的電力市場(chǎng)經(jīng)歷了幾個(gè)階段的改革,逐步形成了由供需決定批發(fā)電價(jià)的電力市場(chǎng)。近年來(lái),清潔能源高速發(fā)展,美國(guó)電力市場(chǎng)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(chǎng)機(jī)制。在探討美國(guó)電力市場(chǎng)定價(jià)機(jī)制的基礎(chǔ)上,從市場(chǎng)機(jī)制和調(diào)度決策結(jié)合的角度,分析美國(guó)鼓勵(lì)可再生能源發(fā)展的政策和清潔能源調(diào)度的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐,總結(jié)了對(duì)中國(guó)清潔能源調(diào)度的啟示。

0 引言

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

調(diào)度和批發(fā)電價(jià)的形成與美國(guó)的電力市場(chǎng)改革密不可分。行政定價(jià)越來(lái)越少, 調(diào)度忽視定價(jià)的情況也越來(lái)越少。隨著行政定價(jià)行為的減少, 美國(guó)的電力市場(chǎng)改革旨在由供需情況來(lái)決定批發(fā)電價(jià)。這2個(gè)經(jīng)濟(jì)因素的結(jié)合即是調(diào)度過(guò)程。因此, 清潔能源發(fā)電機(jī)組或任何其他發(fā)電機(jī)組如何參與市場(chǎng)決定了它是否被調(diào)度以及能獲得多少利潤(rùn)。

本文考慮了美國(guó)電力市場(chǎng)的所有類型, 但更側(cè)重于區(qū)域電力市場(chǎng)（RTO）模式下的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。這些市場(chǎng)已經(jīng)采用最先進(jìn)的基于市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的調(diào)度系統(tǒng), 對(duì)清潔能源投資的影響是最透明的。在RTO范圍內(nèi), 一些市場(chǎng)原則比較容易觀察到。這些市場(chǎng)原則有時(shí)也出現(xiàn)在美國(guó)沒(méi)有進(jìn)行重大市場(chǎng)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(guó)也許能以不采用RTO模式的方式實(shí)現(xiàn)這些市場(chǎng)原則。

1 美國(guó)改革市場(chǎng)的價(jià)格形成

首先解釋相關(guān)術(shù)語(yǔ)。本文中, “ 市場(chǎng)” 是指基于供需形成價(jià)格的自愿能源交易。行政上設(shè)定的價(jià)格不是市場(chǎng)價(jià)格。因此, 任何具有行政設(shè)定價(jià)格的交易都不包括在本文所說(shuō)的市場(chǎng)中。這一區(qū)別很重要, 因?yàn)樵诿绹?guó)實(shí)施的大多數(shù)電力市場(chǎng)改革都是基于市場(chǎng)的價(jià)格。因此, 如果改革缺乏完善的市場(chǎng)機(jī)制, 不能保證價(jià)格根據(jù)供需進(jìn)行調(diào)整, 那么即使應(yīng)用最成功的美國(guó)改革經(jīng)驗(yàn)也可能導(dǎo)致失敗。

改革后, 美國(guó)電力市場(chǎng)通過(guò)基于市場(chǎng)的定價(jià)相互關(guān)聯(lián)。

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

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

因此, 本文中使用的“ 市場(chǎng)” 不包括政府確定能源價(jià)格的程序和決策過(guò)程。

2 美國(guó)電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)

RTO是美國(guó)重組競(jìng)爭(zhēng)性市場(chǎng)努力的最高點(diǎn), 反映了美國(guó)一些地區(qū)的趨勢(shì), 遠(yuǎn)離服務(wù)成本管制和政府定價(jià)。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(yùn)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(yùn)行等方面對(duì)比2個(gè)模型。

圖1和圖2對(duì)比了垂直一體化公共事業(yè)公司和RTO的運(yùn)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(fù)荷曲線。其控制中心對(duì)發(fā)電資源組合進(jìn)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(lái)自獨(dú)立發(fā)電商的采購(gòu)）滿足所有這些需求。

在改革市場(chǎng)中, 客戶需求在幾個(gè)負(fù)荷服務(wù)商（LSE）之間分配, 并且發(fā)電在幾個(gè)發(fā)電公司之間分配。電網(wǎng)運(yùn)行由新的實(shí)體區(qū)域傳輸組織或獨(dú)立系統(tǒng)操作員負(fù)責(zé)。

改革市場(chǎng)有另一個(gè)新組織— — 調(diào)度實(shí)體（SE）。圖2顯示了SE如何作為L(zhǎng)SE、發(fā)電商和RTO之間的協(xié)調(diào)人。SE的工作是將來(lái)自一個(gè)或多個(gè)LSE的負(fù)荷信息合并到一個(gè)整合的計(jì)劃中, 并將負(fù)荷計(jì)劃與在線并且可用于滿足該負(fù)荷量的發(fā)電機(jī)組相匹配。該計(jì)劃還包括每個(gè)發(fā)電機(jī)組的報(bào)價(jià)曲線。然后, 這些負(fù)荷和發(fā)電機(jī)組的平衡計(jì)劃被發(fā)送到RTO, RTO使用這些計(jì)劃信息進(jìn)行日前和實(shí)時(shí)電網(wǎng)操作。一般來(lái)說(shuō), 每個(gè)LSE和每個(gè)發(fā)電機(jī)組只能通過(guò)一個(gè)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(dāng)前狀態(tài)的詳細(xì)信息, 在下一個(gè)工作日的每個(gè)小時(shí), 以及通常每5 min實(shí)時(shí)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(jī)被分派, 在所有調(diào)度中選擇以最小成本滿足對(duì)整個(gè)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(jī)組投入電網(wǎng)的所有發(fā)電量由SCED控制。如果發(fā)電機(jī)組的實(shí)際輸出偏離SCED超過(guò)市場(chǎng)規(guī)則的允許, 結(jié)算時(shí)可以對(duì)其罰款。發(fā)電罰款的多少由節(jié)點(diǎn)電價(jià)（LMP）來(lái)評(píng)估當(dāng)時(shí)的計(jì)劃外偏差電量。因此, 由可再生能源產(chǎn)生的每兆瓦時(shí)的電量通過(guò)RTO在財(cái)務(wù)上結(jié)算, 并由購(gòu)電協(xié)議（PPA）中負(fù)荷服務(wù)商（LSE）支付。

3 清潔能源激勵(lì)和調(diào)度

美國(guó)主要使用3種類型的政策機(jī)制來(lái)促進(jìn)清潔能源投資：配額制、成本補(bǔ)貼制和收入補(bǔ)貼制這些機(jī)制都能提高清潔能源項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益, 而不會(huì)直接影響電網(wǎng)運(yùn)營(yíng), 也不會(huì)進(jìn)入RTO金融結(jié)算流程?？紤]到各市場(chǎng)之間的差異, 以及改革后的市場(chǎng)與繼續(xù)沿用傳統(tǒng)公用事業(yè)壟斷經(jīng)營(yíng)的地區(qū)之間的差異, 這種機(jī)制與其他環(huán)節(jié)的獨(dú)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(gòu)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(chǎng)需求, 但沒(méi)有任何配額供應(yīng)者能夠保證找到買家。可再生能源項(xiàng)目業(yè)主仍然需要競(jìng)爭(zhēng)由RPS創(chuàng)造的需求。

RPS并不能保證可再生能源機(jī)組在RTO市場(chǎng)中被優(yōu)先調(diào)度。業(yè)主本身必須確保可再生能源設(shè)施在調(diào)度排序中擁有有利的地位。這是在SCED中通過(guò)報(bào)價(jià)形成的。業(yè)主報(bào)價(jià)越低, 在任何特定的市場(chǎng)周期內(nèi)發(fā)電機(jī)組被調(diào)用的可能性越大。

3.2 成本補(bǔ)貼制

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

成本補(bǔ)貼減少了一部分需要通過(guò)長(zhǎng)期借款和股權(quán)融資來(lái)回收的項(xiàng)目投資成本。這使得業(yè)主能夠在市場(chǎng)中報(bào)出更低的價(jià)格, 從而提高項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)提高在SCED市場(chǎng)中調(diào)用的概率。然而, 與RPS一樣, 除了在市場(chǎng)中可以提供較低報(bào)價(jià)以外, 沒(méi)有被調(diào)用的保證。

3.3 收入補(bǔ)貼制

在美國(guó)通常用于風(fēng)力發(fā)電的另一種激勵(lì)方法是收入補(bǔ)貼。前期項(xiàng)目必須在沒(méi)有補(bǔ)貼的情況下融資建設(shè)。當(dāng)項(xiàng)目建成后, 項(xiàng)目將以發(fā)電量為單位收到補(bǔ)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(bǔ)貼。

另一種與PTC具有相似功能的激勵(lì)制度是上網(wǎng)電價(jià)（FIT）。PTC為項(xiàng)目帶來(lái)的是在PPA基礎(chǔ)上的固定價(jià)格補(bǔ)貼, 而FIT則是固定了整個(gè)PPA的價(jià)格。目前美國(guó)有4個(gè)州實(shí)行可再生能源上網(wǎng)電價(jià)制度。其中3個(gè)由電力公司單獨(dú)定價(jià)。

4 調(diào)度運(yùn)行問(wèn)題

在改革后的美國(guó)市場(chǎng), 對(duì)市場(chǎng)定價(jià)的深度依賴也影響了電網(wǎng)運(yùn)行的其他方面。舉例來(lái)說(shuō), 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(jì)性在需要時(shí)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(jī)組（同樣是行政指令）與系統(tǒng)相連; 市場(chǎng)化改革后, 輸電系統(tǒng)規(guī)劃是由遠(yuǎn)期系統(tǒng)目標(biāo)而不是單個(gè)發(fā)電機(jī)組決定。

4.1 減出力

減出力是常用的避免線路過(guò)載或超過(guò)安穩(wěn)限制的手段, 在電力市場(chǎng)中, SCED很大程度上避免了通過(guò)調(diào)度指令降低可再生能源出力, 因?yàn)镾CED會(huì)對(duì)所有發(fā)電機(jī)組的報(bào)價(jià)和曲線進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化, 對(duì)可能影響阻塞線路的發(fā)電機(jī)組發(fā)出最經(jīng)濟(jì)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(jī)組的節(jié)點(diǎn)電價(jià), 機(jī)組越多則價(jià)格越低。本質(zhì)上, SCED直接降低發(fā)電端的節(jié)點(diǎn)電價(jià), 直到有足夠的機(jī)組因價(jià)格過(guò)低而放棄發(fā)電, 高價(jià)機(jī)組由于經(jīng)濟(jì)性停機(jī), 而不是調(diào)度機(jī)構(gòu)的指令。

任何由阻塞造成的節(jié)點(diǎn)電價(jià)降低都會(huì)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(jì)性的原因未讓風(fēng)電和光伏機(jī)組發(fā)電, 這些新能源機(jī)組的所有者也能通過(guò)持有CRR獲得部分收益。

4.2 輔助服務(wù)

更多的風(fēng)電和光伏發(fā)電需要更多、更快的輔助服務(wù), 對(duì)美國(guó)電力市場(chǎng)產(chǎn)生了2點(diǎn)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(jià)值得到提升。（2）提高快速響應(yīng)價(jià)值將激勵(lì)對(duì)風(fēng)機(jī)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(chǎng)改革也為負(fù)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(jià)格有足夠吸引力的情況下, 可以自愿降低負(fù)荷。如果在調(diào)度機(jī)構(gòu)的輔助服務(wù)中中標(biāo), 負(fù)荷會(huì)按停用小時(shí)數(shù)收到備用費(fèi), 收益為節(jié)點(diǎn)電價(jià)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(duì)清潔能源調(diào)度和成本回收有間接但很大的影響, 風(fēng)電和光伏發(fā)展帶來(lái)了2個(gè)新問(wèn)題：（1）已建輸電系統(tǒng)距風(fēng)能和太陽(yáng)能條件較好地區(qū)較遠(yuǎn)。（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(gè)策略問(wèn)題。為了最大化通過(guò)電力市場(chǎng)定價(jià)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(guó)電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)即把風(fēng)能和光能適合發(fā)電的地區(qū)納入考慮, 這一實(shí)踐由得克薩斯州在電力市場(chǎng)重建中首先實(shí)施, 并在許多其他的可再生能源豐富的電力市場(chǎng)中應(yīng)用。

新建輸電線路的成本由社會(huì)共擔(dān), 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(chǎng)定價(jià)決定。如果有輸電通道連接風(fēng)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(jìng)爭(zhēng)。

4.4 儲(chǔ)能的新角色

儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)存在了幾十年, 早于電力市場(chǎng)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(chǔ)能和大規(guī)模電池技術(shù)近期也逐步推廣。

在電力市場(chǎng)中, 技術(shù)問(wèn)題并不是儲(chǔ)能大規(guī)模應(yīng)用面臨的唯一挑戰(zhàn)。最重要的問(wèn)題是監(jiān)管。儲(chǔ)能本質(zhì)上是一個(gè)可靠性問(wèn)題（在這種情況下, 儲(chǔ)能成本會(huì)平攤到所有負(fù)荷）, 還是一個(gè)發(fā)電問(wèn)題（在這種情況下, 儲(chǔ)能成本應(yīng)包含在可再生能源發(fā)電項(xiàng)目中）, 電力市場(chǎng)無(wú)法對(duì)于同一個(gè)設(shè)施分別設(shè)置2種競(jìng)爭(zhēng)性的和非競(jìng)爭(zhēng)性的成本回收機(jī)制。如果某種設(shè)施加強(qiáng)了特定發(fā)電機(jī)組的市場(chǎng)地位, 而成本由社會(huì)平攤, 則這一特定發(fā)電機(jī)組的競(jìng)爭(zhēng)者將受到影響, 并可能構(gòu)成人為干擾市場(chǎng)的行為。

5 結(jié)論及對(duì)中國(guó)的啟示

在美國(guó)電力市場(chǎng)中, 市場(chǎng)價(jià)格和電力調(diào)度的結(jié)合成為促進(jìn)可再生能源增長(zhǎng)的重要因素, 這一變化在區(qū)域電力市場(chǎng)中表現(xiàn)的尤其明顯。在傳統(tǒng)市場(chǎng)中, 這一原則也通過(guò)不同的機(jī)制得到體現(xiàn)。

基于價(jià)格的調(diào)度和基于行政命令設(shè)置價(jià)格的區(qū)別在于發(fā)電機(jī)組的收入取決于供求關(guān)系, 也對(duì)清潔能源的風(fēng)險(xiǎn)控制和超前規(guī)劃提出更高的要求。同時(shí), 還意味著在很多情況下, 一個(gè)項(xiàng)目的收入不只取決于裝機(jī)容量, 而是系統(tǒng)性的變化。清潔能源項(xiàng)目的收入由電力市場(chǎng)結(jié)算和PPA補(bǔ)貼組成。區(qū)域市場(chǎng)的結(jié)算價(jià)格可能會(huì)變化, 但收入波動(dòng)可以通過(guò)差價(jià)合約和阻塞收益來(lái)管理。

中國(guó)電力市場(chǎng)尚未建立, 但通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整, 美國(guó)的一些市場(chǎng)機(jī)制也可能直接應(yīng)用并獲得成功, 本文中美國(guó)清潔能源調(diào)度機(jī)制對(duì)中國(guó)主要有以下啟示。

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

（2）完善調(diào)峰、調(diào)頻及輔助服務(wù)機(jī)制是清潔能源發(fā)電調(diào)度的保障。美國(guó)在大力發(fā)展清潔能源發(fā)電的同時(shí), 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(chǎng)機(jī)制。

（3）清潔能源和電力系統(tǒng)建設(shè)要統(tǒng)籌規(guī)劃。市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)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(guò)價(jià)格信號(hào)的指引可實(shí)現(xiàn)清潔能源和電力系統(tǒng)建設(shè)的有機(jī)統(tǒng)一。

原標(biāo)題:【精彩回顧】批發(fā)電力市場(chǎng)中清潔能源發(fā)電及調(diào)度――美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)