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探索PJM储能调频服务市场

北极星储能网  来源:能见  作者:Thomas Lee  2018/4/20 8:12:47  我要投稿  

北极星储能网讯: 为了维持系统可靠性,电网需要实时平衡电力供给和需求,电网运营商密切关注负荷波动情况,需要预测负荷和提前安排发电计划,但是难免会有短期的负荷预测错误或发电机组出力意外波动。由于发电和负荷需要近乎实时平衡,因此这些秒级到分钟级的突然波动需要实时平衡,电网运营商依赖“调频”资源调节微小的电力供需错配,调频资源根据运营商信号自动调节出力以平抑短期波动。

随着技术进步和成本下降,储能技术已经开始提供电力调频服务了。2012年,区域输电运营商PJM-运营大西洋中部13州和华盛顿特区-将其调频市场分为慢速和快速两部分,储能等快速资源通过快速吸收和释放电能,具有比燃气发电机更快地功率调节能力。

快速调频服务机制的初期设计原则为在平均15分钟内调节资源为电网提供零电能。在该理念下调频资源累计吸收电量等于累计释放电量,称为“能源中性”,该机制设计旨在提高电量有限的储能资源响应调频信号的能力,在该机制刺激下,PJM区域涌现了很多储能投资项目。截止2016年8月,PJM区域投运电网级储能占全美比例达到46%。近期加州等区域亦涌现大量储能项目。

调频服务在储能商业化过程中发挥了巨大作用且将继续发挥作用,然其作用大小取决于PJM调频市场规则。PJM为解决市场中出现的问题采取了相关纠正措施,例如电网需要注入电力时,储能资源却在吸收电力以实现能量中性原则,反之亦然。

从2015年初开始,PJM采取了一些列措施以纠正调频市场出现的问题,规则变更导致PJM区域的储能资源增长率降低,c界指责这些市场规则严重不公,向联邦能源监管委员会(FERC)提出了2次投诉。

PJM调频系统所面临根本问题是储能可短时间内提供快速和准确地响应,却难以长久维持出力,PJM、储能产业界和联邦能源监管委员会需要解决该市场规则挑战:在提高系统可靠性过程中,如何设计市场规则实现差异技术的有效竞争?

本文专注于PJM调频市场规则设计中的技术和经济问题,没有涉及法律流程问题,首先讨论了调频服务对电力系统可靠性的重要作用;其次简要介绍了PJM市场规则中两大关键设计:信号结构和信号估值系统,并分析了近期市场规则变更及其对电力系统可靠性和储能运营商的影响;最终,文章展望储能调频服务发展方向。

调频必要性

北美区域电网连接组成三个大电网,旨在提高可靠性冗余和获得规模效应。大电网连接的所有同步发电机均在同一频率运转。因此电网频率维持在60  Hz对系统可靠性至关重要。大电网中任何供需不匹配均会致使频率偏离60  Hz。大电网分为多个监管区域,每个区域负责管理其短期供需不匹配,也称为区域控制错误(ACE)。PJM作为东部大电网中较大区域监管者必须遵守北美电力可靠性委员会(NERC)制定的可靠性标准。调频最为有效工具,可以平滑实时不平衡或ACE。调节资源自动跟随电网运营商的调频信号,实现提高或减少发电,也称为自发电控制(AGC)。


图1 调频示意图

信号结构:精确和持久的权衡

储能资源在快速和精确响应调频信号方面具有优势,却在长时间持续出力方面能力不足。

精确的优势

发电厂等传统资源通过调节转速响应调频信号,存在时间延迟。换句话讲,电厂调节出力需要花费时间。储能资源几乎可瞬时调节,既在一分钟之内实现100%的功率调节。2008年太平洋西北国家实验室研究发现1  MW快速调节资源可提供等效调节服务为1.7 MW水力发电机组、2.7 MW的燃气机组和29 MW 燃煤机组。

持久的优势

储能设备的能量有限,意味着其吸收和释放能量有限。如表1所示,如果快速调节资源难以长时间维持出力,其性能将会降低。


表1 快速调节资源等效调节容量

2011年,FERC  755号法令要求电网运营商按调频性能进行补偿,调频性能为对电力系统的实际调节性能和技术能力。2012年11月,PJM为了引入准确但电量有限的储能资源,将调频信号分内两种信号:慢响应调节信号A(RegA)和快速响应调节信号D(RegD)。信号分开制度目的:RegA是为“能够持续较长时间维持出力,但调节速率较慢”资源设计的;而RegD是为“能够快速调节出力,但长时间保持出力能力不足”资源设计的。

估值系统:不同技术的对比

PJM目标是保证可靠性前提下实现系统成本最小,因为系统成本最终会由消费者承担。经济学研究表明在理想产出水平下获取最低成本的方法是每个资源投入产出比等于边界成本。PJM通过确保两种资源价格比例为PD/PA=MBD/MBA可得到最佳低成本方案。

鉴于上述规则,PJM设计出一套估值系统以确定RegA和RegD的最佳混合方案。最初估值系统设计时,PJM采用了KEMA的一项研究成果,其模拟了不同RegA和RegD的组合方案。KEMA研究得出了显示RegA、RegD和系统可靠性的关系的等高线。通过引入RegD资源,PJM可在保持相同可靠性的前提下降低总体的调节需求量;换句话讲,PJM可在不增加调节需求的情况下提高系统可靠性。

KEMA发现在超过某个点后继续增加RegD的比例会导致回报降低。KEMA解释其原因时提到“RegD的设计是为了作为RegA的补充,而不是承担所有系统调节任务”。PJM解释称过多RegD资源会恶化可靠性控制的原因是RegD控制信号为了保持能量中性原则,有时运动朝向“调度所需要的相反方向”。实际上RegD有时候反方向运动的情况已经被发现和计入估值系统,因为系统可以在不恶化可靠性前提下提高RegD的比例。

规则调整:信号和估值系统的修正

从2015年开始,PJM运营商注意到高比例RegD资源所导致运行和执行的问题。PJM比较担忧能量中性原则强制RegD信号运动方向与ACE控制所需方向相反。储能资源为了实现能量中性有时执行与电网调频需求相反的操作。

为了实时保持系统可靠性,PJM调度人员有时必须通过人工操作解决快速调频反向运行的问题。服务于PJM的独立市场监管组织-监控分析-指出主要问题:效益因子曲线错误地高估了RegD的价值,解决办法使不要一直使用效益因子曲线。这些制度缺陷导致调频系统经常过度采购和补偿快速调节资源。


图2 不同等效倍率曲线比较

为了解决该问题,2015年5月26号PJM召开了关于调频性能影响的股东会议聚焦“可以快速执行的短期解决方案”。之后,2015年9月26号发布了调频市场问题高级任务指令以解决调频市场中更广泛和相关的问题。这两个系统运行和市场设计的改革提案正在走股东流程。2017年6月22号市场和可靠性委员会投票支持了高级任务指令的提案。该提案通过后会在PJM成员委员会审查。由于这些变更涉及到费率调整,PJM董事会将最终决定是否批准,也将决定是否向FERC备案这些调整。

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