為了應(yīng)對氣候變化，世界諸多國家提出了碳中和的方案，中國也宣布了“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”的目標(biāo)。作為碳排放大戶，電力行業(yè)需要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等可再生能源以加速脫碳進(jìn)程。
儲(chǔ)能可很好地解決可再生能源引入的挑戰(zhàn)，因此在新型電力系統(tǒng)中具有重要地位。一方面，可解決風(fēng)光出力高峰與負(fù)荷高峰錯(cuò)配的難題，通過削峰填谷，增加谷負(fù)荷以促進(jìn)可再生能源的消納，減少峰負(fù)荷以延緩容量投資需求。另一方面，可解決風(fēng)光出力隨機(jī)性和波動(dòng)性帶來的頻率穩(wěn)定難題，尤其是電化學(xué)等響應(yīng)速度較快的新型儲(chǔ)能，能提供調(diào)頻服務(wù)提高電網(wǎng)可靠性。
隨著電力市場化改革在主要發(fā)達(dá)國家的推進(jìn)，未來儲(chǔ)能的發(fā)展與運(yùn)營，將主要在市場化的大背景下實(shí)現(xiàn)。在電力市場中，儲(chǔ)能的充放電安排將改變市場出清結(jié)果與系統(tǒng)運(yùn)行計(jì)劃，對市場的競爭、價(jià)格信號(hào)的產(chǎn)生、市場成員的收益等都將產(chǎn)生重要的影響。
然而，原先面向發(fā)電機(jī)組和用電負(fù)荷設(shè)計(jì)的市場機(jī)制并不能很好地適應(yīng)儲(chǔ)能參與。不同于其他資源，儲(chǔ)能在效用功能、成本特性、物理約束、裝置規(guī)模等方面具備特殊性。在效用功能上，儲(chǔ)能可以提供削峰填谷、容量資源、調(diào)頻備用等已經(jīng)市場化的服務(wù)，也可以發(fā)揮延緩輸電投資、增進(jìn)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定等尚被管制的服務(wù)，這使儲(chǔ)能的市場定位模糊化；在物理約束上，儲(chǔ)能具備獨(dú)特的能量有限性，因此放電能力除受功率上限約束外，還受到荷電狀態(tài)限制，這使儲(chǔ)能在出清模型中的建模具有特殊性，容量價(jià)值核算也較復(fù)雜；在成本特性上，儲(chǔ)能的放電成本并無固定值，而是取決于充電時(shí)段的價(jià)格和其他時(shí)段無法放電的機(jī)會(huì)成本，復(fù)雜的成本核算將對市場成員的決策和組織者的監(jiān)管提出挑戰(zhàn)；在裝置規(guī)模上，配電網(wǎng)側(cè)的分布式儲(chǔ)能單機(jī)規(guī)模遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)火電機(jī)組，這使得儲(chǔ)能無法達(dá)到市場要求的最小規(guī)模。
因此，為推動(dòng)儲(chǔ)能參與市場，市場組織者需要明確現(xiàn)有市場機(jī)制的適應(yīng)性與不足，研究適合儲(chǔ)能的參與方式，明確需要調(diào)整的機(jī)制要素，并選擇合適的技術(shù)路線，使市場能更好地配置儲(chǔ)能資源。目前，學(xué)界為應(yīng)對儲(chǔ)能參與市場帶來的挑戰(zhàn)，在價(jià)值分析、框架體系、交易機(jī)制等方面已經(jīng)做出了諸多研究。在不同的市場模式下，美國、英國、澳大利亞的業(yè)界也都做出了相關(guān)探索。其中，美國在其聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì) 841法案指導(dǎo)下推進(jìn)的市場改革，尤其具有參考意義和研究價(jià)值。
本文對現(xiàn)有的相關(guān)研究工作與實(shí)踐進(jìn)行了調(diào)研與綜述，旨在對儲(chǔ)能參與電力市場的交易機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)化梳理，探討未來機(jī)制設(shè)計(jì)的路徑選擇與發(fā)展方向。
國內(nèi)外儲(chǔ)能參與市場的研究綜述
現(xiàn)有關(guān)于儲(chǔ)能參與市場交易的研究工作，大體遵循如下脈絡(luò)：部分文獻(xiàn)基于儲(chǔ)能的物理特性，試圖明確儲(chǔ)能可為電力系統(tǒng)帶來哪些價(jià)值；為了能讓儲(chǔ)能更好地發(fā)揮價(jià)值，部分文獻(xiàn)探討了面向儲(chǔ)能的市場框架體系；交易規(guī)模龐大的批發(fā)市場是電力市場的重要一環(huán)，但現(xiàn)行規(guī)則不能很好地適應(yīng)儲(chǔ)能的物理特性，為此部分文獻(xiàn)研究了其交易模型的改革；由于分布式儲(chǔ)能的興起，部分文獻(xiàn)研究了配電網(wǎng)側(cè)市場機(jī)制，利用小規(guī)模儲(chǔ)能為系統(tǒng)提供更多靈活性資源。本章將結(jié)合以上研究脈絡(luò)展開論述。
1.1 物理特性與價(jià)值分析
不同類型的儲(chǔ)能在響應(yīng)速度、能量密度、效率、壽命、經(jīng)濟(jì)成本、潛在應(yīng)用上有所差異，歸納如表1。儲(chǔ)能依靠其物理特性，在電力系統(tǒng)中具備諸多潛在價(jià)值，可在市場上提供相應(yīng)的標(biāo)的。
由于儲(chǔ)能可以存儲(chǔ)能量，因此可以減少系統(tǒng)峰谷差，節(jié)約峰荷機(jī)組的燃料費(fèi)用和啟停費(fèi)用。文獻(xiàn)［7］利用市場出清模型，研究了儲(chǔ)能對尖峰負(fù)荷和價(jià)格的削減作用。文獻(xiàn)［8-9］分別關(guān)注儲(chǔ)能對啟停成本的節(jié)約、對消納可再生能源的貢獻(xiàn)，文獻(xiàn)［10］則綜合考慮了總運(yùn)行費(fèi)用的減少。針對不同類型儲(chǔ)能充放電功率和效率的差異，文獻(xiàn)［11］研究了其造成的效益差異。
由于儲(chǔ)能也具備放電能力，因此可起容量支撐的作用，部分替代對發(fā)電機(jī)組的投資。文獻(xiàn)［12］研究了儲(chǔ)能對于發(fā)電容量的替代作用，考慮了儲(chǔ)能滲透率和可再生能源滲透率的影響。文獻(xiàn)［13］則以美國數(shù)據(jù)為例，發(fā)現(xiàn)需要28 GW的儲(chǔ)能來提供峰荷容量。
由于電化學(xué)儲(chǔ)能具備快速響應(yīng)特性，可被用于提供調(diào)頻、備用、調(diào)壓等多種輔助服務(wù)。文獻(xiàn)［2］關(guān)注儲(chǔ)能在市場中提供調(diào)頻服務(wù)的潛力，文獻(xiàn)［14］則考慮了多種響應(yīng)速度的備用，而文獻(xiàn)［15］研究了儲(chǔ)能對保持網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定的作用。
儲(chǔ)能實(shí)際上可以通過積極響應(yīng)而增強(qiáng)電網(wǎng)安全性［16］和提升電能質(zhì)量［17］，通過充放電減少線路尖峰潮流而延緩輸電投資［18］，這實(shí)際上能起到輸電資產(chǎn)的作用，文獻(xiàn)［19］進(jìn)一步量化考慮了這種作用。
值得注意的是，儲(chǔ)能提供的同一項(xiàng)服務(wù)，對于不同主體有不同的表現(xiàn)形式［20］，如圖1所歸納。如削峰填谷，對電網(wǎng)而言表現(xiàn)為緩解調(diào)峰壓力［21］，對新能源而言表現(xiàn)為存儲(chǔ)超發(fā)電量［22］，對用戶而言表現(xiàn)為錯(cuò)峰用電［23］。由于本文的落腳點(diǎn)在于市場機(jī)制，從市場的角度來看，以上3個(gè)價(jià)值均可以通過能量市場分時(shí)的價(jià)格信號(hào)加以體現(xiàn)，由市場采購并統(tǒng)一提供。當(dāng)然，這些服務(wù)也可由發(fā)電側(cè)、用電側(cè)主體與儲(chǔ)能簽訂使用協(xié)議而自行購買。具體選擇哪種模式，是儲(chǔ)能市場設(shè)計(jì)中待探討的問題。
1.2 市場框架體系的設(shè)計(jì)
目前學(xué)界對于面向儲(chǔ)能的市場框架設(shè)計(jì)存在一定分歧：角色定位上，儲(chǔ)能應(yīng)當(dāng)作為市場主體還是被管制主體？如果作為市場主體，那么體系設(shè)計(jì)上，儲(chǔ)能是依靠現(xiàn)有市場還是新建單獨(dú)市場進(jìn)行資源配置？
部分研究站在獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（independent system operator，ISO）的角度對儲(chǔ)能展開直接投資和控制，研究投資和調(diào)度方案。文獻(xiàn)［24］通過求解“投資-運(yùn)營”雙層優(yōu)化模型，得到ISO儲(chǔ)能投資的最優(yōu)容量和運(yùn)行的最優(yōu)策略。文獻(xiàn)［25］進(jìn)一步考慮輸電、儲(chǔ)能的聯(lián)合優(yōu)化，將儲(chǔ)能視作和輸電線路同樣性質(zhì)的資產(chǎn)，由ISO統(tǒng)一運(yùn)營。文獻(xiàn)［26］將儲(chǔ)能投資權(quán)下放給市場主體，但運(yùn)營權(quán)依舊掌握在ISO手中，儲(chǔ)能只能被動(dòng)地獲取部分收益。
更多的文獻(xiàn)則站在儲(chǔ)能的角度，研究其作為市場主體的投資和交易策略。文獻(xiàn)［27-28］研究了儲(chǔ)能主體如何利用有限的能量在市場中獲取最大的收益，文獻(xiàn)［14，29］則研究了儲(chǔ)能在能量、備用、調(diào)頻市場上的聯(lián)合投標(biāo)策略，文獻(xiàn)［30］考慮了容量市場交易。文獻(xiàn)［31-32］進(jìn)一步考慮了多個(gè)儲(chǔ)能間策略的交互，用均衡模型求解博弈結(jié)果。文獻(xiàn)［33-34］同時(shí)考慮儲(chǔ)能的投資和交易，以扣減投資成本后儲(chǔ)能的利潤最大化為目標(biāo)。
以上儲(chǔ)能市場策略的研究一般以現(xiàn)有的市場體系為背景，然而，也有部分學(xué)者認(rèn)為可以單獨(dú)設(shè)計(jì)以儲(chǔ)能使用權(quán)為標(biāo)的的市場。文獻(xiàn)［35］設(shè)計(jì)了一種容量合約機(jī)制，售電商根據(jù)自身的預(yù)期收益、風(fēng)險(xiǎn)偏好向分布式儲(chǔ)能發(fā)出租賃合約邀約。文獻(xiàn)［36］采用類似的框架并設(shè)計(jì)了更為合理的租金。文獻(xiàn)［37-38］設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能使用權(quán)的拍賣機(jī)制，儲(chǔ)能擁有者、聚合商分別就出借、借入儲(chǔ)能使用權(quán)進(jìn)行報(bào)價(jià)，市場進(jìn)行出清確定中標(biāo)者和價(jià)格。文獻(xiàn)［39］將儲(chǔ)能的使用權(quán)類比為保險(xiǎn)，投保方為可再生能源發(fā)電商，承保方為儲(chǔ)能擁有者，當(dāng)可再生能源出力波動(dòng)時(shí)，可利用儲(chǔ)能電量來平抑不平衡電量。
1.3 批發(fā)市場的交易模型修正
盡管存在關(guān)于儲(chǔ)能角色定位和體系設(shè)計(jì)的爭論，現(xiàn)有的批發(fā)市場無疑是儲(chǔ)能資源配置的重要一環(huán)，許多研究對市場的交易模型提出修正建議，使之適應(yīng)儲(chǔ)能的物理特性。
在能量市場模型中，針對儲(chǔ)能能量有限性，文獻(xiàn)［40］在出清模型中加入儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)約束，保證結(jié)果可行性，而文獻(xiàn)［41］則允許儲(chǔ)能申報(bào)可變的最大充放電速率。為了反映儲(chǔ)能放電的機(jī)會(huì)成本，文獻(xiàn)［42］提出可由ISO根據(jù)預(yù)測的能量價(jià)格核定機(jī)會(huì)成本，文獻(xiàn)［43］則允許儲(chǔ)能就時(shí)段末的荷電狀態(tài)提交報(bào)價(jià)曲線，反映存儲(chǔ)能量的價(jià)值。
在容量市場上衡量儲(chǔ)能的容量價(jià)值時(shí)，主要難點(diǎn)在于考慮能量有限性的影響。文獻(xiàn)［44］是美國ISO賓夕法尼亞-新澤西-馬里蘭互聯(lián)（Pennsylvania-New Jersy-Maryland Interconnection，PJM）對儲(chǔ)能容量價(jià)值進(jìn)行的思考，除了儲(chǔ)能本身的最大放電功率、最大能量容量，儲(chǔ)能實(shí)際的容量價(jià)值還和凈負(fù)荷曲線形狀、儲(chǔ)能滲透率有著緊密的聯(lián)系。研究進(jìn)一步指出，儲(chǔ)能的容量價(jià)值還和儲(chǔ)能充放電效率、系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)有關(guān)。文獻(xiàn)［45］認(rèn)為可以采用一種簡單的方式，即根據(jù)儲(chǔ)能歷史上在系統(tǒng)峰荷期的容量支撐表現(xiàn)核定容量價(jià)值。
針對儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)市場，文獻(xiàn)［46］提出了能量和輔助服務(wù)的聯(lián)合出清模型，考慮儲(chǔ)能提供2種標(biāo)的時(shí)的耦合約束，并計(jì)算了機(jī)會(huì)成本。文獻(xiàn)［47］考慮儲(chǔ)能快速在充放電間切換的能力，為其設(shè)計(jì)了更大的運(yùn)行可行域。文獻(xiàn)［48］設(shè)計(jì)了快速頻率響應(yīng)產(chǎn)品，該產(chǎn)品比一次調(diào)頻響應(yīng)速度更快，能有效應(yīng)對系統(tǒng)的低慣量問題，而儲(chǔ)能是該產(chǎn)品重要的提供者。
在價(jià)格機(jī)制上，現(xiàn)有的邊際電價(jià)機(jī)制無法給予儲(chǔ)能與貢獻(xiàn)相匹配的支付［7］。激勵(lì)不相容可能導(dǎo)致潛在的策略性行為，文獻(xiàn)［49-50］發(fā)現(xiàn)擁有市場力、與發(fā)電或負(fù)荷聯(lián)合投標(biāo)的儲(chǔ)能可能會(huì)策略性報(bào)價(jià)，這將導(dǎo)致社會(huì)福利的減少。為此，文獻(xiàn)［51-52］為儲(chǔ)能設(shè)計(jì)了新的電價(jià)機(jī)制，給予儲(chǔ)能更合理的支付。
1.4 配電網(wǎng)側(cè)市場的機(jī)制探索
盡管批發(fā)市場是配置資源的主要手段，但隨著資源的分布化［53-54］，小規(guī)模儲(chǔ)能的交易同樣重要，各類文獻(xiàn)對配電網(wǎng)側(cè)市場的機(jī)制設(shè)計(jì)展開了探索。
部分文獻(xiàn)構(gòu)想了“批發(fā)市場-聚合商-儲(chǔ)能”的3層架構(gòu)，以聚合商為媒介幫助儲(chǔ)能參與市場，并設(shè)計(jì)了多種商業(yè)模式。文獻(xiàn)［55］考慮了聚合商提供報(bào)價(jià)、儲(chǔ)能決策運(yùn)行計(jì)劃的模式，設(shè)計(jì)了合適的價(jià)格體系，能夠在多次反復(fù)博弈之下，保證各方互相合作產(chǎn)生更高效益。文獻(xiàn)［56-57］中，售電商直接調(diào)用儲(chǔ)能資源，以應(yīng)對風(fēng)光出力的不確定性，并在事前或事后給予儲(chǔ)能支付。
也有部分文獻(xiàn)研究了配電網(wǎng)內(nèi)部的直接交易機(jī)制，采用了可交易能源、分布式出清、配電網(wǎng)側(cè)節(jié)點(diǎn)電價(jià)、合作博弈等機(jī)制。文獻(xiàn)［58-59］在可交易能源的框架下，設(shè)計(jì)機(jī)制幫助配電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能直接交易互動(dòng)，形成了去中心化的扁平交易體系，文獻(xiàn)［60］則采用了分布式的迭代出清方法和自適應(yīng)式的定價(jià)方法用于交易，文獻(xiàn)［51］則設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)側(cè)節(jié)點(diǎn)電價(jià)機(jī)制，反映儲(chǔ)能對緩解阻塞的作用。文獻(xiàn)［61-62］設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能共享的合作博弈體系，幫助各市場主體節(jié)約儲(chǔ)能投資成本，減少尖峰負(fù)荷費(fèi)用。
2、美國儲(chǔ)能參與市場的實(shí)踐
在過去儲(chǔ)能規(guī)模有限時(shí)，美國各ISO暫時(shí)以統(tǒng)一運(yùn)營、集中決策的方式對儲(chǔ)能資源進(jìn)行調(diào)度。ISO與儲(chǔ)能所有者簽訂租賃服務(wù)合同，支付一定的費(fèi)用獲取儲(chǔ)能的運(yùn)營權(quán)，合同模式包括儲(chǔ)能設(shè)施使用協(xié)議、容量服務(wù)協(xié)議、混合能量購買協(xié)議等［63］。
近年來，隨著儲(chǔ)能主體數(shù)量的增加和總?cè)萘康臄U(kuò)大，美國開始嘗試賦予儲(chǔ)能市場主體的地位，并在現(xiàn)有的現(xiàn)貨市場框架內(nèi)配置儲(chǔ)能資源。在2007年的890號(hào)法案［64］和2013年的784號(hào)法案［65］之后，F(xiàn)ERC開始逐步賦予儲(chǔ)能市場主體的地位。而在2018年著名的841法案［6］后，市場改革大大加快，準(zhǔn)入主體規(guī)模大大增加。
在美國市場中，交易-調(diào)度一體化的ISO根據(jù)市場主體的報(bào)價(jià)在日前、實(shí)時(shí)執(zhí)行全電量出清，確定市場價(jià)格和調(diào)度計(jì)劃。因此，美國的市場出清模型構(gòu)建主要由ISO完成，各ISO出臺(tái)了一系列政策，包含對能量市場、容量市場、輔助服務(wù)市場、輸電資產(chǎn)規(guī)則的修正，引入儲(chǔ)能聚合商等。
2.1 美國FERC 841法案
隨著儲(chǔ)能主體的增多，美國開始嘗試賦予儲(chǔ)能市場主體的地位，通過市場競爭的方式配置儲(chǔ)能資源。2018年2月，F(xiàn)ERC頒布841號(hào)法案［6］，要求各ISO在現(xiàn)有的市場框架之內(nèi)修正規(guī)則，為儲(chǔ)能參與市場提供便利。
法案首先對儲(chǔ)能做出明確定義，即擁有從電網(wǎng)吸收能量和隨后向電網(wǎng)反送能量能力的設(shè)備，在此簡稱為“吸收-反送”能力。法案要求市場規(guī)則具備中立性，即不同技術(shù)類型、地理位置的儲(chǔ)能參與市場的規(guī)則平等。
法案還對儲(chǔ)能的市場參與提出了若干要求，具體可歸為2類。
第1類是要求公平賦予儲(chǔ)能和其他主體一樣的市場地位。首先，儲(chǔ)能可參與能量、容量、輔助服務(wù)等全體系的市場。這實(shí)際上有助于儲(chǔ)能在各個(gè)市場中完成自身的價(jià)值實(shí)現(xiàn)與成本回收。以PJM為例，2019年其能量、容量、輔助服務(wù)費(fèi)用分別為133.3、55.1、3.5億美元，均達(dá)到了可觀的規(guī)模［66］。然后，允許儲(chǔ)能在市場上申報(bào)投標(biāo)購電或售電，且其充放電能按照節(jié)點(diǎn)電價(jià)結(jié)算。這實(shí)際上讓儲(chǔ)能反映自身成本，且讓市場自主發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能的調(diào)峰價(jià)值。2019年P(guān)JM平均的峰谷電價(jià)價(jià)差約為16美元/（MW·h）（合0.105元/（kW·h））［66］，而光伏滲透率較高的美國加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（California Independent System Operator，CAISO）平均峰谷價(jià)差則達(dá)到約45美元/（MW·h）（合0.300元/（kW·h））［67］，在某些供需緊張日期，峰谷價(jià)差可達(dá)到1元/（kW·h）以上。市場可根據(jù)不同系統(tǒng)不同日期的調(diào)峰壓力，給出不同的調(diào)峰獎(jiǎng)勵(lì)。
第2類是要求市場考慮儲(chǔ)能特殊的物理特性。首先，儲(chǔ)能的準(zhǔn)入門檻將從1 MW降低到100 kW。這將在很大程度上增加市場主體數(shù)量，增強(qiáng)市場的競爭性，實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)更優(yōu)的資源配置。根據(jù)美國能源部的儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫，這使得具備準(zhǔn)入資格的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置數(shù)量從124個(gè)上升到289個(gè)，占數(shù)據(jù)庫收錄項(xiàng)目的比例從25%上升到55%［68］。其次，明確儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)約束，保證儲(chǔ)能不同時(shí)充放電，考慮儲(chǔ)能的能量有限性核定其容量價(jià)值等。這些政策充分考慮了儲(chǔ)能的物理特性，以容量有限性為例，根據(jù)CAISO的數(shù)據(jù)，市場中大多數(shù)電池儲(chǔ)能的持續(xù)放電時(shí)間在1~4 h之間，僅有不到5%擁有超過4 h的放電能力［67］，這與傳統(tǒng)化石燃料機(jī)組有顯著的差異。
FERC各法案的思想是指導(dǎo)性的，在具體執(zhí)行時(shí)為各ISO預(yù)留了相當(dāng)?shù)撵`活性，允許其結(jié)合自身市場特點(diǎn)采用不同的技術(shù)路線。
2.2 現(xiàn)貨能量市場機(jī)制
在改革之前，能量市場出清模型較少考慮儲(chǔ)能的物理特性，如荷電狀態(tài)約束、與電網(wǎng)之間的雙向能量流等，而作為現(xiàn)貨市場體系的核心，能量市場能直接產(chǎn)生短期調(diào)度結(jié)果和價(jià)格信號(hào)，因此大部分ISO都非常關(guān)注其出清模型的修正，以幫助儲(chǔ)能更好地發(fā)揮削峰填谷作用。
在FERC 841法案下，各ISO在選擇技術(shù)路線方面有一定的自主權(quán)，本節(jié)以儲(chǔ)能規(guī)模最大的CAISO、PJM的市場機(jī)制為例進(jìn)行分析，見表2。
1）CAISO的市場模型
截至2020年，CAISO的儲(chǔ)能總?cè)萘窟_(dá)到7 260 MW，其中非抽水蓄能總?cè)萘窟_(dá)到1 120 MW，2項(xiàng)數(shù)據(jù)均位居美國所有ISO之首［68］。因其較大的儲(chǔ)能容量，CAISO在FERC頒布法案之前就已經(jīng)推動(dòng)了能量市場模型的修正［69］。
在改革后的市場模式中，儲(chǔ)能可以提交價(jià)格投標(biāo)、單日的初始荷電狀態(tài)和期望達(dá)到的末尾荷電狀態(tài)，由ISO求解多時(shí)段耦合的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，得到各時(shí)段的節(jié)點(diǎn)電價(jià)和儲(chǔ)能的充放電計(jì)劃。這種模式之下，儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)約束由ISO在出清模型中統(tǒng)一考慮，保證了出清結(jié)果對于儲(chǔ)能的可行性［70］。除去單獨(dú)提交充電投標(biāo)價(jià)和放電投標(biāo)價(jià)，CAISO也在考慮允許儲(chǔ)能提交循環(huán)一次充放電的價(jià)差投標(biāo)，這為儲(chǔ)能的市場參與提供了更多靈活性［71］。
除去這種為儲(chǔ)能設(shè)計(jì)的特殊市場模式外，儲(chǔ)能也可選擇提交自調(diào)度計(jì)劃參與市場，這種模式下儲(chǔ)能可自行管理荷電狀態(tài)，但需要作為市場價(jià)格的接受者［70］。
在2020年最新推動(dòng)的市場改革中，CAISO還關(guān)注到儲(chǔ)能潛在的市場力問題。實(shí)際上，由于儲(chǔ)能放電的成本取決于充電時(shí)的價(jià)格和在其他時(shí)段無法放電的機(jī)會(huì)成本，ISO很難像其他機(jī)組一樣掌握儲(chǔ)能的成本區(qū)間，這為儲(chǔ)能逃避市場監(jiān)管、虛報(bào)高價(jià)提供了便利［72］。為此，CAISO計(jì)劃開發(fā)模塊評估儲(chǔ)能的放電成本。模塊將分別計(jì)算能量成本、機(jī)會(huì)成本、裝置老化成本等，加總后得到總成本。若ISO認(rèn)定儲(chǔ)能有動(dòng)用市場力的可能，將用計(jì)算出的成本替代投標(biāo)價(jià)進(jìn)行出清。
2）PJM的市場模型
截至2020年，PJM的儲(chǔ)能總?cè)萘窟_(dá)到6 220 MW，非抽水蓄能總?cè)萘窟_(dá)到780 MW，緊隨CAISO之后位居美國各ISO第2位［68］。PJM積極響應(yīng)FERC的號(hào)召，推動(dòng)多項(xiàng)市場改革［73］。
在改革后的市場模式中，儲(chǔ)能需要提交價(jià)格投標(biāo)和自身所處的工作狀態(tài)［74］。與其他主體一樣，價(jià)格投標(biāo)以量-價(jià)對階梯曲線的形式呈現(xiàn)。工作狀態(tài)是儲(chǔ)能提交的特殊物理參數(shù)，包含充電、放電、連續(xù)、不可用4種，其中連續(xù)狀態(tài)表示儲(chǔ)能既可充電也可放電。在PJM模式之下，儲(chǔ)能將自己負(fù)責(zé)荷電狀態(tài)的管理，以保證充放電計(jì)劃的可行性。若市場出清結(jié)果不可行，儲(chǔ)能可在實(shí)時(shí)運(yùn)行前65 min修改投標(biāo)，以在實(shí)時(shí)市場上交易不平衡電量［75］。
儲(chǔ)能也有另外2種參與市場的選項(xiàng)：①和CAISO類似，儲(chǔ)能也可選擇提交自調(diào)度計(jì)劃參與市場；②儲(chǔ)能可以選擇將運(yùn)營控制權(quán)完全移交，由PJM統(tǒng)一調(diào)度規(guī)劃。這種模式原先是為單體規(guī)模較大的抽水蓄能設(shè)計(jì)，PJM收集儲(chǔ)能的物理參數(shù)，并通過交互調(diào)用抽水蓄能優(yōu)化模塊（pumped hydro storage optimizer）和市場出清模型，得到社會(huì)福利最大的出清結(jié)果和儲(chǔ)能充放電計(jì)劃［76］。這種模式之下，儲(chǔ)能無法通過投標(biāo)反映自身運(yùn)營成本。
2.3 輔助服務(wù)市場的出清機(jī)制
美國的輔助服務(wù)產(chǎn)品眾多，包含調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用等。在改革之前，儲(chǔ)能無法提供某些輔助服務(wù)［77］，而且市場規(guī)則也未能充分考慮快速響應(yīng)型儲(chǔ)能的靈活性。為了幫助儲(chǔ)能更好地提供輔助服務(wù)，各ISO推動(dòng)了一系列市場改革。
首先，各ISO開始逐步放開限制，允許各類型的儲(chǔ)能提供各類型的輔助服務(wù)，建立公平的市場環(huán)境［77］?？紤]到儲(chǔ)能的快速響應(yīng)特性，PJM允許沒有基礎(chǔ)能量出力的儲(chǔ)能也提供調(diào)頻等輔助服務(wù)［78］。作為對比，發(fā)電機(jī)組提供調(diào)頻服務(wù)時(shí)，需要同時(shí)中標(biāo)一定的能量以獲得上下調(diào)出力的空間。
早在2011年FERC頒布的755號(hào)命令［79］，客觀上也提高了儲(chǔ)能在輔助服務(wù)市場的競爭力。該命令要求各ISO區(qū)分不同響應(yīng)速度的資源，給予高響應(yīng)速度資源更多的獎(jiǎng)勵(lì)。PJM為此將調(diào)頻信號(hào)區(qū)分為傳統(tǒng)調(diào)頻信號(hào)Reg A和動(dòng)態(tài)調(diào)頻信號(hào)Reg D，并同時(shí)給予容量支付和表現(xiàn)支付［80］。目前，在PJM市場中，儲(chǔ)能以不到4%的容量提供了10.4%的日前旋轉(zhuǎn)備用和23.7%的調(diào)頻。在調(diào)頻表現(xiàn)得分上，77.3%的電池儲(chǔ)能取到了91分以上的表現(xiàn)得分，而僅有3.0%的天然氣發(fā)電機(jī)組和33.9%的水電機(jī)組具有相應(yīng)性能［66］。
2.4 儲(chǔ)能容量價(jià)值的測算分析
與發(fā)電機(jī)組不同，作為容量有限型資源，儲(chǔ)能可提供的容量支撐并不僅僅取決于其最大放電速率和強(qiáng)迫停機(jī)率，還和最大能量容量等多種因素有關(guān)，而原先的容量市場難以較好地考慮這一特性。各ISO也在探索儲(chǔ)能參與容量市場的模式，希望給予儲(chǔ)能恰當(dāng)?shù)闹Ц斗从称淙萘績r(jià)值，從而激勵(lì)后續(xù)容量投資。
在改革初始階段，各ISO采用了較為簡單的規(guī)定，要求儲(chǔ)能滿足一定的連續(xù)放電時(shí)間，對不能滿足的放電功率進(jìn)行折價(jià)。例如，CAISO要求儲(chǔ)能放電能力持續(xù)4 h以上［81］。能量容量為4 MW·h、功率容量為1 MW的儲(chǔ)能能連續(xù)放電4 h，因而其容量價(jià)值為1 MW，容量系數(shù)為100%；而能量容量為2 MW·h、功率容量為1 MW的儲(chǔ)能只能連續(xù)放電2 h，因而其容量價(jià)值只能取0.5 MW，容量系數(shù)為50%。其他ISO也采用了類似做法，但在連續(xù)放電時(shí)間要求上有所差異，例如PJM為10 h，美國西南電力市場（Southwest power pool，SPP）為4 h，美國新英格蘭獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（Independent System Operator of New England，ISO-NE）為2 h等［81-82］。
也有部分市場采用了更為靈活的折價(jià)方式。例如，美國紐約獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（New York Independent System Operator，NYISO）根據(jù)最長持續(xù)放電時(shí)間計(jì)算分段容量系數(shù)。放電功率低于1 000 MW時(shí)，能量容量和放電功率比例（簡稱為能量功率比）為2、4、6、8的儲(chǔ)能，容量系數(shù)分別核定為45%、90%、100%、100%；放電功率高于1 000 MW時(shí)，能量功率比為2、4、6、8的儲(chǔ)能，容量系數(shù)分別核定為37.5%、75%、90%和100%［83］。
部分ISO也在考慮利用市場仿真的手段精細(xì)考慮容量價(jià)值。PJM在修正容量市場規(guī)則的討論中，考慮利用有效帶負(fù)荷能力（effective load carrying capability，ELCC）來衡量儲(chǔ)能的容量價(jià)值［84］，即在系統(tǒng)可靠性指標(biāo)不變的情況下，增加1 MW儲(chǔ)能帶來的尖峰負(fù)荷增量?？紤]到這1 MW的儲(chǔ)能可以取不同的能量容量，實(shí)際上ELCC是能量功率比的函數(shù)。通過建立市場仿真模型，并輸入負(fù)荷曲線形狀和分布、電源結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能配置等參數(shù)，可以求解得到結(jié)果。這種方法已經(jīng)被應(yīng)用于風(fēng)電、光伏的容量價(jià)值確定［85］，但尚未應(yīng)用于儲(chǔ)能。
2.5 儲(chǔ)能作為輸電資產(chǎn)的探索
目前，市場一般不允許儲(chǔ)能同時(shí)從市場渠道和監(jiān)管渠道獲取收益，因?yàn)殡p軌制可能引發(fā)監(jiān)管費(fèi)率確定、儲(chǔ)能運(yùn)營權(quán)歸屬的爭議，F(xiàn)ERC也否定了多個(gè)儲(chǔ)能作為輸電資產(chǎn)的申請［86］。但是，儲(chǔ)能實(shí)際上可以在緊急情況下積極響應(yīng)而增強(qiáng)電網(wǎng)安全性，并通過充放電減少線路尖峰潮流而延緩輸電投資，實(shí)際上能起到輸電資產(chǎn)的作用［16］。
FERC在2017年頒布PL 17-2-000號(hào)紀(jì)要［87］，考慮儲(chǔ)能作為輸電資產(chǎn)獲取收益的可能性。紀(jì)要提出了儲(chǔ)能作為輸電資產(chǎn)的4項(xiàng)前提要求：①儲(chǔ)能應(yīng)當(dāng)具備相對輸電線路的成本優(yōu)勢；②應(yīng)當(dāng)防止儲(chǔ)能為其提供的同種服務(wù)從市場、監(jiān)管渠道同時(shí)獲得支付；③儲(chǔ)能不能影響其他主體的投標(biāo)空間；④ISO應(yīng)當(dāng)保持自身的獨(dú)立性。在具體執(zhí)行中，對作為輸電項(xiàng)目的儲(chǔ)能采取一事一議的審批原則。
CAISO、PJM、美國中部獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（Midcontinent Independent System Operator，MISO）等各ISO已在考慮儲(chǔ)能作為輸電資產(chǎn)的可能性。CAISO已經(jīng)在2017—2018年的輸電擴(kuò)展計(jì)劃中，將儲(chǔ)能作為輸電資產(chǎn)的一個(gè)備選項(xiàng)評估，并且推動(dòng)了2個(gè)儲(chǔ)能項(xiàng)目的建設(shè)［88］。PJM建立了研究專項(xiàng)，向市場參與方征詢意見［89］。MISO將儲(chǔ)能作為單一輸電資產(chǎn)的提案已經(jīng)得到了FERC批準(zhǔn)通過［90］。
實(shí)際上，儲(chǔ)能作為輸電資產(chǎn)有2種模式：一種是儲(chǔ)能作為單一輸電資產(chǎn)，不再提供市場服務(wù)；另一種是儲(chǔ)能作為混合資產(chǎn)，同時(shí)提供輸電服務(wù)和市場服務(wù)。目前各ISO推動(dòng)的實(shí)際項(xiàng)目大多采用第1種模式，而第2種模式的成本回收機(jī)制仍在討論之中。
2.6 分布式儲(chǔ)能通過聚合商參與市場的模式
根據(jù)FERC 841法案要求，儲(chǔ)能參與市場的規(guī)模準(zhǔn)入門檻應(yīng)降低到100 kW，這已經(jīng)引發(fā)了部分ISO對模型計(jì)算算力的擔(dān)憂［91］。然而，配電網(wǎng)側(cè)的分布式儲(chǔ)能規(guī)模還無法達(dá)到100 kW，無法直接參與輸電網(wǎng)的批發(fā)側(cè)市場。
為了解決分布式資源參與市場的難題，F(xiàn)ERC在2020年發(fā)布了2222號(hào)命令［92］，要求各ISO修正市場模型，幫助分布式資源聚合商參與市場。分布式資源聚合商可能在多個(gè)節(jié)點(diǎn)與主網(wǎng)產(chǎn)生雙向功率流，改革后的模型將考慮這一特殊的物理特性。同時(shí)，聚合商能夠同時(shí)參與能量、輔助服務(wù)和容量等多種市場，通過投標(biāo)反映市場參與意愿，并按照節(jié)點(diǎn)電價(jià)結(jié)算交易能量。MISO等ISO已經(jīng)修正市場規(guī)則，幫助聚合商參與市場［93］。
分布式儲(chǔ)能交互的主要對象是聚合商。不同聚合商推出的商業(yè)模式有較大差異，包括固定費(fèi)用租賃合約、根據(jù)表現(xiàn)事后分配利潤等方式。MISO區(qū)域內(nèi)，部分聚合商采用的是租賃合約模式，每隔一段時(shí)間給予分布式資源固定的支付［94］。
3、英國和澳大利亞儲(chǔ)能參與市場實(shí)踐
除去美國之外，英國和澳大利亞也推動(dòng)政策改革，使市場更好地配置儲(chǔ)能資源。
這兩國與美國的市場模式有所差異。英國市場沒有全電量出清環(huán)節(jié)，主要由市場主體自主申報(bào)發(fā)用電計(jì)劃，然后市場組織者為保證發(fā)用電平衡和消除阻塞，組織平衡市場采購上下調(diào)電量。澳大利亞市場沒有成熟的容量補(bǔ)償體系，主要依靠尖峰價(jià)格反映可靠性價(jià)值，而且其能量結(jié)算主要基于實(shí)時(shí)滾動(dòng)出清的市場價(jià)格。市場模式的差異，使兩國的市場政策改革具備各自特色。
3.1 英國的市場改革措施
英國目前擁有3 600 MW左右的儲(chǔ)能，其中非抽水蓄能為800 MW［68］，英國電化學(xué)儲(chǔ)能的裝機(jī)容量位于歐洲前列。
在儲(chǔ)能的市場定位上，英國市場對儲(chǔ)能作為輸電資產(chǎn)持有謹(jǐn)慎態(tài)度，原則上不允許電力系統(tǒng)運(yùn)營商（Electrical System Operator，ESO）直接投資、控制儲(chǔ)能資源［95］，而要求儲(chǔ)能作為市場主體參與市場。英國近年已經(jīng)逐步調(diào)低參與門檻到1 MW［96］，不過目前尚未對儲(chǔ)能給出單獨(dú)的市場定義，而將其分類為發(fā)電資產(chǎn)［97］。
在英國的市場模式中，儲(chǔ)能有2種參與能量市場的方法：一是提前通過雙邊談判或在交易所交易購入或出售電能，明確交割電力曲線，并在日前提交出力計(jì)劃，盡管儲(chǔ)能本身凈發(fā)電量小于零，但峰、谷電量塊合約可以體現(xiàn)電能的分時(shí)價(jià)值，儲(chǔ)能可出售價(jià)格較高的峰時(shí)段塊合約，購入價(jià)格較低的谷時(shí)段塊合約，套利獲取利潤；二是參與實(shí)時(shí)的平衡市場，依靠自身的靈活性，提供上調(diào)量應(yīng)對潛在的功率缺額，提供下調(diào)量幫助可再生能源消納。在2020年的改革之后，儲(chǔ)能開始被納入平衡市場［98］，通過提供上下調(diào)節(jié)量獲利已經(jīng)沒有了政策障礙。
英國也允許儲(chǔ)能參與容量市場。在2020年組織的容量市場中，儲(chǔ)能中標(biāo)容量占比約為5%（50.4 GW中的2.7 GW）［99］。英國在核定儲(chǔ)能容量價(jià)值時(shí)，從可靠性指標(biāo)出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷曲線形狀確定儲(chǔ)能實(shí)際的容量支撐價(jià)值，這與美國市場在討論的ELCC模式類似［100］。
輔助服務(wù)方面，英國也建立了包含增強(qiáng)快速調(diào)頻、快速調(diào)頻、短期運(yùn)行備用、快速備用等多種產(chǎn)品。其中，2016年誕生的增強(qiáng)快速調(diào)頻產(chǎn)品要求資源在1 s之內(nèi)完成響應(yīng)［101］，這尤其有利于電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)揮其靈活性優(yōu)勢。目前，英國有近1 000 MW的儲(chǔ)能提供調(diào)頻服務(wù)。
中小型儲(chǔ)能可以以聚合商為媒介參與市場。目前英國的聚合商可以提供能量、平衡服務(wù)、容量、需求側(cè)響應(yīng)等多種服務(wù)，充分發(fā)揮價(jià)值［102］。
3.2 澳大利亞的市場改革措施
根據(jù)美國能源部數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計(jì)，澳大利亞目前共擁有儲(chǔ)能3 110 MW，其中非抽水蓄能為320 MW［68］。
澳大利亞和美國市場一樣，也擁有能量、輔助服務(wù)的交易標(biāo)的，以供儲(chǔ)能完成價(jià)值實(shí)現(xiàn)，但缺乏成熟的容量補(bǔ)償機(jī)制，只依靠單一能量市場，因此致力于形成準(zhǔn)確的能量價(jià)格信號(hào)［103］。
市場計(jì)劃從2021年10月開始，將結(jié)算時(shí)間細(xì)粒度從30 min降為5 min，這有助于反映極短供需緊張時(shí)段內(nèi)能量的尖峰價(jià)值，儲(chǔ)能的快速響應(yīng)、容量支撐作用可得到獎(jiǎng)勵(lì)［104］。
此外，澳大利亞也考慮了儲(chǔ)能與電網(wǎng)之間潛在的雙向功率流，定義了新的資源模型。儲(chǔ)能資源可同時(shí)申報(bào)充電報(bào)價(jià)和放電報(bào)價(jià)，市場出清時(shí)將根據(jù)供需情況，決定儲(chǔ)能具體的充放電狀態(tài)和功率。這種新型的模型賦予了儲(chǔ)能更大的運(yùn)行可行域，為市場提供了資源配置的更大空間［105］。
4、儲(chǔ)能參與市場的關(guān)鍵問題
結(jié)合學(xué)界的研究和業(yè)界的探索，本章將對儲(chǔ)能參與市場的關(guān)鍵問題進(jìn)行提煉，并比較探討儲(chǔ)能參與市場不同技術(shù)路線。
在設(shè)計(jì)儲(chǔ)能參與市場的機(jī)制之前，應(yīng)當(dāng)明確儲(chǔ)能的角色定位；若儲(chǔ)能作為市場主體，則需要討論儲(chǔ)能市場的框架設(shè)計(jì)；儲(chǔ)能參與現(xiàn)有的批發(fā)市場時(shí)，需要探討能量市場的出清模型、價(jià)格機(jī)制和容量價(jià)值的核算模型；考慮到廣泛的分布式儲(chǔ)能主體，分布式儲(chǔ)能參與市場的交易機(jī)制也值得探索。
4.1 儲(chǔ)能在市場中的角色定位
由于儲(chǔ)能實(shí)際上也具備延緩輸電投資、增加電網(wǎng)安全等輸電資產(chǎn)功能［16，18］，理論上應(yīng)當(dāng)獲取對應(yīng)收益，然而輸電資產(chǎn)在現(xiàn)有市場中是被管制主體。由此引發(fā)了儲(chǔ)能的市場定位問題：儲(chǔ)能能否作為單一市場主體、能否作為單一被管制主體、能否同時(shí)作為市場主體和被管制主體。
從現(xiàn)有研究看，分別有文獻(xiàn)以儲(chǔ)能作為單一被管制主體［24-26］、單一市場主體［14，27-34］進(jìn)行研究，也有文獻(xiàn)探討了儲(chǔ)能同時(shí)作為2種主體的可能性［38］。從美國實(shí)踐來看，過去FERC對儲(chǔ)能作為輸電資產(chǎn)持謹(jǐn)慎態(tài)度，近年來也開始探索可能性，而各ISO的探索暫時(shí)止步于儲(chǔ)能作為單一市場主體。
若儲(chǔ)能作為單一市場主體，固然可以從能量市場、輔助服務(wù)市場和容量市場中獲取收益，但市場無法體現(xiàn)其作為輸電資產(chǎn)的價(jià)值，某些在輸電功能方面具有相對優(yōu)勢的儲(chǔ)能項(xiàng)目可能無法被投資。
若儲(chǔ)能作為單一被管制主體，首先需要充分論證在輸電功能上相對線路的優(yōu)勢，并確定合適的投資規(guī)模，防止出現(xiàn)盲目、過度投資；論證通過后，儲(chǔ)能需要被ISO控制，若提供能量、輔助服務(wù)等已市場化的標(biāo)的，會(huì)有損ISO的中立性和獨(dú)立性。
若儲(chǔ)能同時(shí)作為市場主體和被管制主體，優(yōu)勢在于有潛力實(shí)現(xiàn)其全部價(jià)值，可以認(rèn)為是市場發(fā)展的遠(yuǎn)期目標(biāo)。但是，還有諸多挑戰(zhàn)需要解決：一是需要核定儲(chǔ)能從被管制渠道獲取的收益量，防止儲(chǔ)能為其所提供的同種服務(wù)獲取雙份收益；二是儲(chǔ)能需要協(xié)調(diào)市場職能和被管制的職能，明確在容量有限的情況下以誰為先；三是需要保證ISO的獨(dú)立性，若由ISO控制的儲(chǔ)能也能參與市場投標(biāo)、影響市場結(jié)果，這會(huì)引發(fā)其他市場主體對公平性的擔(dān)憂。
4.2 儲(chǔ)能參與市場的框架設(shè)計(jì)
利用市場配置儲(chǔ)能資源時(shí)，需要設(shè)計(jì)合適的框架，明確與現(xiàn)有市場的融合方式。
學(xué)界的研究中，儲(chǔ)能市場與現(xiàn)有市場的融合模式可分為2類：一類是統(tǒng)一運(yùn)行模式［13，40-47］，即在現(xiàn)有的市場體系中建立儲(chǔ)能資源的物理模型，設(shè)計(jì)合適的市場規(guī)則，市場將同時(shí)配置發(fā)電、用電、儲(chǔ)能資源；另一類是獨(dú)立運(yùn)行模式［16，26，35-39］，即ISO、發(fā)電商或用戶作為買方，在儲(chǔ)能使用權(quán)市場上購買儲(chǔ)能使用權(quán)，以改善自身平衡能力、出力曲線或用電曲線。從美國實(shí)踐來看，ISO當(dāng)前主要采用了統(tǒng)一運(yùn)行模式。
相對獨(dú)立運(yùn)行模式的顯式拍賣，統(tǒng)一運(yùn)行模式實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能使用權(quán)的隱式拍賣。統(tǒng)一運(yùn)行模式的優(yōu)勢在于，出清模型的目標(biāo)函數(shù)是社會(huì)福利最大化，這能夠?qū)崿F(xiàn)全局最優(yōu)，儲(chǔ)能使用權(quán)被配置給創(chuàng)造最大社會(huì)福利的主體；同時(shí)，統(tǒng)一的市場組織有利于信息發(fā)布和市場監(jiān)管。其劣勢在于，出清模型需要同時(shí)優(yōu)化儲(chǔ)能的充放電計(jì)劃、發(fā)電出力、用電曲線，這對模型的準(zhǔn)確度、求解算法的效率提出了較高要求。
4.3 能量市場模型修正
批發(fā)能量市場交易量大，在資源配置體系中具有重要地位。英國市場由各主體自己決策出力計(jì)劃，儲(chǔ)能的引入并不帶來明顯問題，而美國全電量出清的能量市場要求直接生成可供執(zhí)行的調(diào)度計(jì)劃和價(jià)格信號(hào)，其出清模型無法很好地考慮儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)約束和裝置老化成本。另外，抽水蓄能、電化學(xué)、電機(jī)械等儲(chǔ)能的物理特性具有異質(zhì)性，需要在機(jī)制中加以考慮。
現(xiàn)有研究修正了能量市場的投標(biāo)、出清環(huán)節(jié)，考慮了荷電狀態(tài)約束［40］和機(jī)會(huì)成本［42-43］。在美國的實(shí)踐中，CAISO將荷電狀態(tài)約束在出清模型中統(tǒng)一考慮，允許儲(chǔ)能提交充放電的價(jià)差報(bào)價(jià)，而PJM則要求儲(chǔ)能自行管理荷電狀態(tài)，并以能量為標(biāo)的展開報(bào)價(jià)。另外，各ISO也允許儲(chǔ)能以自調(diào)度模式、ISO統(tǒng)一優(yōu)化模式參與市場。
修正市場模型時(shí)，不同的技術(shù)路線各有優(yōu)劣。如確定荷電狀態(tài)管理責(zé)任方時(shí)，以ISO為責(zé)任方能確保出清結(jié)果落在儲(chǔ)能運(yùn)行可行域之內(nèi)，減少因計(jì)劃不可行導(dǎo)致的實(shí)時(shí)偏差，但這使得不同時(shí)段的出清模型互相耦合，大大增加了求解的難度。再如確定投標(biāo)模式時(shí)，價(jià)差投標(biāo)能更準(zhǔn)確地幫助儲(chǔ)能反映充放電循環(huán)一次的成本，但增加了目標(biāo)函數(shù)建模的復(fù)雜性。
為了滿足不同類型儲(chǔ)能的需要，保留多種市場參與模式是有意義的。例如，ISO統(tǒng)一優(yōu)化模式能幫助儲(chǔ)能更有效地削峰填谷，這可能更適用于單機(jī)規(guī)模較大的抽水蓄能，而自主投標(biāo)模式能讓儲(chǔ)能在市場上試探高峰價(jià)格，可能更適合于規(guī)模較小、成本較為昂貴的電化學(xué)儲(chǔ)能。值得注意的是，ISO并未對儲(chǔ)能類型加以區(qū)分并強(qiáng)制其以某種模式參與，而是賦予儲(chǔ)能自由選擇權(quán)，保證規(guī)則的公平性。
4.4 市場價(jià)格機(jī)制設(shè)計(jì)
在目前能量市場的邊際電價(jià)結(jié)算模式之下，儲(chǔ)能面臨獲取的報(bào)酬與其貢獻(xiàn)不匹配的困境［7］，且隨著越來越多的儲(chǔ)能發(fā)揮削峰填谷的作用，電價(jià)峰谷差的減小將壓縮儲(chǔ)能套利的空間［106］。這實(shí)際上為儲(chǔ)能的策略性行為提供了動(dòng)機(jī)。因此，需要設(shè)計(jì)合適的價(jià)格機(jī)制。
從學(xué)界研究來看，諸多學(xué)者從結(jié)算機(jī)制入手，試圖提升機(jī)制的激勵(lì)相容性［51-52］。其中，Vickery-Clark-Gloves（VCG）機(jī)制是一種經(jīng)典的按貢獻(xiàn)結(jié)算的機(jī)制，曾得到諸多學(xué)者的關(guān)注［107-108］。從美國實(shí)踐來看，CAISO則試圖采用成本審核的模式，用監(jiān)審成本替代具備動(dòng)用市場力潛力的主體的投標(biāo)。
VCG機(jī)制的優(yōu)勢在于，能在保留市場主體報(bào)價(jià)權(quán)的情況下，有效抑制策略性行為。在該機(jī)制中，儲(chǔ)能獲得支付取決于其創(chuàng)造的社會(huì)福利增益，因此個(gè)體利益與集體利益一致。然而，VCG機(jī)制給予儲(chǔ)能支付的增加是以收不抵支為代價(jià)的，需要設(shè)計(jì)配套的不平衡資金疏解方案。另外，單單對儲(chǔ)能采用VCG支付，也容易引起其他市場主體的質(zhì)疑。
采用成本審核模式的優(yōu)勢在于，現(xiàn)有市場已經(jīng)針對其他主體的市場力出臺(tái)了類似機(jī)制，如PJM的三寡頭測試后的成本替代法［109］，這不容易引發(fā)公平性質(zhì)疑，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生不平衡資金。然而，成本審核模式并未從根本上解決儲(chǔ)能獲取的報(bào)酬與貢獻(xiàn)不匹配的問題，可能會(huì)抑制儲(chǔ)能的投資［110］。此外，確保成本監(jiān)審的準(zhǔn)確性也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
4.5 儲(chǔ)能的容量價(jià)值核算
容量充裕性機(jī)制能夠?qū)Y源的容量支撐作用給予獎(jiǎng)勵(lì)，然而，作為容量有限型資源，儲(chǔ)能的容量價(jià)值的準(zhǔn)確核定是一個(gè)難題。
目前，一共有如下3種技術(shù)路線：①設(shè)定連續(xù)放電時(shí)間要求，對儲(chǔ)能的放電功率進(jìn)行直接折價(jià)，為目前大部分ISO所采用；②根據(jù)市場仿真的ELCC結(jié)果確定儲(chǔ)能的容量價(jià)值，目前美國各ISO尚在討論此方案，而英國已經(jīng)逐步開始實(shí)際應(yīng)用；③對不同能量功率比儲(chǔ)能，設(shè)定不同的容量系數(shù)，為NYISO所采用。
直接折價(jià)模式的優(yōu)點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)明晰、執(zhí)行簡單，但其連續(xù)充放電時(shí)間要求并不合理，這實(shí)際上要求在整個(gè)峰荷期儲(chǔ)能必須保證平穩(wěn)的放電功率，但實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行中，儲(chǔ)能可以根據(jù)負(fù)荷波動(dòng)在某些時(shí)段減少自身的放電功率，在最高峰增加放電功率，因此儲(chǔ)能的容量價(jià)值實(shí)際上高于直接折價(jià)后的功率。
ELCC模式的優(yōu)點(diǎn)在于，可以根據(jù)負(fù)荷曲線形狀、儲(chǔ)能放電功率和能量容量、電源結(jié)構(gòu)等因素，仿真得到較為準(zhǔn)確的儲(chǔ)能容量價(jià)值。其缺點(diǎn)在于，需要在容量市場內(nèi)嵌仿真程序，技術(shù)難度大。另外，仿真結(jié)果的精確性取決于輸入?yún)?shù)的精確性，但預(yù)測的負(fù)荷曲線形狀、電源結(jié)構(gòu)等參數(shù)未必準(zhǔn)確。
對不同能量功率比的儲(chǔ)能核定不同的容量系數(shù)，實(shí)際是對前2個(gè)模式的折中，兼具2種模式的優(yōu)缺點(diǎn)。
4.6 分布式儲(chǔ)能參與市場的模式
分布化是電力系統(tǒng)的重要趨勢之一，但分布式儲(chǔ)能參與市場報(bào)價(jià)的意愿不明，而市場模型也難以直接對數(shù)量龐大的分布式儲(chǔ)能進(jìn)行優(yōu)化，因而需要為分布式儲(chǔ)能設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的市場參與模式。
從學(xué)界研究來看，一些學(xué)者主張以聚合商為溝通分布式儲(chǔ)能與批發(fā)市場的媒介［55-57］，一些學(xué)者則直接設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)側(cè)的分布式儲(chǔ)能交易機(jī)制［51，58-62］。從美國實(shí)踐來看，F(xiàn)ERC在批發(fā)市場層面，要求各ISO培育參與市場的聚合商。
若采用聚合商模式，需要理順2層關(guān)系：一是批發(fā)市場和聚合商的關(guān)系；二是聚合商和分布式資源的關(guān)系。首先，需要考慮聚合商能在多個(gè)節(jié)點(diǎn)與電網(wǎng)雙向交流能量的特性，設(shè)計(jì)對應(yīng)的投標(biāo)規(guī)則和出清規(guī)則。其次，需要培育聚合商，形成具有市場競爭力的商業(yè)模式。
若采用配電網(wǎng)側(cè)直接交易的模式，優(yōu)勢在于可促進(jìn)配電網(wǎng)能量的就地平衡，減少對輸電網(wǎng)絡(luò)的潮流壓力和對批發(fā)市場出清的計(jì)算壓力。但是，仍需要探索交易模式簡單、成本較低的機(jī)制，以適應(yīng)小規(guī)模主體較低的市場參與意愿和能力。
5、對中國儲(chǔ)能參與市場的建議
本章首先回顧了中國儲(chǔ)能參與市場的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，然后結(jié)合學(xué)界的研究進(jìn)展、各國市場的實(shí)踐探索，對中國儲(chǔ)能參與市場的機(jī)制設(shè)計(jì)提出相關(guān)建議。
5.1 中國儲(chǔ)能參與市場的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
在2019年《輸配電定價(jià)成本監(jiān)審辦法》［111］出臺(tái)后，儲(chǔ)能成本在該監(jiān)審周期不能核入輸配電價(jià)成本之中，作為被管制資產(chǎn)的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能發(fā)展受到了限制。2021年4月，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》［112］，要求明確儲(chǔ)能市場主體的定位，同時(shí)探索將電網(wǎng)替代性儲(chǔ)能設(shè)施成本收益納入輸配電價(jià)回收。2021年5月，國家發(fā)改委發(fā)布《進(jìn)一步完善抽水蓄能價(jià)格形成機(jī)制的意見》［113］，提出儲(chǔ)能可從輸配電價(jià)中回收部分成本，體現(xiàn)其調(diào)頻、調(diào)壓、系統(tǒng)備用和黑啟動(dòng)服務(wù)的價(jià)值。從成本-效益的角度分析，部分儲(chǔ)能項(xiàng)目事實(shí)上具有提高系統(tǒng)可靠性、替代輸配電資產(chǎn)的作用，若被管制渠道的收益放開，一定程度上可以促進(jìn)部分有成本優(yōu)勢的儲(chǔ)能項(xiàng)目的投運(yùn)。
在相關(guān)政策的支持下，電源側(cè)和用戶側(cè)的儲(chǔ)能發(fā)展迅速，但市場參與仍較為有限。例如，青海等地已經(jīng)出臺(tái)政策，要求并網(wǎng)的可再生能源配置一定規(guī)模的儲(chǔ)能；蘇州對分布式儲(chǔ)能給予度電補(bǔ)貼，刺激用戶側(cè)儲(chǔ)能的投資。但是，這些政策只是“單點(diǎn)突破”，并沒有能夠發(fā)揮市場配置資源的作用，儲(chǔ)能本質(zhì)上沒有成為市場主體，只在促進(jìn)可再生能源消納、削峰填谷等特定場景下發(fā)揮作用?？上驳氖?，2016年《關(guān)于促進(jìn)電儲(chǔ)能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償（市場）機(jī)制試點(diǎn)工作的通知》［114］出臺(tái)后，陸續(xù)有部分地區(qū)允許第三方儲(chǔ)能進(jìn)入調(diào)頻、調(diào)峰市場，在全國起到了示范的作用。
目前，山西、廣東、甘肅、寧夏等地嘗試性地開展了調(diào)峰、調(diào)頻、需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制，但準(zhǔn)入門檻較高。在允許儲(chǔ)能參與市場的省份中，大部分要求儲(chǔ)能的放電功率達(dá)到10 MW，要求較低的廣東省也達(dá)2 MW［115-116］，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國0.1 MW的準(zhǔn)入條件。較高的準(zhǔn)入門檻固然減輕了市場組織的壓力，但這使得市場不能充分利用小型儲(chǔ)能設(shè)施，也反過來阻礙小型儲(chǔ)能的投資。
目前的調(diào)峰市場未形成有效的價(jià)格機(jī)制，激勵(lì)不充足、不穩(wěn)定、不夠準(zhǔn)確。調(diào)峰補(bǔ)償是現(xiàn)貨市場未建立、分時(shí)價(jià)格未形成時(shí)的過渡機(jī)制。部分省份設(shè)定固定補(bǔ)償價(jià)格，大多在0.4~0.7元/（kW·h）之間［116］，尚未為電化學(xué)儲(chǔ)能參與調(diào)峰提供充足利潤。同時(shí)，現(xiàn)有的調(diào)峰補(bǔ)償價(jià)格有被政策干預(yù)的可能，面臨下降甚至取消的風(fēng)險(xiǎn)，無法向儲(chǔ)能投資者傳遞穩(wěn)定的收益預(yù)期。另外，固定價(jià)格機(jī)制未能通過能量市場準(zhǔn)確地反映不同系統(tǒng)、不同日期調(diào)峰的價(jià)值差異，可能造成價(jià)格信號(hào)的扭曲。
目前，山西、廣東等省的調(diào)頻支付機(jī)制考慮了調(diào)頻效果，有利于獎(jiǎng)勵(lì)快速響應(yīng)資源［117-118］。與美國市場類似，中國部分省份的調(diào)頻市場也引入了表現(xiàn)支付，給予響應(yīng)速度快、精度高、延遲少的資源更多支付。此外，市場還對調(diào)頻容量、調(diào)頻里程給予部分支付。不過，目前大部分省份的調(diào)頻市場依舊獨(dú)立運(yùn)行，無法很好地考慮調(diào)頻、能量、備用等標(biāo)的間的耦合關(guān)系。
中國目前在推動(dòng)現(xiàn)貨市場的建設(shè)，市場運(yùn)營成熟后，第三方儲(chǔ)能有望通過分時(shí)價(jià)差，獲取調(diào)峰價(jià)值的獎(jiǎng)勵(lì)。各現(xiàn)貨試點(diǎn)也在探索容量、輔助服務(wù)等全套市場體系。這一過程中，中國也終將面臨先行市場遇到的問題，包括如何考慮儲(chǔ)能的物理特性，設(shè)計(jì)合適的報(bào)價(jià)模式和能量市場出清模型，如何在容量補(bǔ)償機(jī)制中對儲(chǔ)能的容量支撐予以獎(jiǎng)勵(lì)等。
5.2 對中國市場建設(shè)的建議
在設(shè)計(jì)中國儲(chǔ)能參與市場的路徑時(shí)，需要同時(shí)考慮兩方面因素：一方面，過渡階段中國有一些特色問題亟待解決，以在短期為儲(chǔ)能提供公平的市場參與環(huán)境；另一方面，考慮到先行國家已有的現(xiàn)貨市場機(jī)制也面臨著儲(chǔ)能的不適配性，中國在現(xiàn)貨建設(shè)過程中宜提前布局，提高市場機(jī)制設(shè)計(jì)的完備性。結(jié)合中國當(dāng)下的情況與現(xiàn)貨市場建設(shè)的目標(biāo)，提出如下建議。
1）明確儲(chǔ)能的市場主體定位，并探索儲(chǔ)能從被管制渠道獲取收益的可行性。中國的政策已經(jīng)明確了儲(chǔ)能作為市場主體的定位，因此應(yīng)修正機(jī)制幫助儲(chǔ)能參與能量、輔助服務(wù)市場。在被管制渠道上，探索解決儲(chǔ)能作為輸電資產(chǎn)的若干難題，研究儲(chǔ)能通過輸配電價(jià)回收成本的比例，形成一攬子解決方案。
2）擴(kuò)大儲(chǔ)能的市場參與范圍，促進(jìn)各種類型、各種產(chǎn)權(quán)性質(zhì)的儲(chǔ)能共同參與市場，并降低準(zhǔn)入門檻。中國已有部分省份賦予了第三方儲(chǔ)能市場主體的地位，建議在全國推廣，并推動(dòng)發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)的儲(chǔ)能資源在閑置時(shí)也參與市場競價(jià)，擴(kuò)大資源優(yōu)化配置的空間。此外，考慮到中國目前儲(chǔ)能準(zhǔn)入門檻較高的情況，建議在政策上做好迎接更多小規(guī)模儲(chǔ)能參與市場的準(zhǔn)備，并優(yōu)化出清算法、提升算力以應(yīng)對更多投標(biāo)。
3）形成更有效的調(diào)峰、調(diào)頻價(jià)格信號(hào)，并逐步向現(xiàn)貨市場的分時(shí)價(jià)格體系過渡?？紤]到現(xiàn)貨市場建成尚需時(shí)日、在地域上也參差不齊，中國獨(dú)立運(yùn)行的調(diào)峰調(diào)頻機(jī)制在短時(shí)間內(nèi)仍有一定的實(shí)施空間。調(diào)峰機(jī)制方面，建議根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況建立動(dòng)態(tài)價(jià)格機(jī)制，并在供給側(cè)建立競價(jià)機(jī)制，使市場發(fā)現(xiàn)調(diào)峰服務(wù)的真實(shí)價(jià)值。調(diào)頻機(jī)制方面，建議在更多省份推廣按調(diào)頻效果付費(fèi)的機(jī)制，獎(jiǎng)勵(lì)快速響應(yīng)資源。在遠(yuǎn)期，逐步將現(xiàn)有的調(diào)峰調(diào)頻市場與現(xiàn)貨市場融合，用分時(shí)價(jià)格替代調(diào)峰機(jī)制，并推動(dòng)能量與調(diào)頻市場的聯(lián)合運(yùn)行。
4）在建設(shè)現(xiàn)貨市場時(shí)，將儲(chǔ)能納入統(tǒng)一的市場運(yùn)行框架之中，同時(shí)探索以儲(chǔ)能容量使用權(quán)為標(biāo)的的交易機(jī)制。與美國市場類似，中國當(dāng)前的大多數(shù)現(xiàn)貨試點(diǎn)采用了統(tǒng)一運(yùn)營優(yōu)化的市場模式，因而具備了統(tǒng)一優(yōu)化儲(chǔ)能運(yùn)行計(jì)劃的條件，可以嘗試促成更高的社會(huì)福利。此外，可開展以儲(chǔ)能容量的使用權(quán)為標(biāo)的的交易機(jī)制，可以靈活地實(shí)現(xiàn)運(yùn)營委托，滿足個(gè)性化的交易需要，使儲(chǔ)能資源在更大范圍內(nèi)發(fā)揮更大的貢獻(xiàn)，提高其投資運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。例如，可幫助可再生能源等主體在部分時(shí)段平抑市場風(fēng)險(xiǎn)，以此激勵(lì)可再生能源在投建時(shí)即尋找配套的儲(chǔ)能設(shè)施，從而保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的充足。
5）建設(shè)全電量出清的現(xiàn)貨市場時(shí)，需要建立完善的能量市場出清模型，使之適應(yīng)儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)約束、老化成本等特性，并探索不同參與機(jī)制對不同類型儲(chǔ)能的適用性。中國當(dāng)前的現(xiàn)貨市場試點(diǎn)仍在起步階段，投標(biāo)、出清等環(huán)節(jié)仍不能精細(xì)化地適應(yīng)儲(chǔ)能的物理特性。各試點(diǎn)市場應(yīng)在建設(shè)到一定階段時(shí)，適時(shí)考慮儲(chǔ)能參與交易的機(jī)制要素設(shè)計(jì)，如：根據(jù)自身的軟件算力、市場主體投標(biāo)能力等實(shí)際情況，確定荷電狀態(tài)約束的管理責(zé)任方和投標(biāo)標(biāo)的形式。另外，可探索量-價(jià)投標(biāo)、自調(diào)度、市場組織者直接調(diào)度等多種市場參與模式，供儲(chǔ)能市場主體根據(jù)其自身特點(diǎn)和主觀意愿選擇。
6）考慮現(xiàn)貨市場邊際電價(jià)支付機(jī)制下儲(chǔ)能潛在的策略性行為，對儲(chǔ)能的放電成本進(jìn)行核準(zhǔn)分析，探索構(gòu)建按照實(shí)際貢獻(xiàn)支付的價(jià)格機(jī)制。目前中國儲(chǔ)能的規(guī)模有限，峰谷差的減少不一定會(huì)使儲(chǔ)能喪失削峰填谷的激勵(lì)。但是，儲(chǔ)能規(guī)模擴(kuò)大后，如果峰谷差降低，儲(chǔ)能可能在市場上出現(xiàn)策略性報(bào)價(jià)的情況，如虛報(bào)高價(jià)或物理持留等，而現(xiàn)有的市場監(jiān)管辦法難以對這種情況進(jìn)行辨識(shí)與干預(yù)。為此，需要未雨綢繆，對儲(chǔ)能參與市場交易的能量成本、機(jī)會(huì)成本、裝置老化成本等提前進(jìn)行摸底分析，掌握其大致成本區(qū)間。此外，需要探索按實(shí)際貢獻(xiàn)對儲(chǔ)能展開支付的可能性，這既能抑制儲(chǔ)能的策略性行為，也可賦予儲(chǔ)能更大的投資激勵(lì)。
7）在探索容量補(bǔ)償機(jī)制的過程中，結(jié)合具體的尖峰負(fù)荷曲線形狀、電源結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)特性，合理核算儲(chǔ)能資源的容量價(jià)值。中國未來電網(wǎng)的可再生能源比例將不斷提升，電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行需要不同能量功率比的儲(chǔ)能以應(yīng)對不同持續(xù)時(shí)間的尖峰負(fù)荷。因此，需要差異化考慮不同能量功率比儲(chǔ)能的容量價(jià)值，以取代簡單地以最小持續(xù)放電時(shí)間對儲(chǔ)能容量進(jìn)行無差別折價(jià)的粗糙方式。在技術(shù)條件成熟后，可過渡到ELCC模式，實(shí)現(xiàn)容量價(jià)值的精確化核定。
8）激勵(lì)分布式儲(chǔ)能投資，積極培育聚合商主體，并探索儲(chǔ)能參與配電網(wǎng)側(cè)直接交易的模式。分布式可再生能源是未來中國重要的能源發(fā)展方向，分布式儲(chǔ)能作為其配套，對于配電網(wǎng)實(shí)時(shí)平衡、自主調(diào)峰具有重要作用。一方面，可開展聚合商聚合分布式資源的試點(diǎn)項(xiàng)目，在實(shí)踐中探索發(fā)展商業(yè)模式，幫助批發(fā)側(cè)市場更好地利用分布式儲(chǔ)能資源；另一方面，可探索研究儲(chǔ)能參與配電網(wǎng)側(cè)直接交易的機(jī)制，形成交易成本低、流程簡單、適應(yīng)性好的市場機(jī)制。
結(jié) 語
在發(fā)展高比例可再生能源的背景下，為促進(jìn)并適應(yīng)儲(chǔ)能參與市場交易，本文從市場價(jià)值、交易框架、市場模型等角度綜述了國內(nèi)外的研究情況，并詳細(xì)介紹了在不同市場模式下，美國、英國、澳大利亞在市場機(jī)制方面做出的方案探索和規(guī)則修訂。其中，在FERC 841法案指導(dǎo)下，美國各ISO的實(shí)踐尤具代表性。
基于學(xué)界研究和業(yè)界實(shí)踐，本文從6個(gè)方面歸納了儲(chǔ)能參與市場交易的關(guān)鍵機(jī)制問題：儲(chǔ)能的市場角色定位、儲(chǔ)能市場的框架設(shè)計(jì)、能量市場的模型修正、市場價(jià)格機(jī)制設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能容量價(jià)值核算、分布式儲(chǔ)能的市場參與機(jī)制，并對比了不同機(jī)制設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢和劣勢。
最后，本文結(jié)合中國市場起步期的問題和現(xiàn)貨市場建設(shè)的遠(yuǎn)景，借鑒學(xué)界研究和先行國家經(jīng)驗(yàn)，對中國儲(chǔ)能參與市場提出了政策建議。
來源：《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》
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