中國儲能網(wǎng)訊：2021年12月，國家能源局印發(fā)《電力輔助服務(wù)管理辦法》（國能發(fā)監(jiān)管規(guī)[2021]61號），首次提出增設(shè)爬坡和轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)新品種。新型電力系統(tǒng)在安全運(yùn)行上面臨的主要挑戰(zhàn)之一，是系統(tǒng)缺乏足夠的轉(zhuǎn)動慣量，導(dǎo)致在應(yīng)對大功率缺失擾動事件時(shí)難以保障電網(wǎng)頻率安全。目前，華東、華中、西北和南方區(qū)域以及山東省的最新版“兩個(gè)細(xì)則”已對轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行了補(bǔ)償和分?jǐn)?，?biāo)志著轉(zhuǎn)動慣量運(yùn)行價(jià)值得到正式認(rèn)可。然而，迄今為止，國內(nèi)尚未建立轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場。因此，研究并建設(shè)轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場，通過市場機(jī)制采購和調(diào)用足額的轉(zhuǎn)動慣量，對于保障新型電力系統(tǒng)安全運(yùn)行、完善輔助服務(wù)市場體系具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場功能定位
按照《電力輔助服務(wù)管理辦法》中的定義，轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)是指在系統(tǒng)經(jīng)受擾動時(shí)，并網(wǎng)主體根據(jù)自身慣量特性為系統(tǒng)提供響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化率的快速正阻尼，以阻止系統(tǒng)頻率突變所提供的服務(wù)。從運(yùn)行上分析，在發(fā)生大功率缺失擾動事件時(shí)，系統(tǒng)有功功率出現(xiàn)不平衡，導(dǎo)致頻率發(fā)生變化，此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量通過釋放動能來減小頻率變化幅度和變化速度，為一次調(diào)頻和AGC（自動發(fā)電控制）調(diào)頻動作爭取響應(yīng)時(shí)間。在缺少足額轉(zhuǎn)動慣量的情況下，有可能等不到一次調(diào)頻和AGC調(diào)頻動作，系統(tǒng)頻率就直接跌破低頻減載設(shè)定值，從而導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大。可見，轉(zhuǎn)動慣量本質(zhì)上是由機(jī)組轉(zhuǎn)動部件提供動能來彌補(bǔ)系統(tǒng)缺失的有功功率，如果能夠即時(shí)通過增量有功功率直接彌補(bǔ)缺失的有功功率，就可以起到與轉(zhuǎn)動慣量相同的功效，這就是電化學(xué)儲能等電源能夠提供轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)的物理解釋。在大擾動事件中，轉(zhuǎn)動慣量的作用有兩個(gè)：一是減小頻率跌落速度和斜率，二是提高頻率跌落最低值。
隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的推進(jìn)，風(fēng)光等新能源機(jī)組在電力系統(tǒng)中的占比越來越高。然而，由于電力電子裝置的隔離作用，這些新能源機(jī)組對外基本不呈現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量。相比之下，火電、水電等常規(guī)機(jī)組因具有轉(zhuǎn)動部件（其轉(zhuǎn)動慣量大小由轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)半徑和轉(zhuǎn)速共同決定），能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供必要的轉(zhuǎn)動慣量。但隨著新能源機(jī)組比例的增加，能夠提供轉(zhuǎn)動慣量的常規(guī)機(jī)組越來越少，導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量可能出現(xiàn)缺額。這一問題在節(jié)假日電網(wǎng)運(yùn)行方式中尤為突出。由于節(jié)假日系統(tǒng)負(fù)荷較小，為優(yōu)先保障新能源消納，電網(wǎng)通常會盡可能減少火電、水電等常規(guī)機(jī)組的開機(jī)數(shù)量。在這種情況下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量將維持在非常低的水平，可能無法承受直流雙極閉鎖等大擾動事件的沖擊，從而帶來較大的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
在大功率缺失擾動事件中，轉(zhuǎn)動慣量、一次調(diào)頻和AGC調(diào)頻均提供了有功功率支撐，以助力頻率回升至正常值，區(qū)分這三種輔助服務(wù)的貢獻(xiàn)值是建設(shè)相應(yīng)輔助服務(wù)市場的前提和必要條件。
如圖所示，在大擾動事件發(fā)生的第10秒，電網(wǎng)頻率跌到最低值，在這個(gè)時(shí)間段起頻率支撐作用的主要是轉(zhuǎn)動慣量。在大擾動發(fā)生的第10秒之后到第60秒，電網(wǎng)頻率開始緩慢上升并維持在低于正常頻率值，這個(gè)時(shí)間段起頻率支撐作用的主要是一次調(diào)頻。在第60秒之后，AGC調(diào)頻開始發(fā)揮頻率支撐作用，將電網(wǎng)頻率恢復(fù)至正常值?？梢?，三種與頻率相關(guān)的輔助服務(wù)能以作用時(shí)間進(jìn)行區(qū)分。
需要指出的是，轉(zhuǎn)動慣量和一次調(diào)頻的作用時(shí)間可能存在部分重疊。根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在大擾動事件發(fā)生的10～15秒，電網(wǎng)頻率通常出現(xiàn)最低值。按照最新版《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則》（GB/T 40595-2021）規(guī)定，火電機(jī)組一次調(diào)頻有功功率達(dá)到75%目標(biāo)功率的時(shí)間應(yīng)不大于15秒?；痣姍C(jī)組一次調(diào)頻原理是調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)門開度，利用機(jī)組蓄熱來響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。由于這個(gè)過程涉及機(jī)械操作速度較慢，火電機(jī)組一次調(diào)頻出力主要集中在10秒之后響應(yīng)，前面10秒響應(yīng)量較小。因此，為了盡可能準(zhǔn)確區(qū)分轉(zhuǎn)動慣量和一次調(diào)頻，可以將10秒作為劃分界限，10秒之內(nèi)為轉(zhuǎn)動慣量響應(yīng)，10秒之后為一次調(diào)頻響應(yīng)?？紤]到10秒之內(nèi)也有少量一次調(diào)頻響應(yīng)量，轉(zhuǎn)動慣量需求的設(shè)定值應(yīng)適當(dāng)?shù)陀跀_動功率缺額，這種處理方法不會影響電網(wǎng)頻率安全。
轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場關(guān)鍵問題探討
電力現(xiàn)貨市場中標(biāo)機(jī)組不應(yīng)參與轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場，且不應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償
在省級電力現(xiàn)貨市場中，發(fā)電機(jī)組通常采用國際上通行的“三部制”報(bào)價(jià)，即發(fā)電機(jī)組申報(bào)電能價(jià)格、啟動成本和空載成本，只是在市場實(shí)踐中部分省市對啟動成本和空載成本采用核定值替代申報(bào)值。這就意味著發(fā)電機(jī)組只要在電力現(xiàn)貨市場中標(biāo)，那么這三部分成本就已經(jīng)得到了完全補(bǔ)償。機(jī)組空載成本是指在沒有負(fù)載的情況下，維持發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行需要消耗的成本，包括燃料、潤滑油、維護(hù)等方面的費(fèi)用。發(fā)電機(jī)組一般為同步發(fā)電機(jī)，同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是無論負(fù)載多少，其轉(zhuǎn)速恒定，通常為3000轉(zhuǎn)/分鐘，也就是說，發(fā)電機(jī)組空載和滿載時(shí)向系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)動慣量完全相同，且已經(jīng)通過空載成本得到了完全補(bǔ)償。因此，只要是參與電力現(xiàn)貨市場并中標(biāo)的發(fā)電機(jī)組就不應(yīng)再參與轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場，并且此時(shí)“兩個(gè)細(xì)則”對機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量的補(bǔ)償也應(yīng)停止，否則將面臨重復(fù)補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)疑。
轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場更適合在區(qū)域?qū)用娼ㄔO(shè)
通常情況下，在更大范圍配置電力資源能更有利于實(shí)現(xiàn)社會福利最大化，因此，能夠在區(qū)域?qū)用娼ㄔO(shè)的市場就不應(yīng)放在省級層面建設(shè)。轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場建設(shè)的本質(zhì)目的是確保電網(wǎng)頻率安全。區(qū)域交流電網(wǎng)是全網(wǎng)共享同一個(gè)頻率，頻率安全的受益方是全網(wǎng)，因此，在區(qū)域?qū)用娼ㄔO(shè)轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場是更合適的選擇。在控制性能標(biāo)準(zhǔn)（CPS）考核機(jī)制下，一旦某省中標(biāo)的轉(zhuǎn)動慣量被調(diào)用，那么該省的地區(qū)控制目標(biāo)（ACE）將出現(xiàn)較大偏差。然而轉(zhuǎn)動慣量被調(diào)用說明電網(wǎng)發(fā)生了大功率缺失擾動事件，此時(shí)電網(wǎng)處在低頻狀態(tài)，調(diào)用轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生的ACE偏差屬于低頻超送，是有利于電網(wǎng)頻率恢復(fù)的，也是CPS考核機(jī)制鼓勵的調(diào)頻行為，不會產(chǎn)生任何考核罰款，因此，CPS考核機(jī)制不會限制轉(zhuǎn)動慣量的跨省調(diào)用，轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場更適合在區(qū)域?qū)用娼ㄔO(shè)。
電化學(xué)儲能特別適合參與轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場
在電力現(xiàn)貨市場中，已開機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量已得到完全補(bǔ)償，而僅參與轉(zhuǎn)動慣量市場的新開機(jī)組在成本上缺乏競爭力。因此，新型儲能（尤其是電化學(xué)儲能）可能是最適合參與轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場的技術(shù)選擇。電化學(xué)儲能的轉(zhuǎn)動慣量響應(yīng)時(shí)間為毫秒級，完全能夠滿足10秒內(nèi)響應(yīng)的技術(shù)要求。此外，電化學(xué)儲能在參與轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場時(shí)具有顯著優(yōu)勢：該市場的標(biāo)的是電力，但作用時(shí)間僅需10秒，因此對電量的需求極低。而電化學(xué)儲能具備高倍率放電能力（可達(dá)10C），這意味著額定容量1萬千瓦的儲能電站理論上可提供10萬千瓦的電力。這一特性使其特別適合電力要求高但電量要求低的轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場，相比煤電機(jī)組，能夠大幅降低提供轉(zhuǎn)動慣量的成本，從而提升社會福利。當(dāng)然，電化學(xué)儲能參與該市場的前提是必須滿足相關(guān)技術(shù)準(zhǔn)入門檻條件。
轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場設(shè)計(jì)構(gòu)想
轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場需求確定
轉(zhuǎn)動慣量是在發(fā)生大功率缺失擾動時(shí)提供即時(shí)功率支撐的關(guān)鍵因素。因此，轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場的需求應(yīng)基于交流電網(wǎng)可能發(fā)生的單一最大功率缺失擾動事件來確定。具體計(jì)算方法是：用該擾動事件的最大功率損失值，扣減已開機(jī)組能夠提供的轉(zhuǎn)動慣量支撐功率。已開機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量可通過估算法計(jì)算。假設(shè)某區(qū)域電網(wǎng)的最大負(fù)荷為4億千瓦，單一直流最大受入功率為1200萬千瓦，系統(tǒng)允許的最大頻率跌落為0.2赫茲，且K值（系統(tǒng)單位頻率調(diào)節(jié)功率）取最大負(fù)荷的1%，即400萬千瓦/0.1赫茲。那么，在頻率跌落0.2赫茲時(shí)，系統(tǒng)能夠提供的轉(zhuǎn)動慣量支撐功率為：（400/0.1）×0.2=800萬千瓦，因此，轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)的市場需求為：1200-800=400萬千瓦。需要注意的是，估算法中已開機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量的估算值通常包含機(jī)組一次調(diào)頻出力的貢獻(xiàn)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需對估算值進(jìn)行適當(dāng)折扣處理，以更準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)動慣量的實(shí)際需求。
已開機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量也可用系統(tǒng)仿真法得出，仿真系統(tǒng)利用歷史擾動事件真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，然后對未來擾動事件進(jìn)行預(yù)測。系統(tǒng)仿真法的最大問題是仿真系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)太多，容易出現(xiàn)“過適應(yīng)”現(xiàn)象，仿真系統(tǒng)的泛化能力不足。也就是說，訓(xùn)練后的仿真系統(tǒng)對于歷史擾動仿真的精度非常高，但是對新擾動仿真的精度往往不盡如人意，在很多情形下其仿真效果可能還不如估算法準(zhǔn)確。
轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場競價(jià)出清
電力現(xiàn)貨市場每日確定的開機(jī)機(jī)組組合不同，轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場需求也因此不同，所以轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場應(yīng)按日出清，當(dāng)然在市場初期也可固定轉(zhuǎn)動慣量需求值，按周或者按月進(jìn)行市場出清。在市場需求發(fā)布后，轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場供應(yīng)商進(jìn)行市場申報(bào)，申報(bào)轉(zhuǎn)動慣量容量（單位：兆瓦）和轉(zhuǎn)動慣量價(jià)格（單位：元/兆瓦），隨后市場進(jìn)行出清計(jì)算。市場出清可采用邊際出清方式（MCP），也可采用按報(bào)價(jià)出清方式（PAB），但是建議在市場初期采用邊際出清方式，因?yàn)橹辽僭诶碚撋螹CP鼓勵供應(yīng)商按照邊際成本報(bào)價(jià)，而PAB有可能鼓勵投機(jī)報(bào)價(jià)。
需要明確的是，轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場本質(zhì)上應(yīng)屬于容量市場，其付費(fèi)機(jī)制應(yīng)基于中標(biāo)容量而非實(shí)際調(diào)用電量。這種設(shè)計(jì)是由轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)的特性決定的：大功率缺失擾動事件具有隨機(jī)性，發(fā)生頻率可能從一年數(shù)次到零次不等。為確保系統(tǒng)安全，中標(biāo)儲能電站必須始終保持中標(biāo)容量處于充滿電狀態(tài)，隨時(shí)待命提供轉(zhuǎn)動慣量支持。采用按實(shí)際調(diào)用電量付費(fèi)的方式并不合理，因?yàn)檗D(zhuǎn)動慣量預(yù)留容量的核心價(jià)值恰恰在于“備而不用”——這種常態(tài)化的備用狀態(tài)正是其運(yùn)行價(jià)值所在。當(dāng)然，為確保系統(tǒng)可靠性，必須建立完善的日常考核機(jī)制，通過定期檢測驗(yàn)證轉(zhuǎn)動慣量預(yù)留容量的可用性，保證在真實(shí)發(fā)生大功率缺失擾動時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)足額調(diào)用。
轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場費(fèi)用分?jǐn)?/strong>
轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場運(yùn)營的目標(biāo)是確保電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)且穩(wěn)定的電網(wǎng)頻率同時(shí)有益于發(fā)電企業(yè)和電力用戶，按照“誰受益、誰承擔(dān)”的市場分?jǐn)傇瓌t，轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場費(fèi)用應(yīng)該同時(shí)在發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)分?jǐn)?，這也符合國家能源局提出的“輔助服務(wù)費(fèi)用逐步從只在發(fā)電側(cè)分?jǐn)傔^渡到在發(fā)用電兩側(cè)分?jǐn)?，最終實(shí)現(xiàn)只在用戶側(cè)分?jǐn)偂钡陌l(fā)展方向。
在市場初期，建議區(qū)域轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場費(fèi)用首先按照各省發(fā)電量和用電量之和的比例分?jǐn)偟礁魇?，然后各省根?jù)發(fā)電量和用電量的比例將費(fèi)用分?jǐn)偟桨l(fā)電側(cè)和用電側(cè)，最后分別根據(jù)發(fā)電量、用電量的比例分?jǐn)偟骄唧w的發(fā)電機(jī)組和電力用戶。在市場成熟期，轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場費(fèi)用分?jǐn)偪梢圆捎酶庸胶侠淼姆謹(jǐn)偡绞?，即向系統(tǒng)提供了轉(zhuǎn)動慣量支撐的機(jī)組可以少分?jǐn)偦蛘卟环謹(jǐn)?，而未向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動慣量的風(fēng)光等新能源機(jī)組需要承擔(dān)更多的轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)市場費(fèi)用。（本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)）
