國外典型調(diào)頻輔助服務(wù)市場綜述與啟示

楊 超，孫誼媊，王 勇，吳春燕，何 凱，汪 洋

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司，烏魯木齊 830017；2.北京清能互聯(lián)科技有限公司，北京 100084）

0 引言

2015年3月，中共中央發(fā)布了《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見（中發(fā)〔2015〕9號）》（下稱“9號文”），明確提出建立輔助服務(wù)分擔(dān)共享新機制的要求，輔助服務(wù)市場建設(shè)、輔助服務(wù)補償機制完善勢在必行。建立電力輔助服務(wù)市場已經(jīng)獲得國家相關(guān)政策的支持，并已成為推進電力體制的迫切需求。

目前，我國調(diào)頻輔助服務(wù)大多采用“兩個細則”作為運行規(guī)則，主要存在調(diào)頻輔助服務(wù)產(chǎn)品類型較為簡單、調(diào)頻輔助服務(wù)價格補償機制不健全、調(diào)頻輔助服務(wù)成本傳導(dǎo)方法缺乏公平性等問題。

相關(guān)學(xué)者對國外成熟輔助服務(wù)市場進行了研究。文獻［1］—文獻［2］分別對美國的PJM、CAISO等多個調(diào)頻輔助服務(wù)市場的定價機制和調(diào)頻補償機制進行了梳理分析，并對中國調(diào)頻市場的定價和補償機制提出了可行建議。文獻［3］—文獻［4］對英國電力市場和輔助服務(wù)市場進行了介紹，并總結(jié)了對我國的啟示。文獻［5］—文獻［6］研究了北歐電力市場和輔助服務(wù)市場。文獻［7］—文獻［8］對美國、英國、北歐、澳大利亞等多個國家和地區(qū)的輔助服務(wù)市場進行了比較研究，得到對我國輔助服務(wù)市場建設(shè)的啟示。上述對國外輔助服務(wù)市場的研究大多是對包括調(diào)頻、調(diào)壓、備用等輔助服務(wù)品種在內(nèi)的整個輔助服務(wù)市場進行的，缺乏針對國外不同調(diào)頻輔助市場中服務(wù)類型、運行模式以及結(jié)算機制的細致梳理及橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

本文將從產(chǎn)品類型、運行方式、價格及結(jié)算機制3個方面對美國PJM、英國和北歐調(diào)頻輔助服務(wù)市場進行研究，并對各市場的特點進行對比分析。在此基礎(chǔ)上結(jié)合國內(nèi)電力市場發(fā)展實際情況，提出對國內(nèi)調(diào)頻輔助服務(wù)市場建設(shè)的建議。

1 美國PJM調(diào)頻輔助服務(wù)市場

1.1 調(diào)頻輔助服務(wù)類型

PJM市場中可以提供調(diào)頻服務(wù)的資源包括發(fā)電機組、儲能、需求響應(yīng)資源［9］。PJM調(diào)頻輔助服務(wù)可以分為傳統(tǒng)調(diào)頻和快速響應(yīng)調(diào)頻：

（1）傳統(tǒng)調(diào)頻由爬坡受限資源提供，包括部分燃氣機組、聯(lián)合循環(huán)機組、煤電機組，主要基于傳統(tǒng)的調(diào)頻信號運行（RegA），可以在一段時期內(nèi)持續(xù)增加或減少出力。

（2）快速響應(yīng)調(diào)頻由能量受限資源提供，包括儲能、水電、一部分燃氣機組，主要基于動態(tài)調(diào)頻信號運行（RegD），瞬時增加或減少出力來抵消區(qū)域控制誤差偏移量。

1.2 市場運行方式

PJM將調(diào)頻市場、同步備用市場分3個步驟與實時電能量市場聯(lián)合優(yōu)化，包括輔助服務(wù)優(yōu)化程序（ancillary service optimizer，ASO）、滾動安全約束的經(jīng)濟調(diào)度程序（intermediate security constrained economic dispatch，IT SCED）、實時安全約束的經(jīng)濟調(diào)度程序（real-time security constrained economic dispatch，RT SCED）［7］。

ASO在實際運行前1～2 h執(zhí)行，通常是在運行前1 h，聯(lián)合優(yōu)化電能量市場、備用市場和調(diào)頻市場，確定出同步和非同步備用以及調(diào)頻的容量分配，同時對調(diào)頻市場進行市場力檢測［10］。

滾動SCED同樣在實際運行前1～2 h執(zhí)行，通常為提前30 min，聯(lián)合優(yōu)化電能量市場和備用市場，同時對電能量市場進行市場力檢測，并判斷備用資源是否短缺。這一階段當(dāng)中，可以調(diào)用燃氣輪機及需求側(cè)響應(yīng)資源［11］。

實時SCED在實際運行前10～20 min執(zhí)行，通常為提前15 min，聯(lián)合優(yōu)化在線機組電能和備用以滿足系統(tǒng)的需求［11］。實時SCED的計算結(jié)果包括機組的基值運行點，同步備用資源和非同步備用的調(diào)用容量。

上述3個步驟只定容量、不定價格，節(jié)點價格計算程序（locational pricing calculator，LPC）每5 min執(zhí)行一次，用來確定實時節(jié)點邊際電價和輔助服務(wù)的出清價格。

1.3 市場價格及結(jié)算機制

PJM調(diào)頻輔助服務(wù)市場主體在日前的申報內(nèi)容包括容量報價、性能報價（里程報價）和調(diào)頻容量?？紤]到調(diào)頻資源類型和調(diào)頻性能的差異，PJM會對市場主體的容量報價和性能報價按一定規(guī)則進行調(diào)整。通過調(diào)整后的容量報價、性能報價和機會成本可得到排序價格，按照排序價格由低到高進行出清。出清的邊際價格包括調(diào)頻輔助服務(wù)出清價格和性能出清價格，調(diào)頻輔助服務(wù)出清價格減去性能出清價格即為容量出清價格。

市場參與者按照每小時12個時段的容量出清價的算數(shù)平均值和性能出清價的算數(shù)平均值進行結(jié)算［1］，并在結(jié)算時考慮調(diào)頻性能指標，調(diào)頻性能指標越高，調(diào)頻容量收益和調(diào)頻里程收益也越高，有利于促進高性能調(diào)頻資源參與市場［2］。

2 英國調(diào)頻輔助服務(wù)市場

2.1 調(diào)頻輔助服務(wù)類型

英國電力市場中可以提供調(diào)頻服務(wù)的資源包括發(fā)電機組和需求響應(yīng)資源。為了保持系統(tǒng)的實時平衡，英國國家電網(wǎng)主要通過以下4個不同的平衡服務(wù)來控制頻率：強制頻率響應(yīng)（mandatory frequency response，MFR）、固定頻率響應(yīng)（firm frequency response，F(xiàn)FR）、需求側(cè)頻率控制（frequency control by demand management，F(xiàn)CDM）和增強型頻率響應(yīng)（enhanced frequency response，EFR）。

（1）強制頻率響應(yīng)

強制頻率響應(yīng)根據(jù)響應(yīng)時間可分為一次響應(yīng)（primary response，PR）、二次響應(yīng)（secondary response，SR）和高頻響應(yīng)（high frequency response，HFR），具體如表1所示［8］。

表1 強制頻率響應(yīng)Table 1 Mandatory frequency response

（2）固定頻率響應(yīng)

固定頻率響應(yīng)通過自動發(fā)電控制（AGC）完成控制和記錄［4］。英國國家電網(wǎng)會比較固定頻率響應(yīng)和強制頻率響應(yīng)的價格，選擇最經(jīng)濟的調(diào)頻資源。與強制頻率響應(yīng)不同的是，固定頻率響應(yīng)不僅對平衡機制單元和非平衡機制單元的提供商開放，也對現(xiàn)有的強制頻率響應(yīng)提供者和新的提供者開放，從而增加潛在響應(yīng)提供商的數(shù)量并提高流動性。

（3）需求側(cè)頻率控制

需求側(cè)頻率控制用于處理大機組跳閘等很大的頻率偏差事故，由可中斷負荷提供，由英國國家電網(wǎng)按需求自行調(diào)度，是一個低頻減載的預(yù)先約定。當(dāng)系統(tǒng)頻率超出低頻率繼電器設(shè)置時，電力需求會自動中斷。需求側(cè)頻率控制要求提供商響應(yīng)時間小于2 s，且能夠提供持續(xù)30 min最小3 MW的容量，最小容量要求可以通過在相同的站點聚合多個小負荷來實現(xiàn)。

（4）增強型頻率響應(yīng)

增強型頻率響應(yīng)要求提供商具有在1 s內(nèi)實現(xiàn)100%有功功率輸出的響應(yīng)能力，這與現(xiàn)有10 s時間尺度的一次響應(yīng)和高頻響應(yīng)以及30 s時間尺度的二次響應(yīng)形成對比。增強型服務(wù)發(fā)生在較慢的服務(wù)恢復(fù)之前，包含更快的服務(wù)和穩(wěn)定頻率，并隨后恢復(fù)備用［12］。

2.2 市場運行方式

對于不同類型的頻率響應(yīng)服務(wù)，交易方式也不同。強制頻率響應(yīng)采用雙邊協(xié)議的交易方式，所有并網(wǎng)運行發(fā)電機必須響應(yīng)服務(wù)需求；固定頻率響應(yīng)采用招投標的交易方式，通過月度招標獲?。恍枨髠?cè)頻率控制采用雙邊協(xié)議的交易方式，由NGET提供相關(guān)需求側(cè)響應(yīng)的設(shè)備并調(diào)試，用戶需向NGET每周匯報其可用性；增強型頻率響應(yīng)采用競爭合同的交易方式。

英國輔助服務(wù)交易在平衡市場中進行，與電能量市場分開獨立運行，市場運作流程如圖1所示。輔助服務(wù)協(xié)議通常在關(guān)閘前簽訂，從而可在平衡服務(wù)實施之前確定好輔助服務(wù)的數(shù)量和價格。

圖1 英國輔助服務(wù)市場運行流程［13］Fig.1 UK ancillary service market operation process

在平衡機制中，交易的平衡服務(wù)數(shù)量會受到經(jīng)濟和技術(shù)兩個方面的限制，因此需要對Bid和Offer進行技術(shù)限制及動態(tài)參數(shù)校核，然后按照它們的價格高低進行選擇。當(dāng)系統(tǒng)中沒有可用的Bid和Offer時，就需要啟用緊急程序［14］。

2.3 市場價格及結(jié)算機制

強制頻率響應(yīng)的價格包括容量價格和電量價格兩部分。固定頻率響應(yīng)的價格包括招標固定費、招標使用費、窗口啟動費和響應(yīng)電量費等4部分。需求側(cè)頻率控制的價格依據(jù)協(xié)議規(guī)定、按運行費用確定［14］。

調(diào)頻輔助服務(wù)的結(jié)算機制與交易方式密切相關(guān)。強制頻率響應(yīng)和需求側(cè)頻率控制是供需雙方通過簽訂雙邊協(xié)議制定的，故其按照事先簽訂的協(xié)議價格結(jié)算。固定頻率響應(yīng)是通過市場競爭獲得的，支付給服務(wù)提供者的費用根據(jù)市場的出清價格以及所提供服務(wù)的具體容量來計算。

3 北歐調(diào)頻輔助服務(wù)市場

3.1 調(diào)頻輔助服務(wù)類型

北歐平衡市場產(chǎn)品包括頻率控制備用（frequency containment reserve，F(xiàn)CR）和頻率恢復(fù)備用（frequency restoration reserve，F(xiàn)RR）。調(diào)頻輔助服務(wù)資源包括水電、太陽能熱、光伏等發(fā)電機組和負荷側(cè)資源。

（1）頻率控制備用

FCR主要為自動產(chǎn)品，分為頻率干擾控制備用（frequency containment reserve-disturbance，F(xiàn)CR-D）和頻率普通控制備用（frequency containment reservenormal，F(xiàn)CR-N）。FCR-D用于系統(tǒng)受到干擾，頻率低于49.9 Hz的情況下穩(wěn)定頻率，要求在5 s內(nèi)實現(xiàn)50%的有功功率輸出，在30 s內(nèi)實現(xiàn)100%的有功功率輸出；FCR-N是一種特定的北歐電力市場輔助服務(wù)產(chǎn)品，用于在正常頻段內(nèi)（49.9～50.1 Hz）保持系統(tǒng)平衡，要求響應(yīng)時間小于3 min［7，15］。

（2）頻率恢復(fù)備用

FRR分為自動頻率恢復(fù)備用（automatic FRR，AFRR）和手動頻率恢復(fù)備用（manual FRR，MFRR），AFRR主要通過AGC實現(xiàn)，響應(yīng)時間小于5 min；MFRR是北歐最主要的平衡資源，響應(yīng)時間小于15 min［16］。

3.2 市場運行方式

北歐平衡市場采用“輔助服務(wù)市場+物理調(diào)節(jié)電能市場（regulating power market，RPM）”的模式，輔助服務(wù)市場獨立于電能量市場，由系統(tǒng)運營商（system operator，SO）單獨組織。

為保證MFRR的充分有效供應(yīng)，在輔助服務(wù)市場之外還需要RPM作為支撐。RPM在日前市場結(jié)束后到實時運行前進行組織，有額外調(diào)節(jié)能力的市場主體可以在RPM中進行上下調(diào)報價，這種方式可視為無容量補償?shù)腗FRR。此外，簽訂了中長期MFRR合同的市場主體也可以參加RPM的能量報價［16］。

在平衡資源的調(diào)用策略上，AFRR和MFRR分別按照平行調(diào)用法和排隊法進行調(diào)用。當(dāng)價區(qū)間發(fā)生阻塞時，需啟用特殊調(diào)節(jié)機制，并由2個價區(qū)的SO一同決定是否分開原有的報價隊列［16］。

3.3 市場價格及結(jié)算機制

北歐調(diào)頻輔助服務(wù)市場的結(jié)算方式如表2所示［16］。RCR除瑞典按報價結(jié)算外，其余國家/地區(qū)均按邊際價格結(jié)算。AFRR挪威按邊際價格結(jié)算，丹麥西部按規(guī)定價格結(jié)算，其余國家/地區(qū)均按報價結(jié)算。MFRR瑞典和芬蘭按報價結(jié)算，其余國家/地區(qū)均按邊際價格結(jié)算。

表2 國外調(diào)頻輔助服務(wù)市場特點Table 2 Characteristics of foreign frequency regulation auxiliary service market

4 國外調(diào)頻輔助服務(wù)市場特點分析及經(jīng)驗借鑒

4.1 調(diào)頻輔助服務(wù)資源對比啟示

在國內(nèi)現(xiàn)行的“兩個細則”中提供調(diào)頻輔助服務(wù)的一般只有滿足一定條件的發(fā)電機組。而在國內(nèi)為適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展而配套投資建設(shè)儲能系統(tǒng)的背景下，有必要在設(shè)計調(diào)頻輔助服務(wù)市場時，充分考慮儲能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟特性，逐步引入儲能和需求響應(yīng)資源提供調(diào)頻輔助服務(wù)，進一步豐富調(diào)頻輔助服務(wù)資源類型，使市場競爭更充分，同時為儲能等市場主體提供新的盈利途徑。

4.2 調(diào)頻輔助服務(wù)產(chǎn)品類型對比啟示

在“三公調(diào)度”的模式下，當(dāng)前我國調(diào)頻輔助服務(wù)的產(chǎn)品類型設(shè)計較為簡單，未充分反映出不同類型機組的調(diào)頻特性，亦未引入新的高性能調(diào)頻資源。為此在調(diào)頻輔助服務(wù)市場建設(shè)中，應(yīng)考慮對調(diào)頻產(chǎn)品的性能成本特性進行精細化區(qū)分，并逐步發(fā)展出類似于PJM的調(diào)頻產(chǎn)品類型，完善市場競爭。

4.3 調(diào)頻輔助服務(wù)責(zé)任承擔(dān)對比啟示

現(xiàn)階段，國內(nèi)調(diào)頻輔助服務(wù)一般由電力調(diào)度機構(gòu)按需從發(fā)電機組調(diào)用，調(diào)頻輔助服務(wù)責(zé)任由發(fā)電機組承擔(dān)。輔助服務(wù)市場建設(shè)的準則是“誰使用，誰承擔(dān)”，因此在建設(shè)調(diào)頻輔助服務(wù)市場時，應(yīng)結(jié)合電力市場建設(shè)情況，設(shè)立基于負荷側(cè)代理商及售電商負荷比例分攤的責(zé)任承擔(dān)機制，逐步實現(xiàn)調(diào)頻輔助服務(wù)費用向用戶側(cè)的傳導(dǎo)機制。

4.4 調(diào)頻輔助服務(wù)交易機制對比啟示

我國現(xiàn)階段“兩個細則”中所采取的交易模式一般為符合條件的發(fā)電資源必須提供調(diào)頻輔助服務(wù)。參照國外輔助服務(wù)市場的建設(shè)歷程。在電力現(xiàn)貨市場建設(shè)起步之后，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)貨市場的建設(shè)方式，采取與電能量市場獨立運行并逐步過渡到聯(lián)合出清的模式進行集中競價，并根據(jù)輔助服務(wù)的責(zé)任分配，引入售電公司與發(fā)電廠之間的雙邊交易機制。

4.5 調(diào)頻輔助服務(wù)價格及結(jié)算機制對比啟示

國內(nèi)現(xiàn)階段在“兩個細則”的指導(dǎo)下多采取固定價格的方式對調(diào)頻輔助服務(wù)產(chǎn)品進行結(jié)算，以及對發(fā)電機預(yù)留的調(diào)頻容量進行補償。固定的價格無法反映出調(diào)頻輔助服務(wù)的真正價值。在針對調(diào)頻輔助服務(wù)價格機制設(shè)計時，需充分考慮到預(yù)留調(diào)頻容量的機會成本，可以有兩種考慮：第一種是綜合考慮預(yù)留容量的影響，在進行調(diào)頻價格出清時，將不同類型資源參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的機會成本納入出清排序價格的計算之中，并將機會成本納入出清價格之中，以此來補償機組預(yù)留的調(diào)頻容量成本；第二種是設(shè)計單獨的調(diào)頻容量價格和調(diào)頻電量價格，兩者分別報價，但綜合結(jié)算，同時預(yù)出清時出清調(diào)頻容量和調(diào)頻電量的邊際價格，并按照預(yù)出清容量價格和實時出清電量價格對調(diào)用到的資源的容量和電量結(jié)算，對于已出清但未調(diào)用到的資源，按照預(yù)出清容量價格進行結(jié)算。第一種方式比較容易實現(xiàn)，適合調(diào)頻市場起步階段；第二種方式精確但相對復(fù)雜，適用于調(diào)頻市場建設(shè)相對成熟的中后期。

5 結(jié)束語

調(diào)頻輔助服務(wù)為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行發(fā)揮了重要作用，我國現(xiàn)行調(diào)頻輔助服務(wù)機制已經(jīng)不能滿足電力體制改革的要求。為此，本文對美國PJM、英國和北歐3個典型電力市場的調(diào)頻輔助服務(wù)市場進行了研究，并對各市場的特點進行了對比分析，以期得到對國內(nèi)調(diào)頻輔助服務(wù)市場建設(shè)的啟示。然后，結(jié)合國內(nèi)調(diào)頻輔助服務(wù)發(fā)展的實際情況，分別從調(diào)頻資源、產(chǎn)品類型、責(zé)任承擔(dān)機制、交易機制、價格及結(jié)算機制5個方面，對國內(nèi)調(diào)頻輔助服務(wù)市場建設(shè)提出了建議。D