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新能源供电最高达到54% 德州电力市场如何推动新能源消纳?

作者:杜鹏伟  来源:能见Eknower  发布时间:2018-7-13 6:59:45

中国储能网讯:从1999年开始电力市场建设至今,德州电源结构发生了根本性变化,由主要是低效不灵活的煤电和燃气机组,发展到主要是新能源风能、联合燃气机组。

过去几年,德州新能源渗透比不断创造记录,2017年10月27日,新能源最高渗透比达到54%,是第一次在有电力市场运行环境下规模比较大的电网达到这么高的可再生能源渗透率。

那么德州电力市场是如何促进新能源消纳的?需要怎样的规则设计?

目前德州大部分电网由德州电力可靠性委员会(ERCOT)调度管理。近期,ERCOT可再生能源并网首席工程师杜鹏伟,出席了由北京能见科技发展有限公司与中国电力科学研究院共同主办"2018(第二届)电力市场国际峰会(EM.IS)",并发表了题为"德州新能源消纳和电力市场机制的相互影响和推动"的主旨演讲,对上述问题进行了详尽的阐述。

ERCOT可再生能源并网首席工程师杜鹏伟

ERCOT 管理2400万德州用户

美国德州电力可靠性委员会 ERCOT(Electric Reliability Council of Texas)是负责其范围内电网运行和管理竞争性电力批发市场的独立系统调度机构ISO(Independent System Operator)。

ERCOT的所辖区域覆盖了德州75%的面积和90%的负荷,并管理着2400万德州用户。德州面积相当于广东广西加湖南,比华东五省加上海略大一点。ERCOT管理超过74400公里的高压输电线路和550多台发电机组。ERCOT装机容量接近9000万千瓦,夏季高峰可调用装机容量为7700万千瓦。

德州75%的负荷拥有零售选择权

德州电网是一个独立电网,和外州没有交流互联,只通过5条直流联络线与美国东部网络和墨西哥相连。这些孤立性给电力系统带来很大的挑战,电力平衡必须在本区域内完成。

从1999年德州立法确定开展电力市场建设到零售、批发市场的相继建立,德州只用了两年的时间。目前活跃的零售市场成为了德州市场的一大特色。在德州75%的负荷拥有零售选择权。据统计,其竞争性零售市场内超过90%的用户都曾更换过零售商。这种零售商制度的引入极大提高了市场运转效率,并推动了电能服务的差异化和多样化。

目前德州电力市场主体主要分为三个,发电方、输配电运营商、客户。德州输配电运营商被严格管制,德州公共事业委员会(PUCT)负责审批其新建输电项目,并根据成本加利润的原则制定其输电配电价格。而发电侧和用电侧则由竞争决定,即引入电力市场来实现资源的最佳配置。

德州的电力批发市场设计分为日前市场、日内市场以及实时市场。在实时市场中,所有的发电机组都要进行报价。市场要根据报价情况并考虑系统的安全性来决定出清价格,即在安全性约束下进行经济调度,ERCOT每5分钟出清一次。

可再生资源的市场设计无需特殊处理

德州近几年新能源尤其是风能接入比较大,对电力市场的建设带来了巨大挑战。德州开始重新设计电力系统市场机制时,内部有一些争议,核心就是如何对待和处理新能源。最后采取的方案是,新能源和市场上其他电源一视同仁,也要参与市场报价,在电力市场受到无差别的对待。尽管政府对新能源有一定补贴,其报价可以较低,但也必须遵守最基本的市场规则。

现货市场中新能源逐渐替代传统机组

容量市场或稀缺电价仍鼓励长期电源投资

当然以德州的经验而言,新能源的介入对现货的价格影响很大。目前德州主要以燃气机组为主,电价必然跟天然气价格关联度会比较高。当天然气价格是4.5美元/MMBTu的时候,煤电就有价格的优势,它在报价的低端,这个时候系统多数出清机组由煤电机组决定,煤电机组有一定的盈利空间;当天然气价格下降到2.5美元/MMBTu的时候,报价会发生很大的变化,这时候有可能是燃气机组决定出清价格,但是这个时候煤电的价格到了中部,损害了煤电的经济性和有效性,它有可能不会被市场所接受,或者被迫要接受损失。

(不同天然气价格下的各电源报价)

维持比较合理的电价是德州电力系统运行追求的一个目标,原因在于,比较合理的低电价可以吸引人口和促进经济发展,推动整个用电量的上升,最终形成比较合理的电价趋势。德州是页岩气的主要产地,目前来说它的天然气运行在比较低的价格,一方面天然气供给充足,另一方面,大量新能源的接入,使得电力市场整体能量价格历史性降低,从每千度电77.39美元降低到24.77美元,去年平均价格是28.25美元。

与此同时,由于新能源发电的不确定性,以前主要由负荷引起的系统电价波动性相对大幅增加。体现在两方面,一是负价格的出现,这意味着传统机组发电不但没有利润反而要补贴负荷;二是高价格的出现次数比较多,反映了发电容量在负荷高峰时的稀缺。

在北美其它市场上是通过建设容量市场提供客户长期稳定补偿来保证容量的充足,煤电和核电可以能够有一定收益性;德州市场是另外一种思路,容量稀缺必然会反映到实时价格上,推动实时价格的上扬,稀缺电价也会对长期的电力投资起到一定促进作用,最终依靠市场的作用来促进用户需求和装机的容量的平衡。

(德州电源结构变迁)

电力市场不断改进设计

2010年12月1日,ERCOT 成功地从区域电力市场转换为节点电力市场。ERCOT设计节点市场的主要目标是改善价格信号,提高调度效率,直接分配局部拥堵费用。市场交易频率得到了改进,由以前的每15分钟出清一次变成了现在的每5分钟出清一次,使得新能源发力的情况能够比较准确地被预测,市场就可以更好的应对新能源的波动性。

这个重新设计的综合性节点市场主要有以下几个部分:金融输电权市场 CRR(CongestionRevenue Rights),能量和辅助服务联合优化的日前市场 DAM(Day-Ahead Market),可靠性机组组合 RUC(Reliability Unit Commitment),以安全约束下的经济调度 SCED(SecurityConstrainedEconomic Dispatch)为核心的实时市场。

德州电力市场建设遵循从易到难、从无到有的原则,目前辅助市场并没有跟实时市场进行很好的优化,现在仅仅是在日前市场进行出清,所以它不是最优的解决思路,所有资源配置进行综合考虑的时候才是最佳的方案。

根据ERCOT最新的评估,在今年发生的一次最高出清价格达到9000美金的事件中,如果在实时市场进行联合出清,在40分钟(5次出清)后整个系统可节省5850万美元,因此,只有不断进行市场的改革才能达到资源最佳的配置。当然,这种改进需要大量的人力物力财力的相应投资。

(橙色为联合出清价格,蓝色为现有出清价格)

辅助服务和能量市场是解决不同问题的两个市场,现阶段要通过市场力量来保证电力市场可靠运行、实时平衡,辅助市场反而更重要。

随着新能源占比越来越大,对辅助服务市场设计提出了更高的要求。在德州有三种辅助服务市场,二次调频、旋转备用和非旋转备用。由于大量新能源的接入,旋转惯量从富余变成稀缺资源。除此之外,对于一次调频和非旋转备用能力的需求有很大的提升。如果不改进,那么就只能造成两个后果,一种是辅助服务市场的价格会有很大的提高。第二,对新能源而言,不得不弃风弃光。

一些能够提供快速反应的技术,能够有效的提高系统可靠性,这种新技术主要由负荷反应和储能来提供。通过建立一个合适的价格机制,可以吸引新技术参与到辅助服务市场中来。

这些电力市场设计及改进,也对新能源的选址、运行和经营能力提高有一定的帮助,从而促进了德州新能源较快的发展。过去的几年中德州新能源渗透比不断创造记录,在2017年10月27日这天,新能源最高渗透比达到了54%,是第一次在有电力市场运行环境下规模比较大的电网达到这么高的可再生能源渗透率。德州新能源未来三年将继续稳健增长。目前德州光伏装机容量比较小,预测在2030年左右会超过现有风能的装机容量。目前ERCOT 也在建一条直流的线路,能够很大程度提高新能源输送的能力。

关键字:新能源消纳 储能

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