2019年美國加州電力市場中的能量儲存.pdf

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1、美國加州電力市場中的能量儲存 Energy Storage in California Electricity Market 2019-05-19 Version 0.1 引言 美國加利福尼亞州（加州）是美國人口最多，經濟最發達的州。加州不僅在工業，農牧業，旅游業，特別是科技創新方面都處于美國和世界領先的地位，而且在電力工業改革方面，也引領著世界的潮流。加州擁有美國最成熟最完善的電力市場，擁有全世界最激進的可再生呢能源整合計化，可再生能源的整合對電網和電力市場的運行提出了新的挑戰，儲能裝置是應對這些新挑戰最好的途徑。本報告簡單介紹了加州在促進儲能資源參與電力市場的努力和儲能資源參與電力市場特別

2、是輔助服務市場的模式。圖片，表格最小展示區域 圖片，表格最大展示區域 1 美國加州電力市場中的能量儲存 美國加州是世界第五大經濟體 根據美國商務部最新公布數據顯示，2018年美國加利福尼亞州的GDP總量為2.96萬億美元，人均GDP為7.4萬美元，遠高于美國人均GDP平均水平。（美國人均GDP6萬美元左右），也因此加州是美國最富裕的州，沒有之一。根據公布的數據對比，2018年加利福尼亞州的GDP總量比2017年名義上增量為5.6，按照經濟規模來看，加利福尼亞州的GDP總量在世界各國排名中，已經超過英國、印度和法國，是世界第五大經濟體，僅次于美國、中國、日本和德國。加州是美國面積第三大，人口第一

3、多的州，2018年人口達4012萬。加州不僅在工業，農牧業，旅游業，特別是科技創新方面處于美國和世界領先的地位，而且在電力工業改革方面，也引領著世界的潮流。1 美國加州電力市場中的能量儲存 美國加州擁有世界上最完善最成熟的電力市場（CAISO）加州電力市場CAISO是美國第一個投入運營的電力現貨市場（1998年4月）服務80%的加州負荷或者三千萬以上的加州居民提供電力 1,400臺發電機組總裝機容量達5,500萬千瓦（55,000MW）三十多條聯絡線和周邊的電力公司相連 2018年峰值負荷在4,643萬千瓦(46,427MW)左右，發生在7月25日 歷史上最高的峰值負荷5,027萬千瓦（502

4、70MW）發生在2006年7月24日 2019年2月的峰值負荷沒有超過3,000萬千瓦 2019年5月12日的峰值負荷為2,641萬千瓦 加州電力市場不但有成功的經驗，也有失敗的教訓 加州電力危機后對加州電力市場進行了重新設計和技術更新 浴火重生的加州電力市場再一次成為世界電力市場建設和運行的榜樣 成功的加州電力市場吸引著美國西部許多獨立的電力平衡機構竟相加入西部的能量不平衡市場（EIM,Energy Imbalance Market）有望成為美國西部的區域輸電組織（RTO，Regional Transmission Organization）或西部可靠性協調者（RC,Reliability

5、Coordinator）1 美國加州電力市場中的能量儲存 美國加州擁有世界上最完善最成熟的電力市場（CAISO）1 美國加州電力市場中的能量儲存 CRR Yearly Monthly Pre Market MPM/RRDIFMRUC Energy Schedule Ancillary Services Regulation,Spin,Non-Spin Day Ahead Market MPM/RRDHASPRTPDRTD Ancillary Services Imbalance Energy Real-Time Market 美國加州擁有世界上最完善最成熟的電力市場（CAISO）1 美國加州電

6、力市場中的能量儲存 Pre-market 預期市場 CRR Congestion Revenue Right阻塞收益權 Day Ahead Market(DAM)日前市場 MPM/RRDIFM-RUC系列 Market Power Mitigation(MPM)市場力緩解 Reliability Requirement Determination（RRD）可靠性要求確定 Integrated Forward Market(IFM)集成前期市場 Residual Unit Commitment(RUC)剩余機組組合 Real-Time Market(RTM)實時市場 MPM/RRDHASPRTP

7、DRTD系列 Market Power Mitigation(MPM)市場力緩解 Reliability Requirement Determination（RRD）可靠性要求確定 Hour Ahead Scheduling Process(HASP)時前計劃處理 Real-Time Pre-Dispatch(RTPD)實時預調度 Real-Time Dispatch(RTD)實時調度 通過優化了跨越CAISO和太平洋公司平衡管理局領域的資源，EIM于2014年11月1日開始了具有財務約束力的運行。NV能源于2015年12月開始參與,亞利桑那州公共服務和普吉特灣能源于2016年10月1日開始參

8、與,波特蘭通用電氣于2017年10月1日開始參與。愛達荷州電力和隸屬于BC-Hydro的Powerex于2018年4月4日開始參與。最近,北加州平衡管理局下屬的薩克拉門托市公用事業區(SMUD)于2019年4月3日開始參與。還有多家電力平衡機構正在排隊，要求參加EIM。EIM足跡現在包括亞利桑那州、加利福尼亞州、愛達荷州、內華達州、俄勒岡州、猶他州、華盛頓、懷俄明州的部分地區,并延伸到與加拿大接壤的邊境。EIM 通過在平衡當局之間共享關于整個EIM區域電力輸送條件的信息,促進可再生資源的整合并提高可靠性 EIM正在幫助用多余的可再生能源取代清潔程度較低的能源供應,否則這些可再生能源的生產可能會

9、被削減。1 美國加州電力市場中的能量儲存 美國加州擁有世界上最完善最成熟的電力市場（CAISO）西部能量不平衡市場EIM 加州擁有美國最激進的可再生能源整合計劃 1 美國加州電力市場中的能量儲存 2002年加州 可再生能源比例標準（Californias Renewables Portfolio Standard RPS）要求到2010年加州的能源供應 20%要來自可再生能源 2008年修改過的RPS到2020年加州的能源供應 33%要來自可再生能源 2015年加州州議會通過的RPS要來自可再生能源的比例 到2024年達40%到2027年達45%到2030年達50%到2045年達100%加州2

10、019年夏天的能源組合 可再生能源整合對電力市場運行提出新的挑戰 1 美國加州電力市場中的能量儲存 由于可再生能源，特別是太陽能和風能的天氣依賴性，間歇性和不確定性，給電力市場的運行帶來了新的挑戰：更準確的負荷預測 更大的機組爬坡能力 增加負載跟蹤的要求 增加調節備用服務的要求 增加運行儲備和付加能量的需要 增加了超額發電的頻率 增加了發電機組的機械應力 儲能裝置是應對這些挑戰最有效的手段-5,00005,00010,00015,00020,00025,00030,0000:001:002:003:004:005:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014

11、:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:00WindSolarWind+SolarLoad5000 MW/Hour Rampingneed in evening peak hours儲能裝置是應對可再生能源挑戰最有效的手段 1 美國加州電力市場中的能量儲存 在電力需求實時波動的情況下,將能量儲存在儲能裝置中有望幫助 CAISO 保持電網的平衡。能量存儲技術的獨特特性允許在需求較低時捕獲電力,然后在需求較高時釋放回電網。作為電網資源,存儲有可能對注入或撤出能源的信號做出快速響應,這是應對受天氣條件影響的風能和太陽能等可再生能源產出波動的重要資源

12、。能量存儲技術能在以下方面對CAISO的市場運行和電網控制提供有效的幫助：1.提供調頻備用以平衡實時運行時發電和負荷之間的不平衡能量，2.提供附加的運行備用和快速的爬坡能力以應對運行小時間可再生能源發電的變化，3.提供負荷跟蹤的能力以滿足運行小時內的爬坡需求，4.在電網中某些關鍵位能量存儲裝置可以緩解傳輸線阻塞和過負荷，5.提供傳輸線暫態穩定性阻尼，6.減少利用負荷斷開/增加的需求以緩解系統頻率過低或過高 7.由于能量存儲裝置的整流器/逆變器有較好的有功/無功控制能力，可以提供電壓和無功支持，8.能量存儲裝置可以用于峰谷間的電能/負荷轉移，平滑負荷曲線。雖然能量存儲裝置也可以提供基本的能量，但

13、主要的應用在輔助服務方面。儲能裝置是應對可再生能源挑戰最有效的手段 1 美國加州電力市場中的能量儲存 儲能裝置的市場應用 時段時段 幾秒鐘幾秒鐘-1分鐘分鐘 1分鐘分鐘-15分鐘分鐘 15分鐘分鐘-60分鐘分鐘 1小時小時-4小時小時 4小時小時-24小時小時 24小時小時-幾幾天天 技術 超級電容 飛輪 電池 飛輪 電池 電池 飛輪 電池 壓縮空氣 電池 壓縮空氣 抽水電站 壓縮空氣 抽水電站 服務 改善由于光伏引起的配網電能質量 配網PQ控制 調頻備用 運行備用 運行備用 附加能量調度 負荷跟蹤 附加能量調度 能量轉移 能量轉移 價值 為電網的穩定性而注入能量 電壓控制和系統頻率控制 滿足

14、平衡機構的控制性能標準 運行小時間的能量變化需求 緩解轉輸阻塞 日前能量計劃 日前能量計劃 聯邦能源監管委員會(FERC)第841號命令 1 美國加州電力市場中的能量儲存 為了促進儲能裝置在電網中的應用和消出儲能參與電力市場的障礙，2018年2月15日,聯邦能源監管委員會(FERC)發布了具有里程碑意義的第841號命令,指示各RTO/ISO制定規則,為儲能裝置開放容量，能量和輔助服務市場,該命令確認,儲能資源必須為所提供的所有服務得到補償,與其他能源資源公平競爭。第841號命令為儲能資源在所有電力批發市場上的運作建立了明確的法律框架,并擴大了能夠以競爭來滿足電力系統需求的解決方案的范圍。具體的

15、要求慨括如下：儲能資源有資格提供該資源技術上能夠提供的所有容量，能源和輔助服務 RTO/ISO必須通過投標參數或其他方式來說明儲能資源的物理和運行特性 RTO/ISO最小尺寸要求不超過 100千瓦 或0.1MW(為分布式存儲留有余地)儲能資源可以被調度，并可以作為批發賣方或批發買家設置批發市場清算價格 儲能資源充電時將按批發地點邊際價格(LMP)支付電費 儲能資源放電時將按批發地點邊際價格(LMP)得到補償 FERC要求各RTO/ISO在2018年12月3日以前向FERC提交實施第841號命令的計劃 加州最好地實施FERC第841號命令 1 美國加州電力市場中的能量儲存 根據美國儲能協會的評估

16、，加州是實施第841號命令要求最好的一個,標記為符合性(綠色)，不符合性(紅色)和不確定性(黃色)。德州ERCORT不歸FERC管。加州最好地實施FERC第841號命令 1 美國加州電力市場中的能量儲存 自從投入運營的第一天（1998年4月1日），加州電力市場就有能力為最主要的一類儲能資源-抽水儲能電站建模。抽水儲能電站有三種運行模式：抽水-消耗來自電網的電量，像負荷 離線-既不消耗也不生產電量 發電-生產電量供給電網，像發電機 抽水儲能電站可以通過向電網提供電能來作為發電機組運行,也可以通過從電網中消耗電量來作為負荷單元運行,它們在 CAISO 市場中可以被建模為發電機組,當它們作為抽水泵浦

17、運行時,它們的發電量為負值。抽水儲能電站可以向能量市場和輔助服務市場報價。以成熟的抽水儲能電站模型為基礎，對其他類型的儲能裝置建模時不需要對市場模型和規則作較大的增改。加州最好地實施FERC第841號命令 1 美國加州電力市場中的能量儲存 早在FERC第841號命令之前的2010年9月，加州州議會就通過了AB2514法案，該法案要求加州公用事業委員會(CPUC，California Public Utilities Commission)調查在加州投資能量儲存系統的利益和設定發展能量儲存系統的目標。憑借其創新和雄心勃勃的政策,加州是美國和全球發展和部署儲能系統的先驅。加州目前已安裝超過 420

18、萬千瓦的儲存能力-96%是抽水儲能電站。CPUC設置了到2020年，加州要再增加132.5萬千瓦的非抽水儲能的儲存能力，主要是鋰離子電池，鋰離子電池，流動電池，壓縮空氣，飛輪和冰熱。自從2016年2月開始，CAISO就分四個階段實施了和正在實施旨在提高 ISO電網連接的和配電網連接的儲能資源和分佈式資源參與 CAISO 市場的能力的措施。分佈式資源包括屋頂太陽能，插電式電動汽車，和需求側響應。這些資源是未來資源組合中日益重要的一部分,將有助于減少碳排放和提供業務效益。所以當FERC發布第841號命令時，加州已經做好了準備，成為實施命令最好的一個ISO/RTO。加州促進儲能資源和分佈式資源參與

19、CAISO 市場的措施 1 美國加州電力市場中的能量儲存 第1階段：已于2016年秋天完成。增強了電網連接的儲能和分佈式資源參與 ISO 市場的能力。改進包括在日前市場上將充電狀況作為日常投標參數提交的能力,以及不提供充電狀況限制的選項或ISO不根據充電狀態對非發電機資源進行共同優化的選擇。第2階段：已于2018年11月1日生效,。該舉措提供了三種新型的需求側響應績效評價方法,澄清了儲能資源作為電站電源處理,并將額外的天然氣指數納入凈效益測試計算,以反映所有實時參與區域。預計這些增強措施將降低障礙,提高儲能和分布式資源參與 ISO 市場的能力。第2階段的策略允許調度協調員執行和提交基線,從而導

20、至將所有剩余的需求響應系統(DRS)功能集成到 MRI-S(市場結果接口結算)和導至DRS的退役。第3階段：2017年9月開始啟動，至今仍在實施中。將繼續查明和評估更多的機會,以增加電網連接的儲能資源和配網連接的資源在 ISO 市場中的參與。在第二階段措施中,利益相關方提出的議題也將在這一階段討論。第4階段：2019年提出，正在等待FERC的批準。將探討對分布式能源(DER)和存儲參與市場模型的改進,以及降低集成需求側響應資源的障礙。這一措施還將探討擴大模型以最佳方式獲取其價值,并利用資源設計屬性以支持電網的可靠性和允許多用途的應用程序。儲能資源參與 CAISO 市場的模型 1 美國加州電力市

21、場中的能量儲存 在CAISO市場中，能量儲存資源可建模為非發電資源（NGR，Non-Generator Resources）非發電機資源(NGR)是指可以作為發電或負載運行的資源,可以在其整個容量范圍內調度到任何運行水平,但也受到 MWh 限制的約束,它能(1)產生電能,(2)在需求響應的情況下減少消耗的電能,或(3)消耗電能。通過模擬從負到正的發電范圍,NGR 模型為能量儲存資源提供了與發電機組相同的參與 CAISO 能量和輔助服務市場的機會。NGR有以下特性：NGR 是一種具有從負到正注入功率的連續運行范圍的資源，也就是它可以通過消耗能源或提供能源連續運行,并且可以在產生和消耗電能之間無縫

22、切換。NGR 可以提供能量和 輔助 服務。由于操作范圍連續,NGR 沒有最小負荷運行點，沒有啟動，關機，最小負荷或轉換成本。NGR有一個能量限制，這是該資源能夠儲存的最小或最大能量?；诔跏即鎯δ芰?，即充電狀態(SOC，State of Charge),NGR連續消耗或生產的電量受到最大或最小存儲能量限制的約束,這里要考慮充電和放電時固有的損失。NGR 的代數功率輸出被限制在以 MW 為單位的最小容量和最大容量之間。最小或最大容量可以為負數。最大容量大于最小容量。最大容量(正)表示NGR在放電時以最大可持續速度注入電網的功率;最小容量(負)表示在充電時以最高可持續速度從電網中撤出的功率。NGR

23、的能量報價和輔助服務的報價都只有一段（MW，$)，不像發電機組的能量報價最多可有10段。NGR 在充電模式或放電模式下運行時可以具有不同的爬坡速率,但每種模式的爬坡率度限制為一個。NGR可以提供能量和輔助服務。能量儲存裝置是最優值的調頻資源 1 美國加州電力市場中的能量儲存 由于快速的反應能力和優良的控制特性，能量儲存裝置NGR是最優值的調頻資源。一個NGR可以選擇僅僅參加CAISO的調頻市場而不必參加日前能量和運行備用市場。在日前市場中,所授予（承諾）的調頻容量被評估為它在15分鐘內可以提供的調節能量的四倍。在實時市場中，一個NGR可以購買（充電）或出售（放電）實時能量以滿足它在日前市場中所

24、承諾的調頻容量。下面是兩個NGR參與調頻市場的例子：1.一個充滿電的儲有 5 MWh 的儲能資源可以連續15分鐘以最大20MW的功率向電網放電,直到零(0)充電狀態。如果沒有其他限制,該資源將獲得20MW的向上調頻容量認證。這20MW代表了在15分鐘內放電5MWh，這里20是5的4倍。2.一個完全放電的具有2.5 MWh 的儲能資源可以連續15分鐘以最大10MW的功率從電網吸納能量（充電）,以達到一個完整的充電狀態。如果沒有其他限制,該資源將獲得10MW向下調頻容量認證。這10MW代表了在15分鐘內消耗2.5 MWh,這里10是2.5的4倍。加州儲能建設的新進展 1 美國加州電力市場中的能量儲

25、存 2016年9月，南加州愛迪生公司（SCE）選擇著名的電動汽車制造商Tesla在Mira Loma 地區建設一個功率為功率為20MW，能夠在，能夠在4小時內存小時內存儲儲80MWh的的電池儲能設備。Tesla只用了88天就完成了電池的制造和安裝任務。該系統由兩個10MW的電池組組成,每個電池組包括 198個 Tesla Powerpack 和24個逆變器。所有的電池部件都是特斯拉從零開始設計,在內華達州的特斯拉Giga工廠制造的。特斯拉還和Greensmith 能源公司及和AES 儲能公司合作，在Aliso Canyon地區完成了三個大型鋰離子電池項目,容量分別為20MW，20MW和30MW

26、，項目總量為70MW。加州儲能建設的新進展 1 美國加州電力市場中的能量儲存 2017年2月，圣地亞哥煤氣和電力公司（SDG&E）宣布在Escondido，CA建成了世界上最大的鋰離子（鋰離子（Lithium-Ion）電池儲能裝置。其功率為電池儲能裝置。其功率為30MW，能夠在，能夠在4小時內存儲小時內存儲120MWh的電能的電能。它的建成只花了。它的建成只花了6個月的時間，也個月的時間，也是世界上是世界上安裝速度最快的項目之一。加州儲能建設的新進展 1 美國加州電力市場中的能量儲存 2019年4月30日，CAISO宣布SDG&E與日本住友電氣（Sumitomo Electric）合作，完成了

27、一個用釩氧化還原流動電池儲存的試點項目。流動電池是一種介于傳統電池和燃料電池之間的交叉裝置,使用泵拍金屬鹽的液體電解質通過帶有用膜隔開的正極和負極的核心，當液體流經膜時,離子交換允許充電和放電的能力。這個 流動電池將擁有2MW的功率和在4小時內儲存8MWh的能量。這個項目經過調試，已于2018年12月開始參與CAISO的電力批發市場。該項目的成功使得CAISO成為美國最早將具有突破性技術的流動電池連接到電力批發市場的電網上,這可能會在大型電力系統上產生有希望的存儲能力。輔助服務市場 1 美國加州電力市場中的能量儲存 輔助服務是維持電力系統穩定和可靠運行的額外資源。最有效最可靠的預防和校正措施是

28、系統隨時保持充足的備用容量，也就是說在正常運行時讓一些資源不發揮最大出力或者根本不出力-停機，而是讓這些富余的發電能力隨時處于一種待命的狀態，當系統需要時，這些待命的備用容量能夠被迅速有效地調用，以平衡系統能量的供需不平衡和應對系統突然發生的事故或故障。這些備用的能力被稱為輔助服務。輔助服務的購買是電力市場的重要組成部分，輔助服務市場的設立，就是為了通過市場的手段，確保輔助服務的充分供應和提供輔助服務的成本能夠得到有效的補償。通過現貨市場購買的輔助服務產品有調頻備用和運行備用，運行備用又可分為旋轉備用和非旋轉備用。不在現貨市場購買，而通過中長期合同確認的輔助服務產品有黑啟動，電壓和無功支持。輔

29、助服務市場 1 美國加州電力市場中的能量儲存 與北美洲的電力市場相比，國內的電力輔助服務市場還沒有形成。國內對電力輔助服務的慨念，認識得不是很清楚:調峰不屬于輔助服務，輔助服務顧名思意，就是輔助的服務。調峰的量較大，應屬于主要的能量服務，調峰的計劃應由調度機構在做日運行計劃時完成或由日前現貨市場完成。輔助服務備用容量，包括調頻備用和運行備用容量的確定，由集中輔助服務市場完成，跟據市場出清的容量和價格，對承諾提供服務備用的資源，包括發電機組，可調節負荷，儲能裝置，進行補償。對提供輔助服務資源的補償，實行二次結算，也就是在日前市場出清后，按照市場出清的容量和價格，對承諾提供服務備用的資源進行結算（

30、補償），不管實時運行時有沒有用到這些備用；在實時運行中被調度到的輔助服務能量（相對于本調度時段基本發電計劃的增量或減量），將按實時電價再一次結算。補償的成本，不是由發電機分擔，而是由系統中的負荷，按其實際負荷在系統總負荷中的占比進行分擔。輔助服務市場 1 美國加州電力市場中的能量儲存 與美國市場相比，國內輔助輔務（包括調峰）的補償費用占上網電費總額的比例太低，只有0.76（2017 年二季度）和%0.72%（2017 年三季度）。2018年的補償費用占上網電費總額的0.83%。而加州的日前市場中，2018年4月的輔助輔務（不包括調峰）的補償費用占總發電補償費用的3.3%，輔助輔務備用容量占總負荷容量的10.77%。這只是日前市場的補償，如果有實時市場，機組提供輔助服務還能得到額外的補償。謝謝 Thanks for Your Time