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，储能产业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。
市场规则调整影响
调频辅助服务市场规则调整后RegD资源所提供的有效任务量降低了。图3展现了效益因子调整后RegD任务量变化情况。引入快速信号之后，RegD资源调节任务量逐步提高，储能项目建设也随之加快。2015年12月短期市场调整后RegD资源调节任务量增长趋势终止。这些调整限制了日内每小时RegD任务量。最终，2017年1月信号规则调整导致了RegD任务量出现下降。
图3 RegD任务量占总调频任务比例
第一条红线是效益因子调整，第二条红线是新信号制度。
图4显示了PJM系统平均性能得分的变化情况。调节资源性能基于三个指标：准确性、延迟性和精确度。准确性是资源响应调节信号的快慢；延迟性为从开始运动到达到预期的延迟时间；精确度是信号和响应之间瞬时错误。
电网可靠性追求目标不一定是系统性能得分，但更高的性能得分使电网调度能够更准确地预期其响应情况。如果信号指令方向与系统所需相反，准确跟踪信号对系统可靠性并无益处。随着RegD信号增加，系统平均性能亦提高，使得RegD性能较差资源被挤出该市场。2017年调频信号规则调整之后，系统平均性能发生了下降。
图4 系统平均性能得分
第一条红线是效益因子调整，第二条红线是新信号制度。
表2 信号规则调整前后调频性能
市场规则调整的透视
从利用经济手段保证系统可靠性的角度看，PJM这些市场规则调整改善了整体稳定性。首先，2015年12月调整RegD估值系统和覆盖率有效降低了维持ACE所需人为操作的次数（如图5所示）。2017年调整信号系统有效降低了人为操作的必要性，由于不会再下发恶化ACE的信号了。其次，PJM通过引入新信号系统实现了ACE控制能力的提升。如表3所示，每日的ACE均值趋近于0，同时ACE的波动也减低了。这种ACE控制能力的改善表明了RegD资源响应准确性的降低被信号提升作用所抵消。
图5 RegD估值系统和信号系统对降低调度人为干预的影响
表3 信号规则调整对ACE影响
另一方面，这些市场调整损害了储能服务提供商，其随后向FERC提交了两份投诉书以抗议PJM。2017年5月13号储能协会向FERC投诉了PJM，次日美国可再生能源组织和Invenergy储能公司提交了类似的投诉。调低短期效益因子降低了PJM区域内储能运营商的收益。储能运营商经历了市场份额减少和收益降低，导致PJM区域内新增储能投资下降。2015年末调低RegD效益因子之后，提高了市场优化过程中RegD资源的实际价格，导致PJM出清的储能调频服务减少了。如图6所示，2016年RegD资源的总收入下降，降幅达到32%。PJM区域电池资源的收益降低导致新建储能投资降低，降低情况如图7所示。
PJM最初RegD信号设计的目标是5分钟之内实现收敛到能量中性，95%信号所覆盖时间少于15分钟。储能运营商声称其根据该指导进行设计、投资和开发储能项目，实现了储能电量可以覆盖15分钟连续的调频信号。储能协会抱怨在PJM新信号规则下，调度有时给电量受限调频资源下发持续单向信号，有时累计持续1小时。
自从能量中性原则被条件中性取代后，持续长时间的调频信号提高了电池系统内流动的电量。因此，电池运营商应对措施是要么接受更高的系统温度，要么降低市场中的投标容量。过高的系统温度会损害电池寿命，同时使电池制造商的质保协议无效。储能协会抗议书中提到Invenergy电池系统运行温度提高了43%导致预期寿命降低了50%。储能协会抗议书还提到有的电池项目选择降低投标容量25%，直接导致现金流降低了26.75%。
图6 RegD资源收益情况
图7 电网级储能投资情况
2016年储能协会发现了现有信号和估值算法存在不一致的地方。修改后效益因子曲线降低了RegD估值，原因是其运行方向与系统所需相反，但是信号系统调整后RegD的方向不会与系统需求相反了。储能协会指责PJM因为其系统缺陷降低了估值系统，随后系统缺陷修复后依然保持较低估值。
储能协会认为PJM和市场监管者可以实现信号改善和更精确的技术等效曲线。PJM选择先修正信号再逐渐调整技术等效曲线是为了获取新信号性能的实际数据。自从采用新信号之后，PJM提到“决心升级RTS曲线以反映调频资源的实际性能”。通过该办法未来PJM可以通过实证数据提出RegA比RegD的估值，不再依赖于模拟分析。
提高效率的机会
基于PJM的可靠性职责和储能在持续信号下劣势的分析基础上，分开的调频信号系统可以提高系统效率。原因为PJM从频率调高和调低中获取不同的益处。在回应ESA质问调频信号为何更多向下时，PJM解释为实际可靠性需求：调度员倾向于向下的调频信号的原因是由于ACE低于0的系统风险高于ACE高于0。这种不对称导致信号设定更多是向下而不是向上。实际运行过程中PJM采用不同方法解决正负ACE的问题：PJM使用同步备用协助解决系统干扰时低ACE的问题，而调频是高ACE的第一道防线。
加州系统运营商（CAISO）所采用的分开调节信号机制是有益的。基于这种制度PJM调度者会拥有更多控制间隔，进而实现价格更好地反映实际系统情况。CAISO的频率调高和调低价格是不同的。储能运营商可以根据储能荷电状态选择参与频率调高还是频率调低服务。这样也消除了信号设计时坚持能量中性原则的必要性。最后需要继续执行提高系统效率的高级任务指令，因为技术等效曲线可以更好获取RegD信号的真实价值。
结论
储能调频服务具有良好的精确性，但持续时间有限。近期PJM调整调频规则是电力系统中精确性和持续性平衡的结果。调整后的市场规则能够刺激各方在储能开发和投资过程中更重视电量而不是功率。在条件中性新版RegD信号规则下，储能能够吸收或释放更多能量将会获得更高的性能得分。2016年PJM的性能合规经理Eric Hsia解释：“PJM中电池储能的未来取决于技术进步。如果电池储能放电时间长于1小时，其想参与何种服务都可以”。然而，为了这些市场刺激能够更有效，PJM需要调整估值系统以更好实现新信号规则的价值。
与此同时，正在进行的FERC投诉程序和PJM长期提议批准程序两者共同提高了储能参与PJM调频市场的不确定性。FERC在“储能参与区域输电组织和独立系统运营商”方面公共规则制定通知。该通知有助于理顺市场规则和实现储能技术潜力的最大化，包括更好实现批发市场收益和其他收益相集合。储能开发商已经开始获取除调频之外的多样化收益了，例如分布式或客户侧储能为业主提供服务。
长期来看，当可再生能源比例更高时，储能参与调频服务将会发挥更大的作用。国家可再生能源实验室和PJM等长期可再生能源发展研究均表明，可再生能源增长会提高调频需求。国家可再生能源实验室研究表明PJM风电和光伏等波动性发电达到30%时，调频需求量将增加107%。PJM研究也表明波动性发电达到30%时，调频需求会增加80%-127%，具体数据取决于不同电源比例。尽管近期调整调频市场规则降低了储能运营商的收益，但是在未来其有助于提高电力系统效率和接入更多可再生能源。
原标题：PJM储能调频服务市场探索：透视PJM储能细分市场从开始到饱和的过程
作者：Thomas Lee
Kleinman Center for Energy Policy
