崔楷舜，朱蘭，魏琳琳，田澤清，李孝均

（1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.國(guó)家電網(wǎng)公司華東分部，上海 200120）

需求響應(yīng)（demand response，DR）指在用電高峰時(shí)期或者系統(tǒng)可靠性存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，電力用戶根據(jù)價(jià)格信號(hào)或系統(tǒng)指令調(diào)整某時(shí)段用電負(fù)荷[1]。DR可以在無需投資新的發(fā)電資源且不造成額外環(huán)境污染的情況下滿足供需平衡，在協(xié)助電力系統(tǒng)保持網(wǎng)荷平衡方面具有很大的潛力。此外，DR可以參與調(diào)峰、備用和調(diào)頻等輔助服務(wù)，具有提高系統(tǒng)可靠性、促進(jìn)新能源消納、保持機(jī)組高效運(yùn)行、提高能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、推動(dòng)節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn)[2]。其對(duì)電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型及2060年碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有一定的推動(dòng)作用。

2017年，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等六部委聯(lián)合發(fā)布了《電力需求側(cè)管理辦法（修訂版）》，文件要求推進(jìn)電力體制改革，推動(dòng)需求側(cè)資源參與電力市場(chǎng)，逐步形成占年最大負(fù)荷3%左右的需求側(cè)機(jī)動(dòng)調(diào)峰能力[3]。當(dāng)前我國(guó)DR項(xiàng)目中，對(duì)于補(bǔ)貼方式、資金來源等一系列問題缺乏頂層設(shè)計(jì)，補(bǔ)貼價(jià)格不能充分反映需求側(cè)資源的實(shí)際價(jià)值。因此，在我國(guó)進(jìn)行新一輪電力市場(chǎng)化改革的過程中，如何建立合理有效的機(jī)制開展DR工作是至關(guān)重要的問題。

隨著中國(guó)電力體制改革的推進(jìn)，電力市場(chǎng)中發(fā)、輸、配、售等環(huán)節(jié)逐步開放，有必要探討DR參與市場(chǎng)的實(shí)施機(jī)制。文章以美國(guó)為例，選取部分電力市場(chǎng)中的DR項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)介紹，對(duì)市場(chǎng)環(huán)境下DR的發(fā)展歷程、實(shí)施現(xiàn)狀及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和分析，并針對(duì)DR參與我國(guó)電力市場(chǎng)提供建議。

1 需求響應(yīng)參與美國(guó)電力市場(chǎng)現(xiàn)狀

1.1 美國(guó)需求響應(yīng)的發(fā)展

美國(guó)早在20世紀(jì)70年代建立需求側(cè)管理機(jī)制，2001年加州電力危機(jī)后，在其原有的電力市場(chǎng)模式上建立了DR市場(chǎng)機(jī)制[4]，部分地區(qū)的DR市場(chǎng)運(yùn)作已經(jīng)發(fā)展得較為成熟。目前，美國(guó)ERCOT，PJM和ISO-NE等7個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商/區(qū)域輸電組織（independent system operator/regional transmission organization，ISO/RTO）都已建立了市場(chǎng)模式的DR項(xiàng)目[5]。

近年來美國(guó)7個(gè)電力市場(chǎng)中DR資源參與量如圖1所示[6-11]，其中DR資源參與量為美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（Federal Energy Regulatory Commission，F(xiàn)ERC）估計(jì)的DR資源可調(diào)度容量，這部分資源已在ISO/RTO中登記注冊(cè)，但并非市場(chǎng)中實(shí)際的部署和調(diào)度容量。

圖1 美國(guó)電力市場(chǎng)中DR資源參與往況Fig.1 DR participation in the US electricity market

DR資源參與總量占美國(guó)所有地區(qū)電力市場(chǎng)總高峰負(fù)荷的比例在6%～7%左右波動(dòng)，在不同地區(qū)由于市場(chǎng)規(guī)則的變化等一些原因每年的參與量存在小范圍的波動(dòng)。部分地區(qū)DR資源參與量較多，占地區(qū)高峰負(fù)荷比例較高，以2019年為例，MISO中DR參與容量達(dá)到13 612 MW，占MISO高峰負(fù)荷的11.3%；PJM中DR資源達(dá)到10 185 MW，占其高峰負(fù)荷的6.9%。

1.2 市場(chǎng)體制中需求響應(yīng)項(xiàng)目的參與方職責(zé)

依托美國(guó)原有的市場(chǎng)體制，DR的中間機(jī)構(gòu)、市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商、州監(jiān)管機(jī)構(gòu)和聯(lián)邦監(jiān)管機(jī)構(gòu)在DR實(shí)施的各個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)揮了不同的職能。中間機(jī)構(gòu)為代理用戶參與市場(chǎng)的負(fù)荷服務(wù)商（load service entity，LSE）、負(fù)荷聚集商（load aggregator，LA）及配電公司。此外，電力零售公司會(huì)有一定的激勵(lì)去實(shí)行DR項(xiàng)目來管理其電量波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)和電價(jià)波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)[12]。市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)為DR參與市場(chǎng)提供平臺(tái)，并保證其在市場(chǎng)中與其他資源平等競(jìng)價(jià)。州監(jiān)管機(jī)構(gòu)和聯(lián)邦監(jiān)管機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)在不同行政層級(jí)推動(dòng)DR的發(fā)展，各參與方具體職責(zé)如表1所示。

表1 美國(guó)市場(chǎng)體制下DR各參與方職責(zé)Tab.1 Responsibilities of each participant in DR under the US market system

2 需求響應(yīng)參與容量市場(chǎng)

在美國(guó)電力批發(fā)市場(chǎng)中，每個(gè)電力供應(yīng)商都必須向獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商證明其能夠滿足高峰負(fù)荷附加一定裕量下的發(fā)電容量。各ISO/RTO采用不同的機(jī)制激勵(lì)發(fā)電資源建設(shè)：ERCOT通過電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的電價(jià)激勵(lì)容量投資，容量資源緊張?jiān)斐傻默F(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格上漲會(huì)激勵(lì)對(duì)發(fā)電資源的投資；MISO，CAISO和SPP采用容量資源充足率的標(biāo)準(zhǔn)來保證發(fā)電資源的充足性；PJM，NYISO和ISO-NE采用容量市場(chǎng)的模式保障發(fā)電容量充裕度，激勵(lì)對(duì)發(fā)電資源的投資[18]。

在容量市場(chǎng)模式中ISO/RTO對(duì)其未來的發(fā)電容量需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，在遠(yuǎn)期市場(chǎng)中出清的容量資源提供方獲得容量支付后，進(jìn)行發(fā)電資源投資，以達(dá)到約定的容量義務(wù)，如未滿足約定值，會(huì)受到嚴(yán)厲的處罰。DR在滿足容量資源充足性方面發(fā)揮了較大的作用。下文以PJM和ISO-NE容量市場(chǎng)中DR項(xiàng)目為例進(jìn)行介紹。

2.1 需求響應(yīng)參與PJM容量市場(chǎng)

PJM電力聯(lián)營(yíng)體在1927年建立，1997年開始在PJM市場(chǎng)中實(shí)施DR項(xiàng)目，1999年P(guān)JM建立了容量信用市場(chǎng)。容量信用市場(chǎng)包含月度市場(chǎng)和日前市場(chǎng)，市場(chǎng)中容量供應(yīng)商自愿參與市場(chǎng)，并且可以在市場(chǎng)之外以雙邊交易的形式對(duì)容量信用進(jìn)行買賣[19]。在容量信用市場(chǎng)時(shí)期，DR資源參與容量信用市場(chǎng)的動(dòng)機(jī)較小，較低的容量?jī)r(jià)格表明容量資源的價(jià)值很小，沒有對(duì)DR資源的參與產(chǎn)生激勵(lì)效果。不同年份市場(chǎng)平均價(jià)格及DR參與容量如表2所示。

表2 PJM容量信用市場(chǎng)歷史平均價(jià)格及DR參與容量Tab.2 PJM capacity credit market historical average price and DR participation capacity

2007年P(guān)JM電力市場(chǎng)期貨容量市場(chǎng)可靠性定價(jià)模型（reliability pricing model，RPM）形成[20]，允許DR資源參與市場(chǎng)拍賣。在RPM市場(chǎng)中，削減服務(wù)提供商申報(bào)可削減負(fù)荷容量與價(jià)格參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)，中標(biāo)后將獲得出清價(jià)格乘以中標(biāo)容量的補(bǔ)償[21]。收到容量市場(chǎng)的拍賣補(bǔ)償后，削減服務(wù)提供商需要在3 a內(nèi)與用戶簽署DR協(xié)議，并于規(guī)定的容量交付年（PJM將每年的6月1日至次年的5月31日定義為一個(gè)容量交付年）部署。RPM容量市場(chǎng)中向市場(chǎng)參與主體支付的容量費(fèi)按用戶年峰荷水平分?jǐn)偨o用戶[22]。

在RPM容量市場(chǎng)下，PJM將整個(gè)輸電地區(qū)分為若干個(gè)子區(qū)域，這些子區(qū)域稱作容量傳輸子區(qū)域（locational deliverability area，LDA）。在拍賣中PJM為每個(gè)LDA確定需求曲線和滿足可靠性要求的容量水平。根據(jù)不同地區(qū)容量資源的分布，引入位置容量?jī)r(jià)格大大提高了容量市場(chǎng)的效率。容量?jī)r(jià)格直接反映了地區(qū)容量資源的充裕程度，在容量?jī)r(jià)格較高的地區(qū)，容量資源需求較大，可以吸引更多的DR資源參與，從而擴(kuò)大供應(yīng)，緩解資源緊張，降低容量市場(chǎng)價(jià)格。其次，市場(chǎng)規(guī)則定義了需求響應(yīng)資源與發(fā)電資源的平等性，這一政策促進(jìn)了各類資源的公平競(jìng)爭(zhēng)，提高了資源利用率。

容量市場(chǎng)中容量的價(jià)值比較透明，DR資源參與的增長(zhǎng)是由容量?jī)r(jià)值的增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)的。RPM市場(chǎng)各交付年容量傳輸子區(qū)域歷史平均價(jià)格如圖2所示。通過對(duì)比表2和圖2可知，PJM容量市場(chǎng)的容量?jī)r(jià)格從實(shí)施容量信用市場(chǎng)時(shí)期的最低5.73美元上升到RPM容量市場(chǎng)中的最大超過200美元，最大增幅達(dá)到40倍，容量?jī)r(jià)格的增加極大地促進(jìn)了市場(chǎng)中DR資源的參與。

圖2 RPM市場(chǎng)各交付年宮量傳輸子區(qū)域歷史平均價(jià)格Fig.2 Historical average price of different locational deliver ability area in the capacity market

PJM容量市場(chǎng)中不同DR項(xiàng)目可響應(yīng)中斷次數(shù)、響應(yīng)時(shí)間、最大可中斷時(shí)間等方面存在差異，詳見表3。圖3顯示了不同交付年各類DR項(xiàng)目的參與情況[23]。實(shí)施RPM的前5 a為DR參與的高速增長(zhǎng)期，參與容量增長(zhǎng)超過6倍，容量從2006/2007交付年的1 655 MW增至2011/2012交付年拍賣的11 000 MW，年平均增長(zhǎng)率約為46%。2011/2012交付年后至2021/2022交付年，RPM容量市場(chǎng)中的DR資源參與量無明顯增長(zhǎng)，其占RPM容量市場(chǎng)的比例在4%～6%之間波動(dòng)。

表3 PJM容量市場(chǎng)中的DR項(xiàng)目Tab.3 DR projects in the PJM capacity market

圖3 PJM宮量市場(chǎng)各交付年DR參與往況Fig.3 PJM capacity market DR participation in each delivery year

2.2 需求響應(yīng)參與ISO-NE容量市場(chǎng)

2010年DR資源開始參與ISO-NE容量市場(chǎng)，ISO-NE容量市場(chǎng)中實(shí)施的DR項(xiàng)目與PJM有所不同，分為實(shí)時(shí)需求響應(yīng)項(xiàng)目（DR-real time，DRRT）、緊急發(fā)電項(xiàng)目（DR-emergency generation，DREG）。參與DRRT的DR資源可以在全年進(jìn)行調(diào)用；DREG項(xiàng)目的調(diào)用時(shí)間規(guī)定在工作日的7∶00—19∶00。ISO-NE容量市場(chǎng)中DR項(xiàng)目要求負(fù)荷在收到削減指令后必須在30 min內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)，對(duì)調(diào)用次數(shù)和中斷時(shí)間上沒有約束。各交付年DR資源參與容量及市場(chǎng)占比如圖4所示。

圖4 ISO-NE宮量市場(chǎng)各交付年DR資源參與往況Fig.4 Participation of DR resources in each delivery year of ISO-NE capacity market

2010/2011交付年至2015/2016交付年ISONE容量市場(chǎng)中的DR總量增加了26%，達(dá)到1 958 MW，之后市場(chǎng)中的DR資源總量逐年下降，DR參與占比由2015/2016交付年之前的4%～5%下降到2019/2020交付年的約1%。DR資源參與下降的原因?yàn)橐徊糠质袌?chǎng)規(guī)則的變化[24]，2016/2017交付年開始對(duì)許多市場(chǎng)規(guī)則進(jìn)行了修改，例如取消了容量拍賣底價(jià)，降低了DR資源的參與意愿；其次，容量?jī)r(jià)格的不確定性以及市場(chǎng)實(shí)行的按績(jī)效付費(fèi)設(shè)計(jì)下的重大罰款風(fēng)險(xiǎn)也導(dǎo)致了DR資源參與下降。2016/2017交付年參與ISO-NE容量市場(chǎng)中的DR資源總量對(duì)比前一交付年同比下降40%，至2019/2020交付年下降到不足400 MW。

PJM和ISO-NE案例顯示DR資源參與規(guī)模受市場(chǎng)規(guī)則設(shè)計(jì)和市場(chǎng)價(jià)格的影響。ISO/RTO市場(chǎng)運(yùn)行規(guī)則較為復(fù)雜，不同地區(qū)市場(chǎng)的市場(chǎng)規(guī)則設(shè)計(jì)和DR實(shí)施項(xiàng)目存在差異，DR參與容量市場(chǎng)的方案需根據(jù)地區(qū)市場(chǎng)特點(diǎn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 需求響應(yīng)參與能量市場(chǎng)

能量市場(chǎng)中的DR項(xiàng)目也被稱為經(jīng)濟(jì)DR項(xiàng)目，分為日前經(jīng)濟(jì)DR項(xiàng)目和實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)DR項(xiàng)目?jī)煞N，下文以日前項(xiàng)目和實(shí)時(shí)項(xiàng)目代稱。經(jīng)濟(jì)DR項(xiàng)目使用戶可以規(guī)避現(xiàn)貨市場(chǎng)較高的能源價(jià)格，對(duì)于市場(chǎng)來說可以對(duì)電價(jià)產(chǎn)生一定的下行壓力。

近年來DR在美國(guó)各地區(qū)能量市場(chǎng)中的參與程度較低。ERCOT，ISO-NE和NYISO電力市場(chǎng)近年來均沒有經(jīng)濟(jì)DR項(xiàng)目實(shí)施[25]。其他電力市場(chǎng)中經(jīng)濟(jì)DR項(xiàng)目存在削減電量較少、用戶參與程度較低等情況。圖5為2006年—2011年DR資源在PJM市場(chǎng)中獲得的歷年收益金額[26]。自2011年后DR資源在PJM能量市場(chǎng)中的年度收益均不足200萬美元。

圖5 2006年—2011年P(guān)JM能量市場(chǎng)中DR資源月收益Fig.5 Monthly income of DR resources in PJM energy market from 2006 to 2011

通過對(duì)PJM公開數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其經(jīng)濟(jì)DR項(xiàng)目具有以下特點(diǎn)：

1）經(jīng)濟(jì)需求相應(yīng)項(xiàng)目的削減情況與市場(chǎng)中電能價(jià)格具有較高的相關(guān)性。較高的能源價(jià)格會(huì)激勵(lì)用戶進(jìn)行響應(yīng)。2008年以前PJM能源價(jià)格上漲，且PJM在電價(jià)超過＄75/（MW·h）時(shí)，對(duì)經(jīng)濟(jì)DR項(xiàng)目有額外的激勵(lì)性補(bǔ)貼。2008年金融危機(jī)后PJM電能價(jià)格下跌并且取消了激勵(lì)性補(bǔ)貼，當(dāng)年夏季后DR在能源市場(chǎng)獲得的收入急劇下降。此外每年DR出清量根據(jù)電能價(jià)格的不同，月度差異較大。以2018年為例，實(shí)時(shí)能量市場(chǎng)中9月份的出清電量最高達(dá)到9 371 MW·h，占全年出清量的23.8%，12月出清電量161 MW·h，僅占全年的0.4%，7月—9月總計(jì)出清量占全年出清量比例達(dá)到47.89%。

2）日前項(xiàng)目和實(shí)時(shí)項(xiàng)目響應(yīng)率差異較大。2018年P(guān)JM全年實(shí)時(shí)項(xiàng)目出清后響應(yīng)率為85%，日前項(xiàng)目出清響應(yīng)率95%[26]，日前項(xiàng)目響應(yīng)率較高。實(shí)時(shí)項(xiàng)目響應(yīng)率最低的月份發(fā)生在10月，響應(yīng)率僅為46%。造成此差異的原因一方面為日前項(xiàng)目有較長(zhǎng)的時(shí)間安排響應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)施；另一方面PJM規(guī)定日前項(xiàng)目為強(qiáng)制性項(xiàng)目，違反出清結(jié)果會(huì)受到罰款，實(shí)時(shí)項(xiàng)目中違反出清結(jié)果不會(huì)受到PJM的懲罰[27]。

4 需求響應(yīng)參與輔助服務(wù)市場(chǎng)

輔助服務(wù)通常定義為除了電能以外為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行及電能質(zhì)量所需的服務(wù)。文獻(xiàn)[3]介紹了DR參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)，指出中國(guó)發(fā)展輔助服務(wù)市場(chǎng)所面對(duì)的問題。隨著DR的相關(guān)量測(cè)、控制和通信技術(shù)的發(fā)展，DR逐步具備了提供輔助服務(wù)所需的快速響應(yīng)能力。美國(guó)ERCOT，MISO，PJM和NYISO市場(chǎng)引入DR資源提供輔助服務(wù)，此外，ISO-NE和CAISO開展了一些試點(diǎn)項(xiàng)目。其中，PJM的輔助服務(wù)市場(chǎng)發(fā)展較為成熟，ERCOT地區(qū)的DR項(xiàng)目在解決風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生的調(diào)頻難題中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。下文以PJM和ERCOT為例，對(duì)DR資源參與輔助服務(wù)市場(chǎng)進(jìn)行介紹。

4.1 需求響應(yīng)參與PJM輔助服務(wù)市場(chǎng)

DR資源參與PJM調(diào)頻市場(chǎng)需要具有實(shí)時(shí)遙測(cè)和通信能力，能夠接收自動(dòng)發(fā)電控制信號(hào)，至少具有100 kW的出力調(diào)節(jié)能力并能在5 min內(nèi)響應(yīng)系統(tǒng)指令，占市場(chǎng)比例不高于25%。2020年P(guān)JM調(diào)頻市場(chǎng)中87%的DR資源由熱水器提供，另外10%由電池負(fù)荷提供，二者占比達(dá)到97%，如圖6所示[28]。參與調(diào)頻市場(chǎng)的DR必須能夠根據(jù)頻率的變化調(diào)節(jié)負(fù)荷功率，要求其具有連續(xù)的功率上下調(diào)節(jié)能力，可以追蹤頻率的變化，而大部分工業(yè)用戶無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)的負(fù)荷增減，故其無法參與調(diào)頻市場(chǎng)。

圖6 2020年P(guān)JM調(diào)頻市場(chǎng)DR削減負(fù)荷方庿及占比Fig.6 Proportion of DR load reduction methods in the PJM regulation market in 2020

DR資源參與PJM同步備用市場(chǎng)要求以不低于1 min的采樣頻率提供響應(yīng)數(shù)據(jù)，至少500 kW的削減能力，能夠在10 min內(nèi)響應(yīng)指令，占市場(chǎng)比例小于33%。2020年全年DR資源參與PJM同步備用市場(chǎng)每小時(shí)內(nèi)占比最高達(dá)到21.4%，月平均值在1.9%和9.6%之間，大部分響應(yīng)由工業(yè)用戶提供，參與市場(chǎng)的DR資源組成如圖7所示[28]。研究表明，DR資源在同步備用市場(chǎng)中的占比與市場(chǎng)清算價(jià)格呈負(fù)相關(guān)，DR資源占比越高，市場(chǎng)清算價(jià)格越低[27]。DR對(duì)PJM同步備用市場(chǎng)貢獻(xiàn)顯著，DR資源參與同步備用市場(chǎng)不僅成本相對(duì)發(fā)電側(cè)低，而且能降低整個(gè)市場(chǎng)的同步備用價(jià)格，減少系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的輔助服務(wù)成本。

圖7 2020年P(guān)JM同步備用市場(chǎng)DR削減負(fù)荷方庿及占比Fig.7 Proportion of DR load reduction methods in the PJM synchronous standby market in 2020

4.2 需求響應(yīng)參與ERCOT輔助服務(wù)市場(chǎng)

ERCOT是美國(guó)的三大電網(wǎng)之一，具有自己獨(dú)特的能源組合。由于ERCOT與外界相連的直流輸電線容量相對(duì)較小，可近似認(rèn)為是一個(gè)孤島，在發(fā)生故障時(shí)幾乎沒有外界支撐，必須依靠本地資源來實(shí)現(xiàn)電力的平衡[29]。ERCOT的新能源占比較高，2019年新能源滲透率最高發(fā)生在1月19日下午3∶10，達(dá)到了56.16%，且該數(shù)據(jù)考慮了棄風(fēng)的情況，若不考慮棄風(fēng)新能源滲透率可以達(dá)到60%。

ERCOT市場(chǎng)中的DR參與輔助服務(wù)市場(chǎng)協(xié)助電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，其主要參與市場(chǎng)中響應(yīng)式儲(chǔ)備服務(wù)（responsive reserve service，RRS），另外還有較少的緊急可中斷負(fù)荷項(xiàng)目[30]可在二級(jí)能源緊急警報(bào)期間調(diào)用，以減少負(fù)荷幫助恢復(fù)ERCOT系統(tǒng)頻率。RRS用于維持ERCOT系統(tǒng)頻率，由發(fā)電資源和DR資源提供，要求參與方在收到ERCOT指令后10 min內(nèi)響應(yīng)削減負(fù)荷，并裝配低頻繼電器（under frequency relays，UFR）。表4總結(jié)了DR參與ERCOT輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)則的變化歷程。

表4 DR資源參與ERCOT市場(chǎng)規(guī)則Tab.4 The ERCOT market rules of DR

由于ERCOT地區(qū)的風(fēng)電占比較高，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較低，而擾動(dòng)事件發(fā)生后頻率的變化率是系統(tǒng)慣量的函數(shù)，在發(fā)生機(jī)組跳閘或風(fēng)力發(fā)電功率快速下降時(shí)系統(tǒng)的頻率下降較快。提供RRS的DR資源裝有低頻繼電器。當(dāng)頻率降至觸發(fā)閾值（59.7 Hz）以下后，繼電器會(huì)在約0.5 s內(nèi)做出響應(yīng)削減負(fù)荷。

發(fā)生大容量機(jī)組跳閘等極端事件時(shí)，ERCOT電網(wǎng)頻率的快速下降將造成常規(guī)調(diào)頻資源來不及動(dòng)作，對(duì)比一次調(diào)頻的反應(yīng)時(shí)間為1～3 s，DR資源參與調(diào)頻具有響應(yīng)速度方面的優(yōu)勢(shì)。在頻率下降之后只需要0.5 s的時(shí)間即可切除大量的負(fù)荷，為系統(tǒng)提供頻率支撐并為其他調(diào)頻資源提供響應(yīng)時(shí)間。

2017年ERCOT地區(qū)共注冊(cè)有351個(gè)UFR型DR資源參與RRS，總?cè)萘窟_(dá)到4 715 MW，但這些DR資源并非每天都會(huì)參與RRS市場(chǎng)出清[31]。以2017年為例，ERCOT每天RRS需求量在2 300 MW至2 808 MW之間變化，其中夏季RRS需求量較低，冬季RRS需求量較高。RRS需求量與系統(tǒng)的慣量水平有關(guān)，隨著慣量水平接近臨界慣量，RRS的需求量將成倍增加。臨界慣量也稱為最小慣量水平，ERCOT以參與RRS的需求響應(yīng)資源最快響應(yīng)時(shí)間作為其最小慣量計(jì)算依據(jù)，在響應(yīng)時(shí)間0.5 s以內(nèi)要求系統(tǒng)頻率不能下降到低頻減載閾值59.3 Hz，此時(shí)的最大頻率變化率為

在規(guī)定的最大頻率變化率下，可以求得系統(tǒng)的最小慣量為

式中：SIRmin為系統(tǒng)的臨界慣量；ΔPMW為極端情況下事故中損失的功率；S為兩座南得克薩斯核電站跳閘之后損失的功率，2 750 MW；SIRRCC為在事故中失去的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；H為機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)。

計(jì)算表明ERCOT理論臨界慣量水平為105 GW·s，實(shí)際運(yùn)行按照120 GW·s掌握。在此慣量水平下DR資源有足夠的時(shí)間在頻率降低到電網(wǎng)低頻減載頻率（59.3 Hz）之前做出響應(yīng)。圖8為ERCOT地區(qū)RRS需求量與系統(tǒng)慣量之間的關(guān)系。可見隨著系統(tǒng)慣量的減小，ERCOT電網(wǎng)所需的RRS需求量不斷增加，并且DR資源參與RRS能夠大幅降低系統(tǒng)在低慣量下的RRS需求。

圖8 DR參與前后不同慣量水平下ERCOT地區(qū)RRS需求Fig.8 RRS requirements of different inertial levels in ERCOT area before and after DR participation

為了維持臨界慣量，需要開啟足夠數(shù)量的傳統(tǒng)機(jī)組。但隨著新能源滲透率的不斷提高，只能通過部署響應(yīng)速度更快、響應(yīng)時(shí)間更早的調(diào)頻資源來降低系統(tǒng)的臨界慣量水平。對(duì)此ERCOT建立了一個(gè)快速調(diào)頻市場(chǎng)，主要由DR資源和儲(chǔ)能來提供快速頻率響應(yīng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。DR資源參與調(diào)頻對(duì)大規(guī)模新能源并網(wǎng)下電網(wǎng)頻率穩(wěn)定起到了重要作用。

5 需求響應(yīng)項(xiàng)目的市場(chǎng)價(jià)值

DR資源參與電力市場(chǎng)可以獲得極高的收益。以PJM為例，DR參與PJM市場(chǎng)歷年收益如圖9所示[29]，表5以2018年為例對(duì)比了PJM不同市場(chǎng)中DR收益情況。

圖9 DR資源在PJM電力市場(chǎng)中歷年收益Fig.9 Income of DR resources in PJM power market over the years

表5 2018年P(guān)JM不同市場(chǎng)中DR收益對(duì)比Tab.5 Comparison of DR revenue in different markets of PJM in 2018

表5中，容量市場(chǎng)項(xiàng)目收益占總收益的比例極高，達(dá)98.78%，原因在于DR參與PJM容量市場(chǎng)較其他市場(chǎng)的單位收益較高，能夠提前3 a獲得容量費(fèi)用支付，資源參與門檻低于能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)，用戶參與意愿較高。能量市場(chǎng)中需求側(cè)資源的參與門檻較高，用戶需要接收批發(fā)市場(chǎng)的價(jià)格信號(hào)，市場(chǎng)中基于響應(yīng)電量的補(bǔ)償方式也造成資源參與的收益較低，DR參與量呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)。PJM輔助服務(wù)市場(chǎng)對(duì)DR的參與上限進(jìn)行了嚴(yán)格限制，并且資源參與輔助服務(wù)對(duì)其響應(yīng)速度、響應(yīng)率等指標(biāo)有著較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，故其DR資源參與量也較低，但其總收益仍高于能量市場(chǎng)。輔助服務(wù)市場(chǎng)中的DR資源收益雖然較低，但與發(fā)電資源相比較，DR資源提供輔助服務(wù)存在價(jià)格較低的優(yōu)勢(shì)，節(jié)省了系統(tǒng)的輔助服務(wù)成本和發(fā)電資源浪費(fèi)。其次，DR資源參與輔助服務(wù)具有靈活性和響應(yīng)速度的優(yōu)勢(shì)，在高比例可再生能源接入的情況可以提供快速響應(yīng)的輔助服務(wù)，在ERCOT地區(qū)的慣量頻率支撐方面發(fā)揮了巨大的作用，提高了新能源并網(wǎng)滲透率，維持系統(tǒng)安全可靠。

6 需求響應(yīng)參與電力市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)的啟示

6.1 加快電力市場(chǎng)建設(shè)，發(fā)揮市場(chǎng)在資源配置中的優(yōu)勢(shì)地位

當(dāng)前國(guó)內(nèi)DR試點(diǎn)環(huán)節(jié)中，部分地區(qū)補(bǔ)貼成本較高，并且電力公司、地方政府等部門在某些試點(diǎn)項(xiàng)目中存在交叉補(bǔ)貼的現(xiàn)象。過高的補(bǔ)貼價(jià)格不可持續(xù)且無法達(dá)到資源配置經(jīng)濟(jì)性的目的。市場(chǎng)機(jī)制為DR提供公開透明的參與標(biāo)準(zhǔn)，保證了DR和發(fā)電資源的平等性（如PJM容量市場(chǎng)中明確規(guī)定DR參與容量市場(chǎng)等同于發(fā)電資源），并且使DR提供方能夠清晰地量化其參與收益，提高了需求側(cè)參與的積極性。建立適當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)規(guī)則可以使DR參與市場(chǎng)的參與方式、集中通訊技術(shù)、響應(yīng)方式、補(bǔ)償規(guī)則、評(píng)估檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)全部按照規(guī)則運(yùn)行。DR資源參與電力市場(chǎng)的價(jià)格由市場(chǎng)的供需水平?jīng)Q定，隨市場(chǎng)出清結(jié)果波動(dòng)，而不是被動(dòng)地接受政府和電力公司的補(bǔ)貼價(jià)格，更易激發(fā)DR資源參與的積極性，DR實(shí)施補(bǔ)貼由市場(chǎng)購(gòu)買方支付，建立DR“誰受益、誰承擔(dān)”的長(zhǎng)效、高效補(bǔ)償機(jī)制。

6.2 探索地區(qū)差異性的需求響應(yīng)實(shí)施方式

美國(guó)各批發(fā)市場(chǎng)DR的參與類型、規(guī)則各不相同，在FERC的監(jiān)管審批下根據(jù)不同的市場(chǎng)特點(diǎn)形成了不同的實(shí)施機(jī)制，對(duì)于DR參與市場(chǎng)的最佳方式?jīng)]有形成明確的結(jié)論。國(guó)內(nèi)在研究DR市場(chǎng)規(guī)則過程中，應(yīng)考慮不同地區(qū)電力市場(chǎng)化程度和電力企業(yè)經(jīng)營(yíng)模式的差異性，針對(duì)不同地區(qū)特點(diǎn)開展差異化的試點(diǎn)。美國(guó)當(dāng)前采取FERC和區(qū)域ISO/RTO兩級(jí)組織形式，ISO/RTO負(fù)責(zé)自由制定在其管轄范圍內(nèi)的DR參與市場(chǎng)的具體規(guī)則細(xì)節(jié)，但須上報(bào)FERC批準(zhǔn)。FERC負(fù)責(zé)制定有關(guān)DR的國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃，每年對(duì)DR的實(shí)施情況進(jìn)行評(píng)估。建議國(guó)內(nèi)在試點(diǎn)過程中可以允許各省、區(qū)域電力市場(chǎng)自行探索建立DR的參與機(jī)制，根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)的特點(diǎn)探索適宜的市場(chǎng)規(guī)則或?qū)嵤┬问?，并設(shè)立全國(guó)性的DR監(jiān)管評(píng)估機(jī)構(gòu)指導(dǎo)其實(shí)施過程。

6.3 建議著重探究需求響應(yīng)在滿足容量充足性方面優(yōu)勢(shì)

PJM的案例顯示容量市場(chǎng)中DR項(xiàng)目的參與量及總收益均遠(yuǎn)高于電能市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)。當(dāng)前我國(guó)部分地區(qū)面臨老舊機(jī)組退役而新建火力發(fā)電存在政策限制的問題，造成局部容量資源供應(yīng)緊張。部分地區(qū)尖峰時(shí)期電力供應(yīng)緊張而機(jī)組平均年利用小時(shí)數(shù)過低，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大影響。以華東地區(qū)為例，2018年華東電網(wǎng)最高負(fù)荷2.81億kW，負(fù)荷高峰時(shí)段電力供需仍為緊平衡態(tài)勢(shì)，局部地區(qū)局部時(shí)段還存在電力缺口，全網(wǎng)95%以上的尖峰負(fù)荷時(shí)段累計(jì)約53 h，97%以上的尖峰負(fù)荷時(shí)段累計(jì)約28 h，火電機(jī)組平均年利用小時(shí)數(shù)不足4 500 h。尖峰電力平衡緊張與全年電量平衡過剩的現(xiàn)狀，體現(xiàn)出華東電網(wǎng)存在較大的DR實(shí)施潛力。根據(jù)《電力需求側(cè)管理辦法（修訂版）》提出的年最大負(fù)荷3%的DR建設(shè)目標(biāo)，華東地區(qū)實(shí)施DR作為容量資源可減少約14 000 MW的發(fā)電資源建設(shè)，以3 000元/kW的火電建設(shè)成本，30 a的機(jī)組設(shè)計(jì)壽命計(jì)算，平均每年減少容量建設(shè)投資可達(dá)14億元，可以帶來巨大的發(fā)電容量投資節(jié)約。

6.4 探索市場(chǎng)過渡時(shí)期需求響應(yīng)在滿足容量充足性方面的實(shí)施機(jī)制

容量市場(chǎng)的建設(shè)在我國(guó)仍處于探索階段，且國(guó)外成熟的電力市場(chǎng)仍有一部分未采用容量市場(chǎng)模式，而是采取中長(zhǎng)期電力合約等機(jī)制。美國(guó)容量市場(chǎng)的運(yùn)作模式是與其電力體制和市場(chǎng)發(fā)展情況相適應(yīng)的，容量市場(chǎng)模式在我國(guó)的引入仍需要進(jìn)行充分的研究。故應(yīng)結(jié)合國(guó)內(nèi)情況和地區(qū)特點(diǎn)探索市場(chǎng)機(jī)制過渡時(shí)期DR在滿足容量充足性方面的實(shí)施機(jī)制。為發(fā)揮DR在滿足容量充足性方面的重要作用，可以在非市場(chǎng)環(huán)境下以合約形式對(duì)DR的響應(yīng)時(shí)段、最大中斷持續(xù)時(shí)間、響應(yīng)中斷次數(shù)以及響應(yīng)失敗懲罰等做出規(guī)定；由容量資源建設(shè)義務(wù)方向DR實(shí)施方提供一次性補(bǔ)貼資金，可采取按年補(bǔ)貼方式，考慮發(fā)電資源建設(shè)的投資金額、使用壽命等因素折算為年容量?jī)r(jià)格并作為價(jià)格上限，以負(fù)荷側(cè)單邊競(jìng)價(jià)等模式確定容量支付價(jià)格，為DR在滿足容量充足性方面探索適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的實(shí)施機(jī)制。

6.5 推動(dòng)需求響應(yīng)參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，分階段開放其參與門檻

構(gòu)建完善的輔助服務(wù)市場(chǎng)是國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)試點(diǎn)建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，需要研究國(guó)外DR參與輔助服務(wù)的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。在輔助服務(wù)市場(chǎng)建立初期，應(yīng)對(duì)DR資源參與輔助服務(wù)市場(chǎng)設(shè)置嚴(yán)格的參與上限。一方面由于DR資源提供輔助服務(wù)成本相對(duì)發(fā)電側(cè)較低，故參與市場(chǎng)過程中的報(bào)價(jià)偏低，大量參與市場(chǎng)時(shí)惡性競(jìng)爭(zhēng)容易造成市場(chǎng)價(jià)格失序。其次，DR資源提供輔助服務(wù)對(duì)于通訊、控制和通訊技術(shù)要求較高，受不同因素的影響存在響應(yīng)失敗的狀況，在市場(chǎng)建立初期為保證系統(tǒng)可靠性，應(yīng)實(shí)施嚴(yán)格的參與資格測(cè)試，控制其參與量。PJM規(guī)定DR參與調(diào)頻市場(chǎng)占比小于25%，參與同步備用市場(chǎng)占比小于33%。ERCOT地區(qū)DR參與響應(yīng)式儲(chǔ)備服務(wù)上限由25%提高到60%經(jīng)歷了16 a的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累。國(guó)內(nèi)在開放DR參與電輔助服務(wù)市場(chǎng)初期可以參考國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)DR的參與設(shè)置一定的限制，在探索中不斷開放市場(chǎng)平臺(tái)。

7 結(jié)論

美國(guó)電力市場(chǎng)中DR資源在提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、降低電力市場(chǎng)價(jià)格等方面發(fā)揮了顯著的作用，市場(chǎng)價(jià)值得到充分體現(xiàn)。我國(guó)現(xiàn)階段DR試點(diǎn)工作逐步開展，實(shí)施DR的技術(shù)瓶頸正在逐步解決。但對(duì)于其資金來源、補(bǔ)貼方式等方面缺乏頂層設(shè)計(jì)，尚未形成市場(chǎng)化的DR實(shí)施機(jī)制。在當(dāng)前電力體制改革的背景下，可總結(jié)現(xiàn)階段美國(guó)等國(guó)家市場(chǎng)化的DR實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)具有中國(guó)特色的DR資源利用機(jī)制。

致謝：感謝杜鵬偉博士在我校學(xué)術(shù)交流時(shí)期提供的幫助。