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美國電化學儲能發展較快、電力市場建設較為成熟，儲能在電網中應用的市場機制也先于我國進行探索與完善。本文分析了美國電化學儲能在電網中應用的市場機制發展歷程，重點介紹了儲能參與調頻輔助服務市場的情況，希望能夠為我國儲能在電網中應用的市場機制設計提供參考。
1、美國儲能應用市場機制發展歷程
2007年以來，為推廣儲能應用、提升電網可靠性和運行效率、減少新建電廠投資以及促進新能源發展，美國聯邦能源管理委員會（FERC）陸續頒布法令推動新能源參與市場。其中，890號法令（2007年）和719號法令（2008年）要求各區域電力系統運營機構（ISOs/RTOs）修訂市場規則，允許儲能進入電能批發市場；755號（2011年）、784號（2013年）和792號法令（2013年）強調各區域市場應允許儲能參與調頻服務和其他輔助服務市場并獲得合理收益。
2018年2月，美國發布841號法令再次要求各電力市場研究制定儲能公平參與電力市場的相關規則，允許100kW以上的小型儲能資源獨立參與各類電力市場（電能市場、輔助服務和容量市場）。841號法令提出13個儲能資源的物理運行特性，包括與充電狀態、充電時間、充電/放電限制、運行時間、充電/放電爬坡率等相關的特性，要求在市場規則設計時充分考慮儲能運行特性。
調頻輔助服務市場是美國儲能在電網中應用的最大市場。盡管841號法令要求各電力市場允許儲能參與電能批發市場、輔助服務市場以及容量市場，但目前大部分市場中儲能尚未正式參與電能批發市場，調頻輔助服務市場仍是美國儲能在電網中應用的最大市場。2018年，美國76%的電化學儲能參與電力調頻輔助服務。
圖1 美國電池儲能參與不同服務場景的容量
2、儲能參與調頻市場機制
（1）美國調頻市場特點分析
目前，美國賓夕法尼亞—新澤西—馬里蘭州（PJM）、加利福尼亞州（CAISO）、德克薩斯州（ERCOT）、中西部（MISO）、新英格蘭（ISO-NE）區域電力市場中均允許儲能參與調頻輔助服務。以PJM、CAISO、ERCOT市場為例對比分析調頻市場特點。
在調頻標的方面，PJM和CAISO均同時考慮調頻容量和調頻里程，但兩者在里程定價和機會成本計算方法方面有所差別，ERCOT由于不受FERC監管，僅考慮單一的調頻容量價格，沒有設置里程價格。在調頻方向上，PJM不區分向上調頻和向下調頻，CAISO以及ERCOT區分向上調頻和向下調頻。
在電能與調頻輔助服務市場出清關系方面，PJM、CAISO和ERCOT均采用電能量和輔助服務聯合優化出清方式。
在交易和結算方式方面，PJM采用日前報價預出清、時前出清確定容量、實時出清確定價格和里程的方式，按照實時出清價格結算；CAISO日前確定出清價格和調頻容量，調頻里程按照實際調用里程結算；ERCOT采用日前確定出清價格、按照實際調用情況結算。
（2）儲能參與調頻市場情況
在各區域調頻輔助服務市場中，PJM調頻輔助服務市場啟動較早、市場規則也歷經調整，因此選取PJM市場分析儲能參與調頻市場情況。
2012年，依據755號法令要求，PJM對調頻市場進行完善，將調頻資源根據調頻性能及其市場選擇分為A類資源和D類資源，分別響應較慢調頻指令以及快速響應動態調頻指令，儲能因其響應速度較快一般作為D類調頻資源參與市場。得益于這一市場規則充分考慮了快速調頻資源特性，PJM調頻市場中儲能收益顯著提升。下圖為PJM市場規則改進3年以來儲能收益與其他地區儲能收益的對比情況，可以看出，PJM調頻市場中儲能平均收益明顯高于其他地區。
注：SERC、WECC、FRCC為北美可靠性管理委員會下屬的區域可靠性委員會管轄的垂直一體化地區，儲能調頻收益基于固定價格確定，CAISO、PJM和NYISO為放開管制的電力市場，儲能收益基于市場競爭機制確定。
在市場收益驅動下，大規模儲能積極參與PJM快速調頻。下圖展示了某年PJM調頻市場總A類和D類調頻資源容量及比例。可以看到，參與PJM調頻市場的電化學儲能占快速響應資源的26%。
隨著儲能調頻容量增長，也暴露出一些問題。儲能作為D類調頻資源，響應速度快，但持續提供調頻服務的時間有限制；傳統A類調頻資源響應速度慢，但在持續調頻時間幾乎無限制。由于電池儲能存在持續充/放電時間，如果參與快速調頻時充/放電耗盡，則可能反向放電/充電，給系統增加調頻負擔，導致PJM向A類調頻資源支付更多調頻費用。因此，雖然儲能參與調頻市場可改善電網頻率性能指標，但存在一定的最優容量上限，即系統中存在A類資源和D類資源的最優容量比例。PJM也在研究進一步完善相應的市場機制。
3、小結
從美國電化學儲能參與市場的歷程來看，美國推動儲能參與市場的相關法令中，首要明確了給予儲能市場準入和定位，作為合理設計市場機制的基礎。盡管聯邦政府出臺了頂層要求，但不同區域市場根據自身市場情況形成了各自市場規則，在調頻標的、交易和結算方式等方面各特點。此外，市場設計應本著遵循系統需求體現不同類型資源的運行特性、促進各類調節資源共同競爭進行，進而發揮各類資源調節性能與積極性。
美國電化學儲能在電網中應用的市場機制
執筆人：雷雪姣、王彩霞、李梓仟
國網能源院新能源與統計研究所
執筆人：雷雪姣、王彩霞、李梓仟
國網能源院新能源與統計研究所
1、美國儲能應用市場機制發展歷程
2007年以來，為推廣儲能應用、提升電網可靠性和運行效率、減少新建電廠投資以及促進新能源發展，美國聯邦能源管理委員會（FERC）陸續頒布法令推動新能源參與市場。其中，890號法令（2007年）和719號法令（2008年）要求各區域電力系統運營機構（ISOs/RTOs）修訂市場規則，允許儲能進入電能批發市場；755號（2011年）、784號（2013年）和792號法令（2013年）強調各區域市場應允許儲能參與調頻服務和其他輔助服務市場并獲得合理收益。
2018年2月，美國發布841號法令再次要求各電力市場研究制定儲能公平參與電力市場的相關規則，允許100kW以上的小型儲能資源獨立參與各類電力市場（電能市場、輔助服務和容量市場）。841號法令提出13個儲能資源的物理運行特性，包括與充電狀態、充電時間、充電/放電限制、運行時間、充電/放電爬坡率等相關的特性，要求在市場規則設計時充分考慮儲能運行特性。
調頻輔助服務市場是美國儲能在電網中應用的最大市場。盡管841號法令要求各電力市場允許儲能參與電能批發市場、輔助服務市場以及容量市場，但目前大部分市場中儲能尚未正式參與電能批發市場，調頻輔助服務市場仍是美國儲能在電網中應用的最大市場。2018年，美國76%的電化學儲能參與電力調頻輔助服務。
圖1 美國電池儲能參與不同服務場景的容量
2、儲能參與調頻市場機制
（1）美國調頻市場特點分析
目前，美國賓夕法尼亞—新澤西—馬里蘭州（PJM）、加利福尼亞州（CAISO）、德克薩斯州（ERCOT）、中西部（MISO）、新英格蘭（ISO-NE）區域電力市場中均允許儲能參與調頻輔助服務。以PJM、CAISO、ERCOT市場為例對比分析調頻市場特點。
在調頻標的方面，PJM和CAISO均同時考慮調頻容量和調頻里程，但兩者在里程定價和機會成本計算方法方面有所差別，ERCOT由于不受FERC監管，僅考慮單一的調頻容量價格，沒有設置里程價格。在調頻方向上，PJM不區分向上調頻和向下調頻，CAISO以及ERCOT區分向上調頻和向下調頻。
在電能與調頻輔助服務市場出清關系方面，PJM、CAISO和ERCOT均采用電能量和輔助服務聯合優化出清方式。
在交易和結算方式方面，PJM采用日前報價預出清、時前出清確定容量、實時出清確定價格和里程的方式，按照實時出清價格結算；CAISO日前確定出清價格和調頻容量，調頻里程按照實際調用里程結算；ERCOT采用日前確定出清價格、按照實際調用情況結算。
表1 美國典型調頻輔助服務市場機制對比分析
（2）儲能參與調頻市場情況
在各區域調頻輔助服務市場中，PJM調頻輔助服務市場啟動較早、市場規則也歷經調整，因此選取PJM市場分析儲能參與調頻市場情況。
2012年，依據755號法令要求，PJM對調頻市場進行完善，將調頻資源根據調頻性能及其市場選擇分為A類資源和D類資源，分別響應較慢調頻指令以及快速響應動態調頻指令，儲能因其響應速度較快一般作為D類調頻資源參與市場。得益于這一市場規則充分考慮了快速調頻資源特性，PJM調頻市場中儲能收益顯著提升。下圖為PJM市場規則改進3年以來儲能收益與其他地區儲能收益的對比情況，可以看出，PJM調頻市場中儲能平均收益明顯高于其他地區。
圖2 PJM市場規則改進3年以來儲能收益與其他地區對比
注：SERC、WECC、FRCC為北美可靠性管理委員會下屬的區域可靠性委員會管轄的垂直一體化地區，儲能調頻收益基于固定價格確定，CAISO、PJM和NYISO為放開管制的電力市場，儲能收益基于市場競爭機制確定。
在市場收益驅動下，大規模儲能積極參與PJM快速調頻。下圖展示了某年PJM調頻市場總A類和D類調頻資源容量及比例。可以看到，參與PJM調頻市場的電化學儲能占快速響應資源的26%。
圖3 PJM市場A類資源和D類調頻資源
隨著儲能調頻容量增長，也暴露出一些問題。儲能作為D類調頻資源，響應速度快，但持續提供調頻服務的時間有限制；傳統A類調頻資源響應速度慢，但在持續調頻時間幾乎無限制。由于電池儲能存在持續充/放電時間，如果參與快速調頻時充/放電耗盡，則可能反向放電/充電，給系統增加調頻負擔，導致PJM向A類調頻資源支付更多調頻費用。因此，雖然儲能參與調頻市場可改善電網頻率性能指標，但存在一定的最優容量上限，即系統中存在A類資源和D類資源的最優容量比例。PJM也在研究進一步完善相應的市場機制。
3、小結
從美國電化學儲能參與市場的歷程來看，美國推動儲能參與市場的相關法令中，首要明確了給予儲能市場準入和定位，作為合理設計市場機制的基礎。盡管聯邦政府出臺了頂層要求，但不同區域市場根據自身市場情況形成了各自市場規則，在調頻標的、交易和結算方式等方面各特點。此外，市場設計應本著遵循系統需求體現不同類型資源的運行特性、促進各類調節資源共同競爭進行，進而發揮各類資源調節性能與積極性。
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