從1999年開(kāi)始電力市場(chǎng)建設(shè)至今，德州電源結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性變化，由主要是低效不靈活的煤電和燃?xì)鈾C(jī)組，發(fā)展到主要是新能源風(fēng)能、聯(lián)合燃?xì)鈾C(jī)組。

過(guò)去幾年，德州新能源滲透比不斷創(chuàng)造記錄，2017年10月27日，新能源最高滲透比達(dá)到54%，是第一次在有電力市場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境下規(guī)模比較大的電網(wǎng)達(dá)到這么高的可再生能源滲透率。

那么德州電力市場(chǎng)是如何促進(jìn)新能源消納的?需要怎樣的規(guī)則設(shè)計(jì)?

目前德州大部分電網(wǎng)由德州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT)調(diào)度管理。近期，ERCOT可再生能源并網(wǎng)首席工程師杜鵬偉，出席了由北京能見(jiàn)科技發(fā)展有限公司與中國(guó)電力科學(xué)研究院共同主辦"2018(第二屆)電力市場(chǎng)國(guó)際峰會(huì)(EM.IS)"，并發(fā)表了題為"德州新能源消納和電力市場(chǎng)機(jī)制的相互影響和推動(dòng)"的主旨演講，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了詳盡的闡述。

ERCOT可再生能源并網(wǎng)首席工程師杜鵬偉

ERCOT 管理2400萬(wàn)德州用戶

美國(guó)德州電力可靠性委員會(huì) ERCOT(Electric Reliability Council of Texas)是負(fù)責(zé)其范圍內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)行和管理競(jìng)爭(zhēng)性電力批發(fā)市場(chǎng)的獨(dú)立系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)ISO(Independent System Operator)。

ERCOT的所轄區(qū)域覆蓋了德州75%的面積和90%的負(fù)荷，并管理著2400萬(wàn)德州用戶。德州面積相當(dāng)于廣東廣西加湖南，比華東五省加上海略大一點(diǎn)。ERCOT管理超過(guò)74400公里的高壓輸電線路和550多臺(tái)發(fā)電機(jī)組。ERCOT裝機(jī)容量接近9000萬(wàn)千瓦，夏季高峰可調(diào)用裝機(jī)容量為7700萬(wàn)千瓦。

德州75%的負(fù)荷擁有零售選擇權(quán)

德州電網(wǎng)是一個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)，和外州沒(méi)有交流互聯(lián)，只通過(guò)5條直流聯(lián)絡(luò)線與美國(guó)東部網(wǎng)絡(luò)和墨西哥相連。這些孤立性給電力系統(tǒng)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，電力平衡必須在本區(qū)域內(nèi)完成。

從1999年德州立法確定開(kāi)展電力市場(chǎng)建設(shè)到零售、批發(fā)市場(chǎng)的相繼建立，德州只用了兩年的時(shí)間。目前活躍的零售市場(chǎng)成為了德州市場(chǎng)的一大特色。在德州75%的負(fù)荷擁有零售選擇權(quán)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其競(jìng)爭(zhēng)性零售市場(chǎng)內(nèi)超過(guò)90%的用戶都曾更換過(guò)零售商。這種零售商制度的引入極大提高了市場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率，并推動(dòng)了電能服務(wù)的差異化和多樣化。

目前德州電力市場(chǎng)主體主要分為三個(gè)，發(fā)電方、輸配電運(yùn)營(yíng)商、客戶。德州輸配電運(yùn)營(yíng)商被嚴(yán)格管制，德州公共事業(yè)委員會(huì)(PUCT)負(fù)責(zé)審批其新建輸電項(xiàng)目，并根據(jù)成本加利潤(rùn)的原則制定其輸電配電價(jià)格。而發(fā)電側(cè)和用電側(cè)則由競(jìng)爭(zhēng)決定，即引入電力市場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的最佳配置。

德州的電力批發(fā)市場(chǎng)設(shè)計(jì)分為日前市場(chǎng)、日內(nèi)市場(chǎng)以及實(shí)時(shí)市場(chǎng)。在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中，所有的發(fā)電機(jī)組都要進(jìn)行報(bào)價(jià)。市場(chǎng)要根據(jù)報(bào)價(jià)情況并考慮系統(tǒng)的安全性來(lái)決定出清價(jià)格，即在安全性約束下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度，ERCOT每5分鐘出清一次。

可再生資源的市場(chǎng)設(shè)計(jì)無(wú)需特殊處理

德州近幾年新能源尤其是風(fēng)能接入比較大，對(duì)電力市場(chǎng)的建設(shè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。德州開(kāi)始重新設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)市場(chǎng)機(jī)制時(shí)，內(nèi)部有一些爭(zhēng)議，核心就是如何對(duì)待和處理新能源。最后采取的方案是，新能源和市場(chǎng)上其他電源一視同仁，也要參與市場(chǎng)報(bào)價(jià)，在電力市場(chǎng)受到無(wú)差別的對(duì)待。盡管政府對(duì)新能源有一定補(bǔ)貼，其報(bào)價(jià)可以較低，但也必須遵守最基本的市場(chǎng)規(guī)則。

現(xiàn)貨市場(chǎng)中新能源逐漸替代傳統(tǒng)機(jī)組

容量市場(chǎng)或稀缺電價(jià)仍鼓勵(lì)長(zhǎng)期電源投資

當(dāng)然以德州的經(jīng)驗(yàn)而言，新能源的介入對(duì)現(xiàn)貨的價(jià)格影響很大。目前德州主要以燃?xì)鈾C(jī)組為主，電價(jià)必然跟天然氣價(jià)格關(guān)聯(lián)度會(huì)比較高。當(dāng)天然氣價(jià)格是4.5美元/MMBTu的時(shí)候，煤電就有價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，它在報(bào)價(jià)的低端，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)多數(shù)出清機(jī)組由煤電機(jī)組決定，煤電機(jī)組有一定的盈利空間;當(dāng)天然氣價(jià)格下降到2.5美元/MMBTu的時(shí)候，報(bào)價(jià)會(huì)發(fā)生很大的變化，這時(shí)候有可能是燃?xì)鈾C(jī)組決定出清價(jià)格，但是這個(gè)時(shí)候煤電的價(jià)格到了中部，損害了煤電的經(jīng)濟(jì)性和有效性，它有可能不會(huì)被市場(chǎng)所接受，或者被迫要接受損失。

(不同天然氣價(jià)格下的各電源報(bào)價(jià))

維持比較合理的電價(jià)是德州電力系統(tǒng)運(yùn)行追求的一個(gè)目標(biāo)，原因在于，比較合理的低電價(jià)可以吸引人口和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)整個(gè)用電量的上升，最終形成比較合理的電價(jià)趨勢(shì)。德州是頁(yè)巖氣的主要產(chǎn)地，目前來(lái)說(shuō)它的天然氣運(yùn)行在比較低的價(jià)格，一方面天然氣供給充足，另一方面，大量新能源的接入，使得電力市場(chǎng)整體能量?jī)r(jià)格歷史性降低，從每千度電77.39美元降低到24.77美元，去年平均價(jià)格是28.25美元。

與此同時(shí)，由于新能源發(fā)電的不確定性，以前主要由負(fù)荷引起的系統(tǒng)電價(jià)波動(dòng)性相對(duì)大幅增加。體現(xiàn)在兩方面，一是負(fù)價(jià)格的出現(xiàn)，這意味著傳統(tǒng)機(jī)組發(fā)電不但沒(méi)有利潤(rùn)反而要補(bǔ)貼負(fù)荷;二是高價(jià)格的出現(xiàn)次數(shù)比較多，反映了發(fā)電容量在負(fù)荷高峰時(shí)的稀缺。

在北美其它市場(chǎng)上是通過(guò)建設(shè)容量市場(chǎng)提供客戶長(zhǎng)期穩(wěn)定補(bǔ)償來(lái)保證容量的充足，煤電和核電可以能夠有一定收益性;德州市場(chǎng)是另外一種思路，容量稀缺必然會(huì)反映到實(shí)時(shí)價(jià)格上，推動(dòng)實(shí)時(shí)價(jià)格的上揚(yáng)，稀缺電價(jià)也會(huì)對(duì)長(zhǎng)期的電力投資起到一定促進(jìn)作用，最終依靠市場(chǎng)的作用來(lái)促進(jìn)用戶需求和裝機(jī)的容量的平衡。

(德州電源結(jié)構(gòu)變遷)

電力市場(chǎng)不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)

2010年12月1日，ERCOT 成功地從區(qū)域電力市場(chǎng)轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)電力市場(chǎng)。ERCOT設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)市場(chǎng)的主要目標(biāo)是改善價(jià)格信號(hào)，提高調(diào)度效率，直接分配局部擁堵費(fèi)用。市場(chǎng)交易頻率得到了改進(jìn)，由以前的每15分鐘出清一次變成了現(xiàn)在的每5分鐘出清一次，使得新能源發(fā)力的情況能夠比較準(zhǔn)確地被預(yù)測(cè)，市場(chǎng)就可以更好的應(yīng)對(duì)新能源的波動(dòng)性。

這個(gè)重新設(shè)計(jì)的綜合性節(jié)點(diǎn)市場(chǎng)主要有以下幾個(gè)部分：金融輸電權(quán)市場(chǎng) CRR(CongestionRevenue Rights)，能量和輔助服務(wù)聯(lián)合優(yōu)化的日前市場(chǎng) DAM(Day-Ahead Market)，可靠性機(jī)組組合 RUC(Reliability Unit Commitment)，以安全約束下的經(jīng)濟(jì)調(diào)度 SCED(SecurityConstrainedEconomic Dispatch)為核心的實(shí)時(shí)市場(chǎng)。

德州電力市場(chǎng)建設(shè)遵循從易到難、從無(wú)到有的原則，目前輔助市場(chǎng)并沒(méi)有跟實(shí)時(shí)市場(chǎng)進(jìn)行很好的優(yōu)化，現(xiàn)在僅僅是在日前市場(chǎng)進(jìn)行出清，所以它不是最優(yōu)的解決思路，所有資源配置進(jìn)行綜合考慮的時(shí)候才是最佳的方案。

根據(jù)ERCOT最新的評(píng)估，在今年發(fā)生的一次最高出清價(jià)格達(dá)到9000美金的事件中，如果在實(shí)時(shí)市場(chǎng)進(jìn)行聯(lián)合出清，在40分鐘(5次出清)后整個(gè)系統(tǒng)可節(jié)省5850萬(wàn)美元，因此，只有不斷進(jìn)行市場(chǎng)的改革才能達(dá)到資源最佳的配置。當(dāng)然，這種改進(jìn)需要大量的人力物力財(cái)力的相應(yīng)投資。

(橙色為聯(lián)合出清價(jià)格，藍(lán)色為現(xiàn)有出清價(jià)格)

輔助服務(wù)和能量市場(chǎng)是解決不同問(wèn)題的兩個(gè)市場(chǎng)，現(xiàn)階段要通過(guò)市場(chǎng)力量來(lái)保證電力市場(chǎng)可靠運(yùn)行、實(shí)時(shí)平衡，輔助市場(chǎng)反而更重要。

隨著新能源占比越來(lái)越大，對(duì)輔助服務(wù)市場(chǎng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在德州有三種輔助服務(wù)市場(chǎng)，二次調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用。由于大量新能源的接入，旋轉(zhuǎn)慣量從富余變成稀缺資源。除此之外，對(duì)于一次調(diào)頻和非旋轉(zhuǎn)備用能力的需求有很大的提升。如果不改進(jìn)，那么就只能造成兩個(gè)后果，一種是輔助服務(wù)市場(chǎng)的價(jià)格會(huì)有很大的提高。第二，對(duì)新能源而言，不得不棄風(fēng)棄光。

一些能夠提供快速反應(yīng)的技術(shù)，能夠有效的提高系統(tǒng)可靠性，這種新技術(shù)主要由負(fù)荷反應(yīng)和儲(chǔ)能來(lái)提供。通過(guò)建立一個(gè)合適的價(jià)格機(jī)制，可以吸引新技術(shù)參與到輔助服務(wù)市場(chǎng)中來(lái)。

這些電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)及改進(jìn)，也對(duì)新能源的選址、運(yùn)行和經(jīng)營(yíng)能力提高有一定的幫助，從而促進(jìn)了德州新能源較快的發(fā)展。過(guò)去的幾年中德州新能源滲透比不斷創(chuàng)造記錄，在2017年10月27日這天，新能源最高滲透比達(dá)到了54%，是第一次在有電力市場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境下規(guī)模比較大的電網(wǎng)達(dá)到這么高的可再生能源滲透率。德州新能源未來(lái)三年將繼續(xù)穩(wěn)健增長(zhǎng)。目前德州光伏裝機(jī)容量比較小，預(yù)測(cè)在2030年左右會(huì)超過(guò)現(xiàn)有風(fēng)能的裝機(jī)容量。目前ERCOT 也在建一條直流的線路，能夠很大程度提高新能源輸送的能力。