[论文解读] A Comparison of Policies on the Participation of Storage in U.S. Frequency Regulation Markets

Bolun Xu, Yury Dvorkin+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2016

Smart Grid Energy Management参考文献 4被引用 27

一句话总结

本文比较了影响美国储能系统（ESS）的频率调节市场政策，评估了按绩效付费、快速调节和能量补偿机制。研究发现，PJM的市场设计在提高ESS的调节效率和盈利能力方面表现更优，而能量与调节服务的联合优化可降低整体辅助服务成本，使ESS在现代市场规则下更具可行性和经济吸引力。

ABSTRACT

Because energy storage systems have better ramping characteristics than traditional generators, their participation in frequency regulation should facilitate the balancing of load and generation. However, they cannot sustain their output indefinitely. System operators have therefore implemented new frequency regulation policies to take advantage of the fast ramps that energy storage systems can deliver while alleviating the problems associated with their limited energy capacity. This paper contrasts several U.S. policies that directly affect the participation of energy storage systems in frequency regulation and compares the revenues that the owners of such systems might achieve under each policy.

研究动机与目标

• 分析不同美国区域输电组织（RTO）和独立系统运营商（ISO）的政策如何影响储能系统（ESS）在频率调节市场中的参与度和收入潜力。
• 评估按绩效付费、快速调节和能量补偿机制对ESS盈利能力和系统效率的影响。
• 比较不同美国调节市场中ESS的经济与运行表现，重点关注成本、容量需求和收入生成。
• 评估能量与调节服务联合优化对长时调节服务中ESS可行性与盈利能力的影响。
• 识别可提升ESS参与度、同时保持系统可靠性并最小化辅助服务成本的市场设计特征。

提出的方法

• 分析五大美国ISO/RTO（CAISO、PJM、ISO-NE、MISO和NYISO）的监管政策，重点关注按绩效付费、快速调节和能量补偿机制。
• 利用2014年6月至2015年5月的市场数据，比较日前市场（DAM）和实时市场（RTM）的调节价格、里程支付和性能系数。
• 采用基于信号跟踪精度和延迟的性能系数模型，其中PJM使用更复杂的指标，涉及相关性和准确性。
• 评估调节容量需求和能量补偿规则，包括每兆瓦调节所需的最小能量容量（例如，CAISO为0.25 MWh/MW，PJM的RegD也为0.25 MWh/MW）。
• 比较联合优化方法：CAISO对能量和辅助服务进行联合优化，而PJM采用更复杂的多类别联合优化，导致成本上升。
• 量化每兆瓦时负荷的调节成本，并使用公开数据源的历史出清价格比较各市场的总辅助服务成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 按绩效付费政策如何影响美国频率调节市场中储能系统（ESS）的收入和竞争力？
• RQ2 快速调节政策对PJM等市场中ESS参与度和系统效率有何影响？
• RQ3 能量补偿机制（如最低能量容量要求）如何影响ESS提供持续调节服务的能力？
• RQ4 在每兆瓦时负荷的调节成本和总辅助服务成本方面，不同市场设计的相对成本效率如何？
• RQ5 能量与调节服务的联合优化如何影响ESS的盈利能力与整体市场效率？

主要发现

• PJM的市场设计，包括按绩效付费和快速调节，使调节成本约为2美元/兆瓦时，高于CAISO的0.3美元/兆瓦时，原因在于其涉及多个辅助服务类别的更复杂联合优化过程。
• 尽管调节容量需求更高，CAISO对能量和辅助服务的联合优化使总辅助服务成本（0.3美元/兆瓦时）低于PJM（2美元/兆瓦时）。
• PJM中按绩效付费与快速调节的结合，使市场的调节采购需求减少了30%，显著提升了系统效率。
• CAISO中储能系统每兆瓦调节所需的最小能量容量为0.25兆瓦时，PJM的RegD也要求0.25兆瓦时/兆瓦，表明能量补偿规则相似。
• 在MISO和NYISO等市场中，里程出清价格接近零，表明对最终调节价格影响极小，暗示对高里程表现的财务激励有限。
• ISO-NE的能源中性调节政策和ATRR机制使调节容量需求较低（30–130兆瓦）且成本较低（3000万美元），相比其他市场更有利于ESS。