David Hurlbut1, 马莉2, Ella Chou1, 张凡2, 范孟华2, 李景2, 曲昊源2
(1. 美国可再生能源实验室（NREL）,美国 华盛顿 2004-2157；2. 国网能源研究院,北京 102209)
来源：微信公众号“中国电力杂志”ID：zgdl1956
引用本文
David Hurlbut, 马莉, Ella Chou, 张凡, 范孟华, 李景, 曲昊源. 批发电力市场中清洁能源发电及调度——美国的经验[J]. 中国电力, 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。
0 引言
近几十年, 美国电力市场经历了不同发展阶段。本文将研究这些改革对清洁能源调度的特殊影响。
调度和批发电价的形成与美国的电力市场改革密不可分。行政定价越来越少, 调度忽视定价的情况也越来越少。随着行政定价行为的减少, 美国的电力市场改革旨在由供需情况来决定批发电价。这2个经济因素的结合即是调度过程。因此, 清洁能源发电机组或任何其他发电机组如何参与市场决定了它是否被调度以及能获得多少利润。
本文考虑了美国电力市场的所有类型, 但更侧重于区域电力市场（RTO）模式下的经验总结。这些市场已经采用最先进的基于市场驱动的调度系统, 对清洁能源投资的影响是最透明的。在RTO范围内, 一些市场原则比较容易观察到。这些市场原则有时也出现在美国没有进行重大市场改革的地区, 其方法也适用于这些地区的情况。同样, 中国也许能以不采用RTO模式的方式实现这些市场原则。
1 美国改革市场的价格形成
首先解释相关术语。本文中, “ 市场” 是指基于供需形成价格的自愿能源交易。行政上设定的价格不是市场价格。因此, 任何具有行政设定价格的交易都不包括在本文所说的市场中。这一区别很重要, 因为在美国实施的大多数电力市场改革都是基于市场的价格。因此, 如果改革缺乏完善的市场机制, 不能保证价格根据供需进行调整, 那么即使应用最成功的美国改革经验也可能导致失败。
改革后, 美国电力市场通过基于市场的定价相互关联。
虽然市场价格不能保证, 但如果有充分正确的信息, 价格可以在一定程度上进行预测。
即使在市场环境下一些特定的服务也可以由政府定价。然而, 极其重要的是, 不要对同一商品混合市场定价和政府定价。
因此, 本文中使用的“ 市场” 不包括政府确定能源价格的程序和决策过程。
2 美国电力市场结构
RTO是美国重组竞争性市场努力的最高点, 反映了美国一些地区的趋势, 远离服务成本管制和政府定价。本节概述了垂直一体化公用事业公司和RTO之间的差异。RTO通常在较大的地理区域运行, 使可再生能源的接入更容易, 成本更低。本节将在成本回收、可再生能源的获取和可再生能源的运行等方面对比2个模型。
图1和图2对比了垂直一体化公共事业公司和RTO的运行和商业信息流。传统公用事业公司将所有客户的电力需求合成负荷曲线。其控制中心对发电资源组合进行调度, 以满足公用事业公司所有输电和配电资产的需求。与需求相关的信息流向公用事业公司, 其利用自身的发电组合（包括来自独立发电商的采购）满足所有这些需求。
在改革市场中, 客户需求在几个负荷服务商（LSE）之间分配, 并且发电在几个发电公司之间分配。电网运行由新的实体区域传输组织或独立系统操作员负责。
改革市场有另一个新组织— — 调度实体（SE）。图2显示了SE如何作为LSE、发电商和RTO之间的协调人。SE的工作是将来自一个或多个LSE的负荷信息合并到一个整合的计划中, 并将负荷计划与在线并且可用于满足该负荷量的发电机组相匹配。该计划还包括每个发电机组的报价曲线。然后, 这些负荷和发电机组的平衡计划被发送到RTO, RTO使用这些计划信息进行日前和实时电网操作。一般来说, 每个LSE和每个发电机组只能通过一个SE操作, 并且禁止由RTO直接处理。
RTO具有关于输电系统的当前状态的详细信息, 在下一个工作日的每个小时, 以及通常每5 min实时地执行SCED。SCED确定包括在所有SE的调度中的哪些发电机被分派, 在所有调度中选择以最小成本满足对整个系统的需求的资源组合而不违反任何安全约束。
发电机组投入电网的所有发电量由SCED控制。如果发电机组的实际输出偏离SCED超过市场规则的允许, 结算时可以对其罚款。发电罚款的多少由节点电价（LMP）来评估当时的计划外偏差电量。因此, 由可再生能源产生的每兆瓦时的电量通过RTO在财务上结算, 并由购电协议（PPA）中负荷服务商（LSE）支付。
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。
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。
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。
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。
原标题：【精彩回顾】批发电力市场中清洁能源发电及调度——美国的经验
