美国加州电力市场中的能量储存

美国加州电力市场中的 能量储存 Energy Storage in California Electricity Market 2019-05-19 Version 0.1 刘云仁 原美国加州独立系统运营商（ CAISO）主任电力市场设计工程师 Yliu_1998@yahoo.com 微信号 YenrenLiu 14156014665 引言 美国加利福尼亚州（加州）是美国人口最 多，经济最发达的州。加州不仅在工业， 农牧业，旅游业，特别是科技创新方面都 处于美国和世界领先的地位，而且在电力 工业改革方面，也引领着世界的潮流。加 州拥有美国最成熟最完善的电力市场，拥 有全世界最激进的可再生呢能源整合计化 ，可再生能源的整合对电网和电力市场的 运行提出了新的挑战，储能装置是应对这 些新挑战最好的途径。本报告简单介绍了 加州在促进储能资源参与电力市场的努力 和储能资源参与电力市场特别是辅助服务 市场的模式。 图片， 表格最小展示区域 图片，表格 最大展示区域 1 美国加州电力市场中的能量储存 美国加州是世界第五大经济体 根据美国商务部最新公布数据显示， 2018年美 国加利福尼亚州的 GDP总量为 2.96万亿美元，人 均 GDP为 7.4万美元，远高于美国人均 GDP平均水 平。（美国人均 GDP6万美元左右），也因此加 州是美国最富裕的州，没有之一。根据公布的 数据对比， 2018年加利福尼亚州的 GDP总量比 2017年名义上增量为 5.6％，按照经济规模来看 ，加利福尼亚州的 GDP总量在世界各国排名中， 已经超过英国、印度和法国，是世界第五大经 济体，仅次于美国、中国、日本和德国。 加州是美国面积第三大，人口第一多的州， 2018年人口达 4012万。加州不仅在工业，农牧 业，旅游业，特别是科技创新方面处于美国和 世界领先的地位，而且在电力工业改革方面， 也引领着世界的潮流。 1 美国加州电力市场中的能量储存 美国加州拥有世界上最完善最成熟的电力市场（ CAISO） 加州电力市场 CAISO是美国第一个投入运营的电力现货市场（ 1998年 4月） • 服务 80%的加州负荷或者三千万以上的加州居民提供电力 • 1,400台发电机组总装机容量达 5,500万千瓦（ 55,000MW） • 三十多条联络线和周边的电力公司相连 • 2018年峰值负荷在 4,643万千瓦 (46,427MW)左右，发生在 7月 25日 • 历史上最高的峰值负荷 5,027万千瓦（ 50270MW）发生在 2006年 7月 24日 • 2019年 2月的峰值负荷没有超过 3,000万千瓦 • 2019年 5月 12日的峰值负荷为 2,641万千瓦 加州电力市场不但有成功的经验，也有失败的教训 • 加州电力危机后对加州电力市场进行了重新设计和技术更新 • 浴火重生的加州电力市场再一次成为世界电力市场建设和运行的榜样 • 成功的加州电力市场吸引着美国西部许多独立的电力平衡机构竟相加入西部的能量不 平衡市场（ EIM, Energy Imbalance Market） • 有望成为美国西部的区域输电组织（ RTO， Regional Transmission Organization）或西部 可靠性协调者（ RC, Reliability Coordinator） 1 美国加州电力市场中的能量储存 美国加州拥有世界上最完善最成熟的电力市场（ CAISO） 1 美国加州电力市场中的能量储存 • CRR • Yearly • Monthly Pre Market • MPM/RRDIFMRUC • Energy Schedule • Ancillary Services • Regulation, Spin, Non-Spin Day Ahead Market • MPM/RRDHASPRTPDRTD • Ancillary Services • Imbalance Energy Real-Time Market 美国加州拥有世界上最完善最成熟的电力市场（ CAISO） 1 美国加州电力市场中的能量储存 Pre-market 预期市场 CRR Congestion Revenue Right阻塞收益权 Day Ahead Market (DAM) 日前市场 MPM/RRDIFM-RUC系列 Market Power Mitigation (MPM) 市场力缓解 Reliability Requirement Determination （ RRD） 可靠性要求确定 Integrated Forward Market (IFM) 集成前期市场 Residual Unit Commitment (RUC)剩余机组组合 Real-Time Market (RTM) 实时市场 MPM/RRDHASPRTPDRTD系列 Market Power Mitigation (MPM) 市场力缓解 Reliability Requirement Determination （ RRD） 可靠性要求确定 Hour Ahead Scheduling Process (HASP) 时前计划处理 Real-Time Pre-Dispatch (RTPD) 实时预调度 Real-Time Dispatch (RTD) 实时调度 通过优化了跨越 CAISO和太平洋公司平衡管理局领域的资源 ， EIM于 2014年 11月 1日开始了具有财务约束力的运行。 NV能源于 2015年 12月开始参与 ,亚利桑那州公共服务和普吉 特湾能源于 2016年 10月 1日开始参与 , 波特兰通用电气于 2017年 10月 1日开始参与。爱达荷州电力和隶属于 BC-Hydro 的 Powerex于 2018年 4月 4日开始参与。 最近 ,北加州平衡管理局下属的萨克拉门托市公用事业区 (SMUD) 于 2019年 4月 3日开始参与。 还有多家电力平衡机构正在排队，要求参加 EIM。 EIM足迹现在包括亚利桑那州、加利福尼亚州、爱达荷州 、内华达州、俄勒冈州、犹他州、华盛顿、怀俄明州的部 分地区 ,并延伸到与加拿大接壤的边境。 EIM 通过在平衡当局之间共享关于整个 EIM区域电力输送条 件的信息 ,促进可再生资源的整合并提高可靠性 EIM正在帮助用多余的可再生能源取代清洁程度较低的能 源供应 ,否则这些可再生能源的生产可能会被削减。 1 美国加州电力市场中的能量储存 美国加州拥有世界上最完善最成熟的电力市场（ CAISO） 西部能量不平衡市场 EIM 加州拥有美国最激进的可再生能源整合计划 1 美国加州电力市场中的能量储存 2002年加州 可再生能源比例标准 （ California‘s Renewables Portfolio Standard RPS）要求到 2010年加州的 能源供应 20% 要来自可再生能源 2008年修改过的 RPS到 2020年加州 的能源供应 33% 要来自可再生能源 2015年加州州议会通过的 RPS要来自 可再生能源的比例  到 2024年达 40%  到 2027年达 45%  到 2030年达 50%  到 2045年达 100% 加州 2019年夏天的能源组合 可再生能源整合对电力市场运行提出新的挑战 1 美国加州电力市场中的能量储存 由于可再生能源，特别是太阳能和风能 的天气依赖性，间歇性和不确定性，给 电力市场的运行带来了新的挑战： • 更准确的负荷预测 • 更大的机组爬坡能力 • 增加负载跟踪的要求 • 增加调节备用服务的要求 • 增加运行储备和付加能量的需要 • 增加了超额发电的频率 • 增加了发电机组的机械应力 储能装置是应对这些挑战最有效的手段 - 5 , 0 0 0 0 5 , 0 0 0 1 0 , 0 0 0 1 5 , 0 0 0 2 0 , 0 0 0 2 5 , 0 0 0 3 0 , 0 0 0 0 : 0 0 1 : 0 0 2 : 0 0 3 : 0 0 4 : 0 0 5 : 0 0 6 : 0 0 7 : 0 0 8 : 0 0 9 : 0 0 1 0 : 0 0 1 1 : 0 0 1 2 : 0 0 1 3 : 0 0 1 4 : 0 0 1 5 : 0 0 1 6 : 0 0 1 7 : 0 0 1 8 : 0 0 1 9 : 0 0 2 0 : 0 0 2 1 : 0 0 2 2 : 0 0 2 3 : 0 0 W i n d S o l a r W i n d +S o l a r L o a d 5000 M W / H o u r R a mp i n g n e e d i n e v e n i n g p e a k h o u r s 储能装置是应对可再生能源挑战最有效的手段 1 美国加州电力市场中的能量储存 在电力需求实时波动的情况下 , 将能量储存在储能装置中有望帮助 CAISO 保持电网的平衡。 能量存储技术的独特特性允许在需求较低时捕获电力 , 然后在需求较高时释放回电网。作为 电网资源 , 存储有可能对注入或撤出能源的信号做出快速响应 , 这是应对受天气条件影响的风 能和太阳能等可再生能源产出波动的重要资源。能量存储技术能在以下方面对 CAISO的市场 运行和电网控制提供有效的帮助： 1. 提供调频备用以平衡实时运行时发电和负荷之间的不平衡能量， 2. 提供附加的运行备用和快速的爬坡能力以应对运行小时间可再生能源发电的变化， 3. 提供负荷跟踪的能力以满足运行小时内的爬坡需求， 4. 在电网中某些关键位能量存储装置可以缓解传输线阻塞和过负荷， 5. 提供传输线暂态稳定性阻尼， 6. 减少利用负荷断开 /增加的需求以缓解系统频率过低或过高 7. 由于能量存储装置的整流器 /逆变器有较好的有功 /无功控制能力，可以提供电压和无功支 持， 8. 能量存储装置可以用于峰谷间的电能 /负荷转移，平滑负荷曲线。 虽然能量存储装置也可以提供基本的能量，但主要的应用在辅助服务方面。 储能装置是应对可再生能源挑战最有效的手段 1 美国加州电力市场中的能量储存 储能装置的市场应用 时段 几秒钟 - 1分钟 1分钟 - 15分钟 15分钟 - 60分钟 1小时 - 4小时 4小时 - 24小时 24小时 - 几 天 技术 超级电容 飞轮 电池 飞轮 电池 电池 飞轮 电池 压缩空气 电池 压缩空气 抽水电站 压缩空气 抽水电站 服务 改善由于光 伏引起的配 网电能质量 配网 PQ控制 调频备用 运行备用 运行备用 附加能量调度 负荷跟踪 附加能量调度 能量转移 能量转移 价值 为电网的稳 定性而注入 能量 电压控制和 系统频率控 制 满足平衡机构 的控制性能标 准 运行小时间的 能量变化需求 缓解转输阻塞 日前能量 计划 日前能量 计划 联邦能源监管委员会 (FERC)第 841号命令 1 美国加州电力市场中的能量储存 为了促进储能装置在电网中的应用和消出储能参与电力市场的障碍， 2018年 2月 15日, 联邦能源监管委员会 (FERC) 发布了具有里程碑意义的第 841号命令 , 指示各 RTO/ISO 制定规则 , 为储能装置开放容量，能量和辅助服务市场 , 该命令确认 , 储能资源必须为所提供的所有服务得到补偿 , 与其他能源资源公平竞争。第 841号命令为储能资源在 所有电力批发市场上的运作建立了明确的法律框架 , 并扩大了能够以竞争来满足电力系统需求的解决方案的范围。 具体的要求慨括如下： • 储能资源有资格提供该资源技术上能够提供的所有容量，能源和辅助服务 • RTO/ISO必须通过投标参数或其他方式来说明储能资源的物理和运行特性 • RTO/ISO最小尺寸要求不超过 100千瓦 或 0.1MW(为分布式存储留有余地 ) • 储能资源可以被调度， 并可以作为批发卖方或批发买家设置批发市场清算价格 • 储能资源充电时将按批发地点边际价格 (LMP)支付电费 • 储能资源放电时将按批发地点边际价格 (LMP)得到补偿 FERC要求各 RTO/ISO在 2018年 12月 3日以前向 FERC提交实施第 841号命令的计划 加州最好地实施 FERC第 841号命令 1 美国加州电力市场中的能量储存 根据美国储能协会的评估，加州是实施第 841号命令要求最好的一个 , 标记为符合性 (绿 色 )，不符合性 (红色 ) 和不确定性 (黄色 )。德州 ERCORT不归 FERC管。 加州最好地实施 FERC第 841号命令 1 美国加州电力市场中的能量储存 自从投入运营的第一天（ 1998年 4月 1日），加州电力市场就有 能力为最主要的一类储能资源 -抽水储能电站建模。抽水储能 电站有三种运行模式： • 抽水 -消耗来自电网的电量，像负荷 • 离线 -既不消耗也不生产电量 • 发电 -生产电量供给电网，像发电机 抽水储能电站 可以通过向电网提供电能来作为发电机组运行 , 也可以通过从电网中消耗电量来作为负荷单元运行 , 它们在 CAISO 市场中可以被建模为发电机组 , 当它们作为 抽水 泵浦运 行时 , 它们的发电量为负值。 抽水储能电站 可以向能量市场和 辅助服务市场报价。 以成熟的 抽水储能电站模型为基础，对其他类型的储能装置建 模时不需要对市场模型和规则作较大的增改。 加州最好地实施 FERC第 841号命令 1 美国加州电力市场中的能量储存 • 早在 FERC第 841号命令之前的 2010年 9月，加州州议会就通过了 AB2514法案，该法案 要求 加州公用事业委员会 (CPUC， California Public Utilities Commission )调查在加州投 资能量储存系统的利益和设定发展能量储存系统的目标。 • 凭借其创新和雄心勃勃的政策 , 加州是美国和全球发展和部署储能系统的先驱。加州 目前已安装超过 420万千瓦的储存能力 ----96% 是抽水储能电站。 CPUC设置了到 2020 年，加州要再增加 132.5万千瓦的非抽水储能的储存能力，主要是 锂离子电池， 流动 电池，压缩空气，飞轮和冰热。 • 自从 2016年 2月开始， CAISO就分四个阶段实施了和正在实施旨在提高 ISO电网连接 的和配电网连接的储能资源和分佈式资源参与 CAISO 市场的能力的措施。分佈式资 源包括屋顶太阳能，插电式电动汽车，和需求侧响应。这些资源是未来资源组合中 日益重要的一部分 , 将有助于减少碳排放和提供业务效益。所以当 FERC发布第 841号 命令时，加州已经做好了准备，成为实施命令最好的一个 ISO/RTO。 加州促进储能资源和分佈式资源参与 CAISO 市场的措施 1 美国加州电力市场中的能量储存 • 第 1阶段：已于 2016年秋天完成。增强了电网连接的储能和分佈式资源参与 ISO 市场的能 力。改进包括在日前市场上将充电状况作为日常投标参数提交的能力 , 以及不提供充电状 况限制的选项或 ISO不根据充电状态对非发电机资源进行共同优化的选择。 • 第 2阶段：已于 2018年 11月 1日生效 ,。该举措提供了三种新型的需求侧响应绩效评价方法 , 澄清了储能资源作为电站电源处理 , 并将额外的天然气指数纳入净效益测试计算 , 以反映 所有实时参与区域。预计这些增强措施将降低障碍 , 提高储能和分布式资源参与 ISO 市场 的能力。第 2阶段的策略允许调度协调员执行和提交基线 , 从而导至将所有剩余的需求响 应系统 (DRS) 功能集成到 MRI-S (市场结果接口 –结算 ) 和导至 DRS的退役。 • 第 3阶段： 2017年 9月开始启动，至今仍在实施中。将继续查明和评估更多的机会 , 以增加 电网连接的储能资源和配网连接的资源在 ISO 市场中的参与。 在第二阶段措施中 , 利益相 关方提出的议题也将在这一阶段讨论。 • 第 4阶段： 2019年提出，正在等待 FERC的批准。将探讨对分布式能源 (DER) 和存储参与市 场模型的改进 , 以及降低集成需求侧响应资源的障碍。这一措施还将探讨扩大模型以最佳 方式获取其价值 , 并利用资源设计属性以支持电网的可靠性和允许多用途的应用程序。 储能资源参与 CAISO 市场的模型 1 美国加州电力市场中的能量储存 在 CAISO市场中，能量储存资源可建模为非发电资源（ NGR， Non-Generator Resources） 非发电机资源 (NGR) 是指可以作为发电或负载运行的资源 , 可以在其整个容量范围内调度到任何运行水 平 , 但也受到 MWh 限制的约束 , 它能 (1) 产生电能 , (2) 在需求响应的情况下减少消耗的电能 , 或 (3) 消耗电 能。通过模拟从负到正的发电范围 , NGR 模型为能量储存资源提供了与发电机组相同的参与 CAISO 能量 和辅助服务市场的机会。 NGR有以下特性： • NGR 是一种具有从负到正注入功率的连续运行范围的资源，也就是它可以通过消耗能源或提供能源 连续运行 , 并且可以在产生和消耗电能之间无缝切换。 NGR 可以提供能量和 辅助 服务。由于操作范围 连续 , NGR 没有最小负荷运行点，没有启动，关机，最小负荷或转换成本。 • NGR有一个能量限制，这是该资源能够储存的最小或最大能量。基于初始存储能量，即充电状态 (SOC ， State of Charge), NGR连续消耗或生产的电量受到最大或最小存储能量限制的约束 , 这里要考虑充电 和放电时固有的损失。 • NGR 的代数功率输出被限制在以 MW 为单位的最小容量和最大容量之间。最小或最大容量可以为负 数。最大容量大于最小容量。最大容量 (正 ) 表示 NGR在放电时以最大可持续速度注入电网的功率 ;最 小容量 (负 ) 表示在充电时以最高可持续速度从电网中撤出的功率。 • NGR的能量报价和辅助服务的报价都只有一段（ MW， $)，不像发电机组的能量报价最多可有 10段。 • NGR 在充电模式或放电模式下运行时可以具有不同的爬坡速率 , 但每种模式的爬坡率度限制为一个。 • NGR可以提供能量和辅助服务。 能量储存装置是最优值的调频资源 1 美国加州电力市场中的能量储存 由于快速的反应能力和优良的控制特性，能量储存装置 NGR是最优值的调频资源。一个 NGR 可以选择仅仅参加 CAISO的调频市场而不必参加日前能量和运行备用市场。在日前市场中 , 所授予（承诺）的调频容量被评估为它在 15分钟内可以提供的调节能量的四倍。在实时市 场中，一个 NGR可以购买（充电）或出售（放电）实时能量以满足它在日前市场中所承诺 的调频容量。下面是两个 NGR参与调频市场的例子： 1. 一个充满电的储有 5 MWh 的储能资源可以连续 15分钟以最大 20MW的功率向电网放电 , 直到零 (0) 充电状态。如果没有其他限制 , 该资源将获得 20MW的向上调频容量认证。这 20MW代表了在 15分钟内放电 5MWh，这里 20是 5的 4倍。 2. 一个完全放电的具有 2.5 MWh 的储能资源可以连续 15分钟以最大 10MW的功率从电网吸 纳能量（充电） , 以达到一个完整的充电状态。如果没有其他限制 , 该资源将获得 10MW 向下调频容量认证。这 10MW代表了在 15分钟内消耗 2.5 MWh, 这里 10是 2.5的 4倍。 加州储能建设的新进展 1 美国加州电力市场中的能量储存 2016年 9月，南加州爱迪生公司（ SCE）选择 著名的电动汽车制造商 Tesla在 Mira Loma 地 区建设一个 功率为 20MW，能够在 4小时内存 储 80MWh的 电池储能设备。 Tesla只用了 88天 就完成了电池的制造和安装任务。该系统由 两个 10MW的电池组组成 , 每个电池组包括 198个 Tesla Powerpack 和 24个逆变器。所有的 电池部件都是特斯拉从零开始设计 , 在内华达 州的特斯拉 Giga工厂制造的。 特斯拉还和 Greensmith 能源公司及和 AES 储能 公司合作，在 Aliso Canyon地区完成了三个大 型锂离子电池项目 , 容量分别为 20MW， 20MW和 30MW，项目总量为 70MW 。 加州储能建设的新进展 1 美国加州电力市场中的能量储存 2017年 2月，圣地亚哥煤气和电力公 司（ SDG&E）宣布在 Escondido， CA建 成了世界上最大的 锂离子（ Lithium- Ion） 电池储能装置。其功率为 30MW ，能够在 4小时内存储 120MWh的电能 。它的建成只花了 6个月的时间，也 是世界上 安装速度最快的项目之一。 加州储能建设的新进展 1 美国加州电力市场中的能量储存 2019年 4月 30日， CAISO宣布 SDG&E与日本住友 电气（ Sumitomo Electric ）合作，完成了一 个用 钒氧化还原流动电池储存的试点项目。 流动电池是一种介于传统电池和燃料电池之 间的交叉装置 , 使用泵拍金属盐的液体电解质 通过带有用膜隔开的正极和负极的核心，当 液体流经膜时 , 离子交换允许充电和放电的能 力。这个 流动电池将拥有 2MW的功率和在 4 小时内储存 8MWh的能量。这个项目经过调 试，已于 2018年 12月开始参与 CAISO的电力批 发市场。该项目的成功使得 CAISO成为美国最 早将具有突破性技术的流动电池连接到电力 批发市场的电网上 , 这可能会在大型电力系统 上产生有希望的存储能力。 辅助服务市场 1 美国加州电力市场中的能量储存 辅助服务是维持电力系统稳定和可靠运行的额外资源。最有效 最可靠的预防和校正措施是系统随时保持充足的备用容量， 也就是说在正常运行时让一些资源不发挥最大出力或者根本不出力 -停 机 ， 而是让这些富余的发电能力随时处于一种待命的状态 ， 当系 统需要时 ， 这些待命的备用容量能够被迅速有效地调用 ， 以平衡 系统能量的供需不平衡和应对系统突然发生的事故或故障 。 这些备用的能力被称为辅助服务 。 辅助服务的购买是电力市场的重要组成部分，辅助服务市场的 设立 ，就是为了通过市场的手段，确保辅助服务的充分供应和提供辅助服务的成本能够得到有效的补偿。 通过现货市场购买的辅助服务产品有调频备用和运行备用，运行备用又可分为旋转备用和非旋转备用。 不在现货市场购买，而通过中长期合同确认的辅助服务产品有黑启动，电压和无功支持。 辅助服务市场 1 美国加州电力市场中的能量储存 与北美洲的电力市场相比，国内的电力辅助服务市场还没有形成。国内对电力辅助服务的慨念，认识得不是很清楚 : • 调峰不属于辅助服务，辅助服务顾名思意，就是辅助的服务。调峰的量较大，应属于主要的能量服务，调峰的计划应由调度机构 在做日运行计划时完成或由日前现货市场完成。 • 辅助服务备用容量，包括调频备用和运行备用容量的确定，由集中辅助服务市场完成，跟据市场出清的容量和价格，对承诺提供 服务备用的资源，包括发电机组，可调节负荷，储能装置，进行补偿。 • 对提供辅助服务资源的补偿，实行二次结算，也就是在日前市场出清后，按照市场出清的容量和价格，对承诺提供服务备用的资 源进行结算（补偿），不管实时运行时有没有用到这些备用；在实时运行中被调度到的辅助服务能量（相对于本调度时段基本发 电计划的增量或减量），将按实时电价再一次结算。 • 补偿的成本，不是由发电机分担，而是由系统中的负荷，按其实际负荷在系统总负荷中的占比进行分担。 辅助服务市场 1 美国加州电力市场中的能量储存 • 与美国市场相比，国内辅助辅务（包括调峰）的补偿费用 占上网电费总额的比例太低，只有 0.76（ 2017 年二季度） 和 %0.72%（ 2017 年三季度）。 2018年的补偿费用占上网 电费总额的 0.83%。 • 而加州的日前市场中， 2018年 4月的辅助辅务（不包括调 峰）的补偿费用占总发电补偿费用的 3.3%，辅助辅务备用 容量占总负荷容量的 10.77%。 • 这只是日前市场的补偿，如果有实时市场，机组提供辅助 服务还能得到额外的补偿。 谢谢 Thanks for Your Time