東北調頻輔助服務市場關鍵問題及建設路徑研究

趙海吉，金學洙，李 群，安天瑜，鐘心蕊

(1.國家電網(wǎng)有限公司東北分部，遼寧 沈陽 110181；2.北京清能互聯(lián)科技有限公司，北京 100084)

高比例可再生能源地區(qū)調頻問題日益凸顯[1-2]。東北電網(wǎng)在我國可再生能源裝機和發(fā)電方面占比較高，面臨著因可再生能源出力波動性所帶來的頻率波動問題[3]和電力用戶受季節(jié)、溫度等因素造成的需求引起的頻率波動問題[4]。當前東北地區(qū)的頻率質量有待改善，極端時頻率會出現(xiàn)較長時間超出50.05 Hz的情況。

1 東北地區(qū)調頻現(xiàn)狀

東北地區(qū)裝機占比見圖1。截至2019年10月，東北電網(wǎng)裝機容量已達1.49億kW，其中火電裝機占比64.26%(供熱機組占比66.25%)。新能源占總裝機容量的27.04%，新能源發(fā)電量占全網(wǎng)總發(fā)電量的15.64%。新能源裝機增長勢頭仍在繼續(xù)。東北地區(qū)的調頻資源較為緊張，尤其在冬季時段，面臨著火電可調容量受限和新能源消納壓力大的問題。

圖1 東北地區(qū)裝機占比

當前東北地區(qū)未展開市場化的調頻服務交易[5]，仍以《東北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》和《東北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則》這2個細則(以下簡稱細則)為執(zhí)行依據(jù)。并網(wǎng)發(fā)電廠義務提供一次調頻服務，一次調頻調節(jié)能力相對有限[6-9]。參與調頻輔助服務的AGC機組，按調整電量獲得補償。該運行模式下，缺乏對調頻機組的激勵，也缺少對調頻備用容量的整體把握。

調頻輔助服務的市場化是東北輔助服務市場體系建設的重要環(huán)節(jié)。當前東北輔助服務市場交易仍以調峰交易為主，以市場化的手段進行資源的優(yōu)化配置，激勵火電機組開展靈活性改造，以促進風光發(fā)電量的消納。在備用交易方面，包含尖峰旋轉備用交易和火電停機備用交易。調頻作為維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的輔助服務，完成其市場化進程一方面有助于挖掘電網(wǎng)調頻資源、提升電網(wǎng)調頻性能，從而確保在高比例新能源環(huán)境下電網(wǎng)的可靠運行；另一方面將進一步完善東北輔助服務市場體系。

2 東北調頻輔助服務市場關鍵問題分析

從市場建設的角度考慮，東北調頻輔助服務市場建設最主要的問題是明確調頻輔助服務市場的定位。一方面，當前東北以按需調用的模式開展調頻服務，對調頻需求、個體和整體服務能力未建立量化概念；另一方面，我國電力現(xiàn)貨市場建設加速[10]，而調頻輔助服務是現(xiàn)貨市場體系的重要組成部分。因此，調頻輔助服務市場的建立，有利于完善電力交易品種，并利用市場的手段合理配置資源，讓各類資源發(fā)揮其優(yōu)勢，實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行與市場競爭經濟規(guī)律的高效結合。

本研究從市場模式、市場主體的參與方式以及市場的組織方式層面，進行可行方案的對比與分析，為決策者提供更多的參考和思路。

2.1 市場建設方案

當前東北電網(wǎng)的調度以省間聯(lián)絡線關口模式開展[11]，由省調機組承擔ACE調節(jié)責任，網(wǎng)調機組承擔頻率調節(jié)責任。對于區(qū)域電網(wǎng)而言，守關口聯(lián)絡線和守系統(tǒng)頻率二者的調頻目標不同，無法在同一市場模型中進行優(yōu)化。因此，在東北建設調頻輔助服務市場時，需要首先明確調頻市場開展的目標，再將目標轉化為調頻需求的基礎上，選擇合適的市場模式。在調頻市場的建設目標層面，可以保留當前部分機組調頻、部分機組調ACE的模式，也可以選擇全網(wǎng)進行頻率調節(jié)的模式。表1提出了幾種可行的市場模式方案。上述4個方案中，主要區(qū)別在于調頻市場建設的目標是僅考慮頻率還是既考慮頻率又考慮ACE，以及實現(xiàn)時是按統(tǒng)一控制區(qū)組織還是按分別控制區(qū)組織。下面對幾個方案的優(yōu)缺點進行說明。

表1 調頻市場方案對比

a.部分機組調頻率，全網(wǎng)集中組織。

該方案將全網(wǎng)調頻任務分解為市場和非市場部分，市場部分僅考慮對頻率的調節(jié)，ACE調節(jié)則由非市場部分兜底。

該方案與當前AGC控制模式承接性好，有利于發(fā)電與調頻資源的合理規(guī)劃與調度，也有利于省間中長期合同的物理交割。但需要網(wǎng)調與省調相互協(xié)調，實現(xiàn)跨級控制。

b.部分機組調頻率，按控制區(qū)組織。

該方案將全網(wǎng)調頻任務全部市場化，由網(wǎng)調機組承擔頻率任務，由省調機組承擔ACE任務。

該模式對現(xiàn)有工作方式延續(xù)性較強。調頻市場在與當前模式銜接時，確定調頻需求的過程中需要分別考慮聯(lián)絡線與頻率2部分的預留容量。如后續(xù)以省為單位開展電力現(xiàn)貨市場，可以將聯(lián)絡線部分對應的調頻需求轉移至各省調機構組織，有利于實現(xiàn)以省為單位組織的現(xiàn)貨電能量市場和調頻市場的聯(lián)合優(yōu)化；若后續(xù)開展省間電力現(xiàn)貨市場，在不取消區(qū)域內部關口聯(lián)絡線的前提下，仍可沿用。

該方案與當前調頻分工模式差別較小，調頻壓力全部由網(wǎng)調機組承擔，但在初期階段網(wǎng)調機組沒有改善自身調頻能力的情況下，仍可能會出現(xiàn)全網(wǎng)頻率長時間較高的現(xiàn)象。從長期看，由于仍是各控制區(qū)內機組內部競爭，對于調頻需求大而調頻資源少的控制區(qū)，其AGC機組可能缺少性能改善的動力，可能導致東北網(wǎng)頻率的改善效果有限。

c.全網(wǎng)機組調頻率，全網(wǎng)集中組織。

該方案取消了頻率調節(jié)任務中的ACE調節(jié)任務，即全部的調節(jié)任務均為頻率調節(jié)任務，并將其市場化。

該模式資源利用效率最高，但是對當前調度機構的職權調整最大，對運行能力的要求也最高。

d.全網(wǎng)機組調頻率，按控制區(qū)組織。

該方案將全網(wǎng)調頻任務市場化，對頻率調節(jié)和ACE調節(jié)統(tǒng)一轉化為總調頻需求，調用時形成命令后統(tǒng)一下發(fā)。

該方案本質上是由省調機組承擔了部分網(wǎng)調機組跟蹤頻率的責任，該模式對頻率責任的管理力度強。該方案可以讓全部調頻資源承擔頻率調節(jié)壓力。該模式對各單位原有工作模式改動小，且競爭主要集中在省內，機組的接受度會相對高。長期上，盡管可以調整分配給各區(qū)針對頻率調節(jié)的容量需求，但由于競爭仍是集中在省內，對機組提升性能的激勵作用仍然有限。

在調頻市場建設時，調頻目標的確定是最重要的。在確定調頻目標后，協(xié)作模式的選取上可參考3個因素。

在工作開展層面，考慮到當前東北地區(qū)有較為完善的輔助服務市場體系，建議起步階段由網(wǎng)調統(tǒng)一下達指令，省調轉發(fā)。但網(wǎng)省調度仍需要在市場建設之前達成協(xié)作模式層面的統(tǒng)一意見。此外，若需要取消省間聯(lián)絡線考核，對現(xiàn)狀情況沖擊較大，較適宜有著完善的省間現(xiàn)貨市場的情況。

在技術層面，按統(tǒng)一控制區(qū)組織符合資源優(yōu)化配置的核心思想，通過統(tǒng)一的調頻市場，重新安排、分配調頻資源，以相對小的成本實現(xiàn)對東北電網(wǎng)頻率的調節(jié)和優(yōu)化。但在各省調頻機組性能差異較大的情況下，會出現(xiàn)個別省份以分攤費用為主，其他省份以獲取調頻收益為主。按分別控制區(qū)組織則更便于實現(xiàn)省級范圍的資源優(yōu)化配置，所有調頻市場的費用均在省內進行分攤，利益更好協(xié)調。

在市場發(fā)展層面，按統(tǒng)一控制區(qū)組織更符合建立東北電網(wǎng)統(tǒng)一調頻市場的思想；有利于激勵網(wǎng)、省機組提升機組調頻性能；若三省分別建設現(xiàn)貨市場，網(wǎng)調調頻出清結果將作為省級市場開展的前提。按分別控制區(qū)組織的思想跟三省獨立開展調頻市場基本一致，只是由網(wǎng)調統(tǒng)一組織，需求、競爭及費用結算都以各控制區(qū)為邊界。該模式可持續(xù)性不強，若東北以省級為單位開展現(xiàn)貨市場建設，可將ACE調節(jié)的調頻市場模塊交由各控制區(qū)自行出清運作。

需要注意的是，在調頻市場模式選擇上，按統(tǒng)一控制區(qū)組織和各控制區(qū)分別組織，由于其市場組織與調度工作方式會與后續(xù)現(xiàn)貨市場形態(tài)關系密切，如在現(xiàn)貨市場已成型后再進行調整，很難避免“牽一發(fā)而動全身”的挑戰(zhàn)。東北地區(qū)的調頻市場建設可根據(jù)實際需求，參考上述4個方案，決策最適合的市場模式和實施方式。

2.2 市場主體準入

當前東北電網(wǎng)調頻資源有限，系統(tǒng)頻率較高時段占比高，極端情況下有較大的向下調頻需求。因此，在市場建設時，可考慮將更多的市場主體納入服務提供者的范圍[12-15]，更好地保障系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。當前，新建設的風光機組并網(wǎng)時需加裝儲能裝置，獨立的儲能供應商也作為市場主體參與了東北地區(qū)的輔助服務市場。將含有儲能的市場主體納入調頻市場，有利于系統(tǒng)的實時頻率調整，也有利于安裝儲能設施的新能源企業(yè)及獨立第三方服務商以市場化的手段回收其容量建設的成本[16-18]。在實時調用時，考慮到當前網(wǎng)源結構及系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，在調用時，可以以火電聯(lián)儲、水電(包括抽水蓄能)、風光聯(lián)儲、獨立儲能的順序，按市場需求和規(guī)則完備程度，進行調頻資源的準入和調用。

2.3 補償與分攤

在結算層面，調頻市場的建設可采用里程補償和容量補償?shù)姆绞竭M行相關補償?shù)挠嬎?。在容量市場上提前鎖定容量，并以實際里程作為機組參與調頻實際貢獻的衡量。考慮到當前已有的補償電量與里程補償具有較高的相似性，且當前東北地區(qū)現(xiàn)貨電能量市場的建設還未提上日程，因此東北地區(qū)建設調頻市場時，應立足當前、展望未來，因此里程補償?shù)囊霊煌碛谌萘垦a償。在分攤方案的制定上，可以采用按實發(fā)電量分攤、按上網(wǎng)電量分攤、或類比深調按調頻貢獻程度分攤；當市場發(fā)展到一定階段，尤其是用戶側可以實現(xiàn)較為精確的計量時，可考慮按造成調頻需求的大小分攤，甚至引入用戶側及受端省份參與分攤。

2.4 銜接方式

在未開展現(xiàn)貨電能量市場的情況下，進行調頻服務的服務單元可以在日前確定，也可以實時按需調用時確定；在開展現(xiàn)貨電能量市場的情況下，調頻市場應提前預留調頻容量。常用的調頻需求計算通過新能源偏差和負荷偏差之和進行確定，見式(1)。

(1)

(2)

由于調頻、電能量和調峰市場都是對機組容量空間的競爭，因此機組在3個市場中的區(qū)間不可互通。機組在深度調峰市場中標并降低出力至最小技術出力以下時段，不應再參與調頻和電能量市場；調頻市場中標后，相應的出力空間應從電能量市場的申報范圍中剔除。

3 東北調頻輔助服務市場建設路徑

起步階段，調頻市場與計劃模式銜接，一方面完善東北地區(qū)輔助服務市場體系的建設，另一方面可以一定程度培養(yǎng)市場主體的意識，也有利于市場運營主體了解東北地區(qū)AGC單元的調節(jié)性能和調節(jié)成本。此時調頻市場采用日前排序、實時按需調用、事后結算的模式開展。以火電聯(lián)儲、水電機組(包括抽水蓄能)、風光聯(lián)儲、獨立儲能的順序，引入更多市場參與主體，豐富調頻資源，保障系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

過渡階段，調頻市場與現(xiàn)貨電能量市場銜接，可以調頻市場獨立運行、優(yōu)先于電能量市場出清的方式起步，通過提前鎖定調頻容量的方式，以日前集中競價、日內正式出清的方式進行調頻市場的組織。調頻市場的出清結果應作為各級現(xiàn)貨市場(省內/省間)開展的前提。此時除了推進更多市場主體的加入外，可考慮在結算階段轉變?yōu)榘簇煼謹偟慕Y算模式。

成熟階段，調頻市場與相應級別的現(xiàn)貨電能量市場統(tǒng)一優(yōu)化、聯(lián)合出清。此時，市場體系完善，各市場定位清晰。通過市場化的手段，實現(xiàn)資源的最優(yōu)化配置。

4 結論

結合東北當前所處的調頻資源有限、輔助服務市場建設體系有待進一步完善的需求，和電力體制深化改革的要求，本文指出了東北調頻市場建設的關鍵在于明確市場定位，并從市場模式層面提出了4種可行方案：部分機組調頻率，全網(wǎng)集中組織；部分機組調頻率，按控制區(qū)組織；全網(wǎng)機組調頻率，全網(wǎng)集中組織；全網(wǎng)機組調頻率，按控制區(qū)組織。

4種方案的主要區(qū)別在于調頻市場建設目標及組織方式。同時，討論了市場主體的參與方式和結算原則、以及調頻市場與其他市場的銜接。

在此基礎上，討論了東北地區(qū)調頻輔助服務市場建設的起步階段、過渡階段和成熟階段的工作重點。

a.起步階段主要任務是在保障系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)調頻輔助服務的市場化，并同步完善輔助服務市場體系的建設，促進市場主體市場意識的培養(yǎng)。

b.過渡階段，則是完成與各級現(xiàn)貨電能量市場的銜接。

c.成熟階段，實現(xiàn)主輔市場的聯(lián)合出清。

東北調頻輔助服務市場的建設可為當前未運行現(xiàn)貨電能量市場、且未建設調頻輔助服務市場的省份或區(qū)域提供思路上的借鑒參考。