北美辅助服务市场简介及新品种

中国新闻网 刘 欣2019-12-05 00:41:01
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北极星储能网讯:摘要:风、光可再生能源发电与生俱来的间歇性、波动性给电网的运行带来了很大的隐患,前言部分仅仅展示了两种情况。为了减轻负面影响,并激励可控负荷、储能等新兴资源参与辅助服务市场,北美各ISO不断改革创新,努力探索新形势下的辅助服务新品种。

(来源:微信公众号“电力市场那些事儿”作者:郎木晨烟)

一、前言

还是以鸭形曲线开始:

上一篇提到净负荷曲线的波谷,对于以燃煤机组为主的我国来说,是个极大的挑战。曲线中还有一点也很麻烦,就是爬坡需求(ramp need)。图中,3个小时,净负荷上升13000MW。考虑2016年,加州装机57124MW,即常规机组的出力在3小时内变化了25%左右。对机组的连续快速爬坡能力提出了要求,这是问题一。

再看张某光伏电站日功率图:

这是一个夏日,坐标魔都,天气晴朗、风和日丽,但是随风飘过的朵朵白云给光伏出力带来了很的影响。设想下,当区域内光伏渗透率高到一定程度时,势必给当地电网安全稳定运行带来影响,导致频率偏离正常范围。按照电网运行规则,这样的波动应该由调频辅助服务来处理。但是如此连续、频率的功率波动,对于常规调频机组是个考验。这是问题二。

怎么办呢?我们看看北美电力市场是怎么做的。

二、北美市场中的辅助服务

正式介绍之前,我们先看看北美电力市场中常规的辅助服务项目。北美共有9个ISO,7个在美国本土或以美国为主(PJM、ISO-NE、NYISO、ERCOT、SPP、MISO、CAISO),两个在加拿大(AESO、IESO)。

按照FERC(联邦能源监管委员会)的888号令,北美地区的辅助服务包括6种辅助服务:电网调度服务、无功电压控制、调频、不平衡电量服务、旋转备用、运行备用。此外,PJM等市场还提供黑启动服务[1]。

其中,不平衡电量服务事实上属于实时能量市场范畴;而电网调度服务是ISO/RTO向市场参与主体提供的调度运行,费用由市场成员承担;无功电压控制、黑启动由ISO/RTO集中采购,向输电用户分摊。

调频和备用服务则是采用市场机制组织,与能量市场紧密耦合,联合优化出清。本文针对调频和备用。

调频是一种高等级的备用,经常被称作调节备用。调频用来应对系统扰动或负荷波动,以维持短时间内的供需平衡、频率稳定,主要通过自动发电控制AGC来实现。调频服务属于高品质的辅助服务,当波动或扰动超过一定时间时,提供调频服务的机组退出,由实时机组/备用机组顶上,以维持系统必要的调频容量。

备用又称为运行备用(OR,Operation Reserve),由于各个ISO相互独立、规则各异,备用服务各种类的名字也不尽相同,但从大类上都分为旋转备用和非旋转备用,前者要求提供服务的机组与电网同步运行,后者则没有这方面的要求。备用机组的响应时间和持续服务时间,不同ISO也给出了不同的规定。下表为各ISO的备用种类:

乍一看,会有些迷糊。也不需要深究,这都是各ISO基于各区域电源、网架、负荷的状况,通过模型演算结果选择的备用类型。每种备用服务都对应一个需求参数,即在日前/实时市场,对提供这类服务的机组的容量需求,该需求随着季节、天气、经济等客观条件会有所调整。以ISO-NE(新英格兰地区)为例,10min旋转备用和10min非旋转备用的总量要等于系统中最大的N-1故障容量乘以一个调整系数,其中前者要占比25%~50%。对于30min运行备用,可以与系统同步,也可以不同步,要求容量参数为N-2故障容量的一半[2]。

辅助服务的供应曲线类似于能量曲线,阶梯报价、单调递增。需求曲线则不同,不再是单调递增的阶梯曲线,而是一条垂直于X轴(功率,MW)的直线,X轴坐标对应备用需求容量。供需曲线相交点即为出清点,对应价格为出清价格。辅助服务市场和能量市场联合优化,发电资源可以同时参与多市场报价,得到能量、调频、备用的出清结果(包括容量和价格)。在某些ISO,市场参与的类型会受到限制,比如PJM,不能同时参加同步备用和调频市场[3]。

调频服务属于系统性服务,与资源位置无关,因此采取ISO全区域统一报价、集中出清的市场机制。备用服务则与位置有关,采用分区域的方式。其中,ISO-NE、SPP、CAISO都有4个子区域,PJM有2个,NYISO对应3个,MISO(中西部大陆)地域辽阔,有7个子区域。也有不分区域的,ERCOT、AESO、IESO。

除了AESO只在日前市场组织辅助服务之外,其他ISO/RTO均在日前、实时市场开展辅助服务交易。

过去的二、三十年间,在传统的“源随荷动”的电力供需方式下,北美各ISO的辅助服务市场有效的支撑了电力系统的安全、稳定运行,并给市场主体带来了丰厚的收益。

随着发展低碳、无碳能源的呼声越来越高,美国的可再生能源发电比例逐年增大。以德州为例,2016年2月28日,该州的风电瞬时出力达到1402万千瓦,风电满足了全天40%的用电量。

风、光可再生能源发电与生俱来的间歇性、波动性给电网的运行带来了很大的隐患,前言部分仅仅展示了两种情况。为了减轻负面影响,并激励可控负荷、储能等新兴资源参与辅助服务市场,北美各ISO不断改革创新,努力探索新形势下的辅助服务新品种,下面就介绍2个。

三、辅助服务新品种

1、CAISO的FRP

加州电力市场虽然在本世纪初遭遇滑铁卢(参见本公众号文章“中长期交易为什么能规避风险?从加州电力危机说起”),但加州电力市场人秉承一贯的“西部牛仔”的战斗精神,败而不馁、挫而不折,愈挫愈勇,不仅成功的站了起来,而且提出了全美领先的能源转型计划:可再生能源发电将在2020年占比33%,在2030年达到50%,2045年达到100%。