美国德州电力市场综述

1 美国德州电力市场综述美国德州电力市场综述 目录目录 1前言 1 2ERCOT 简介 1 3德州电力市场化转型 3 4德州节点电力市场设计 4 5金融输电权市场 9 6日前市场 11 7可靠性机组组合 13 8实时市场 14 9结语 18 1 前言 本文试图从德州电力市场建设者的角度 进一步深入介绍美国德克萨斯州的电 力市场转型期以及不同时期的市场架构 期望能为国内的电力市场建设者提供一些 有益的借鉴和参考 2 ERCOT 简介 美国德州电力可靠性委员会 ERCOT Electric Reliability Council of Texas 是负责其 范围内电网运行和管理竞争性电力批发市场的独立系统调度机构 ISO Independent System Operator ERCOT 的所辖区域覆盖了德州 75 的面积和 90 的负荷 并管 理着 2 400 万德州用户 德州面积相当于广东广西加湖南 比华东五省加上海略大 一点 德州电网是一个独立电网 和外州没有交流互联 只通过 5 条直流联络线 2 与美国东部网络和墨西哥相连 这 5 条直流联络线的总容量接近 110 万千瓦 ERCOT 管理超过 74 400 公里的高压输电线路和 550 多台发电机组 ERCOT 装机容 量接近 9 000 万千瓦 夏季高峰可调用装机容量为 7 700 万千瓦 2015 年 8 月 10 日峰值负荷 6 988 万千瓦创历史新高 2015 年度用电量是 3 475 亿千瓦时 同比增 长了 2 2 德州市场有超过 1 400 成员参与电力市场的发电 输配电 交易 零 售和电能使用 ERCOT 是基于会员制的非营利机构 由 ERCOT 董事会进行管理 由德州公共 事业委员会 PUCT Public Utility Commission of Texas 和德州州议会 Texas Legislature 监管 因为德州和外州只有直流互联 所以 ERCOT 不受美国联邦能源监管署 FERC 监管 这是德州区别于美国其它 ISO 的一个很独特地方 ERCOT 的会员包括用户 consumers 合作社 cooperatives 发电商 generators 市场营销者 power marketers 售电商 retail electric providers 投资者拥有的输配 电供应商 transmission and distribution providers 和一些市政电力公司 municipal owned electric utilities ERCOT 当前风电装机容量约为 1 600 万千瓦 在北美所有市场里是最大的 如 果把德州当做一个单独的地区和世界各国 包含美国非德州区域 进行比较 德州风 电装机容量在世界排名第六 到现在为止 德州风电最高发电记录是 2016 年 2 月 18 日创造的 1 402 万千瓦 同日创造的风电最高渗透率大于 45 随着风电的高 速发展 其间歇性也给系统运行带来了很多挑战 ERCOT 采取了一系列措施来降低 弃风 成效显著 2014 年的全系统平均弃风率小于 0 5 2015 年的全系统平均弃 风率小于 1 下图显示了 ERCOT 2015 年对应各种电源类型的发电量和装机容量的比例 从 图中可以看出 ERCOT 天然气发电量和装机容量都是所有电源类型中最高的 天然 气装机容量占 53 发电量占 48 3 风电装机容量占 18 发电量占 11 7 3 ERCOT 2015 年发电量和装机容量 来源 ERCOT 的竞争性电力零售市场 competitive retail market 非常活跃 连续 8 年 2008 2015 被能源咨询机构 Distributed Energy Financial Group 评为美国和加拿大最 具竞争性的零售市场 ERCOT 拥有大约 200 个合格的竞争性独立电力零售商 completive retail electric providers 超过 75 的负荷具有零售选择权 根据统计 竞争性零售市场内的超过 90 的居民用户都曾经更换过零售商 ERCOT 市场参与者 Market Participants 主要分为以下几类 授权计划实体 QSE Qualified Scheduling Entities 负荷服务实体 LSE Load Serving Entities 输电服 务供应商 TSP Transmission Service Providers 配电服务供应商 DSP Distribution Service Providers 和电源实体 RE Resource Entity QSE 代表电源实体和售电公司参 与日前和实时市场 与 ERCOT 进行数据对接和结算 QSE 可以同时拥有发电机和 负荷 或者两者之一 或者是两者皆无的纯金融买卖参与者 下图显示了 ERCOT 和各市场参与者的相互关系 4 ERCOT 和市场参与者关系 来源 3 德州电力市场化转型 1996 年 ERCOT 成为美国的第一个独立系统调度机构 1999 年 6 月 18 号 德州关于电力改革的 7 号法案由当时的布什州长签署生效 正式开始了德州电力 行业的市场化进程 法案对售电侧市场化 输配电的拆分 批发市场的建立 发电 装机的容量限度 独立系统调度和市场运行机构的设立 以及批发和零售市场的实 现 都提出了明确的具体时间表要求 法案特别规定对投资者拥有的电力企业解除 管制 在这些区域引入电力零售用户选择权 同时规定 ERCOT 的几个主要责任是 电力系统规划和运行 电力批发市场的运行和结算 对有售电选择权的用户提供切 换服务 从 1999 年 6 月 18 号的电改 7 号法案签署到预期的 2001 年 6 月 1 号零售市场 开始运行 以及 2001 年 7 月 31 号批发市场运行 大概只有两年左右的时间 在 短短两年的时间里 徳州电力工业不但要全面市场化 而且在系统控制上要做出很 大的改变 从十个控制中心切换到一个控制中心 但是 当时各个市场主体市场经 验非常缺乏 ERCOT 没有相关电力市场人才 没有自己的调度运行中心 也没有相 关的市场软件 在这样一个情况下 要在两年内开通现货实时市场 几乎是一件不 5 可能的任务 但法律已经颁布 政令已经发出 没有回旋余地 当时各个市场主体 基本一致同意采纳区域模式的现货实时市场 辅助服务市场日前出清 输电权市场 只针对几个关键输电断面拍卖这样一种相对简单的市场架构 经过两年的艰苦努力 完成了从市场规则设计 功能设计 软件实现及调试 到市场试运行的全过程 在 2001 年 ERCOT 开始单一控制区运行 同时开启了批发市场和零售市场的竞争 德州巿场的如期开通运行 满足了 7 号法案的要求 ERCOT 当时采取的是区域市场 Zonal Market 架构 并根据几个主要的输电断 面将 ERCOT 分成四个阻塞管理区域 区域模式的实时市场虽然概念上看起来很简 单 可具体实现起来要解决的技术难题可不少 由于没有精细的节点价格信号 尽 管在具体设计和实现中做了许多重大改进 区域市场模型始终不能很好地解决网络 拥塞费用适当分配的问题 在区域模型中 许多发电厂不但没有足够的意愿去消除 线路拥塞 有的反而会故意加重拥塞以获利 在区域市场模型中 电力系统运行模 型和市场模型的协调也是一大挑战 为了解决区域性市场中诸如线路拥塞费用的分配 以及提高电力系统运行效率 等问题 当时给出了两种方案 一种是渐进式地从已有的区域市场逐步过渡到节点 市场 另一种则是整个市场及其支持系统一下子切换到节点市场 最后 德州政府 部门决定采用后一种方案 2003 年 ERCOT 开始设计节点市场 Nodal Market 这个重新设计的综合性的 德州节点市场用超过 600 个电价结算点来代替区域市场的四个阻塞管理区域所对 应的结算点 ERCOT 设计节点市场的主要目标是改善价格信号 提高调度效率 直 接分配局部拥堵费用 这个重新设计的综合性节点市场主要有以下几个部分 金融 输电权市场 CRR Congestion Revenue Rights 能量和辅助服务联合优化的日前市场 DAM Day Ahead Market 可靠性机组组合 RUC Reliability Unit Commitment 以安 全约束下的经济调度 SCED Security Constrained Economic Dispatch 为核心的实时市 场 2006 年 ERCOT 正式开始节点市场建设 在节点市场建设过程中的项目管理 上 周期和预算出现过一些问题 最后 在 2010 年 12 月 1 日 ERCOT 成功地从 区域电力市场转换为节点电力市场 两相比较 一揽子式的节点市场在项目进度和 预算上 都远远超过了以前的区域市场 ERCOT 节点市场和区域市场的对比总结在 6 下表中 ERCOT 区域市场和节点市场比较 来源 区区域域市市场场 Z Zo on na al l M Ma ar rk ke et t 节节点点市市场场 N No od da al l M Ma ar rk ke et t 输电阻塞权 TCR 金融输电权 CRR 无日前能量市场 日前辅助服务容量市场 能量和辅助服务联合优化的日前市场 DAM 替换备用服务 RPRS 及非优化容量服务 OOMC 日前可靠性机组组合 DRUC 时前预分析时前可靠性机组组合 HRUC 基于区域的组合报价基于具体机组的报价 每15分钟出清一次平衡能量市场 运用组合指令解决区域阻塞 运用具体机组指令解决当地阻塞 每5分钟出清一次安全约束下的经济调度 SCED 仍以15分钟为结算区间 所有阻塞由具体机组调度来解决 增强的负荷频率控制 机组采用统一的区域潮流转移因子具体机组的潮流转移因子 机组和负荷都采用平衡能量市场的区域出清价机组采用节电边际电价 负荷采用区域加权平均的边际电价 4 德州节点电力市场设计 ERCOT 是纯能量市场 energy only market 没有容量市场 capacity market 发电商建造电厂的成本必须从发电和提供辅助服务的收益中来回收 ERCOT 为了鼓 励投资兴建新电厂 制定了一系列稀缺定价机制 Scarcity Pricing Mechanism 在系 统电能和备用稀缺的情况下提高电能价格 其中最重要的就是设置较高的系统报价 帽 SWCAP System Wide Offer Cap ERCOT 当前的最高报价是 9 000 MWh 德州电力批发市场由两部分组成 独立于 ERCOT 之外的分散的双边市场 Bilateral Market 和由 ERCOT 组织的集中出清市场 双边市场双边市场 双边市场指买卖双方单独或者双方通过经纪人 Broker 签订的用来交易电量的 双边合同 合同任一方可以同时拥有发电机和负荷 或者两者之一 或者两者皆无 纯金融买卖市场参与者 双边合同一般被用来规避 Hedge 实时市场价格风险 同时有些市场参与者通过双边合同进行套利 据统计 ERCOT 实时市场中绝大多数 超过 90 电能交易是通过前期双边合同规避 Hedge 锁定 按照合同价格进行结 算 双边合同几个基本要素就是 交付时间 年月日小时或者时间段 电能 MW 结算点 合同价格 ERCOT 大多数双边合同本质上是一种金融合同 买卖方不需要 拥有发电机或负荷 在实时也不需要按照合同发电或者用电 合同签订后 买方需 要根据合同电量和合同价格支付给卖方 这是第一部分结算 ERCOT 实时市场出清 7 后 卖方需要根据合同电量和实时价格支付给买方 这是第二部分结算 如果单纯 考虑双边合同 不考虑合同双方在实时物理发电和负荷的抵消 其结算公式如下 第一部分结算 合同收款 合同付款 合同电价 X 合同电量 第二部分结算 实时收款 实时付款 实时电价 X 合同电量 同时考虑以上两部分结算 卖方净收款 合同收款 实时付款 合同电价 实时电价 X 合同电量 买方净付款 合同付款 实时收款 合同电价 实时电价 X 合同电量 双边合同的结算时间由双方自由商定并写入合同 根据具体合同可以有不同选 择 比如可以选择签订合同时付款或是按月付款等方式 不同结算时间会影响双方 的现金流但不会影响最终的结算量 ERCOT 没有强制要求合同双方必须向 ERCOT 提交所签订的双边合同 但是合同双方可以选择自愿提交 让 ERCOT 帮助结算其 双边合同 根据合同性质 是否向 ERCOT 提交双边合同不会改变其最终的结算结 果 只是会改变通过 ERCOT 的结算量 ERCOT 集中出清市场集中出清市场 ERCOT 组织的集中市场主要由四部分组成 金融输电权市场 CRR Congestion Revenue Right Market 日前市场 DAM Day Ahead Market 可靠性机组组合 RUC Reliability Unit Commitment 和实时市场 RTM Real Time Market 其中实时市场的 核心是安全约束下的经济调度 SCED Security Constrained Economic Dispatch 下图 显示了 ERCOT 节点电力市场架构图 这四个集中市场会在下文一一介绍 8 ERCOT 节点电力市场架构图 来源 在开始介绍各个集中市场之前 先介绍一些和德州节点市场相关的重要定义和 概念 节点边际定价节点边际定价 节点边际价格 LMP Locational Marginal Price 又称为节点电价 指的是在一个 节点 电气母线 上增加一个单位电量的负荷 系统运行成本的增加量 ERCOT 的节 点价格 LMP 有两部分组成 电能分量 energy component 和阻塞分量 congestion component 美国其它一些市场节点电价还包含一个网损分量 loss component 但是 ERCOT 的节点电价 LMP 不包含网损部分 LMP 不受网损影响 LMP 只会因为 阻塞影响而不同 从而简化了 LMP 的计算 这是 ERCOT 比较独特的一个地方 ERCOT 的网损包含输电网损和配电网损 对应输电网损因子 TLF Transmission Loss Factor 和配电网网损因子 DLF Distribution Loss Factor 对应每个 15 分钟结算区间 Settlement Interval TLF 只有一个全系统值 DLF 则是对应每个输电商可以有一 个不同值 ERCOT 的数据聚合系统 Data Aggregation 计算 TLF 和 DLF 根据负荷的 大小按照 TLF 分摊输电网损和按照 DLF 分摊配电网损 并将两者相加获得负荷的输 配电总网损 ERCOT 实时结算的时候 将输配电总网损加在实际测量的负荷上作为 9 校正负荷 AML Adjusted Meter Load 并以此作为最终负荷进行结算 结算点电价结算点电价 每个电气母线 electrical bus 都有一个对应的节点价格 这是最精细的节点电价 但是市场参与者一般是通过结算点 Settlement Point 进行电能交易 并用结算点电 价 SPP Settlement Point Prices 进行财务结算 结算点是一些物理母线的集合 结 算点电价是根据结算点类型在其对应母线价格的基础上按照一定的规则加权平均算 出来的 结算点可以分为以下三类 发电机节点 Resource Nodes 指的对应于一 个电源的母线 这个母线 LMP 用来作为这个发电机节点电价结算这个电源的输出 负荷区域 Load Zone 指的是分配在同一个负荷区域的所有母线的集合 负荷区 域结算点价格是区域里所有母线 LMP 按照母线负荷加权平均算出来的 同一区域 内的所有负荷只有一个对应的区域价格 枢纽 Hub 指的是分配给同一个枢纽的 345KV 的枢纽母线的集合 枢纽结算点价格是这些 345KV 母线 LMP 的简单平均 设置负荷区域和枢纽结算点的目的是增加电能交易的流动性和价格的确定性 这样 可以避免在单个母线上交易受母线价格 局部阻塞可显著影响母线价格 和母线上联 络线容量的限制 日前市场中节点电价 LMP 和日前结算点电价 DASPP Day Ahead Settlement Point Price 是以小时为单位 每个小时每个母线或者结算点会算一个对 应的价格 实时市场中 SCED 每五分钟运行一次计算节点 LMP 实时结算点价格 RTSPP Real Time Settlement Point Price 每 15 分钟算一次 计算 15 分钟内所有 SCED 的节点价格的平均值 三部分售电报价三部分售电报价 三部分售电报价 Three Part Supply Offer 是 QSE 为其所代表的发电机提交的能 量报价 具体到每台机组每个小时 发电机的三部分售电报价包含三部分 启动报 价 Startup Offer 最低出力报价 Minimum Energy Offer 和售电报价曲线 EOC Energy Offer Curve 启动报价指发电机从开始启动至达到最低出力限值 LSL Low Sustained Limit 时所费成本的报价 start QSE 根据机组启动时的温度状态 可以提交三 种不同启动报价 热启动 hot start 中等温度启动 intermediate start 和冷启动 10 cold start 最低出力报价指发电机维持在最低出力时所费成本的每兆瓦时报价 MWh 售电报价曲线 EOC 指对应递增电量的单调非递减的报价 售电报价曲线 是分段线性的 Piecewise linear 可以最多有 10 个报价点 MW MWh 发电机 也可以只提交售电报价曲线 EOC 不提交启动报价和最低出力报价 如果机组想参 与日前市场能量和辅助服务联合优化 QSE 要在售电报价曲线中设置参与联合优化 的标记 日前市场 DAM 优化所有提交的三部分售电报价 也优化单独的售电报价 曲线 EOC 无启动报价和最低出力报价 可靠性机组组合 RUC 只使用三部分售电报 价中的启动报价和最低出力报价 实时市场中的安全约束下的经济调度 SCED 只使 用售电报价曲线而不使用启动报价和最低出力报价 对于任意一个指定的小时 如 果机组没有被日前市场或可靠性机组组合指令开机 commit QSE 可以在这个小时 对应的调整时段提交或更新启动报价和最低出力报价 QSE 可以在这个小时对应的 调整时段提交或更新售电报价曲线 EOC 这样的好处是机组可以根据实时的运行情 况调整报价 更能真实反应实时的成本 实时市场会使用最后更新的售电报价曲线 EOC 进行出清 下表是一个发电机的三部分售电报价的例子 三部分售电报价例子 HotInterColdQ1 P1Q2 P2 Q3 P3Q4 P4Q5 P5 Q10 P10 ALTA12 01 201211000 1200 140020014 110 14 ALTA12 01 201221100 1300 1500200101110 50 158020 110 25 ALTA12 01 201231000 1000 1000250121112 30 1560188020 11030 ALTA12 01 201241100 1300 1500250141114 20 1530205030 11040 ALTA12 01 2012241100 1300 1500250141114 20 1530205030 11040 Resource Name Startup Offer MEO MWh Operating Day Hour Ending Energy Offer Curve Q MW P MWh 当前运行计划当前运行计划 当前运行计划 COP Current Operating Plan 是 QSE 为其所代表的电源 发电机或 负荷电源 提交的预期运行计划 包含每个电源未来七天的每个小时的运行数据 当前运行计划包括电源的每个小时的并网状态 在线 离线 最高出力限值 HSL High Sustained Limit 最低出力限值 LSL Low Sustained Limit 和辅助服务计划 Ancillary Service Schedule 日前市场 DAM 只使用 COP 中的最高出力限值和最低出 力限值参与优化 作为提交三部分售电报价的机组的出力限值 不使用 COP 中的 11 机组并网状态 可靠性机组组合 RUC 会使用 COP 中的所有信息参与优化 其中的 并网状态会被用来决定机组是否自开机 self commit 并在其基础上进行增量机组 组合 下表是一个发电机的当前运行计划 COP 的例子 当前运行计划当前运行计划 COP 例子例子 Resource Name Operating Day Hour Ending Resource Status LSL MW HSL MW Reg Up MW Reg Dn MW RRS MW Non Spin MW ALTA 03 01 201 6 1OUT111100000 ALTA 03 01 201 6 2OUT111100000 ALTA 03 01 201 6 3OFF111100000 ALTA 03 01 201 6 4OFF111100000 ALTA 03 01 201 6 15ON111105102030 ALTA 03 01 201 6 16ON111101051020 ALTA 03 01 201 6 17ON111100000 ALTA 03 01 201 6 18ON1111000100 ALTA 03 01 201 6 24OFF111100000 市场信息系统市场信息系统 ERCOT 通过市场信息系统 MIS Market Information System 向市场参与者及时准 确地披露电网和市场运行信息 ERCOT 全网网络模型使用统一格式的通用信息模型 CIM Common Information Model 极大的简化了网络模型的更新和在各个系统中 的导入 ERCOT 通过 MIS 定期公布最新的编辑过 redacted 的全网 CIM 模型 删除 其中一些机密的信息比如发电机参数 ERCOT 也会在一定保密时间过期之后通过 MIS 公布市场参与者历史报价和出清信息 比如在运行日六十天之后会公布所有日 前市场和实时市场的各种报价 双结算系统双结算系统 12 ERCOT 采用双结算系统 Two Settlement System 结算日前市场和实时市场 对 日前市场电能出清量按照日前市场结算点价格进行结算 实时市场中则根据实时市 场和日前市场出清量之间的偏差量按照实时结算点价格进行结算 双结算系统可以 让追求利益最大化的发电商在实时市场的参与策略不受日前市场交易或者双边合同 的影响 仿佛之前的交易不存在 从而鼓励发电商全电量报价参与实时市场 提高 实时市场的运行效率 5 金融输电权市场 金融输电权市场简介金融输电权市场简介 金融输电权 CRR Congestion Revenue Right 是一种金融避险工具 让金融输电 权持有者可以在日前市场中接受补偿收款 或被欠款收费 金融输电权是金融性的 持有金融输电权并没有赋予金融输电权持有者权利或者义务来物理传输或接受电能 为了持有金融输电权 市场参与者必须在 ERCOT 注册成为金融输电权开户人 CRR Account Holder 金融输电权开户人和 ERCOT 之间进行金融输电权的结算 因为 公平公正的考虑 输配电供应商和 ERCOT 都被禁止持有金融输电权 金融输电权可以通过以下三种方式获得 1 金融输电权拍卖 CRR Auction 这是获取金融输电权的最基本方式 ERCOT 每半年和每个月都会进行周期性的金融输电权拍卖 金融输电权拍 卖会拍卖一些空余的网络容量 同时也给金融输电权持有者机会来卖掉他 们当前所持有的金融输电权 2 预先分配 PCRR Allocation ERCOT 会事先分配一些金融输电权给一些符合 条件的不参与市场竞争的市场主体 NOIE Non Opt in Entity NOIE 指的是 那些不提供用户售电选择的合作社 EC Electric Cooperative 和市政电力公司 MOU Municipally Owned Utility 3 双边交易 Bilateral Trades 金融输电权持有者可以通过双边交易转让之前 已经持有的金融输电权 ERCOT 金融输电权是一种点对点 PTP point to point 的拥堵收益权 有如下特 性 一个具体数量 MW 可以精确到 0 1MW 一个具体时段 指定的电量输出点 13 Source 和指定的电量接收点 Sink 金融输电权按照结算功能可以分为两类 一类 是点对点责任权 PTP Obligation point to point Obligation 另外一种是点对点选择权 PTP Option point to point Option 点对点责任权是双向的 在日前市场结算时既 可能产生欠款 charge 也可能收款 payment 而点对点选择权是单向的 在日前市 场结算时只会收款 payment 金融输电权拍卖和预先分配都是按照分时区块 TOU Time Of Use Blocks 以每 个月为条状单位 stripes 进行拍卖或分配 CRR 分时区块 TOU 分为以下三种 1 工作日高峰时段 Peak Weekday 5X16 时段 指时末 hour ending 0700 2200 周一至周五工作日排除 NERC 的节假日 2 周末高峰时段 Peak Weekend 2X16 时段 指时末 0700 2200 周六 周日 和 NERC 节假日 3 低谷时段 Off Peak 7X8 时段 指时末 0100 0600 和时末 2300 2400 周日 至周六 7 天 金融输电权拍卖结束之后 ERCOT 就会用拍卖出清价格 Auction Clearing Prices 对中标的出售和购买的金融输电权 awarded offers and bids 和金融输电权持有者进 行结算 金融输电权的拍卖收益 CRR Auction Revenue 会按照 QSE 拥有负荷的大小 按比例分配给 QSE 金融输电权市场结算金融输电权市场结算 金融输电权持有者持有的 CRR 在日前市场中按照日前市场结算点价格 DASPP 进行结算 点对点责任权的结算价格是 接收点 DASPP 输出点 DASPP 其结算价格 可正可负 所以既可能欠款也可能收款 点对点选择权的结算价格是 MAX 接收 点 DASPP 输出点 DASPP 0 所以其结算价格是非负的 只会收款不会欠款 CRR 是按照小时进行结算的 日前市场结算产生的的每小时拥堵租金 Congestion Rent 会用来付钱给金融输电权 如有多余 多余的钱会被放入一个金融输电权平 衡账户 CRR Balancing Account 如果不足 欠费 short pay 就会被记录下来 积累 到月底的时候 就会用当月金融输电权平衡账户里积攒的钱来付这些欠费 如果还 有剩余就会按照 QSE 负荷大小按比例分配给 QSE 在某些特殊情况下 月平衡账户 也有可能不足付这些欠费 14 6 日前市场 日前运行时间轴日前运行时间轴 ERCOT 日前运行时间轴 timeline 如下图所示 ERCOT 日前运行时间轴 来源 如上图所示 ERCOT 在日前 0600 之前 需要向市场发布系统状况 负荷预测 辅助服务责任 Ancillary Service Obligation 网损以及其它一些信息 在日前 1000 之前 QSE 向 ERCOT 提交日前市场售电报价和购电报价 DAM Offers and Bids 各 个电源的每个小时的当前运行计划 COP 自提供的辅助服务 Self Arranged AS 日 前 1000 ERCOT 会关闭日前市场 开始日前市场出清 在日前 1330 之前 ERCOT 需要发布日前市场结果 在日前 1430 ERCOT 运行日前可靠性机组组合 DRUC 并 在运行结束后公布结果 日前市场简介日前市场简介 ERCOT 日前市场 DAM Day Ahead market 是在日前集中出清的金融性市场 financial market 日前市场的参与是自愿性的 voluntary QSE 不被要求强制参加 发电机和负荷也不需要强制参与报价 日前市场的负荷是购电报价 没有负荷的 QSE 也可以提交购电报价 是虚拟且有弹性的 不是负荷预测 其性质是金融性 15 的 日前市场中不仅考虑发电资源的各种物理约束 同时考虑网络安全校核 NSA Network Security Analysis 日前市场的主要目的是为下一个运行日 Operating Day 安排电能和辅助服务 提供价格确定性和发现价格 让市场参与者可以规避 hedge 实时市场价格波动的风险 日前市场以最大化社会福利 social welfare 为优化目标 联合优化 co optimize 售电报价 energy offers 购电报价 energy bids 辅助服务出售报价 AS Offers Ancillary Services Offers 和点对点责任权购买报价 PTP Bids point to point Obligations bids 日前市场出清软件 clearing engine 是安全约束下的机组组合 SCUC Security Constrained Unit Commitment SCUC 包含两部分 一部分是机组组合 UC Unit Commitment 另外一部分是网络安全校核 NSA 这两部分互相迭代求解直到满足 收敛条件 最终结果即为出清结果 机组组合 UC 优化算法是混合整数优化 MIP Mixed Integer Programming 日前市场的研究区间 study period 是第二天运行日 Operating Day 的一整天 24 小时 每个小时作为一个研究时间点 所以一共有 24 个时间点 日前市场中的售电报价 energy offers 包含发电机组的三部分售电报价 Three Part Supply Offers 和虚拟 virtual 的售电报价 Energy Only Offers 日前市场中的购 电报价 Energy Bids 都是虚拟 virtual 的 又被称为 Energy Only Bids 虚拟的售电报 价和购电报价必须在结算点 Settlement Point 上报价 任何 QSE 都可以报价 ERCOT 在日前市场中购买的辅助服务有四种 上调频 Regulation Up 下调频 Regulation Down 响应备用 Responsive Reserve Service 和非旋转备用 Non Spin Reserve ERCOT 的辅助服务报价 AS Offers 比较独特 对在线增量备用 on line up reserves 采用的是联合辅助服务报价 Linked Ancillary Service Offer 的形式 具体如 下 1 下调频单独报价 因为其是唯一的减量备用 2 上调频 响应备用和在线非旋转备用可以联合报价 3 离线非旋转备用单独报价 16 比如一个机组有 30MW 的备用 其爬坡能力比较快 可以在 5 分钟之完全部 署 deploy 这 30MW 这 30MW 备用满足上调频 响应备用和非旋转备用的要求 在这种情况下 QSE 可以给这 30MW 进行联合报价 备用容量 30MW 上调频一 个报价 响应备用一个报价 非旋转备用一个报价 日前市场会根据联合优化来决 定哪些服务中标会给这个机组带来最大利润 每个服务都会有一个中标量 这三个 中标量之和必须小于等于总备用容量 30MW 美国有些其它市场支持辅助服务替换功能 Ancillary Service Substitution 即高 质量辅助服务可用来替换低质量辅助服务 但是不支持联合辅助服务报价 ERCOT 的辅助服务出清支持联合辅助服务报价但不支持辅助服务替换 比如非旋转备用不 足的时候不能用响应备用来代替 联合辅助服务报价和辅助服务替换有异曲同工的 作用 这也是 ERCOT 辅助服务市场一个独特的地方 ERCOT 在日前市场开启后会发布系统的辅助服务计划 AS Plan 然后按照 QSE 负荷在总负荷中的占比 load ratio share 分配辅助服务义务 Ancillary Service Obligation QSE 可以自己安排 self arrange 这些辅助服务义务 由自己的发电机或 负荷电源提供 或者通过双边辅助服务合同从其他 QSE 购买 ERCOT 在日前市场关 闭后会计算系统总计划 AS Plan 和 QSE 自安排辅助服务 self arranged AS 的差值 然后在日前市场中购买这部分没有自安排的差值 日前市场的机组组合和电量出清是金融性质的 在实时不需要物理执行 机组 不需要在实时强制上线 但是不上线就不会得到开机补偿付款 Make Whole Payment 同时需要承担实时电量偏差带来的金融惩罚 另一方面 日前市场的辅 助服务出清是物理性质的 中标的机组必须在实时提供出清的辅助服务 日前市场结算日前市场结算 日前市场的出清结果按照小时为单位 出清结果包含提交三部分售电报价机组 的机组组合 中标的虚拟售电报价 中标的虚拟购电报价 中标的发电机和负荷资 源辅助服务报价和中标的点对点责任权报价 日前市场的出清价格包含所有结算点 价格 DASPP 和四种辅助服务的容量出清价格 MCPC Market Clearing Price for Capacity ERCOT 的辅助服务是系统性的 没有单独分区 所以每个小时每种辅助 服务只有一个系统价格 17 日前市场所有电能出清量都是按照日前结算点价格 DASPP 进行结算 辅助服 务出清量按照对应的辅助服务价格 MCPC 进行结算 点对点责任权购买报价 PTP Bids 出清量按照接收点和输出点之间结算点价格的差价进行结算 日前市场的目标 函数是最大化社会效益 所以有可能提交三部分售电报价机组被指令开机 commit 之后其在日前市场的电能和辅助服务收益不足以支付它的运行成本 开机成本 最低 出力成本 最低出力到中标量的成本 这种情况下 日前市场结算就会补偿给机组 运行成本和收益之间的差值 这种补偿叫做开机补偿付款 Make Whole Payment 日前市场中所有开机补偿付款的支出会按照 QSE 虚拟报价出清量和点对点责任权 报价中标量的大小按比例向 QSE 收费 ERCOT 购买辅助服务的支出会按照 QSE 短 缺的辅助服务的大小 AS Obligation self arranged AS 按比例向 QSE 收费 7 可靠性机组组合 可靠性机组组合简介可靠性机组组合简介 可靠性机组组合 RUC Reliability Unit Commitment 的主要目的是保证系统里有 足够的在线发电容量来满足系统的负荷预测 可靠性机组组合也运行网络安全校核 NSA 来监测和保证输电网络的安全 可靠性机组组合的作用相当于一个桥梁来填补 金融性的日前市场和物理实时市场中的缺口 从而保证系统的可靠安全运行 如前 所述 日前市场出清是根据自愿的虚拟售电和购电报价而不是系统的负荷预测 日 前市场中的机组组合有可能不能满足实时的电量和辅助服务要求 因此需要可靠性 机组组合来购买足够的发电机容量来满足负荷预测和辅助服务要求 可靠性机组组 合是一种增量集中机组组合 ERCOT 绝大多数机组都是自开机 self commit QSE 通过提交当前运行计划 COP 来反映每个机组的每个小时的开机状态 可靠性机组 组合使用当前运行计划作为输入 在自开机机组的基础上来决定是否需要投入 commit 额外的机组上线 可靠性机组组合以小时为单位 如果某些在线机组影响 系统安全运行 系统调度员也可以在 RUC 中通过手动调度要求在线机组关机 decommit Decommit 一般有两种原因 一种是系统发电机最低出力高于系统负 荷 另外一种是在线机组影响线路阻塞 只能通过强制下线来缓解 因为 decommit 情况很极端 从 ERCOT 进入节点市场至今 ERCOT 系统调度员基本没有 18 decommit 过机组 可靠性机组组合以最小化系统运行成本为优化目标 在满足系统的各种安全约 束的前提下优化三部分售电报价中的启动报价和最小出力报价 可靠性机组组合和 日前市场类似 出清软件也是是安全约束下的机组组合 SCUC 可靠性机组组合的 结果是物理性的 在实时必须物理执行 被指令开机的机组必须在实时上线 可靠 性机组组合是强制机组参与的 如果机组离线并且没有故障 即使没有提及三部分 售电报价 也会被强制参与优化 在这种情况下 可靠性机组组合会根据机组的成 本创建启动报价和最低出力报价 和其它提交三部分售电报价的机组一起优化 可靠性机组组合根据研究区间和功能的不同可以分为以下三个过程 1 日前可靠性机组组合 DRUC Day ahead Reliability Unit Commitment DRUC 每天运行一次 在日前下午 14 30 运行来决定下个运行日是否需要额 外的机组上线来满足系统容量的需求 DRUC 的研究区间是下个运行日的 24 个小时 每个小时作为一个研究点 2 时前可靠性机组组合 HRUC Hourly Reliability Unit Commitment HRUC 每小时执行一次 根据最新的系统信息来微调之前 DRUC 的机组组合 HRUC 的研究区间是动态的 在 DRUC 运行结束之前 只包括从下个小时到 当日的 24 点 在 DRUC 运行结束之后 包括从下个小时到次日的 24 点 3 周前可靠性机组组合 WRUC Weekly Reliability Unit Commitment WRUC 是一个离线研究工具 一般系统调度员每天运行一次 研究区间为从 次日开始的下 7 天 WRUC 主要用于在某些特定的系统运行状况下投入开机 时间长的机组 一般超过 24 小时 这些开机时间长的机组超出了 DRUC 和 HRUC 的研究区间 只能提前通过 WRUC 来开机 可靠性机组组合的出清结果就是按照小时的增量机组组合 机组被可靠性机组 组合投入之后 有两种结算选择 一种是保持可靠性机组组合开机 这种情况就会 享受可靠性机组组合结算 一种是选择自开机 这种情况可靠性机组组合结算就不 适用 QSE 自负盈亏和其它自开机的机组一样 可靠性机组组合结算可靠性机组组合结算 19 可靠性机组组合结算可分为两类 RUC 开机补偿付款 RUC make whole payment 和 RUC 追回利润索款 RUC clawback charge 对每个 RUC 指令开机的机组 结算时会计算这个机组的启动成本和最小出力成本之和 定义为机组的保障成本 如果机组在实时发电根据实时市场价格结算的收益小于这个保障成本 ERCOT 会通 过 make whole payment 给 QSE 来补偿成本和收益之间的差值 ERCOT 会把 make whole payment 按比例对那些容量不足引起 RUC 指令开机的 QSE 收费 如果这些容 量不足收费还不能支付 make whole payment ERCOT 会把不足的差值按照 QSE 的 负荷大小按比例对 QSE 进行收费 如果机组在实时的收益超过了保障成本 ERCOT 会追回部分利润 clawback clawback 的目的是鼓励 QSE 自启动 self commit 来参与 市场 ERCOT clawback 回来的利润会根据 QSE 负荷的大小按比例分配给 QSE 8 实时市场 调整时段和实时运行时间轴 ERCOT 调整时段和实时运行时间轴如下图所示 ERCOT 调整时段和实时运行时间轴 来源 调整时段 Adjustment Period 指从日前 1800 到实时运行时段的开始 即运行小 20 时的前一个小时 在调整时段 QSE 可以更新售电报价和购电报价 更新电源当 前运行计划 COP 更新出力计划 Output Schedule 等 ERCOT 在调整时段执行时前 可靠性机组组 HRUC 并发布 HRUC 结果 ERCOT 的实时运行时段 Operating Period 包含当前运行小时 Operating Hour 和 时前 Hour Ahead 当前运行小时主要用来实时调度电能 而时前为实时调度做准 备 实时网络安全校核实时网络安全校核 实时运行主要有两个目的 第一是可靠性管理 平衡系统的发电和负荷并保证 输电系统不越限 第二指在满足可靠性约束条件下对发电机进行最优调度从而最小 化系统的生产成本 其中第一可靠性优先级别总是高于第二经济性 实时运行的核心是安全约束下的经济调度 SCED Security Constrained Economic Dispatch 和能量管理系统 EMS Energy Management System EMS 和 SCED 紧密相连 互相配合 能量管理系统 EMS 的数据采集与监控 SCADA 子系统采用 ICCP 协议通 过遥测信号 telemetry 和 QSE 的电源 发电机或负荷电源 以及输电供应商 TSP 进 行通信 QSE 通过遥测信号告知 ERCOT 能量管理系统机组的当前运行状态 并网 状态 在线 离线 当前出力 MW 爬坡能力 ramp rate 最高出力限值 HSL 最低 出力限值 LSL 辅助服务要求 AS Requirement 和辅助服务计划 AS Schedule EMS 为 SCED 提供实时网络安全校核 NSA 实时网络安全校核通过以下方式实现 EMS 中的状态估计 SE State Estimator 子系统根据遥测信号的结果进行系统基本潮流计 算 Base Case EMS 中的实时预想事故分析 RTCA Real Time Contingency Analysis 子系统根据状态估计基本潮流的结果计算系统在各种预想事故下的潮流和线路越限 情况 系统调度员根据这些越限结果按照事先定义好的规程决定是否将这些网络约 束传递给 SCED 另外 EMS 中的电源限值计算 RLC Resource Limit Calculator 子系统 会根据电源的遥测信号 计算每个电源的 5 分钟内的可被调度的最高调度限值 HDL High Dispatch Limit 和最低调度限值 LDL Low Dispatch Limit 这个最高和最低调度 限值的计算考虑了电源当前的出力和 5 分钟的爬坡能力 21 实时市场实时市场 SCED 出清出清 实时市场出清软件 clearing engine 是安全约束下的最优经济调度 SCED