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“兩個細(xì)則”已對轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行了補(bǔ)償和分?jǐn)偅瑯?biāo)志著轉(zhuǎn)動慣量運(yùn)行價值得到正式認(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)實意義。

（來源：電聯(lián)新媒 作者：國家電網(wǎng)有限公司華東分部調(diào)度控制中心　胡朝陽　孫志豪 南京國電南自自動化有限公司 郭樂）

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，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，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?？梢?，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：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），能夠為系統(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。

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，在這個時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，這個時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)頻的作用時間可能存在部分重疊。根據(jù)歷史統(tǒng)計數(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)。考慮到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”報價，即發(fā)電機(jī)組申報電能價格、啟動成本和空載成本，只是在市場實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“兩個細(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)市場時具有顯著優(yōu)勢：該市場的標(biāo)的是電力，但作用時間僅需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提供即時功率支撐的關(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，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，申報轉(zhuǎn)動慣量容量（單位：兆瓦）和轉(zhuǎn)動慣量價格（單位：元/兆瓦），隨后市場進(jìn)行出清計算。市場出清可采用邊際出清方式（MCP），也可采用按報價出清方式（PAB），但是建議在市場初期采用邊際出清方式，因為至少在理論上MCP鼓勵供應(yīng)商按照邊際成本報價，而PAB有可能鼓勵投機(jī)報價。

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)容量而非實際調(diào)用電量。這種設(shè)計是由轉(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)，隨時待命提供轉(zhuǎn)動慣量支持。采用按實際調(diào)用電量付費(fèi)的方式并不合理，因為轉(zhuǎn)動慣量預(yù)留容量的核心價值恰恰在于“備而不用”——這種常態(tài)化的備用狀態(tài)正是其運(yùn)行價值所在。當(dāng)然，為確保系統(tǒng)可靠性，必須建立完善的日?？己藱C(jī)制，通過定期檢測驗證轉(zhuǎn)動慣量預(yù)留容量的可用性，保證在真實發(fā)生大功率缺失擾動時能夠?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)?/span>

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，一個標(biāo)準(zhǔn)且穩(wěn)定的電網(wǎng)頻率同時有益于發(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。（本文僅代表作者個人觀點）