【储能发展建言】美国电化学储能在电网中应用的市场机制
编者按：储能在电力系统的应用，已成为我国能源转型和市场化改革进程中的一个重要技术手段和活跃因素。国网能源院新能源与统计研究所主要围绕电化学储能、储热、梯次利用，从政策分析、技术经济性、规划配置、运营模式、市场机制、并网接入管理和调度运行管理等方面进行研究，开发了包含储能模型的综合能源系统经济性分析软件、含储能运行模拟、太阳能热发电储热配比功能的新能源电力系统分析软件等软件工具。本专栏将围绕经济性与商业模式、发展关键问题、政策导向、国际经验等，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。
文章导读：美国电化学储能发展较快、电力市场建设较为成熟，储能在电网中应用的市场机制也先于我国进行探索与完善。本文分析了美国电化学储能在电网中应用的市场机制发展历程，重点介绍了储能参与调频辅助服务市场的情况，希望能够为我国储能在电网中应用的市场机制设计提供参考。
美国电化学储能在电网中应用的
市场机制
执笔人：雷雪姣、王彩霞、李梓仟
国网能源院
新能源与统计研究所
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美国储能应用市场机制发展历程
2007年以来，为推广储能应用、提升电网可靠性和运行效率、减少新建电厂投资以及促进新能源发展，美国联邦能源管理委员会（FERC）陆续颁布法令推动新能源参与市场。其中，890号法令（2007年）和719号法令（2008年）要求各区域电力系统运营机构（ISOs/RTOs）修订市场规则，允许储能进入电能批发市场；755号（2011年）、784号（2013年）和792号法令（2013年）强调各区域市场应允许储能参与调频服务和其他辅助服务市场并获得合理收益。
2018年2月，美国发布841号法令再次要求各电力市场研究制定储能公平参与电力市场的相关规则，允许100kW以上的小型储能资源独立参与各类电力市场（电能市场、辅助服务和容量市场）。841号法令提出13个储能资源的物理运行特性，包括与充电状态、充电时间、充电/放电限制、运行时间、充电/放电爬坡率等相关的特性，要求在市场规则设计时充分考虑储能运行特性。
调频辅助服务市场是美国储能在电网中应用的最大市场。尽管841号法令要求各电力市场允许储能参与电能批发市场、辅助服务市场以及容量市场，但目前大部分市场中储能尚未正式参与电能批发市场，调频辅助服务市场仍是美国储能在电网中应用的最大市场。2018年，美国76%的电化学储能参与电力调频辅助服务。
图1 美国电池储能参与不同服务场景的容量
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储能参与调频市场机制
（1）美国调频市场特点分析
目前，美国宾夕法尼亚—新泽西—马里兰州（PJM）、加利福尼亚州（CAISO）、德克萨斯州（ERCOT）、中西部（MISO）、新英格兰（ISO-NE）区域电力市场中均允许储能参与调频辅助服务。以PJM、CAISO、ERCOT市场为例对比分析调频市场特点。
在调频标的方面，PJM和CAISO均同时考虑调频容量和调频里程，但两者在里程定价和机会成本计算方法方面有所差别，ERCOT由于不受FERC监管，仅考虑单一的调频容量价格，没有设置里程价格。在调频方向上，PJM不区分向上调频和向下调频，CAISO以及ERCOT区分向上调频和向下调频。
在电能与调频辅助服务市场出清关系方面，PJM、CAISO和ERCOT均采用电能量和辅助服务联合优化出清方式。
在交易和结算方式方面，PJM采用日前报价预出清、时前出清确定容量、实时出清确定价格和里程的方式，按照实时出清价格结算；CAISO日前确定出清价格和调频容量，调频里程按照实际调用里程结算；ERCOT采用日前确定出清价格、按照实际调用情况结算。
表1 美国典型调频辅助服务市场机制对比分析
（2）储能参与调频市场情况
在各区域调频辅助服务市场中，PJM调频辅助服务市场启动较早、市场规则也历经调整，因此选取PJM市场分析储能参与调频市场情况。
2012年，依据755号法令要求，PJM对调频市场进行完善，将调频资源根据调频性能及其市场选择分为A类资源和D类资源，分别响应较慢调频指令以及快速响应动态调频指令，储能因其响应速度较快一般作为D类调频资源参与市场。得益于这一市场规则充分考虑了快速调频资源特性，PJM调频市场中储能收益显著提升。下图为PJM市场规则改进3年以来储能收益与其他地区储能收益的对比情况，可以看出，PJM调频市场中储能平均收益明显高于其他地区。
图2 PJM市场规则改进3年以来储能收益与其他地区对比
注：SERC、WECC、FRCC为北美可靠性管理委员会下属的区域可靠性委员会管辖的垂直一体化地区，储能调频收益基于固定价格确定，CAISO、PJM和NYISO为放开管制的电力市场，储能收益基于市场竞争机制确定。
在市场收益驱动下，大规模储能积极参与PJM快速调频。下图展示了某年PJM调频市场总A类和D类调频资源容量及比例。可以看到，参与PJM调频市场的电化学储能占快速响应资源的26%。
图3 PJM市场A类资源和D类调频资源
随着储能调频容量增长，也暴露出一些问题。储能作为D类调频资源，响应速度快，但持续提供调频服务的时间有限制；传统A类调频资源响应速度慢，但在持续调频时间几乎无限制。由于电池储能存在持续充/放电时间，如果参与快速调频时充/放电耗尽，则可能反向放电/充电，给系统增加调频负担，导致PJM向A类调频资源支付更多调频费用。因此，虽然储能参与调频市场可改善电网频率性能指标，但存在一定的最优容量上限，即系统中存在A类资源和D类资源的最优容量比例。PJM也在研究进一步完善相应的市场机制。
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小结
从美国电化学储能参与市场的历程来看，美国推动储能参与市场的相关法令中，首要明确了给予储能市场准入和定位，作为合理设计市场机制的基础。尽管联邦政府出台了顶层要求，但不同区域市场根据自身市场情况形成了各自市场规则，在调频标的、交易和结算方式等方面各特点。此外，市场设计应本着遵循系统需求体现不同类型资源的运行特性、促进各类调节资源共同竞争进行，进而发挥各类资源调节性能与积极性。
专家介绍
王彩霞，博士，国网能源院新能源与统计研究所专家。长期从事新能源政策与电力市场机制设计、高比例新能源电力系统运行分析、储能在电网中应用等研究。获国家能源局能源软科学研究优秀成果奖、北京市科技进步奖、国家电网公司科技进步奖、国家电网公司管理咨询优秀成果特别奖、国网能源院科技进步特等奖等奖项40余项。在期刊杂志上发表研究论文近50篇，获得发明专利授权7项，出版著作20余部。
李梓仟，硕士，国网能源院新能源与统计研究所中级研究员。长期从事新能源政策、新能源运行消纳、新能源参与电力市场分析。参与完成国家发改委、国家能源局委托项目、国网公司十大战略课题、国网公司科技项目等数十项重大课题。编写出版《重塑电力市场-低碳电力系统转型过程中的市场设计与监管》、《中国分布式电源与微电网发展前景及实现路径》、《中国新能源发电分析报告》《国内外能源与电力发展状况分析报告》等著作10余部；获得北京市科学技术奖三等奖1项，国网能源院科技进步一等奖多项。
团队简介：国网能源院新能源与统计研究所专注新能源、分布式电源、储能和农村能源的政策管理、规划运营和市场机制研究，以及国际能源电力信息统计分析，撰写材料经国家电网有限公司上报多次获得中央领导重要批示，长期支撑国家政府部门和国家电网有限公司决策，多次获得国家发改委和国家能源局发来的感谢信。
新能源所高质量完成了国家发改委委托的《清洁能源多发满发研究》《分布式能源发展和利用研究》《电网侧储能关键技术及应用研究》等近百项重大课题研究任务，配合制定了《关于改善电力运行调节促进清洁能源多发满发的指导意见》《关于建立健全可再生能源电力消纳保障机制的通知》等多份政策文件，出版《中国新能源发电分析报告》《中国分布式电源和微电网发展前景及实现路径》《重塑电力市场-低碳电力系统转型过程中的市场设计与监管》《世界能源与电力发展状况分析》等著作二十余部。
新能源所三十余次获得北京市科学技术奖、国家能源局软科学研究优秀成果奖、中国管理科学学会管理科学奖、中国能源研究会学术创新奖等省部级奖项。多次获评国家电网有限公司先进班组、营销工作先进集体等集体荣誉，多人次获评国家电网有限公司发展工作先进个人等称号。
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编辑：杨彪
审核：蒋东方
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