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都在說鼓勵電力需求響應,怎么做最佳?

作者:中國儲能網新聞中心 來源:南方能源觀察 發布時間:2020-02-17 瀏覽:
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文 | 張柳潼

編譯 | eo記者 姜黎

在一個完全競爭市場里,如果用戶能夠對價格有足夠的響應能力,那么批發市場總是能夠順利出清。這時,市場價格信號非常可靠:供應短缺,價格上升,直至有足夠的用戶自愿削減負荷來平衡市場的短缺。這種情況下,用戶從不會遭遇強制錯峰限電。

但真實情況是,由于沒有實時表計、計費和其他必要設備,電力用戶無法實時地對電力價格進行響應,電力市場只能接受“需求側缺陷”。更重要的是,儲能設備成本仍然高企,當容量稀缺時,負荷側的彈性小,供應短缺時用戶被迫輪流停電(如圖1所示)。

圖1:供給和需求不能平衡時引起的限電/停電

Source:  WaterRock Energy Research and Analysis

先進的技術應用,如智能電表、家庭能源管理系統、可穿戴智能設備等,為需求側主動參與電力市場,減輕市場失靈提供了條件。

需求響應(Demand Response,DR)一詞的定義是,用戶參與電力市場,對特定的市場變化進行主動響應,改變其用電需求。一般來說,主要分為兩類:一類是參與電力市場的供應側,這種需求響應在競爭市場里是可被系統運營商調度的,并且能夠獲得補償,不響應則受到懲罰。另一類是參與需求側。用戶對價格信號自愿做出反應。這種以價格為基礎的響應能鼓勵用戶在高電價時段主動削峰,但這些價格敏感的負荷在實時市場中不能直接被系統調用。本文將重點介紹供應側可調度的需求響應項目。

圖2:需求響應分類

Source: Modified from A.S. Hopkins, M, Whited, Best Practices in Utility Demand Response Programs, With Application to Hydro-Québec’s 2017–2026 Supply Plan, March 31, 2017, page 5.

DR應用于供應側有自身的特點。與燃氣機組可以全天候待命運行不同,DR資源受制于數量和負荷削減的可持續性,并不是隨時隨地可調遣的;同時,一些DR資源可能需要有一定預設時間的通知才能在系統需要時做出響應。所有這些都讓DR資源變得不那么“靠譜”。但DR的這些特點讓它更適合作為“尖峰”存在,發揮容量備用的功能。

需求響應如何融入電力市場?

中國多個省區都在推進競價市場建設,這個時候有必要研究需求響應如何與市場協調發展。本文對新加坡和美國德州這兩個單一電能量市場,以及PJM這個能量+容量市場中需求響應的情況進行了分析,以期為中國電力市場建設提供一些借鑒。

表1總結了這三個市場中DR參與能量市場、容量市場以及輔助服務市場的情況。

表1:新加坡、美國德州和PJM電力市場中的需求側響應

Source: Data Collation from Various Market Summary Reports from Governments/Regulators by WaterRock Energy

能量服務。在系統正常運行時,可調度DR的參加率是微不足道的,因為能量市場的價格通常不足以激勵DR資源主動發電或削峰。

容量或緊急備用服務產品。在擁有容量市場的地方,比如PJM,DR可以參與到容量市場中,提供“合格”的容量而獲得補償費用。容量補償機制在PJM市場中對DR產業發展起到了很好的激勵作用。即使是在單一電量市場中,緊急響應機制也可以用于促進DR資源進入市場,比如美國德州電力市場。

輔助服務市場。這三個市場中,DR被看作一類特殊的電廠,都可以作為備用資源提供輔助服務。

圖3:在三個市場中DR的參與率

Source: WaterRock Energy Research and analysis

新加坡電力批發市場中的需求響應

新加坡電力現貨批發市場于2003年正式啟動運行。它是一個單一電能量市場,電源主力是天然氣發電廠,因常年氣候溫暖,且工業負荷占比大,負荷曲線較為平穩。2012年到2016年間,大量的燃氣電廠投產,導致近年來出現了供給過剩的情況,拉低了現貨價格。過去5年中,幾乎沒有出現價格上漲現象。因此,市場對需求響應的吸引力較弱。

圖4:新加坡需求響應的歷史

如圖4所示,在新加坡市場中主要有兩種DR資源:一種是在輔助服務市場中的可中斷負荷,而這種資源在2018年到2019年間,使用量僅27MW;另一種是電量市場的需求響應,由于市場價格較低,對不合規格的DR懲罰較高,從2014年引入開始直至目前幾乎沒有應用。

2004年,新加坡引入了可中斷負荷,允許用戶為系統提供旋轉備用服務,并給用戶以相應的備用補償費用,可參與的單個最小負荷單元為0.1MW。近日,新加坡能源管理局(EMA)修訂規則,負荷集成達到0.1MW也可參與該項目。系統運營商要求這些負荷必須安裝“監測-記錄-激活”設備,以便讓調度員隨時知曉、監測和控制相關負荷設備。這些設備必須參與初試和持續的反應能力測試,過往響應失敗的記錄也受到密切跟蹤,確保它們能夠完全符合調度指令要求。對于參與響應而實際又無法執行指令的資源,罰金為損失負荷值與預備容量乘積的50%。如果發生概率過高,需要遏制,EMA可將該比例提高至100%。截至目前,僅7個用戶在市場注冊提供可中斷負荷服務,總容量為27.5MW(相當于尖峰負荷的0.4%)。

2014年,新加坡市場引入了可參與現貨批發電力市場中的可調度DR。符合要求的負荷資源需要在批發現貨市場中競價,其競價曲線是價格越高需求量越低。當DR資源報價低于傳統電廠時,他們就將被調用,所以他們也可能決定批發市場的邊際價格。這類資源對于電力稀缺時段來說是非常寶貴的,系統運營商可以對參加競價的負荷有效地進行自主性削減。

這種機制運作的核心是如何訂立“基準線”,即負荷削減量是相對什么基準來衡量。通常來說,“基準線”是基于歷史負荷曲線來設定的,但是新加坡能源局(EMA)考慮到基于歷史負荷的“基準線”可能導致市場主體過度博弈。例如,一個體育場為了增加它參與需求響應時可以獲得的報酬,可能會持續一段時間白天黑夜都不熄燈,以此提高過往電力消費量的基準線。為了減少這種博弈,新加坡把“基準線”定為一個固定的財務承諾,如果用戶沒有達到申報的基準消費電量的95%,即便是DR沒有被調度,也要繳納相應罰金。

EMA針對DR資源的特性還設置了一系列規則:

DR自2014年被引入電力市場起,DR參與的“地板價”是F級燃氣電廠長期邊際價格的1.5倍,只有當報價高于此價格時,才可被納入市場出清范圍。設置“地板價”是為了防止DR參與者的投機行為。EMA近期在考慮是否下調“地板價”以反映供給過剩的情況。

削峰電量也有上限,為200MW。

為了激勵DR參與市場,補償費用并非基于邊際定價,而是基于消費者剩余增加(consumer surplus) 的三分之一來計算。市場出清機制運行兩次,一次是有DR參與的,另一次是沒有DR參與的,具體情況如圖5所示。DR的提供能降低了批發電力市場出清價格,從而增加消費者剩余;DR提供者的補償費用是消費者剩余增加的三分之一,最高可達4500新加坡幣/兆瓦時(折合人民幣23元/千瓦時)。

懲罰機制相對嚴格。如果接到調度指令而未執行,需要支付消費者剩余增加的三分之一,上限為4500新加坡幣/兆瓦時 (折合人民幣23元/千瓦時)。即使他們沒有收到相關指令,如果用電量低于預測的95%也將受到懲罰。

圖5:新加坡需求響應價格激勵機制示意圖

Source: WaterRock Energy Economics

自2014年引入DR以來,新加坡市場幾乎沒有用戶參與。鉆石能源(Diamond Energy)在2017年代理它的競爭性用戶(約7.2MW)參與了市場。還有一家私人電力零售商,紅點電力(Red Dot Power)聯合新加坡南洋理工學院、淡馬錫理工學院和技術教育學院發布了線上響應試點激勵計劃。參與的機構如能自愿削減尖峰用電需求,可獲得一定補償。但用戶最近都不愿續簽合同,因為補償和懲罰不匹配。

在當前機制下,DR收入金額具有不確定性。由于DR參與程度低,DR對出清價格影響可能微乎其微,導致沒有產生多少消費者剩余。因此,DR提供者不能確定被調度后他們能夠獲得多少回報。最壞的情況下,收入可能接近零。在供給過剩、價格偏低的大環境下,這個問題變得更加嚴重。同時,嚴格的設備要求和高額懲罰也在“勸退”DR資源。再者,新加坡比較獨特的基準線的確立使得只有負荷預測最精準的用戶才可為市場提供DR服務,因為即使不會被調度,但實際需求“不達標”也要承受懲罰。

啟示

中國部分省區正在推進電力現貨市場建設。然而,當前市場中,“價格帽”相對較低。幾乎所有競爭市場的“價格帽”都在1元/千瓦時以下,明顯低于其他各國電力市場。

一些市場在夏季存在電力電量短時供不應求的情況,低價格帽使尖峰電價失去了意義,同時也大大降低了用戶在電力稀缺時段主動削減負荷的動力,進而減小了對需求響應技術的投資。可以預見,需求響應很難融入到目前中國的電量市場當中。

根據新加坡的案例,如果對不執行指令的懲罰值設定過高,需求響應的參與度也將受到負面影響。另外,新加坡設置的獨特的“基準線”和以消費者剩余增加決定的價格機制也不利于需求響應參與電力市場。因此,不建議中國采取類似模式。

美國德州(ERCOT)市場中的需求響應

美國德州電力可靠性委員會(ERCOT)運行著日前和實時電能量市場,“價格帽”達到9000美元/兆瓦時(約合人民幣62元/千瓦時)。和美國其他許多ISO運營的市場不同,德州市場沒有資源充裕度要求,因此沒有容量市場。如圖6所示,德州市場有以下幾種需求響應項目。

圖6:ERCOT需求響應的歷史

輔助服務。可控負荷資源可以提供備用、非旋轉備用和調節調度服務。2018年有1730MW(約為峰荷的2.4%)參與。

緊急響應。雖然ERCOT沒有容量市場,但它會通過競爭性投標購買緊急容量資源。2018年參與這種響應的負荷為773MW(約峰荷的1.1%)。

電能量市場。負荷資源在電能量市場中報價,但參與程度很低。

2002年以來,ERCOT允許負荷項目(Load acting as Resource, LaaR)參與輔助服務市場。負荷能夠為德州批發市場提供旋轉備用服務,以保障在大機組出現事故后系統能盡快恢復頻率。這功能與使用低頻繼電器的大型負荷特性相匹配,所以有很多負荷合規格。提供服務的負荷項目(LaaR)上限最開始定為總旋轉備用服務需求的25%,2006年提升到了50%。

2011年,ERCOT確定執行“可控負荷資源”(CLR)項目。相比LaaR,CLR項目有著更嚴格的要求,允許負荷提供旋轉備用和調節調頻輔助服務。ERCOT沒有對CLR在供給旋轉備用服務中設定上限。CLR必須具備類似電廠的能力,對系統的頻率變化自動做出響應,并對調度提出的2秒鐘信號做出回應。

雖然ERCOT沒有對參與輔助服務的負荷提供隱形補貼,同時要求負荷具備與電廠相似的響應能力,但輔助服務市場中DR的滲透率依然較高,特別是旋轉備用輔助服務。DR參與輔助服務市場的積極性來源于其本身適合市場的諸多特性,而且市場給予了可靠的備用性費用。此外,由于備用并不是經常需要,用戶無需為了提供輔助服務而大幅改變自己的用電習慣。

2006年春,德州市場發生了自啟動以來的首次“甩負荷”事件。事后分析結論是,如果當時有部分負荷能夠主動削減,就可以避免系統“甩負荷”。2008年ERCOT啟動了一項名為“緊急可中斷負荷服務”(EILS)的新項目,允許DR參與市場,直接對批發市場價格進行響應,后更名為“緊急響應服務”(ERS)。為吸引更多的DR資源參與市場,ERCOT不斷在微調規則。一開始時,負荷必須在接到ERCOT指令10分鐘以內做出響應,幾年后,市場又增加了一種30分鐘內響應的品種。2013年,ERCOT推出了一種天氣敏感的ERS項目,以評估空調等受天氣影響顯著的負荷參與緊急響應的潛力。

ERCOT每年為ERS項目進行三次競爭性招標,并設立年度開支上限。這類似于戰略儲備,這些儲備不會對批發電力市場正常運行情況下的能源價格做出反應,只有在能源稀缺時才會被激活。此外,ERCOT還執行了一個可靠性價格加法方式(reliability price adder),以避免ERS或負荷資源被調度時發生價格反轉。總體來說,DR參與ERS的積極性相對較高。

2014年,ERCOT開始允許CLR通過提交需求側報價參與到實時電能量市場。他們需要遵守5分鐘實時調度指令。但參與度非常低。2018年,可能因為要求過高,沒有一個負荷資源符合實時市場的經濟調度要求。

啟示

ERCOT在響應旋轉備用服務和緊急響應服務(ERS)中有大量DR資源。旋轉備用及緊急響應服務與DR資源的特性相匹配,且用戶知道僅在緊急情況時才會被調用,不會對生產造成過多“打擾”。中國也有很多大工業負荷,可以參照德州的方式來設計需求響應參與市場的模式。

美國PJM市場的需求響應

PJM電力批發市場在1997年開始運行。2000年,因緊急情況削峰,引入了DR試點項目。在市場不斷發展的20年中,如圖7所示,ISO為負荷側提供了許多參與市場的機會。

圖7:美國PJM需求響應的歷史

當2007年PJM啟動容量市場(又名可靠性定價模型)時,需求響應就被允許進入。容量市場引入了交割年前三年“基礎容量拍賣”(BRA)(比如,2015年的BRA購買2018/19年的容量)。如圖8所示,美國各地電力市場中,PJM的DR是最著名、最成功,也是發展最快的。

容量市場對DR的補償和給電廠的類似。在遠期容量市場中,大量的DR報價出清。2015/2016的交割年,有超過10000MW負荷在遠期容量市場中出清,占整個容量需求的6.3%。

圖8:PJM容量市場中承諾的需求響應容量,MW

Source: pg 14 of 2019 Demand Response Operations Market Activity Report, January 2020

DR參與容量市場同樣要遵循一些規則,包括以下幾點:

可中斷次數。在PJM容量市場運行的頭幾年中,DR產品允許有限次中斷。

告知時間可有不同但要設置上限,PJM設置有30分鐘告知時間的,也有60分鐘和120分鐘的。

可用時段可以限制在工作時間,以最大限度提高參與度。

中斷時長根據供應短缺事件的情況設置最大值。

剛開始的幾年里,PJM允許DR只在夏天的幾個小時參與容量市場,而且DR可以只收到固定數量的調度指令。當DR比例較小的時候,這并沒有對系統可靠性造成威脅。但隨著DR在容量市場中出清比例不斷增長,PJM發現合格的DR資源比電廠的可用性限制要多,造成了一定的可靠性風險。當其超過整個容量市場的5%時,就會替代電廠,減少僅可由電廠承擔的備用比例。因此,DR越來越有可能以超出其可用性要求的頻率和季節性被調用。這導致在夏季和其他季節出現供應短缺的風險升高。

為了減低可靠性風險,2014/15交割年時,PJM設計了三種單獨的DR服務,分別是限期夏日DR(即原本的有限可用性要求)、展期夏季DR和年度DR。隨后,PJM強制執行了年度DR產品的最低采購要求,以及展期夏季+年度DR的最低采購量。設定最低限額的目的是提高通過拍賣獲得的DR資源的總體質量。高質量的產品可以繼續獲得與發電容量相同的付款;符合最低要求,但質量較差的產品必須以較低的價格出清。此外,PJM還加強了建立DR資源容量評級的計量和驗證(Measurement & Verification)方法。根據圖8所示的出清后的容量市場DR資源,即使有了更嚴格的準入條件,數量仍然相對較高。

PJM允許DR參與日前和實時電能量市場以及輔助服務市場,但參與水平遠低于容量市場,主要是因為補償費用往往低于容量市場。因此,DR資源通常優先考慮參與容量市場的競爭。

在容量市場出清后的需求響應資源有義務參與電能量或輔助服務市場。它們通常以“天花板”價參與電能量市場,因為它們通常不希望在其它所有資源都耗盡之前被調用。基本上DR資源就是在系統稀缺期間被用作備用的“容量”。

啟示

PJM的經驗表明,需求響應可以在供應側非常深度地參與容量市場。同時也可作為可調用的資源參與電能量市場,在緊急情況下具有定價能力。

預計中國將在多數省份引入競爭性容量市場。DR應被允許參與容量市場,其參與資格應仔細確定,需要在資格審查與高昂成本以及繁瑣的規則間找到平衡點。

中國如何引入需求響應?

在電量市場中,需求響應的價值是在供給稀缺時段“削峰”。盡管市場設置了詳細的需求響應機制,但可調度的需求響應資源參與率普遍較低。一定程度上是因為價格飆升和稀缺時段在能量市場中很少見。這使得主動投資研發應用需求響應技術,創業成為負荷集合商變得不經濟。

此外,目前我國不同省份的電力市場設計價格上限較低,降低了在電力緊缺時段主動削減負荷的經濟性。這意味著DR通過市場化方式融入中國電力能量市場的可能性非常低。

基于對國際電力市場的分析,DR資源可以在輔助服務和容量市場中發揮作用,并提供有價值的容量來確保電力系統的可靠性。輔助服務和容量市場的補償機制也很好地契合了DR的特征——它們提供可靠的可用性補償,但只在需要時調用DR,從而避免使負荷資源頻繁地改變其電力消費模式。

為了鼓勵需求響應進入市場,中國應認真研究如何將需求響應最好地整合到輔助服務市場和未來可能有的容量市場中。實際上,在正式引入容量市場之前,中國也可以考慮引入應急響應服務,類似于美國ERCOT市場的做法。一旦容量市場正式引入,PJM容量市場為中國提供了豐富的經驗。

在開始階段,DR資源的資格認定并不一定要非常嚴格和繁重,以免打擊負荷資源參與的積極性。相反,當DR在市場中的滲透率較低時,監管機構應在準入資格方面提供最大的靈活性,以吸引不同類型的DR資源。一旦達到某個閾值(比如5%),監管機構可以參考PJM的做法,考慮收緊市場規則,將不同類型的DR資源與它們所能提供的不同類型的價值服務區分開來。

關鍵字:電力需求響應

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