以美國爲鑑，平抑電網負荷「鴨型曲線」

本文來自格隆匯專欄：國泰君安證券研究，作者：國君環保團隊

導讀

以美國電網爲鑑，新能源帶來的隨機性提升倒逼常規電源日內出力波動加大，呈現出「鴨型曲線」特徵，顯示出消納難題，電改有望加速，鼓勵儲能+靈活性電源模式。

摘要

投資建議

伴隨新能源裝機及發電量佔比提升，電網調節的隨機性快速提升，以山東省為例，日內實時用户側價格已初步出現「鴨型曲線」趨勢，市場化交易機制之下，電價波動也在一定程度上反映了電源側出力波動的情況。我們認為，我國將加速完善電力市場交易機制，鼓勵靈活性電源參與輔助服務市場交易。推薦：1）推薦具備低温煙氣脱硝技術的青達環保、龍淨環保、清新環境。2）靈活性改造設備需求開始凸顯，推薦引入重力儲能技術並已開展示範性項目的中國天楹，鍋爐設備提供商華光環能為受益標的。3）電力現貨市場輔助交易需求將會顯現，受益標的為國能日新。

以美國電網爲鑑：加州電網光伏裝機增加導致日內出力「鴨型曲線」現象，倒逼市場化機制完善。

1）美國形成多個區域性電網系統。加州輸電運營商（CAISO）作為獨立電網，包含日前&實時電力現貨市場、輔助服務市場以及電量平衡交易市場等模式。2）加州設定2045年碳中和目標，計劃實現100%綠色電網。伴隨加州光伏裝機提升，日內負荷「鴨型曲線」現象逐漸明顯，顯示電網調節難度提升。CAISO通過規劃儲能裝機，設立容量市場、電能量及輔助服務市場交易規則，通過電源側調節負荷出力、電網側提供輔助服務、用户側調節等方式平滑出力曲線、保證電網穩定。

國內電力數據：新能源大省電源隨機性提升，日內實時交易數據初顯「鴨型曲線」特徵。

1）我國能源進入低碳轉型期，根據國家能源局，截至2023年第一季度，我國風電、光伏累計裝機規模分別達到3.76、4.25億千瓦，較2020年末分別提升34%、70%。2）以新能源大省山東為例，「十四五」新能源裝機目標達8000萬千瓦以上，佔全省電力裝機比例42%，新能源發電量佔比達19%。3）我們整理山東電力現貨交易日內實時交易用户側價格發現：2023年6月山東省實時用户側價格數據已出現「鴨型曲線」特徵，雖無直接的功率數據，但是電價波動也在一定程度上反映了電源側出力的情況，表明新能源裝機出力的隨機性明顯增加，電網調節壓力加大。

展望未來：平抑「鴨型曲線」需完善市場化電力交易頂層制度設計，鼓勵儲能+靈活性電源發展。

雖然我國電力現貨市場處於試點階段，但是電力輔助服務市場已實現區域、省級覆蓋。調頻輔助服務已進入市場化交易階段，根據調節性能指標決定調頻補償價格。山東、甘肅已探索補償式容量電價，鼓勵靈活性電源以及電網側配儲參與現貨以及輔助服務市場。我們認為，電力保供壓力將倒逼我國電力交易市場機制加速完善，多重政策將進一步鼓勵儲能+靈活性電源參與，實現電力保供+新能源消納平衡。

風險提示：新能源裝機併網進度不及預期、行業政策變化、重力儲能技術尚未通過示範性項目進行商業化驗證的風險。

正文

1. 國內現狀：電源側隨機性增大，保供+消納難度陡增

我國能源開啟低碳轉型，「十四五」風電、光伏等可再生能源進入投產併網期。1）我國能源消費結構由化石能源煤炭為主，向提升非化石能源消費比重低碳轉型。據「十四五」現代能源體系規劃，至2025年，我國非化石能源消費比重目標提升至20%左右，非化石能源發電量比重達到39%左右。2）「十四五」期間，可再生能源進入併網投產期。根據國家能源局，截至2023年第一季度，我國風電、光伏累計裝機規模分別達到3.76、4.25億千瓦，較2020年末分別提升34%、70%。

全國新能源消納監測預警中心評估分析報告表示，第一批大型風電光伏基地項目於2022、2023年陸續併網投產，第二批、第三批基地項目陸續開工，預計第三批大基地項目2024年底前併網。

風光併網增加了電源側隨機性，為保證安全穩定運營，電力源網荷儲互補提升靈活性調節能力的迫切性提升。日內以及季節上，風電、光伏出力與氣象條件相關，呈現波動性、隨機性，與用户側需求曲線存在一定的時滯性。為保證可再生能源利用率、實現可再生能源消納責任，同時滿足電力電量平衡穩定運行，通過源網荷儲一體化互補可提升電源側靈活調節能力，火電靈活性改造結合水電、儲能提供調峰、調頻等輔助服務保障輸配平穩運行。

我們梳理了美國加州應對新能源裝機提升對日內出力曲線影響所採取措施為電源側鼓勵儲能平滑日內出力波動，電網側鼓勵靈活性電源提供輔助服務，用户側通過價格機制引導需求曲線變動，配套電能量、輔助服務以及容量市場機制。我們認為，海外輸電運營商在碳中和目標下的電源、電網、用户側規劃對我國新型電力系統發展趨勢有借鑑意義。

2.放眼海外：美國電改造就多個區域性電網運營共存模式

美國已經歷電力市場改革，由垂直綜合管理改革為區域性輸電運營體系。美國電改前，批發電力市場主要以地方公用事業企業負責電力系統運營，通過垂直綜合管理的方式承擔發電、輸電以及配電。為提升電網運營效率、保障電網運營穩定性，1996年，美國聯邦能源管理委員會（FERC）第888號指令引導電力市場改革，提出獨立運營商（ISO）體系。在此基礎上，1999年，FERC第2000號指令提出地區輸電運營商（RTO）體系，完善區域州際間輸電運營市場化模式。

區域/獨立輸電運營商均為批發電力市場，在設置電力現貨、容量市場以及輔助服務市場規則略有差異，典型代表為加州輸電系統運營商(CAISO)、賓州-新澤西-馬里蘭獨立系統運營商（PJM）以及德州電力可靠性委員會（ERCOT）。

CAISO：包含日前&實時電力現貨市場、輔助服務市場以及電量平衡交易市場等模式。
PJM：作為美國東北地區13個州部分地區批發電力市場主體，承擔輸送和調度的職能。包含日前&實時電力現貨市場、輔助服務市場和容量市場。
ERCOT：通過日前&實時電力現貨市場進行電力以及輔助服務交易，不單獨設立容量市場及輔助服務市場。

加州輸電體系獨立的電能量與容量市場以及具備調頻備用產品，與我國新型電力系統有一定可比性。美國德州與加州共同面臨新能源併網比例提升的背景下，平衡電網穩定運行及電源側經濟性的挑戰。與ERCOT通過電能量市場定價、不單獨設立容量市場相比，CAISO稀缺定價下通過電能量市場與輔助服務市場聯合出清進行結算。因此，在價格上限設置方面，ERCOT電能量&備用價格增量出清價格上限9000美元/MWh，遠高於CAISO、PJM等根據FERC法令設立的電能量稀缺價格報價上限2000美元/MWh。

由於美國德州價格上限與實時市場報價差距過大、並未單獨設立容量市場以及備用種類相對單一，我們認為，CAISO在分別設立電能量及輔助服務市場及調頻備用產品方面與我國新型電力系統有一定的參考性。

3.加州現狀：出力波動呈現「鴨型曲線」，依靠靈活性電源+需求側調節削峰填谷

加州設定2045年碳中和目標，計劃實現100%綠色電網。1）加州目標至2045年實現碳中和，2045年温室氣體排放量相較1990年下降85%。綠色電網方面，分階段提升可再生能源發電量比例，目標至2035年可再生能源發電量佔90%，至2045年可再生能源發電量佔比達100%。2）CASIO根據加州2045碳中和目標，與加州公用事業委員會、加州能源委員會共同設置以2021年為基準的20年輸電運營規劃。2040年，電化學儲能裝機將提升至37GW，集中式光伏裝機提升至53GW。

加州光伏裝機提升，產生日內負荷「鴨型曲線」現象。CAISO將日內總出力負荷與光伏出力負荷之差，即淨負荷，根據日內時間順序繪製淨負荷出力曲線。光伏裝機提升導致日內：①白天為光伏出力峰值，淨負荷為日內低谷；②傍晚以后光伏受日照影響出力下降，淨負荷由於用電需求快速攀升，形成「鴨型曲線」。這樣的「鴨型曲線」體現了加州光伏裝機增加的背景下，電量超發以及光伏消納的挑戰。

「鴨型曲線」日內午時電量超發及保障穩定運行平衡，可通過電源側調節負荷出力、電網側提供輔助服務、用户側調節等方式平滑「鴨型曲線」、保證電網穩定運行。

電源側：午時超發電量通過儲能方式削減「鴨型曲線」的「腹部」，傍晚儲能可響應電量需求攀升，「鴨型曲線」曲線。

電網側：飛輪、電化學儲能以及快速響應爬坡火電等靈活性電源通過快速響應保障電壓、功率穩定。

用户側：需求側採用分時價格等激勵機制可調節日內需求曲線，平滑午時淨負荷低谷。

4.回看山東：電網隨機性波動增大，「鴨型曲線」初顯

山東省「十四五」新能源裝機目標達8000萬千瓦以上，佔全省電力裝機比例42%，新能源發電量佔總發電量比例達19%。山東省作為我國的新能源大省，「十四五」期間進一步較大幅度提升光伏裝機佔比。根據山東省能源發展「十四五」規劃，至2025年，可再生能源裝機規模達到8000萬千瓦以上，其中光伏裝機規模目標達5700萬千瓦，佔可再生能源裝機比例71%，可再生能源發電量達19%。2025年目標可再生能源裝機佔全省電力總裝機的比例由2015年的11.5%提升至42%。

山東省電力現貨市場已開始不間斷結算試運行，中長期以及現貨市場可進行電能量與輔助服務產品交易。山東省作為我國第一批電力現貨試點省市，已於2021年12月開始不間斷結算試運行，目前仍然處於試運行的階段。山東電力市場體系包括電力中長期市場、現貨市場、輔助服務市場和零售市場。發電側，直調公用電廠、地方公用電廠、集中式新能源、獨立儲能電站參與市場交易。用户側，全部工商業用户通過售電公司代理或者作為批發用户參與市場交易。

中長期市場：以年、月、日為周期。
現貨市場：日前、實時市場，採用全電量申報，集中優化出清的方式。
交易品種：包括電能量、輔助服務等。

山東省日內實時交易價格「鴨型曲線」問題初顯。由於山東省風電、光伏裝機進入快速上升期，午間光伏以及夜間風電出力增加新能源消納壓力。我們對比山東電力現貨市場2022年6月15日與2023年6月13日實時交易發現，2023年6月山東電力市場實時價格在午時進入日內低谷，傍晚價格攀升至日內峰值。我們認為，山東電力現貨市場價格趨勢與美國加州出力「鴨型曲線」形狀相似的原因在於山東「十四五」新能源進入裝機快速上升期，日內光伏出力增加致使日內午時實時交易價格呈現低谷。

山東省電力市場鼓勵集中式新能源、獨立儲能參與市場交易，通過市場機制保障消納+穩定運行。1）為保障新能源消納，提升系統靈活性，山東省鼓勵集中式新能源、獨立儲能參與市場，截至2023年7月1日，山東省電力現貨市場共14家獨立儲能電站自主參與交易，34家集中式新能源場站自主簽訂中長期合約、參與現貨市場交易。2）市場交易機制方面，山東省探索明確電能量市場報價上限與負電價下限，完善容量補償電價機制。

5.展望未來：儲能+靈活性電源有望平抑「鴨型曲線」峰值

我國電力現貨市場處於早期地區試點階段。2017年8月，國家發改委、國家能源局選取南方（以廣東起步）、蒙西、浙江、山西、山東、福建、四川、甘肅8個地區作為第一批電力現貨交易試點。2021年5月，電力現貨試點範圍擴大，上海、江蘇、安徽、遼寧、河南、湖北等6省市為第二批電力現貨試點。

電力輔助服務市場已實現區域、省級全覆蓋。2017年，國家能源局印發《完善電力輔助服務補償（市場）機制工作方案》，計劃通過地區改革試點，分三階段在「十三五」期間完善電力輔助服務補償（市場）機制。自2017年起，東北、福建、山西、甘肅等地相繼正式運行地方電力輔助服務市場，截至2020年底，全國6個區域電網和30個省級電網啟動電力輔助服務市場，實現各區域、省級輔助服務市場全面覆蓋。

調頻輔助服務已進入市場化交易階段，根據調節性能指標決定調頻補償價格。1）根據《電力輔助服務管理辦法》，電力輔助服務可分為有功平衡服務、無功平衡服務和事故應急及恢復服務。其中，調頻、調峰等有功平衡服務已進入市場化交易階段。2）各區域根據其設立的規則，參考調頻性能指標中的調節速率、調節精度、響應時間三個參數計算調頻補償價格。調節速率較高、調節精度較高、響應時間較短的主體將獲得較高的調頻補償價格。

山東、甘肅探索適用於現貨市場建設早期的補償式容量電價，鼓勵靈活性電源以及電網側配儲參與現貨以及輔助服務市場。1）目前我國電力現貨仍處於早期建設階段，交易以中長期為主。補償式容量市場相較於純能量市場具有穩定的容量價格機制，適用於現貨市場開展早期的電力交易體系。2）我國山東、甘肅在電力現貨市場以及調峰輔助服務市場中探索採用容量補償的方式，鼓勵靈活性火電機組以及電網側儲能獲得對應發電及調峰容量補償。

6.投資建議

我國電力系統進入低碳轉型期，新能源裝機以及發電量提升對電力保供+新能源消納二者平衡提出挑戰。參考加州輸電運營商應對光伏日內出力增加的措施，可在電源側鼓勵儲能平滑日內出力波動，電網側鼓勵靈活性電源提供輔助服務，用户側通過價格機制引導需求曲線變動。同時，配套電能量、輔助服務以及容量市場機制起到激勵作用。我國山東「十四五」期間新能源裝機進入上升期，日內實時交易用户側現貨價格已出現「鴨型曲線」現象。我們認為，我國電力市場交易市場將加速完善，鼓勵靈活性電源參與輔助服務市場交易，保障日內出力穩定、促進新能源消納。

投資建議：

1）  火電靈活性寬負荷改造將帶來火電機組煙氣治理設備的更新需求，推薦具備低温煙氣脱硝技術的青達環保、龍淨環保、清新環境。具有靈活性燃煤鍋爐技術的華光環能為受益標的。
2）  儲能具有響應時間短、調節速率快的特點，可協助火電廠進行聯合調頻。推薦：轉型引入重力儲能技術並已開展示範性項目的中國天楹。
3）  加速完善我國的電力市場化機制是必然趨勢，電力交易的SaaS系統搭建需求釋放，受益標的為國能日新。

7.風險提示

新能源裝機併網進度不及預期、行業政策變化、重力儲能技術尚未通過示範性項目進行商業化驗證的風險。

注：本文來自國泰君安發佈的《【國君環保】以美國爲鑑，平抑電網負荷「鴨型曲線」——脆弱電網系列報告之三》，報告分析師：國君環保團隊徐強 S0880517040002

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