美國主要輔助服務市場比較研究

中國儲能網訊：美國是最早進行電力市場化改革的國家之一。其原則是：在電力生產和供應的各個環節開展競爭，實行輸電網路開放，對輸電網路服務和輔助服務分別制定統一的收費原則，確保對所有市場成員一視同仁。

隨著發電市場自由化，聯邦能源管制委員會（FERC）於1996 年規定獨立系統運營者（ISO）並不是電網所有者，它與發電企業沒有利害關係。

ISO 的職責是保證電力安全地輸送到用戶，保證輸電網路的可靠運行，並對使用者無岐視地開放。

電力供應服務商（ESP）可直接與ISO 簽訂合同，或通過計劃協調員獲得進入開放電力市場的輸電通道，輸電網路由ISO 負責運行。ISO 是否買賣電能，不同的州有不同的規定。美國目前已經形成的有組織的電力市場的區域包括：新英格蘭ISO，紐約ISO，PJM，加州ISO 和德州ERCOT。

1、輔助服務概述

輔助服務市場是相對於電能生產、輸送和交易的主市場而言的。輔助服務是指為保證電力系統安全、可靠運行和電力商品質量，電力市場的成員為維護頻率及電壓的穩定而提供的服務。

目前國際上，對輔助服務的分類方法較多，如：（1）認為輔助服務包括：備用服務（含自動發電控制）、無功/電壓控制、系統恢復服務（含黑啟動）；（2）認為輔助服務包括：頻率和聯絡線潮流控制、電壓控制和無功支持、系統的有功無功備用和其它系統安全控制措施；（3）將輔助服務分為：調峰、調頻、無功和黑啟動；（4）將輔助服務分為：頻率控制、網路控制、系統恢復；（5）將輸電損耗、負荷管理也歸為輔助服務的內容。上述的輔助服務分類方法在各國的電力市場中均有應用。

2、 美國主要輔助服務市場介紹

2.1 PJM 市場

覆蓋 美國Pennsylvania ， New Jersey ，Maryland 等州的PJM 互聯電網有限公司(簡稱

PJM)，是北美最大的集中調度控制電網，也是世界上最大的電力批發市場。PJM 成立於1927年，截至2006 年，PJM 電力系統擁有450 個市場成員，供電範圍164260 平方英里，服務5100萬人口。發電容量為164905MW，輸電線路247條共計56250 英里，其中火電佔65%，核電佔30%，水電佔5%，峰荷144644MW。

PJM 的輔助服務市場包括5 個方面的內容：調節和頻率響應服務；運行備用服務；計劃、系統控制和調度服務；來自發電方的無功供應和電壓控制服務和能量不平衡服務。

2.1.1 調節和頻率響應服務

PJM 調節和頻率響應服務的最大特點是不單獨設立調頻電廠，而將調頻義務分配到每個負荷服務企業（LES）。LES 可以利用自己的發電資源或通過與第三方簽訂合同來履行自己的調頻義務，也可以從PJM 購買這個服務。調頻機組分為3 個類別：基礎類、邊際類和高峰類。每個類別的調頻成本將根據歷史的清算價由互聯辦公室確定。在發生衝突的情況下，調頻調度命令優先於能量調度命令。調頻服務必須由PJM 電氣範圍內的發電機組提供。

2.1.2 備用

PJM 電力市場是一個開放的電力市場，其備用獲取的最大特點是不指定機組作為備用，而是規定每個供電企業必須承擔備用義務，義務量根據其負荷的比率來確定。供電企業完成備用義務的方法可以是自己擁有提供備用的機組，也可以是簽訂雙邊合同或者從PJM 備用市場購買備用。

備用需求加上合理的補償方法，形成了PJM 備用市場的供需槓桿。

PJM 備用的結算周期為1h，每天分為24 個運行小時，備用的計算和獲取按小時為單位操作。

2.1.3 計劃、系統控制和調度服務

計劃、系統控制和調度服務由PJM 直接提供，用戶必須從PJM 購買這項服務。計劃、系統

控制和調度服務的收費依據是PJM 的運營成本，包括建築、人員成本和企業管理費用。每個傳輸用戶每月的計劃、系統控制和調度服務收費按下式計算：

每月收費 ＝ PJM 每月運營成本×用戶比例

式中，用戶比例指以MW·h 計算的該用戶對輸電系統的使用量占輸電系統總使用量的比例。

2.1.4 來自發電方的無功供應和電壓控制服務

為保持提供者的輸電設施電壓在可接受的範圍內，在控制區操作員的控制下，發電廠將發出或吸收無功。

用戶必須向PJM 購買來自發電方的無功供應和電壓控制服務。該服務採用固定費率制，分

為月費率、周費率、日費率和小時費率，計費單位為美元/MWh，根據所預定的傳輸容量計算。

2.1.5 能量不平衡服務

當用戶實際傳輸的電能與計劃傳輸的電能存在差異時，PJM 必須提供能量不平衡服務。能量不平衡的計量單位為MW·h，且峰荷時段和非峰荷時段分開計算。如果能量不平衡在 ±1.5%的偏差範圍之內，傳輸用戶（傳輸用戶指接受點對點傳輸服務的電力用戶）可以選擇在以後的峰荷時段或非峰荷時段消除這種能量不平衡，也可以選擇用現金結算。應該支付給PJM 的金額按照能量送達節點邊際電價（LMP）的120％ 計算，應該支付給傳輸用戶的金額按照能量送達節點邊際電價LMP 的80％ 計算。對於超出 ±1.5%偏差範圍的能量不平衡必須用現金結算。應該支付給PJM的金額按照能量送達節點LMP 的150％ 或 100美元/（MW·h）中較高的價格計算，應該支付給傳輸用戶的金額按照能量送達節點LMP 的70％計算。

2.2 新英格蘭市場

美國東北部6 個州（緬因州、佛蒙特州、馬薩諸塞州、羅得島洲、新罕布希爾州、康涅狄格州）被稱作為新英格蘭地區，整個地區中南部馬薩諸塞州和康涅狄格州的經濟最為發達，是美國最重要的經濟中心之一。至2006 年夏季，新英蘭地區發電容量30895MW，

最大峰荷28127MW（2006 年8 月2 日），比2005年增長4.6%。2006 年平均電價$61.44/MWh。

新英格蘭的輔助服務市場採用競價招投標的方式， 其輔助服務項目包括： 自動發電控制（AGC）、（TMSR）、10min 非旋轉備用（TMNSR）、30min 運行備用（TMOR）。

2.2.1 自動發電控制

新 英 格 蘭電力市場AGC 輔助服務是從10min 旋轉備用(TMSR)中分離出來的一種輔助服務。輔助服務市場要求AGC 能夠連續自動地響應獨立系統操作員(下稱ISO)的指令、動態地平衡控制區內的電力供應與需求、滿足北美電力可靠性委員會(NERC)和東北電力協調委員會(NPCC)的技術標準。

在新英格蘭電力聯營體(NEPOOL)模式下，FERC 要求建立輔助服務分類計價的電力市場，這使得AGC 輔助服務競爭出價和電能競價一樣重要。AGC 輔助服務調度由新英格蘭ISO 安排，AGC 輔助服務和電能一樣要求事先定價，採用競價方式，其市場模式為投標型。按照電力市場中能量、AGC、備用等重要性分配系統的容量資源，首先調用最低有功報價的機組來滿足有功負荷，種種最後中標機組的報價為有功市場出清價；然後調用其餘機組中AGC 報價最低者來滿足AGC需求，其中最後中標機組的AGC 報價為AGC 市場出清價。

2.2.2 備用

備用容量的提供方和需求方為發電廠和電力用戶。對用戶而言，兼有提供方和需求方的雙重角色，當某用戶提供備用服務時，它就成為供方；雖然備用是為全系統服務的，但費用往往是從用戶方收取，因此用戶是備用容量的購買者，即需方。備用可以分為以下三類：

（1）10min 旋轉備用（TMSR）：指在線運行機組在10min 內能夠即刻增加的容量，或在10min 內可以被卸載的部分電力負荷（含抽水蓄能電站運行在抽水模式時所消耗的功率），並且能夠持續最少30min 的供應緊急事故保護用電。

（2）10min 非旋轉備用（TMNSR）：指非在線運行的機組在10min 內能被啟動而增加的容量，或在10min 內可以被卸載的部分電力負荷，並且能夠持續最少30min 的供應緊急事故保護用電。

（3）30min 運行備用（TMOR）：指在30min 內能被調度載入的備用容量，或在30min 內可以被卸載的部分電力負荷（含抽水蓄能電站運行在抽水模式時所消耗的功率），並且能夠持續最少60min 的供應緊急事故保護用電。

這 3 種備用服務經由競爭的投標市場獲得。

發電商可以在提交第二天的電能投標的同時按小時提交一種或多種備用服務的投標。ISO 根據投標信息結合投標結算方法同時進行電能和輔助服務的投標選擇、安排發電計劃和輔助服務計劃。

計劃的目標就是優化電能和備用的投標安排。選擇投標時，市場對所有的報價進行複雜的報價評估，報價評估對期望的成本排序，成本中包括機會成本。

2.3 加州市場

加州是美國電力行業改革重組的先驅。1998年3 月31 日，加州電力交易中心和ISO 同時開始運作，組成了加州革新後的電力市場核心結構。

加州ISO 管理著州內70%的用電，輸送給州內三千多萬電力用戶的年輸電量約為2000 億KWh。

至2006 年夏季，加州地區發電容量56347MW，容量備用6077MW。最大峰荷50270MW（2006年7 月24 日），比2005 年增長10.7%。傳輸線總長25526 英里。

加州的輔助服務市場中包括 4 個方面的內容：調頻、備用、電壓支持和黑啟動。

2.3.1 調頻

由已經併入系統、處於運行狀態的機組提供。

在實時運行時，這些機組的自動發電控制設備（AGC）會自動調節機組的出力，從而滿足系統能量平衡，使系統頻率穩定在一定的標準範圍之內。

2.3.2 備用

（1）熱備用：由已經併入系統、處於運行狀態的機組提供。在指定的出力範圍內，提供熱備用的機組必須能夠在10min 之內爬坡至指定的出力水平，並能維持運行在該指定出力水平至少2h 以上。

（2）冷備用：由不在運行但沒有計劃檢修，因而可以隨時啟動的機組提供。提供冷備用的機組必須在10min 之內併入系統並且爬坡至指定出力水平，並能維持運行在該指定出力水平至少2h 以上。

（3）替代備用：如果不在運行，提供替代備用的機組必須能夠在1h 之內併入系統並且爬坡至指定的出力水平，並能維持運行在該指定出力水平至少2h 以上。

調頻和備用服務是在日前市場和小時前市場按小時購買的，輔助服務投標在電能投標之後進行。市場規則規定：一個供應方可以以不同的容量和價格參與4 種輔助服務中任意或者所有的市場投標，但對於特定的一種服務，只能提交一個投標。市場按照：AGC-旋轉備用-非旋轉備用-替代備用的順序進行各個輔助服務的投標選擇，以優先滿足技術要求較高的輔助服務。報價低的投標優先被選擇，最後接受的投標的價格形成該類型服務的市場結算價格，最終所有中標的投標都將按照這一價格結算。選擇結束後，投標者被通知每個市場的價格和它在每個市場的中標容量。

按照上述的順序，機組在後續的市場中的競價容量要減去前面市場中中標的容量。

2.3.3 電壓支持和黑啟動

由 ISO 通過與可靠性機組(Must-run-units)的長期合同採購。在特別的情況下，ISO 有權要求正在發電的機組提供電壓支持，ISO 將以其機會成本給予補償。

2.4 紐約市場

紐約是美國最大的城市，紐約控制區域（NewYork Control Area， NYCA）共有四個大區：西部、東部、紐約城和長島。紐約的主要能源形式為天然氣，其中天然氣所佔比例為31%，水電所佔比例為20%，或電所佔比例為18%，原子能所佔比例為18%，其他13%。至2006 年夏季，紐約地區發電容量39704MW，容量備用5765MW。最大峰荷33939MW（2006 年8 月2 日），比2005 年增長5.6%。紐約電力市場總共提供了6 種輔助服務，分別為：系統計劃、控制和調度；電壓支持；自動發電控制（AGC）及頻率響應；電量不平衡；運行備用和黑啟動。其中，運行備用和頻率響應這兩種服務是基於市場的。

2.4.1 備用

紐約電力市場將運行備用分為三類分別是：10min 旋轉備用、10min 總備用（包括旋轉和非同步的備用）和30min 備用。10min 旋轉備用又能在10min 內提供額外出力的在線機組擔負。

10min 總備用既可以由同步旋轉機組提供，也可以由非旋轉機組提供，這些非旋轉機組典型的是能在10min 內啟動的燃氣輪機。30min 機組同樣也可以由在線或非在線機組提供， 只要能在30min 內提供額外出力。

目前的紐約電力市場，上述三類備用都是在日前進行的，即只有日前備用市場，儘管在運行日每小時都會對備用進行再分配。邊際備用成本（在平衡條件下再獲得一個備用單位的成本）包括備用本身的費用和獲得該備用單位所損失的機會成本(比如該備用單位本來有機會在能量市場中標而得到相應的收益)，因此，付給備用服務的費用也包括可用支付（根據備用市場的出清價格制定）和機會成本兩部分。10min 旋轉備用的機會成本在實時市場支付，10min 非旋轉備用的機會成本在日前市場支付。

2.4.2 頻率響應

AGC 機組的目的是調頻，因此在紐約控制區域的任何節點購買AGC 服務是一樣的。所以與備用市場不同，AGC 市場並不需要採用基於地理位置的定價體系。2003 年，紐約獨立系統運行員在上坡時段總共購買275MW 的自動發電，在下坡時段總共購買200MW 的自動發電。對於一台發電機來說，它所能賣出的AGC 容量是由它能在5min 之內能夠的出力決定的，也可以理解為爬坡速率（MW/min）×5（min）。當然，這台機組必須能夠收到並且及時相應一個連續的調度信號，並且這台機組1h 之內的爬坡能力至少要達到機組容量的1%。

3、美國輔助服務市場對比分析

美國電力市場的輔助服務含：旋轉備用、非旋轉備用、AGC、替代備用、電壓支持和黑啟動。

其中前4 種由獨立系統操作員(ISO)通過日前競爭拍賣獲取，這些拍賣是在電力交易中心(PX)的電能拍賣完成之後進行的。這些拍賣的順序是：AGC、旋轉備用、非旋轉備用、替代備用。電壓支持和黑啟動則以長期合同方式進行交易。市場參與者分別提交備用容量報價和備用電量報價。

成功的報價者不論其是否被調度，都將得到一筆備用容量費用，在備用容量被調度載入時，報價者還將得到一筆電量電費。其輔助服務市場的模式為投標型。

由上文可以看到：由於電源結構、電網結構、負荷分布和負荷特性的不同，不同的電力市場所需要的輔助服務種類和數量也不相同，所以，沒有一種輔助服務的分類可以適用於所有的電力市場；甚至在同一個電力市場中，所需要的輔助服務也會隨著市場的變化而變化，這種變化包括上述電源和電網結構的變化、電力供需形勢的變化，還包括市場運營規則的變化、監控技術的改進和市場運作過程中吸取的經驗的增加等。

4、對我國的啟示

在我國電力體制改革後，輔助服務不再僅僅是運行調度問題,行政和經濟隸屬關係的變化、利益主體的多元化等因素都增加了輔助服務問題的複雜性。發電廠和電網經營企業已成為相對獨立的市場主體，各個市場主體最關心的是企業的成本和效益，雖然電力生產的特點與電力經濟的特性，使發、輸、配、售共處一網，密不可分，相互依存，但是市場化的經濟規律已經切斷了發電和輸電之間的資產紐帶關係，作為獨立的市場主體提供了輔助服務就要求得到相應的經濟補償，否則就會影響市場主體提供輔助服務的積極性，影響電力系統輔助服務的充裕性，進而危及電網的安全運行。為保證我國電力系統的安全與穩定，提高電能的供應質量，可參考借鑒美國的經驗，來促進我國電力輔助服務市場的進一步建立與完善。來源：華北電力大學研究生學術交流年會 , 2007

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