面向新型电力系统灵活性提升...国内外辅助服务市场研究综述_吴珊.pdf

2023 年3 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.6 第 38 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211730 面向新型电力系统灵活性提升的国内外辅助服务市场研究综述 吴 珊1 边晓燕1 张菁娴2 林 毅3 林伟伟3（1.上海电力大学电气工程学院 上海 200090 2.郑州电力高等专科学校 郑州 450000 3.国网福建省电力有限公司经济技术研究院 福州 350012）摘要 我国传统辅助服务市场的参与主体与市场机制无法应对未来高比例新能源主导型电力系统的灵活性挑战。该文借鉴国内外最新研究成果与项目经验，从灵活性资源和市场设计角度综合提出面向新型电力系统灵活性提升的辅助服务市场发展思路。首先从源网荷储角度对灵活性资源进行分类并做特征比较，分析国内外辅助服务市场中灵活性资源的应用现状与前景；然后从市场设计角度总结辅助服务产品多元化、管理方式本地化、价格机制合理化与跨省区资源共享化的灵活性提升方案；最后提出面向灵活性提升的我国辅助服务市场发展思路。关键词：辅助服务市场 灵活性 新型电力系统 源网荷储 中图分类号：TM73 0 引言 为解决气候与环境问题，全球能源系统正在加速 迈 向 绿 色 低 碳 的 未 来。国 际 可 再 生 能 源 署（International Renewable Energy Agency,IRENA）发布的能源转型之电网灵活性报告中指出，到2050 年，全球风电、光伏等可再生能源（Renewable Energy Sources,RES）在未来电力系统中的比例将上升至 85%1。推动能源转型是实现“碳达峰、碳中和”战略目标2的重要路径。因此，2021 年 3 月15 日中央财经委员会第九次会议提出要构建以新能源为主体的新型电力系统3。根据中国能源大数据报告(2021)显示，2020 年我国可再生能源发电量 2.2 万亿 kWh，占全社会用电量的 29.5%，非化石能源电力供应能力持续增强4。作为能源低碳转型的重要环节，电力系统将承担更加艰巨的转型任务。随着风电、光伏及主动负荷等不确定性资源的比重不断上升，仅依靠传统电源侧和电网侧调节手段，已无法满足新能源持续大规模并网消纳的需求，电力系统正面临着灵活性需求激增而灵活调节能力不足的挑战，需要统筹源网荷储侧资源，多维度提升系统灵活性。一方面要挖掘不同环节的灵活性资源参与系统调节；另一方面要完善市场机制，给予资源一定的激励与补偿。电力市场辅助服务作为提升电力系统灵活性的手段之一，主要包括一次调频、自动发电控制（Automatical Generation Control，AGC）、调峰、无功调节、备用、黑启动等5。然而，传统辅助服务主要由火电厂提供，调节能力有限且缺乏环保性，原有的辅助服务参与主体与市场机制已不能满足电力系统灵活性需求，亟须探索辅助服务提升电力系统灵活性的新途径。目前国内针对辅助服务市场的研究主要分为以下三类：（1）研究国外辅助服务市场的发展进程、市场机制等，得出对我国辅助服务市场建设的启示。文献6研究了国外典型辅助服务市场的产品种类、交易机制；文献7对英国辅助服务类型中最典型的短期运行备用服务进行研究；文献8总结了美国与欧洲备用市场的建设现状。（2）研究某类资源提供辅助服务的调节潜力、交易机制和经济效益等。文献9研究了储能参与调频辅助服务市场的调度体系架构及市场机制；文献10分析了电动汽车提供辅助服务的调度方法与经济效益；文献11研究了分布式光伏参与调频辅助服务的交易机制。国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51807114）。收稿日期 2021-10-29 改稿日期 2021-12-14 第 38 卷第 6 期 吴 珊等 面向新型电力系统灵活性提升的国内外辅助服务市场研究综述 1663（3）研究辅助服务的具体类型，如调峰、调频、备用等。文献12-14均研究了我国某个区域或省份调峰辅助服务市场的设计与实践；文献15-16研究了储能参与调频辅助服务的价格机制。然而目前国内文献均未全面考虑源网荷储侧多元资源提供辅助服务，未结合我国电力系统的现状与挑战提出相应的辅助服务市场发展思路，未关注辅助服务市场对于提升电力系统灵活性的促进作用。国外已有文献针对高比例新能源电力系统的灵活性问题，进行了相关辅助服务的研究，且一些国家已经设计了提升系统灵活性的辅助服务产品或机制。文献17指出快速频率响应服务是解决电力系统低惯性问题的可行方案，并评估了储能提供频率响应服务的能力。文献18分析了新能源在辅助服务市场中的采购机制与应用前景。国外市场经验方面，英国国家电网开发了增强型频率响应产品（Enhanced Frequency Response,EFR），以提供亚秒级快速频率响应服务19。新冠疫情导致英国用电需求大幅降低，英国国家电网因此开发了可选择向下的灵活性管理服务（Optional Downward Flexibility Management,OFDM）20。美国大陆中部独立系统运营商推出的灵活爬坡产品（Flexible Ramping Product,FRP）)具备在 10min 内达到 MW 级输出的能力21。欧盟目前已启动跨境辅助服务交易试点项目22。当前面向电力系统灵活性提升的辅助服务相关研究尚缺乏国外成熟市场的经验总结，未全面提出新型电力系统辅助服务市场的发展思路。因此，本文借鉴国内外最新研究成果与项目经验，提出面向新型电力系统灵活性提升的辅助服务发展思路，如图 1 所示。首先分析新型电力系统的灵活性挑战以及当前我国辅助服务市场存在的问题；然后充分挖掘源网荷储侧多元资源的调节潜力，分析国内外辅助服务市场中灵活性资源的应用现状与前景；同时，由于市场制度决定了灵活性资源的配置效率，本文从市场设计角度，提出辅助服务产品多元化、管理方式本地化、价格机制合理化、跨省区资源共享化的灵活性提升方案；最后，在借鉴国外辅助服务市场建设及灵活性提升手段的基础上，切实考虑我国辅助服务市场建设的实际情况，提出未来面向灵活性提升的我国辅助服务市场发展思路。图 1 辅助服务提升新型电力系统灵活性的整体思路 Fig.1 The overall thinking of ancillary services to enhance the flexibility of the new power system 1 辅助服务提升新型电力系统灵活性的必要性 1.1 新型电力系统的特征变化与灵活性挑战 1.1.1 新型电力系统特征变化 新型电力系统的核心特征是新能源替代传统火电成为电力系统主体电源，基本发展定位是清洁低碳、安全高效23。与传统电力系统相比，新型电力系统主要有以下几点特征变化：（1）电源结构逐步调整，呈现“风光领跑、火电保底”态势。当前电源结构仍以火电为主，未来煤电占比将逐步下降并转变为“提供电力为主、电量为辅”的备用保障电源。2020 年我国火电装机比重较 2011 年下降了 15.75%，风电、光伏装机比重上升了近 20%，预计 2060 年新能源发电装机占比将达到 70%以上，发电量占比 60%以上3，新能源逐步成为提供电量支撑的主体电源。（2）负荷侧资源多元化发展，呈现“产消一体，双向互动”态势。传统电力负荷一般指单纯消耗电能的用电设备，如异步电动机、电弧炉和照明设施等。随着电动汽车、储能等技术的广泛应用，电力负荷逐步呈现“产消者”特性，即同时具备负荷特性与电源特性，调度模式也逐步由传统的“源随荷动”向“源荷互动”的新模式转变。（3）网架结构优化重整，呈现“柔性互联、优化配置”态势。“十三五”期间，现役跨省区特高压输电通道及部分点对网通道平均规划配套可再生能源电量占比仅在 30%左右23。特高压网架的 1664 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 完善优化将进一步推动电力大容量、远距离、高可靠传输，有效提升低碳能源传输效率，并实现送受端协调调峰。（4）电力系统特性越发复杂，呈现“随机波动、强不确定性”态势。风光等新能源出力呈现强波动性与随机性，目前国网经营区域风电装机 1.7 亿 kW，日最大波动率约为 23%，光伏装机 1.8 亿 kW，日最大波动率约为 54%，2020 年新能源日最大功率波动约为 1.34 亿 kW24。电动汽车、储能等“产消者”呈现强不确定性与交互性，如电动汽车的无序充电，将增大系统负荷的峰谷差。1.1.2 新型电力系统灵活性挑战 满足新型电力系统源荷平衡的关键在于提升系统灵活性。世界各国对电力系统灵活性的定义不尽相同：IRENA 将电力系统灵活性定义为系统在满足机组出力限制和爬坡限制的前提下，对供给侧与需求侧随机出力波动作出快速响应、维持系统安全稳定 运 行 的 能 力4；美 国 能 源 创 新 组 织（Energy Innovation:Policy and Technology LLC）将灵活性定义为从秒到季节不同时间尺度内电力系统对供需变化做出反应的能力25。综合现有研究，可将电力系统灵活性定义归纳为：电力系统在不同时间尺度内，以合理成本维持系统可靠性的同时，应对供需波动性和不确定性的能力。随着大规模新能源和电力电子设备的接入，电力系统“随机波动、强不确定性”的特征越发凸显，给电网的安全稳定运行带来诸多不确定因素，新型电力系统面临以下灵活性挑战：1）系统惯性降低导致调频能力不足 电力系统惯性是指在功率不平衡的情况下，同步发电机向系统注入动能来抵抗系统频率变化的能力26-27。传统由发电机主导的电力系统在遭遇扰动时具有强惯性支撑能力，而通过电力电子设备接入电网的新能源发电机组不具备转动惯量，因此，以新能源为主体的新型电力系统在受到扰动后，无法快速提供惯性支撑，系统频率调节能力显著下降，频率跌落速度更快、深度更大28。2016 年 9 月 28日，新能源发电占比高达 48%的南澳在遭遇极端天气后，由于电力系统转动惯量低而导致风电大规模脱网，最终演变成持续 50h 的全州大停电29。2019年 8 月 9 日英国电网发生大面积停电事故，原因是系统惯量不足，无法及时弥补功率缺额，致使风机大规模脱网，切除了部分负荷30。由此可见，电力系统转型过程中，必须提升频率调节能力以应对低惯性系统带来的频率稳定问题。2）无功支撑能力下降导致系统调压困难 新能源易造成潮流大幅波动，且新能源机组一般接入低电压等级电网，与主网的电气距离是常规机组的 23 倍31，弱化了与主网的电气联系，导致主网短路容量及无功分层分区平衡能力大幅下降。与此同时，大量直流接入系统，无法提供常规电源的动态无功支撑能力。当电网受到扰动引起电压波动时，由于新能源机组耐压能力不足，容易导致联锁脱网事故32。传统无功调节装置高度离散、动作速度慢，无法满足新型电力系统的灵活性需求，因此亟需探索可控、灵活、多样的无功调节资源。3）灵活性资源占比低导致系统调节能力不足 目前国际上新能源发展较好的国家，具有灵活调节性能的机组装机比重普遍较高，其中，西班牙、德国、美国占比分别为 34%、18%、49%33。欧盟计划在 2030 年以前关闭所有燃煤电厂，各国“退煤”进度正在加速，因此未来抽水蓄能电站、燃气电站、储能等灵活调节资源将发挥更大作用34。然而，我国灵活调节电源装机比重不足 6%，远低于发达国家水平，“十三五”期间，我国 2.2 亿 kW 煤电灵活性改造规划目标仅完成了四分之一，按照“十四五”与“十五五”年均新增风光装机 1.1 亿 kW 测算，2025 年我国电力系统调节资源缺口达 2 亿 kW33。亟须挖掘储能侧、负荷侧灵活性资源，多方互济以增强系统灵活调节能力。4）电力市场机制不完善，影响各类主体提供灵活调节服务的积极性。新型电力系统转型要求下，灵活性与经济性的矛盾越发突出。随着电力系统灵活性需求的增大，源网荷储各环节的建设和运营成本也随之增加。新能源出力具有随机性与波动性，将在短期内增加系统消