能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電網(wǎng)備用問題探索

李曉萌，張忠，趙華，饒宇飛，張振安，朱全勝，呂泉

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學研究院，鄭州市 450052; 2.大連理工大學電氣工程學院，遼寧省大連市 116024)

0 引 言

能源互聯(lián)網(wǎng)是在全球能源利用從化石能源逐漸向可再生能源轉移的背景下提出的。美國著名學者杰里米·里夫金在其新著《第三次工業(yè)革命》[1]一書中，構想的以新能源技術和信息技術的深入結合為特征的能源利用體系被學術界視為能源互聯(lián)網(wǎng)概念的雛形[2]。國內(nèi)外學者已對能源互聯(lián)網(wǎng)開展了深入的研究，其主要特征包括：能源互聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心，運用先進的信息技術和智能控制等技術，將各能源供應形式、能量儲存單元和各種類用能終端互聯(lián)起來，以實現(xiàn)能量雙向流動與智能共享，從而達到能源高效利用和最大化消納可再生能源的目的[3-5]。

能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展背景下，我國電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生了深刻的變革。電網(wǎng)層面，我國各區(qū)域電網(wǎng)已經(jīng)完成了直流互聯(lián)，形成了東北、西北、華北-華中、華東和南方電網(wǎng)5個同步電網(wǎng)。特高壓直流閉鎖故障將給受電區(qū)域電網(wǎng)造成嚴重的功率缺額，對該區(qū)域的快速頻率響應控制和備用需求提出了很大的挑戰(zhàn)。電源層面，可再生能源滲透率日益增加，其出力的間歇性與不確定性增加了電網(wǎng)在各個時間尺度上的備用需求[6]。兩方面因素均增加了能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電網(wǎng)備用需求。

能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，需求側靈活資源和儲能已備受關注。能源互聯(lián)網(wǎng)的價值之一在于通過信息化、數(shù)字化促進能源消費形式的靈活性改造，即通過對電動汽車、智能家電等負荷的優(yōu)化管理和對工業(yè)生產(chǎn)過程的升級改造，為電網(wǎng)提供靈活資源。儲能是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐技術，隨著可再生能源的大規(guī)模集中和分布式接入，儲能的應用已日益迫切，其價值也將不斷體現(xiàn)[7]。世界各國均十分重視儲能技術的發(fā)展。

電網(wǎng)的備用需求和備用資源均發(fā)生了顯著變化。圍繞新的備用需求問題和備用資源已展開了較多研究。文獻[6]分析了可再生能源發(fā)電波動與特高壓直流閉鎖故障帶來的功率不平衡與備用配置問題，并提出了事故備用的“精細化管理”與應對新能源發(fā)電的“特殊時段備用”思路。文獻[8]對我國的電網(wǎng)事故備用提出了系統(tǒng)性的管理建議。文獻[9]對風電并網(wǎng)帶來的備用容量配置、獲取和費用分攤做了闡述。上述研究從不同角度對能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的備用問題進行了分析。然而，電網(wǎng)備用問題涉及到頻率控制、安全控制和經(jīng)濟調(diào)度等不同層面上的運行問題，而我國當前按照負荷一定比例和最大機組容量確定的備用管理模式，難以滿足新形勢下的電網(wǎng)安全與經(jīng)濟運行需求，因此，有必要對我國電網(wǎng)的備用管理展開系統(tǒng)化、市場化的研究和探索。

備用體系的研究涉及到備用輔助服務的分類、備用容量配置、以及備用獲取方式。各個國家和地區(qū)電網(wǎng)分別從時間尺度、備用資源類型和頻率響應方式等角度，對備用及相關輔助服務進行了定義和分類。歐洲大陸同步電網(wǎng)定義了一次備用、二次備用、三次備用[8-9]；美國加州電力市場定義了頻率調(diào)節(jié)備用、旋轉備用、非旋轉備用和替代備用[10]；英國電網(wǎng)對備用的分類包括一次頻率響應、二次頻率響應、快速備用和短期運行備用[11]。英國和美國加州電力市場將有功平衡類服務分為頻率響應和備用兩部分，歐洲大陸電網(wǎng)則統(tǒng)一定義為備用，并分為多種備用服務。對各類備用服務的最小容量的配置，常見的方法包括經(jīng)驗配置方法[8]、最嚴重N-1故障分析法[12-13]和成本-風險分析[14-15]。關于備用的獲取，早期的電網(wǎng)備用服務主要由各類發(fā)電廠提供。然而，隨著可再生能源電源的不斷增加與電網(wǎng)的直流互聯(lián)，電網(wǎng)的備用需求越來越大，電源側的備用資源已難以滿足新形勢下電網(wǎng)備用需求。因此，世界范圍內(nèi)對需求側靈活資源與儲能的備用潛力的關注越來越多。英國電網(wǎng)已經(jīng)明確定義了儲能與負荷響應備用產(chǎn)品。相關文獻對負荷與儲能參與備用的運行和收益問題開展了研究[16-19]。然而，對于負荷與儲能參與備用的時間尺度、響應速度等技術指標還有待系統(tǒng)性的研究和分析。

面對電網(wǎng)新的變化，我國各地區(qū)的備用市場也逐步改進[20]。本文分析互聯(lián)網(wǎng)背景下電網(wǎng)備用需求和備用資源的變化，總結我國當前和各個國家的備用輔助服務管理與市場模式。進而，基于功率平衡控制過程提出新的備用分類體系，尤其明確各類備用調(diào)度響應時間與持續(xù)時間要求，以便兼容源、網(wǎng)、荷、儲各類備用資源。并對各類資源的技術特性進行討論，從而明確各類資源可提供的備用類型。最后，針對我國電網(wǎng)特征和能源互聯(lián)網(wǎng)下的發(fā)展趨勢，提出新的備用管理模式與市場化建設的建議。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下備用需求與資源分析

1.1 可再生能源發(fā)電的備用需求

可再生能源發(fā)電的大規(guī)模接入使得電源側功率的不確定性增加。可再生能源發(fā)電的不確定性引起波動性和間歇性?？稍偕茉闯隽γ爰墪r間尺度上的備用影響相對較小，而在分鐘級以上時間尺度上的功率波動對電網(wǎng)運行的影響則較為突出[9]。

對于可再生能源出力波動性的備用問題可與負荷波動性一同處理，即將傳統(tǒng)的負荷備用擴展為凈負荷備用。負荷備用容量的確定取決于負荷預測精度。當前，可再生能源發(fā)電的預測精度一般低于負荷的預測精度，使得疊加后的凈負荷功率的預測精度變差。因此，將增加應對功率預測誤差的備用容量需求。

可再生能源出力的間歇性表現(xiàn)為：受風速、光照強度等氣象因素影響，不同時段上可再生能源出力存在大發(fā)、小發(fā)和停發(fā)等場景，使得凈負荷中可再生能源發(fā)電的占比具有明顯的時段性差異，為此，文獻[6]提出了“特殊時段備用”的思路，受此啟發(fā)，可進一步設計更為精細化的“動態(tài)備用”模式，即根據(jù)負荷與新能源發(fā)電的日前預測精度，結合可再生能源裝機容量，在不同時段上配置不同的備用容量。

可再生能源機組故障率往往高于傳統(tǒng)機組，并且發(fā)生連鎖故障的概率較大[21-23]。與功率波動帶來的影響不同，機組故障帶來的影響是秒級的功率缺額。隨著可再生能源裝機容量的增加，秒級時間尺度的備用容量配置需要進一步考慮可再生能源發(fā)電的機組故障及其連鎖故障，即N-2故障。

綜上，可再生能源發(fā)電的波動性與間歇性問題，需要在分鐘級以上時間尺度的備用配置中予以考慮；對可再生能源發(fā)電機組故障問題，需要在秒級時間尺度的備用配置中予以考慮。

1.2 特高壓直流閉鎖故障的備用需求

能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的另一個特征是區(qū)域電網(wǎng)間的特高壓直流互聯(lián)。特高壓直流閉鎖帶來的功率缺額是數(shù)倍于傳統(tǒng)機組故障造成的功率缺額，將是直流互聯(lián)網(wǎng)面臨的較為嚴重的考驗之一。本節(jié)首先分析事故后系統(tǒng)的頻率變化和調(diào)節(jié)過程，進而為特高壓直流閉鎖事故的備用配置問題提供解決思路。事故狀態(tài)下的系統(tǒng)頻率變化過程可由轉子運動方式來描述，如式(1)所示[24]：

(1)

式中：H為系統(tǒng)的同步慣性；D為負荷的阻尼系數(shù)；Δf(t)為系統(tǒng)頻率偏差；ΔPi發(fā)電機、負荷等功率調(diào)節(jié)單元的功率變化量；ΔPe為故障導致的系統(tǒng)功率缺額。

故障初期系統(tǒng)的頻率跌落主要受兩方面因素影響，即故障造成的功率缺額和系統(tǒng)固有的同步慣性。系統(tǒng)的固有慣性越大，故障瞬間系統(tǒng)頻率跌落越慢。當頻率跌落偏差超過各機組一次調(diào)頻死區(qū)后，機組的調(diào)速器快速響應，補充功率缺額，抑制頻率跌落。由于機組一次調(diào)頻提供功率的持續(xù)時間有限，隨后需要機組的自動發(fā)電控制(automatic generation control, AGC)開始動作，實施二次調(diào)頻，使頻率恢復至正常水平，同時替換機組的一次調(diào)頻容量，以應對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的新的功率波動。由系統(tǒng)轉子運動方程，即式(1)可以看出，當系統(tǒng)的一次調(diào)頻容量至少能夠補償系統(tǒng)的功率缺額時，才能抑制系統(tǒng)頻率的繼續(xù)跌落。由于特高壓直流線路傳輸容量較大，受電地區(qū)電網(wǎng)的一次調(diào)頻容量可能難以滿足特高壓直流閉鎖的功率缺額，國內(nèi)外研究已將秒級的頻率響應負荷和快速響應的功率型儲能視為應對提供一次頻率響應的重要資源[6，25]。

總之，特高壓直流互聯(lián)系統(tǒng)中，直流受電區(qū)域的一次、二次調(diào)頻備用容量的配置需要考慮直流線路的輸電容量，直流閉鎖故障使得系統(tǒng)的一次調(diào)頻容量與二次調(diào)頻容量需求顯著增加?？焖夙憫呢摵膳c儲能將為直流閉鎖故障后的頻率控制提供一次與二次調(diào)頻備用資源。

1.3 能源互聯(lián)網(wǎng)中新的備用資源

1)需求側備用資源。

隨著智能電網(wǎng)以及能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，“柔性負荷”、“電網(wǎng)友好型負荷”等概念被提出并逐步得到了實際應用。能源互聯(lián)網(wǎng)在用戶側主要體現(xiàn)為電力負荷的信息互聯(lián)。一方面用戶可以響應市場價格信號或激勵機制，改變用電行為[26-27]。另一方面可以實現(xiàn)負荷的實時在線控制，滿足電力系統(tǒng)快速的功率平衡控制需求。以電動汽車為代表的負荷具有靈活的功率調(diào)節(jié)能力。借助于智能用電技術，以溫控型為代表的工商業(yè)負荷具有較大的功率調(diào)節(jié)潛力[28]。隨著可再生能源發(fā)電接入水平的不斷增加，電網(wǎng)的功率平衡方式不再只是“電源跟隨負荷波動”，同時也存在“可控負荷跟隨電源出力波動”的情況，需求側資源也將對電網(wǎng)功率平衡發(fā)揮重要作用。

負荷參與電網(wǎng)輔助服務潛力已得到了廣泛的研究。文獻[29]建立了靈活負荷聚合商提供負荷跟蹤備用的市場出清模型，聚合商能夠為系統(tǒng)提供類似于傳統(tǒng)電源的15 min的旋轉備用與30 min的非旋轉備用服務。文獻[30]提出了溫控負荷(thermostatically controlled loads, TCL)聚合商提供負荷跟蹤備用的管理方法，緩解了傳統(tǒng)機組的旋轉備用壓力，并驗證了TCL聚合商可以完成對參考功率曲線的跟蹤控制。隨著控制技術的完善，可以利用需求側靈活資源參與系統(tǒng)秒級的頻率控制過程。文獻[31]提出了一種電動汽車聚合商的下垂控制策略，使電動汽車為電網(wǎng)提供了一次調(diào)頻服務，降低了系統(tǒng)的頻率偏差。文獻[32]參考傳統(tǒng)機組的AGC原理提出了一種分布式負荷控制策略，實現(xiàn)了多個負荷聚合商共同為系統(tǒng)提供二次調(diào)頻服務。文獻[33]提出了一種基于多代理結構的控制框架，使負荷集群的用能行為能夠快速響應系統(tǒng)頻率的變化，從而為系統(tǒng)提供一次與二次調(diào)頻服務。

可見，需求側資源可以根據(jù)響應時間和響應特性的不同提供不同時間尺度上的備用服務。需求側備用主要采用基于聚合商或代理商的管理模式。然而，負荷集群的備用容量與備用服務的實際提供量的測算是研究負荷側備用所面臨的關鍵問題。

2)儲能、微網(wǎng)等備用資源。

隨著能源利用逐步從化石能源向可再生能源轉移，儲能的能量緩沖和暫存作用備受青睞。以鉛酸電池為代表的電池儲能、抽水蓄能電站均能提供快速的功率調(diào)節(jié)。通過轉存能量利用豐谷價差盈利和參與輔助服務市場將是儲能獲利的主要模式[34]。因此，儲能將成為未來能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的重要備用資源。

近年來學術界提出了微網(wǎng)、虛擬發(fā)電廠等概念[35-37]，并逐步在工業(yè)界得到了實施，這些智能單元通過智能管理系統(tǒng)實現(xiàn)各類分布式電源、負荷以及儲能的局部有序管理。這些智能單元也可以為大電網(wǎng)提供相關輔助服務，并獲得一定的經(jīng)濟收益[38]。

2 我國當前備用體系的適應性分析

2.1 我國電力輔助服務分類的適應性

由于我國電網(wǎng)結構有著明顯的區(qū)域特性，因此，電力輔助服務市場主要采用了分區(qū)域組織形式，各區(qū)域電網(wǎng)均頒布了電力輔助服務的“兩個細則”，明確了輔助服務的分類、補償與考核方式。我國電力輔助服務的內(nèi)容一般包括：一次調(diào)頻、AGC、備用、調(diào)壓、調(diào)峰、黑啟動5項[39-44]。

一次調(diào)頻一般作為基本輔助服務，由各類發(fā)電機組義務提供，不給予補償，但機組不能提供基本輔助服務時需要接受考核。AGC與備用均為有償輔助服務。對AGC的補償包括可調(diào)容量補償與AGC實際貢獻量補償[40]。各區(qū)域備用輔助服務的管理一直在不斷地改進和完善，輔助服務市場開展初期，各區(qū)域的“兩個細則”僅制定了旋轉備用的補償和考核原則，其中東北、華東和華北電網(wǎng)明確說明了旋轉備用需要在10 min之內(nèi)能夠調(diào)用。

當前“兩個細則”對輔助服務的分類尚未明確一次調(diào)頻與AGC的容量配置問題，另外，尚未明確定義響應時間在10 min以上的備用類型。

2.2 輔助服務管理模式的適應性

各區(qū)域的“兩個細則”規(guī)定：輔助服務的調(diào)用遵循“按需調(diào)用”的原則，由電網(wǎng)調(diào)度機構根據(jù)發(fā)電機組特性和電網(wǎng)情況，合理安排發(fā)電機組承擔輔助服務，保證調(diào)度的公開、公平、公正。并網(wǎng)發(fā)電廠有義務提供基本輔助服務，且所提供的輔助服務應達到規(guī)定標準。

各區(qū)域條例對輔助服務計量與結算方式均做了規(guī)定。各區(qū)域均由電力調(diào)度機構對并網(wǎng)發(fā)電廠進行輔助服務考核與補償情況的計量預結算。輔助服務的費用按照專門記賬(專項管理)、收支平衡的原則，以省級電網(wǎng)為單位，分省平衡，按月結算。

輔助服務開展初期，一次調(diào)頻、AGC、備用僅由傳統(tǒng)機組提供。近年來隨著以電動汽車為代表的靈活可控負荷、儲能技術的發(fā)展，各個區(qū)域已逐步將負荷側資源與儲能納入到輔助服務市場中來。這也使得當前輔助服務市場采用的“輔助服務費用在各發(fā)電廠之間進行分攤，并實現(xiàn)收支平衡的原則”難以適應新的發(fā)展需求。

2.3 備用輔助服務的新進展

能源互聯(lián)網(wǎng)建設背景下，各個區(qū)域均不斷修正和完善輔助服務機制，若干省份已開展了輔助服務市場化的探索。

東北電網(wǎng)的輔助服務新規(guī)于2019年啟動，電儲能可參與調(diào)峰，有償調(diào)峰的內(nèi)容包括：可中斷負荷調(diào)峰、電儲能調(diào)峰、火電停機備用調(diào)峰、跨省調(diào)峰[45]。

西北電網(wǎng)已經(jīng)形成“省間+省內(nèi)”相協(xié)調(diào)的輔助服務交易市場，增加了自備企業(yè)虛擬儲能、用戶調(diào)峰、共享儲能等有償調(diào)峰品種[46]。

廣東電網(wǎng)負荷受天氣及溫度影響較大，電網(wǎng)調(diào)頻需求大，電源中的快速調(diào)頻資源比較匱乏，為此出臺了《廣東調(diào)頻輔助服務市場交易規(guī)則》[20]。隨著《南方區(qū)域統(tǒng)一調(diào)頻輔助服務市場建設方案》的發(fā)布，南方區(qū)域調(diào)頻輔助服務市場化改革工作將全面啟動。

當前服務輔助服務市場的改革主要針對調(diào)峰輔助服務開展。然而，隨著區(qū)域電網(wǎng)的直流互聯(lián)和可再生能源發(fā)電的逐步增加，電網(wǎng)的備用問題也將日益嚴重。為此，本文在對比我國與世界各地區(qū)的備用輔助服務分類與管理模式的基礎上，進而提出新的備用分類與管理模式建議，以適應能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。

3 國外備用體系與組織模式

3.1 英國

英國電網(wǎng)將與頻率相關的輔助服務分為頻率響應和備用兩部分。頻率響應包括一次頻率響應、二次頻率響應，考慮負荷側與儲能提供調(diào)頻服務問題，英國電網(wǎng)專門設置了需求側管理頻率響應與加強頻率響應[11]，加強頻率響應主要由儲能電站提供。各類頻率響應的響應時間與持續(xù)時間需求如表1所示。備用又分為快速備用、短期運行備用和替代備用，發(fā)電機與負荷均可提供各類備用輔助服務?？焖賯溆庙憫獣r間要求為2 min，并且持續(xù)提供時間不低于15 min。短期運行備用響應時間要求20 min，并且持續(xù)提供時間不低于2 h。

表1 英國頻率響應與備用產(chǎn)品

英國電網(wǎng)由國家電網(wǎng)公司負責輔助服務的購買，購買方式包括市場招標和雙邊協(xié)議兩種市場模式。英國電網(wǎng)公司建立了不同周期的輔助服務招標市場。例如，對于固定頻率響應，采用了每月開展1次招標；對于短期備用輔助服務，每年進行3次招標；對于負荷側參與的頻率響應輔助服務以及黑啟動輔助服務，則是通過雙邊協(xié)議的方式獲取。

3.2 美國各區(qū)域電力市場的頻率與備用服務

美國沒有全國性的電力市場，有10個區(qū)域性電力批發(fā)市場，本文針對其中市場化比較成熟的PJM、德州和加州的輔助服務市場進行介紹。

PJM市場中與有功平衡相關的輔助服務分為頻率調(diào)節(jié)輔助服務和備用輔助服務兩部分。頻率調(diào)節(jié)輔助服務基于系統(tǒng)控制偏差(area control error, ACE)技術，使系統(tǒng)頻率保持60 Hz，具體任務包括跟蹤負荷波動、應對非計劃性機組停運等[47]。頻率調(diào)節(jié)由具有自動調(diào)節(jié)能力的機組提供，滿足負荷瞬時變化，機組響應時間應小于5 min。頻率調(diào)節(jié)備用容量的配置方式為：負荷高峰時段調(diào)節(jié)備用容量為日負荷高峰預測值的1%；非高峰時段調(diào)節(jié)備用容量為日負荷低谷預測值的1%[48]。備用輔助服務又分別為一次備用和補充備用(或稱二次備用)，其中一次備用資源由同步備用和快速啟動備用機組提供，響應時間為10 min[47-48]。補充備用為響應時間在10～30 min內(nèi)的發(fā)電機和可中斷負荷。

加州電力輔助服務市場由獨立系統(tǒng)運營商負責運行，需要在輔助服務市場中購買的產(chǎn)品包括4種：調(diào)頻備用、旋轉備用、非旋轉備用和替代備用。調(diào)頻備用是指由并網(wǎng)運行機組的AGC自動完成出力調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡。旋轉備用需要在10 min內(nèi)爬坡至指定功率水平；非旋轉備用需要在10 min內(nèi)并入系統(tǒng)并爬坡至指定功率水平；替代備用需在1 h內(nèi)并入系統(tǒng)并爬坡至指定功率水平。后3種備用的持續(xù)提供時間均不低于2 h[49]。

美國德州輔助服務由德州可靠性委員會負責管理，目前德州電力市場中與有功平衡有關輔助服務產(chǎn)品包括上調(diào)頻、下調(diào)頻、響應備用和非旋轉備用。上調(diào)頻、下調(diào)頻要求響應時間小于10 s。響應備用作為調(diào)頻輔助服務的后備，要求在10 min內(nèi)容響應。非旋轉備用作為系統(tǒng)發(fā)電容量損失的備用，應對負荷預測偏差，響應時間為30 min。

3.3 北歐

北歐輔助服務市場自2009年7月起交由ENTSO-E管理，其輔助服務產(chǎn)品包括：頻率遏制備用、頻率恢復備用和替代備用[8,50-51]。頻率遏制備用又分為干擾式和普通式，干擾式備用的響應要求為5 s內(nèi)調(diào)整到50%出力，30 s內(nèi)調(diào)整到100%出力。普通式備用的響應要求為2～3 min。頻率恢復備用將系統(tǒng)頻率恢復到50 Hz，響應持續(xù)提供時間應不低于15 min。替代備用為響應時間大于15 min的備用。北歐電力市場對3類備用的最小需求量均有規(guī)定，其中，對于頻率遏制備用，區(qū)域內(nèi)設置一個總備用需求量；對于后兩種備用，北歐4國設有各自的備用需求容量。

3.4 歐洲大陸電網(wǎng)

歐洲大陸電網(wǎng)是指由德國、法國等24個國家構成的同步電網(wǎng)。歐洲大陸電網(wǎng)將與頻率穩(wěn)定相關的輔助服務分為一次備用、二次備用和三次備用[52]。當出現(xiàn)頻率偏差時，提供一次備用的調(diào)節(jié)機組需要在幾秒內(nèi)響應，并在30 s內(nèi)提供全部所需容量，持續(xù)時間不低于15 min。系統(tǒng)頻率偏差超過閾值時，機組自動啟動一次控制，各機組需要預留4%～5%的額定容量作為備用容量。一次頻率控制過程使系統(tǒng)穩(wěn)定于一個偏離50 Hz的頻率值。二次控制一般需要在5 min內(nèi)使系統(tǒng)頻率及聯(lián)絡線功率恢復至設定值，并使被激活的一次備用容量重新恢復至可用狀態(tài)。三次備用包括向上和向下調(diào)節(jié)功率，從響應時間角度又進一步分為分鐘備用(<60 min)與小時備用(>60 min)。一次備用容量由歐洲輸電協(xié)調(diào)聯(lián)盟(union for the co-ordination of transmission of electricity, UCTE)設定，并按照各區(qū)域年發(fā)電量比例分配給各區(qū)域的輸電系統(tǒng)運行商(transmission system operator, TSO)。UCTE的一次備用容量一般可滿足N-2發(fā)電機故障和N-1線路或母線故障。UCTE給出了二次備用容量的經(jīng)驗公式，且僅與各區(qū)域內(nèi)的最大預期負荷有關。三次備用容量為最大發(fā)電機容量減去建議的最小二次備用容量，即系統(tǒng)能夠抵御N-1發(fā)電機故障。

歐洲電力市場中，一般由各個國家輸電系統(tǒng)運行機構負責購買輔助服務。它通過競爭性招標方式購買備用輔助服務，對一次備用機組僅支付容量費用，對二次備用機組需支付容量費用和調(diào)用電量費用兩部分。對于一次與二次備用，每半年開展一次招標。對于分鐘級以上的三次備用，則通過日前招標方式獲取。三次備用費用一般低于一次備用與二次備用，原因在于三次備用技術難度相對較低[52]。

3.5 各國家備用和頻率調(diào)節(jié)的時間劃分對比

各個國家和地區(qū)電網(wǎng)實施的與有功功率平衡相關的輔助服務分類及響應時間情況對比如圖1所示。

圖1 各個國家和地區(qū)電網(wǎng)輔助服務對比

歐洲大陸和北歐四國電網(wǎng)均定義了3種備用輔助服務，功能上與我國的一次調(diào)頻、AGC和旋轉備用相對應，但同類輔助服務響應時間的要求存在一定差異，例如：歐洲大陸電網(wǎng)要求二次備用響應時間≤15 s，北歐四國電網(wǎng)的自動頻率恢復備用(對應二次備用)的響應時間為2 min，我國根據(jù)機組類型規(guī)定了不同的響應時間，例如，水電機組AGC響應時間≤10 s，直吹式火電機組AGC 響應時間≤60 s。歐洲大陸和北歐四國電網(wǎng)對3個層面上的輔助服務均有明確的容量配置方案，可以為我國各級輔助服務備用容量的配置提供參考。

美國PJM、加州、德州電力市場將10 min以內(nèi)的調(diào)節(jié)過程歸為頻率調(diào)節(jié)輔助服務，將10 min以上頻率恢復后的備用按響應時間分為兩類。英國電網(wǎng)對頻率恢復前、后的輔助服務均做了更為詳細的劃分。頻率恢復前包括1 s的強制頻率響應、10 s一次頻率響應、30 s的二次頻率響應；頻率恢復后包括：快速備用和短期運行備用。此外，英國電網(wǎng)已在頻率響應市場中納入了儲能和需求側響應的內(nèi)容，例如，儲能電站可以參與1 s的強制頻率響應；設置了2～10 s的需求側頻率響應市場。因此，英國的輔助服務市場可以為我國引入需求側和儲能的頻率響應備用提供重要的參考。

4 能源互聯(lián)網(wǎng)下的電網(wǎng)備用體系設計建議

4.1 基于控制過程的新型備用分類

針對能源互聯(lián)網(wǎng)的備用需求與備用資源的變化，并結合世界各個國家、地區(qū)的輔助服務配置方式，本文從功率平衡控制過程的角度提出新的備用體系設計建議，并明確各類備用的響應時間與持續(xù)提供時間需求，以便將網(wǎng)間、需求側、儲能的備用資源納入到新的備用體系，提高未來電網(wǎng)運行的安全性。新的備用體系設計包括頻率遏制備用、頻率恢復備用、快速可調(diào)度備用、慢可調(diào)度備用與長時間尺度備用。

頻率遏制備用用于完成系統(tǒng)的一次調(diào)頻控制過程，遏制系統(tǒng)頻率的持續(xù)跌落或上升。參考我國當前水、火電機組一次調(diào)頻響應時間分別小于3、4 s[46]的要求，所提頻率遏制備用的響應時間規(guī)定為小于4 s。頻率恢復備用用于完成二次調(diào)頻控制過程，使系統(tǒng)頻率恢復至額定水平。參考我國當前的AGC響應時間要求：直吹式火電機組小于60 s，中儲式火電機組小于40 s，水電機組小于10 s[46]，所提頻率恢復備用的響應時間設置小于60 s。頻率遏制備用與頻率恢復備用主要用于應對緊急事故與凈負荷波動造成的頻率擾動問題。

傳統(tǒng)三次調(diào)頻過程為系統(tǒng)頻率恢復至額定水平后的功率再調(diào)度過程，由調(diào)度機構更新計劃調(diào)度結果，使系統(tǒng)處于更為經(jīng)濟和安全的運行狀態(tài)，并恢復相關機組的AGC備用容量。新的備用體系中三次調(diào)頻過程的可調(diào)度容量稱為可調(diào)度備用，并根據(jù)備用資源響應時間的不同，分為快速可調(diào)度備用與慢速可調(diào)度備用。參照我國“兩個細則”中10 min旋轉備用的定義，所提快速可調(diào)度備用的響應時間規(guī)定為小于10 min。對新增的慢速可調(diào)度備用，響應時間設置為小于30 min。文獻[6]對10 min、30 min備用的時間尺度設置的依據(jù)做了討論，本文不再贅述。

可再生能源發(fā)電具有較大的間歇性，受氣象因素影響，相鄰兩日或數(shù)日內(nèi)的出力會出現(xiàn)較大差異，為此，所提備用體系中增加了長時間尺度備用。將響應時間大于30 min的備用均歸類為長時間尺度備用。

與水、火電機組可以在新的調(diào)度出力狀態(tài)下持續(xù)運行不同，負荷與儲能的運行受到整體能量需要和能量邊界的限制，需要考慮其持續(xù)運行時間的限制。為了使新的備用體系兼容需求側和儲能的備用資源，對各類備用持續(xù)提供時間的定義具有重要的意義。

當前，各個國家、地區(qū)對各類備用的響應時間均做了明確的限定，但對備用響應后的持續(xù)提供時間尚無系統(tǒng)化的規(guī)定?？紤]到各類備用在功能上存在著銜接和替代關系，為保持系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行，本文提出了時間上“無縫銜接與適當重疊”的原則，對各類備用的持續(xù)時間進行明確規(guī)定。

考慮頻率遏制備用、頻率恢復備用以及快速可調(diào)度備用在功能上的銜接關系，前兩者的持續(xù)時間應不低于60 s、10 min。根據(jù)“適當重疊原則”，以保證平穩(wěn)過度，例如增加10%的安全裕度，將二者的最小持續(xù)時間設置為低于66 s、11 min。對于快速可調(diào)節(jié)備用與慢速可調(diào)節(jié)備用，一般需要持續(xù)提供，其持續(xù)時間設置一般較長，可以參考其他市場的設置方案。例如：美國加州旋轉備用、非旋轉備用、替代備用持續(xù)提供時間均不低于2 h[49]；英國短期運行備用持續(xù)提供時間不低于2 h[11]。因此，將可調(diào)節(jié)備用的持續(xù)時間設置為不低于2 h。

4.2 新型備用資源分析

在所提備用分類和時間尺度定義的基礎上，進一步討論將需求側、儲能、網(wǎng)間備用資源納入到新的備用體系，如圖2所示。

圖2 能源互聯(lián)網(wǎng)中的新增備用資源劃分

具有快速響應能力的負荷，例如小于4 s，可提供頻率遏制備用；響應時間小于10 s的負荷可提供頻率恢復備用；對于響應時間在分鐘級以上的負荷可提供慢速或快速可調(diào)度備用。

儲能備用可根據(jù)儲能特性的不同分為2類：功率型儲能、能量型儲能。功率型儲能，如鋰電池，具有快速的功率調(diào)節(jié)速度，可提供頻率遏制備用與頻率恢復備用；對能量型儲能，如抽水蓄能電站，響應速度相對較慢，但持續(xù)供能時間相對較長，可以提供快速或慢速可調(diào)度備用。

省間備用在能源互聯(lián)網(wǎng)中將發(fā)揮越來越大的作用。一次調(diào)頻過程是自動響應系統(tǒng)頻率偏差完成功率調(diào)節(jié)，因此，同步運行的各省電網(wǎng)自動共享頻率遏制備用資源。二次調(diào)頻過程是由各機組的根據(jù)調(diào)度指令完成AGC功率調(diào)節(jié)?？紤]特高壓直流閉鎖故障時，受電省份將面臨較大的功率缺額，可以由同步運行的省份提供緊急功率支援，加快事故恢復速度，提高電網(wǎng)安全性[53]。

綜上，新的備用體系從控制過程的角度定義了新的備用分類，并從響應時間和持續(xù)時間層面上做了具體的要求，從而可以兼容源、網(wǎng)、荷、儲各類備用資源。

4.3 兼容需求側與儲能備用的組織結構

為了適應能源互聯(lián)網(wǎng)場景，在當前備用組織結構的基礎上，本文引入了“基于中間商的備用”與“網(wǎng)間共享備用”組織模式。

當前我國的備用采用了分區(qū)管理、分省平衡的原則。除一次調(diào)頻由并網(wǎng)發(fā)電機組的調(diào)速器自動完成外，其他各類輔助服務均由省級調(diào)度機構將調(diào)度指令下發(fā)至各并網(wǎng)機組。當考慮靈活負荷與儲能參與備用市場時，由于其個體容量小、數(shù)量眾多，難以由調(diào)度機構直接管理。因此，需要引入中間代理[54-55]、聚合商[56]或配網(wǎng)運行商[57]來組織需求側分散靈活資源參與備用市場。新型備用的組合結構如圖3所示。

圖3 新型備組織結構

電網(wǎng)的特高壓互聯(lián)和可再生能源接入將顯著提高各時間尺度上的備用需求，開展省間備用和區(qū)域間備用具有重要的意義。對于頻率遏制備用與頻率恢復備用，同步電網(wǎng)范圍內(nèi)的各省份間可以共享備用容量。對于快速、慢速可調(diào)度備用、以及更長時間尺度的備用，由于主要由調(diào)度機構管理，因此，在聯(lián)絡線允許的前提下，也可以考慮省間及區(qū)域間備用共享的組織模式。

5 待解決的問題

5.1 需求側與儲能備用資源的特性分析

新型備用資源的成本研究是開展備用市場運行模式的基礎。需求側備用成本需要考慮兩方面因素，提供備用容量的升級改造費用與負荷備用調(diào)用時用電滿意度的降低[58]。儲能的備用成本一般包括備用容量的機會成本和調(diào)用過程中產(chǎn)生的運行與折舊費用[59-60]。本文從響應時間層面上對備用類型做了詳細的劃分，因此，可以從響應時間與持續(xù)運行時間的角度分析各種新型備用資源可以提供的備用輔助服務類型。

5.2 新備用體系下的市場組織模式

1)各類備用容量配置方式。

現(xiàn)有的備用容量備用方法包括：最嚴重的N-1故障法[12-13]與成本-風險分析法[14-15]。頻率遏制與恢復備用確保事故后系統(tǒng)頻率恢復至正常水平的重要安全防線。文獻[61]研究表明：事故后系統(tǒng)頻率的跌落程度與系統(tǒng)慣性密切相關，同等事故條件下，系統(tǒng)的慣性越小，頻率遏制備用的需求量越大。因此，需要基于系統(tǒng)慣性參數(shù)配置頻率遏制與恢復備用容量。

對于可調(diào)度備用，本文提出的“動態(tài)備用配置”思路，容量配置與可再生能源發(fā)電滲透率及其預測進度密切相關，需要研究的問題包括：系統(tǒng)凈負荷的不確定性分析，能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電網(wǎng)運行成本-風險模型。

2)備用市場模式研究。

新的備用體系劃分了不同時間尺度的備用輔助服務，需要結合各類備用需要與資源的特性提出相適應的市場模式。同時，新的備用體系將考慮網(wǎng)間備用、需求側備用以及儲能備用資源，因此，需要建立兼容源、網(wǎng)、荷、儲的備用市場機制和模型。

3)備用費用的分攤。

我國傳統(tǒng)輔助服務的費用采用了在并網(wǎng)機組間分攤的原則。一個較為合理的費用分攤機制應滿足“誰引起，誰付費”的原則[62]。電力系統(tǒng)的備用需要由兩方面因素引起的：凈負荷波動備用與事故備用。

凈負荷波動由負荷波動與可再生能源發(fā)電波動共同引起，當前對可再生能源發(fā)電分攤備用費用的研究較少，因此需要研究備用費用在負荷與可再生能源之間的分攤機制。

事故備用主要考慮并網(wǎng)機組故障與輸電線路故障。對于發(fā)電機故障，所有并網(wǎng)機組互為備用，因此，發(fā)電機事故備用可以繼續(xù)采用傳統(tǒng)的機組間分攤原則。對于特高壓輸電線路故障備用問題，國內(nèi)外已開展了一定的研究[63-64]，然而，對特高壓輸電線路故障備用費用分攤問題還有待進一步的研究。

5.3 跨省/跨區(qū)備用機制

可再生能源發(fā)電的增加使得備用需要也越來越大，省內(nèi)(尤其新能源大省)備用資源可能難以滿足本省的備用需求，跨省跨區(qū)備用共享也將是解決高比例風電裝機地區(qū)備用不足問題的可行思路[65]。尤其引入需求側備用后，靈活負荷較多的省份可以為新能源大省提供備用資源?？缡】鐓^(qū)備用將受到線路傳輸容量的限制、斷面潮流的限制、以及節(jié)點電壓的限制等，因此，需要建立考慮網(wǎng)絡約束的跨省跨區(qū)備用市場模型。文獻[66-68]分別基于機會約束建模、電力不足期望值模型和場景法模型，建立了跨區(qū)備用共享模型，然而，當前的研究尚未涉及跨區(qū)備用的分攤問題，還有待于進一步研究。

5.4 風光水儲等多能互補運行帶來的備用問題

能源互聯(lián)網(wǎng)備用下，風電、光伏發(fā)電比例不斷增加，所帶來的不確定性是未來電網(wǎng)運行研究的核心和難點。風光水儲等多能系統(tǒng)的互補運行是促進清潔能源消納的創(chuàng)新模式[69]。當前，國內(nèi)外圍繞風光水多能互補系統(tǒng)的研究主要包括：互補特性研究[70-71]、運行調(diào)度研究[72-73]和容量規(guī)劃[74-75]等領域。風光水儲的互補運行對降低新能源的不確定性對電網(wǎng)運行的影響具有積極的意義。一方面，需要研究多能互補系統(tǒng)對電網(wǎng)備用需求的影響，另一方面，電網(wǎng)備用機制的設計應充分激勵多能互補運行與發(fā)展，并適應我國當前推行的“風光配儲”發(fā)展趨勢。

6 結 論

可再生能源發(fā)電容量日益攀升與交直流特高壓互聯(lián)是能源互聯(lián)背景下我國電網(wǎng)的重要發(fā)展趨勢，這也使得系統(tǒng)秒級的事故備用需求與分鐘級以上的功率波動備用需求顯著增加。同時，常規(guī)機組的并網(wǎng)容量逐步被壓縮，使得系統(tǒng)慣性降低、電源側備用資源變少。需求側、儲能及網(wǎng)間備用資源將成為滿足未來電網(wǎng)備用需求的重要組成部分。

本文總結了我國當前各區(qū)域基于“兩個細則”的輔助服務管理模式，這種粗放型且在電源側進行輔助服務費用分攤平衡的組織模式將難以適應未來電網(wǎng)運行備用的管理需求。為此，在總結世界各個國家與地區(qū)的備用分類與定義的基礎上，提出了適應我國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求的新的備用分類建議?；诠β势胶饪刂七^程，提出新的備用分類包括：與系統(tǒng)頻率控制有關的1)調(diào)頻遏制備用、2)頻率恢復備用；與功率平衡調(diào)度有關的3)快速可調(diào)度備用、4)慢速可調(diào)度備用，以及與機組啟停調(diào)度有關的5)長時間尺度備用。并明確了各類備用的響應時間與持續(xù)時間要求，以便將源、網(wǎng)、荷、儲各類備用資源納入到新的備用體系。

本文提出的新的備用體系設計理念還包括：對各類備用響應與持續(xù)時間的限定，采用了“無縫銜接與適當重疊”的原則；對備用容量的配置，提出了“動態(tài)容量配置策略”，以提高備用效率；對備用費用的分攤，提出了“誰引起，誰付費”的分攤原則。

新備用體系的實施還有諸多問題需要解決，包括：需求側與儲能備用資源的特性分析、市場化備用的組織模式、新能源發(fā)電參與備用費用的分攤問題、以及分區(qū)分層的備用共享模式研究。