第四章 電市場中的輔助服務(wù)

第二章和第三章介紹的電力商品交易的標(biāo)的均為電能，本章介紹電力市場中輔助服務(wù)如何按照市場模式進行交易。

第1節(jié)概述

隨著電力市場的發(fā)展，輔助服務(wù)(Ancillary Services)越來越受到大家的關(guān)注。“輔助服務(wù)”概念的提出體現(xiàn)了對電力系統(tǒng)運行方式的再認識。

那么，究竟什么是輔助服務(wù)呢?

電力系統(tǒng)的主要功能是發(fā)電、輸電和供電給用戶。但是，為了滿足供電質(zhì)量要求，在必要情況下，必須由一定類型的技術(shù)和設(shè)施來保證電力系統(tǒng)可靠性和安全性。這些技術(shù)和設(shè)施全部稱為輔助服務(wù)。這樣，我們所說的通常意義上的輔助服務(wù)，相對于有功市場而言，是指為了保障電力系統(tǒng)安全、促進電力交易和保證電力供應(yīng)，由發(fā)電商提供的除正常電能生產(chǎn)外的額外服務(wù)。

1.1 輔助服務(wù)市場的必要性

在市場環(huán)境下，大多數(shù)輔助服務(wù)由生產(chǎn)電能的同樣設(shè)備提供，這使電能市場和輔助服務(wù)市場耦合在一起。為了避免不同的市場之間的交叉補貼，電力市場的設(shè)計難度被大大的增加了。這樣一來，是否有必要設(shè)計專門的輔助服務(wù)市場呢?能否簡單的對輔助服務(wù)的提供商給予一定的補償來避免整個機制的復(fù)雜化呢?我們接著分析。

為了維持電力商品的質(zhì)量，發(fā)電商應(yīng)提供調(diào)頻、擔(dān)任事故備用和電壓支持的服務(wù)。不是所有的發(fā)電機組都能提供這種服務(wù)，只有裝有調(diào)頻裝置和跟蹤負荷能力強的發(fā)電機組才能提供這種服務(wù)。發(fā)電公司必須為提供這種服務(wù)付出代價(包括設(shè)備投資和放棄在現(xiàn)貨市場上的競價機會)。交易中心必須對發(fā)電公司提供的服務(wù)進行補償。輔助服務(wù)市場正是組織發(fā)電公司對輔助服務(wù)的需求進行的競爭，從而發(fā)現(xiàn)發(fā)電公司提供的輔助服務(wù)的市場價值，并按這一價值對發(fā)電公司進行結(jié)算。因此，輔助服務(wù)市場的開展是勢在必行的。

1.2輔助服務(wù)的分類

美國聯(lián)邦能源管制委員會( FERC)規(guī)定了六種類型的輔助服務(wù)：

1、計劃、系統(tǒng)控制和調(diào)度;

2、無功出力與電壓控制;

3、調(diào)節(jié)與頻率響應(yīng);

4、不平衡電能;

5、旋轉(zhuǎn)備用;

6、運行備用。

其實計劃、系統(tǒng)控制和調(diào)度并不是真正意義上的輔助服務(wù)，因為只有系統(tǒng)運行調(diào)度機構(gòu)才能履行這些職能。消除系統(tǒng)電量不平衡是設(shè)置實時市場的主要目的，而且本質(zhì)上頻率響應(yīng)、旋轉(zhuǎn)備用和運行備用等都是消除能量不平衡的手段，所以不平衡電能并不應(yīng)該作為一項輔助服務(wù)。

電力系統(tǒng)有四個主要變量：有功、無功、頻率和電壓。有功是電力市場交易的主要產(chǎn)品，由于負荷和系統(tǒng)狀態(tài)(發(fā)電機或線路故障等)的不確定性，必須有一定的備用容量以保證有功交易和交割的順利實現(xiàn)。電力系統(tǒng)的頻率必須在規(guī)定范圍內(nèi)，如果頻率偏差較大，必須有AGC機組來進行調(diào)頻(此外，AGC還可以調(diào)節(jié)聯(lián)絡(luò)線功率偏差)。除了有功，系統(tǒng)還必須有一定的無功使得電壓維持在適當(dāng)?shù)乃健Ａ硗猓绻到y(tǒng)發(fā)生較大故障致使系統(tǒng)崩潰，這時必須有一些機組能夠自啟動并帶動整個系統(tǒng)恢復(fù)供電。綜上所述，電力市場的輔助服務(wù)主要包括：AGC、備用、無功支持和黑啟動，世界上主要電力市場的輔助服務(wù)基本也是這么分類的。

有一點值得強調(diào)的是：輔助服務(wù)并不等于輔助服務(wù)市場!國外各電力市場都定義了自己的輔助服務(wù)項目，但并不是都組織了輔助服務(wù)市場。有的是采用簡單的補償機制，有的是開展市場競爭。即使組織了輔助服務(wù)市場，也并不是所有的輔助服務(wù)項目都通過競標(biāo)市場來獲得。

設(shè)置輔助服務(wù)市場的電力市場主要有澳大利亞、美國新英格蘭、美國PJM、美國加州和美國紐約州。

下面我們逐一加以介紹。

(1)負荷跟蹤與頻率控制(AGC)

實時處理較小的負荷與發(fā)電功率的不匹配，維持系統(tǒng)頻率，并使控制區(qū)內(nèi)負荷與發(fā)電功率的偏差及控制區(qū)之間的交換功率實際值與計劃值的偏差最小。

(2)備用 電力系統(tǒng)安全防線

電力系統(tǒng)除滿足最大負荷需求外，為保證電能質(zhì)量和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行而保持的有功功率儲備。按照響應(yīng)速度備用可以細分為：旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用、替代備用等。

(3)無功電壓支持

通過發(fā)電機或輸電系統(tǒng)中的其他無功電源向系統(tǒng)注入或從系統(tǒng)吸收無功功率，以維持輸電系統(tǒng)的電壓在允許范圍內(nèi)。

我們都知道，無功在電例上的流動會引起l冽損，甚全會帶來電壓穩(wěn)定性問題。

因此無功只能就地平衡，絕不能搞資源優(yōu)化配置。

(4)事故后恢復(fù)服務(wù)(黑啟動)

整個系統(tǒng)因故障停運后，可以不依賴別的外來電源幫助，通過啟動系統(tǒng)中具有自啟動能力的機組來帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復(fù)。電網(wǎng)的黑啟動以電力的黑啟動為前提。黑啟動電力應(yīng)具備在沒有外援廠用電的情況下啟動發(fā)電機的能力。

1.3輔助服務(wù)的特點

輔助服務(wù)有三個顯著的特點：

輔助服務(wù)市場與電量市場是并列的。

兩個比較特殊的輔助服務(wù)就是AGC和旋轉(zhuǎn)備用，這些服務(wù)需要發(fā)電機組不能帶足夠負荷，維持一定在線容量，以滿足實時容量需求或者提供平衡電能。

輔助服務(wù)的特征是提前預(yù)留容量，并在實時調(diào)度中分配電量。這意味著需要支付兩類相關(guān)價格：容量價格和電量價格。

1.4輔助服務(wù)成本分析

在我國，輔助服務(wù)問題長期未引起足夠的重視。傳統(tǒng)的調(diào)度機制下，電廠提供各類輔助服務(wù)被規(guī)定為“義務(wù)”。長期無償提供輔助服務(wù)，也使發(fā)電企業(yè)對維護系統(tǒng)的安全性和可靠性失去足夠的積極性。在市場環(huán)境下，發(fā)電企業(yè)是獨立的經(jīng)濟實體，所提供的輔助服務(wù)應(yīng)該是有償?shù)摹?yīng)從成本角度分析各類輔助服務(wù)，建立輔助服務(wù)的成本模型。由于發(fā)電機組提供輔助服務(wù)時，往往同時提供大量電能，這部分電能又屬于輔助服務(wù)的服務(wù)費用。因此，輔助服務(wù)成本研究的一個值得注意的問題就是盡量將輔助服務(wù)成本與發(fā)電部分的成本分離，以避免由輔助服務(wù)和電量雙重結(jié)算而造成的成本重復(fù)計算。

輔助服務(wù)的成本可以分為固定成本和可變成本。

一、固定成本

從輔助服務(wù)的固定成本投資看，可以分為兩類：一類是輔助服務(wù)與發(fā)電服務(wù)共享相同的固定成本;另一類是輔助服務(wù)必須添加特殊的裝置或設(shè)備的成本。

哪些情況是輔助服務(wù)與發(fā)電服務(wù)共享相同的固定成本呢?提供這類輔助服務(wù)無需額外添加裝置或設(shè)備。大多數(shù)輔助服務(wù)都屬于這類情況。

比如：發(fā)電機既可發(fā)出有功，也可發(fā)出無功。但生產(chǎn)的主要產(chǎn)品是有功電量，無功電量是其副產(chǎn)品，因而難以確定哪一部分為有功設(shè)備投資，哪一部分為無功設(shè)備投資。再如：發(fā)電機組既可以發(fā)電，也可以提供各類備用。很難確定哪一部分為發(fā)電投資，哪一部分為備用投資。

某些輔助服務(wù)必須添加特殊的裝置或設(shè)備才能完成。比如：AGC輔助服務(wù)要求火電機組具備調(diào)頻器(LFC裝置)和CCS(協(xié)調(diào)控制系統(tǒng))，以便提供良好的頻率響應(yīng)和負荷調(diào)節(jié)的能力;又如：黑啟動服務(wù)要求機組具備無需外部電源的自啟動裝置，從而可以完成機組重啟動，并恢復(fù)系統(tǒng)的供電。

這部分裝置的固定成本屬于輔助服務(wù)的固定成本。

二、可變成本

輔助服務(wù)的可變成本包括兩部分：

(1)輔助服務(wù)的運行成本

輔助服務(wù)的運行成本主要是調(diào)用該輔助服務(wù)時發(fā)電的服務(wù)成本。調(diào)用該輔助服務(wù)時的發(fā)電過程與普通的發(fā)電過程的成本基本相同，額外增加的成本很小。

在AGC、各類備用、無功和黑啟動等輔助服務(wù)的運行過程，基本等同于普通的發(fā)電過程或啟動過程，額外只是增加機組的銅耗和磨損的成本，這部分成本可忽略。由于發(fā)電的服務(wù)成本可以在電量市場中結(jié)算，因此，輔助服務(wù)的運行成本屬電量成本，在輔助服務(wù)成本研究中不必考慮，以避免重復(fù)計算。

(2)維持輔助服務(wù)能力的成本

維持輔助服務(wù)能力的成本包含兩方面：

1)維持輔助服務(wù)的附加成本

從維持輔助服務(wù)能力的附加成本看，絕大多數(shù)輔助服務(wù)容量的預(yù)留，都將導(dǎo)致發(fā)電運行成本的增加。

機組煤耗曲線近似為下降型或倒鉤型，單位發(fā)電成本通常隨機組出力的增加而減少。提供旋轉(zhuǎn)備用的機組，將導(dǎo)致機組出力點的下降和發(fā)電煤耗的上升。維持旋轉(zhuǎn)備用的附加成本，就是這部分增加的發(fā)電成本。

2)損失的機會成本

維持某項輔助服務(wù)能力，將導(dǎo)致機組在電量市場或其他輔助服務(wù)市場中獲利機會的喪失，從而產(chǎn)生機會成本。如下圖所示，PRHL和PRLL分別為機組f的自動調(diào)節(jié)能力上、下限，提供AGC輔助服務(wù)的機組只能工作在區(qū)間[PRHL，PRLL]之內(nèi)，從而導(dǎo)致機組實際的可發(fā)電容量下降。PA+i，和PA-i分別表示機組i為系統(tǒng)提供的向上、向下AGC調(diào)節(jié)容量。為提供這些AGC調(diào)節(jié)容量，機組的AGC基值點將被設(shè)置為PBi，機組運行點只將以PBi為中心響應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)整。

不但AGC、備用等與有功容量有關(guān)的市場會產(chǎn)生機會成本，無功服務(wù)也會產(chǎn)生機會成本。發(fā)電機提供無功時基本不消耗燃料，只是減小其發(fā)有功的能力(見下圖)。例如，如果發(fā)電機的無功要從QA增加到QB，則其有功仍為PA;但如果發(fā)電機的無功要從QA增加到Qc，則其有功必須從PA減少到PC。

從上面的分析我們得知，絕大多數(shù)輔助服務(wù)要求機組提前預(yù)留容量，壓低出力運行，并根據(jù)實時調(diào)度需要參與運行調(diào)用。機組壓低出力運行，可能犧牲部分參與電量市場或其他輔助服務(wù)獲利的機會，機組每提供一種輔助服務(wù)，就放棄了選擇其他方法獲利的機會。使用一種電力資源的機會成本，就是放棄的在其他用途中所能獲得的最大利益。比如：將機組容量投入電量市場的機會成本是舍棄輔助服務(wù)市場的最大獲利，旋轉(zhuǎn)備用的機會成本是舍棄電量市場或其他輔助服務(wù)的最大獲利。

對輔助服務(wù)進行成本分析，可以幫助發(fā)電商正確認識輔助服務(wù)的價值，適度分配自身有限的發(fā)電能力，從而進行合理的報價。對于交易中心而言，分析輔助服務(wù)的成本可以對所需的輔助服務(wù)做到心中有數(shù)，以便合理組織輔助服務(wù)交易，并幫助識別發(fā)電商提供輔助服務(wù)時明顯的投機行為。

第2節(jié)AGC市場

AGC(Automatic Generation Control，自動發(fā)電控制)的基本目的是通過調(diào)整被選定的發(fā)電機的輸出，使系統(tǒng)頻率恢復(fù)到指定的正常值以及保證控制區(qū)域之間的功率交換為給定值。這個功能通常稱為負荷—頻率控制(LFC)。AGC系統(tǒng)的控制目標(biāo)為區(qū)域控制誤差A(yù)CE (Area Control Error)。

電力系統(tǒng)的有功不平衡負荷表現(xiàn)為頻率的波動和聯(lián)絡(luò)線潮流的變化等信號。當(dāng)系統(tǒng)頻率偏離正常值時，所有發(fā)電機組和負荷都會按其頻率特性進行調(diào)整，即所謂的一次調(diào)頻。但一次調(diào)頻是有差調(diào)節(jié)，此頻率偏差必須經(jīng)過AGC機組的進一步調(diào)整才能消除，這就是二次調(diào)頻。經(jīng)過二次調(diào)頻不但消除了頻率偏差，而且所有非AGC機組的出力將恢復(fù)其計劃安排值。

電力系統(tǒng)對AGC的需求為維持系統(tǒng)頻率及聯(lián)絡(luò)線交換功率的調(diào)節(jié)容量。

為什么要開展AGC市場呢?首先，機組為了提供AGC服務(wù)，加裝了額外的AGC設(shè)備，使發(fā)電成本增高，這部分成本必須給予補償;另外，由于必須預(yù)留一定的有功容量才能提供AGC服務(wù)，工作在AGC基值點上將犧牲部分可發(fā)電空間的發(fā)電利潤。所以在市場機制下，機組不愿再像傳統(tǒng)體制那樣無償提供。解決這個問題的最簡單的方法就是對AGC機組預(yù)留容量而損失的機會成本等進行直接補償。但為了體現(xiàn)公平、公正，通過市場競爭提供AGC是一個更好的方式。AGC機組一旦交易成功，即使沒有被調(diào)用，也仍然要對其支付容量費用;

AGC與其他輔助服務(wù)的競價過程是是分離的。在AGC市場上，機組申報的調(diào)頻容量—價格曲線。報價方分別提交的AGC市場的容量報價與電量市場的電量報價。這樣，AGC輔助服務(wù)如果在市場中被調(diào)用，還需支付其電量費用。

下圖為AGC市場的交易決策圖。

我們可以看到，AGC市場優(yōu)先于電量市場成交，這也就是說發(fā)電商一旦在AGC市場上中標(biāo)，在電量市場上必然要保證其出力。廠商可以利用這一特點進行市場投機。

請讀者思考：如何利用市場規(guī)則規(guī)避發(fā)電廠商的這一投機行為呢?

AGC市場何時組織較為合適呢?我們認為日前組織AGC市場可以較準(zhǔn)確地購買AGC服務(wù)，減少冗余購買;可以與日前發(fā)電計劃相結(jié)合，充分考慮機組的帶負荷情況;還可以允分考慮水電廠水庫蓄水量和來水情況。

第3節(jié) 旋轉(zhuǎn)備用市場

當(dāng)由于負荷預(yù)測偏差較大或設(shè)備故障等原因而造成發(fā)電計劃與實際負荷偏差較大時，AGC機組會在很短的時間內(nèi)(秒級)動作消除此偏差。但為了維持系統(tǒng)的AGC能力，調(diào)度機構(gòu)還必須定期(十分鐘或更長)的調(diào)用備用使得AGC機組返回其基值點。在市場機制下，機組不愿無償提供備用，必須組織備用市場。

在電力系統(tǒng)運行中，需要不同響應(yīng)時問的備用來滿足系統(tǒng)的可靠性要求。在電力市場中一般將備用分為旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用以及慢速備用。多數(shù)市場規(guī)定，旋轉(zhuǎn)備用為與系統(tǒng)同步運行的機組10分鐘內(nèi)可以增加(調(diào)節(jié))的備用容量。非旋轉(zhuǎn)備用通常為幾十分鐘之內(nèi)可以迅速開機并帶負荷的機組。對于系統(tǒng)的慢速備用，如30分鐘或60分鐘的替代備用，通常為防止系統(tǒng)出現(xiàn)第二次意外事故而設(shè)置，所以，系統(tǒng)的替代備用需求是維持機組N-2安全約束所需的容量。系統(tǒng)的替代備用不應(yīng)低于電網(wǎng)中的單機容量次高的機組。這三種備用一般通過市場競價的方式獲取。本節(jié)以旋轉(zhuǎn)備用為例進行分析。

旋轉(zhuǎn)備用分為正備用和負備用。當(dāng)提供正備用服務(wù)時，發(fā)電機組不能帶足負荷，而維持一定在線容量，以滿足實時容量需求或者提供平衡電能。除電量價格外，必須支付容量價格來對機組進行補償。因此需要組織市場進行備用容量報價。與之相反的是，負備用因為沒有機會成本，所以無須組織報價。近年來，可中斷負荷作為一種暫時的備用也可以參與備用市場。

備用市場中，系統(tǒng)備用的機組申報的數(shù)據(jù)應(yīng)包括單位備用容量—價格曲線。和備用機組調(diào)節(jié)速率。可中斷負荷申報的內(nèi)容更為詳細，包括：可中斷時間區(qū)間，中斷提前預(yù)知時間，中斷持續(xù)時間，中斷負荷容量范圍，中斷負荷—價格曲線。可中斷負荷索然可以看作是虛擬的發(fā)電機，但并不真正向系統(tǒng)提供電能，所以不需要進行電量報價，其切負荷電量后應(yīng)該按現(xiàn)貨供電價格支付。

備用市場竟價容量需要滿足常規(guī)的可靠性和安全性標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)正備用應(yīng)該達到系統(tǒng)負荷的3-5%。系統(tǒng)的備用容量應(yīng)該在備用市場開市前公布系統(tǒng)需求。出于備用容量付費考慮，備用市場必須同電量市場分離出來。類似于AGC市場，備用機組在申報中應(yīng)該既申報電量價格又申報容量價格。對備用機組的排序，僅按備用容量價格作為排序的指標(biāo)。加州電力市場中，將容量電價和電量電價結(jié)合在一起，在容量電價前乘以調(diào)用概率系數(shù)。備用機組也參與現(xiàn)貨有功電量市場的競爭，備用機組的電量報價取其在日前有功電量市場上的報價。備用機組的電量報價也影響現(xiàn)貨電量價格。

備用市場也應(yīng)在日前組織，這樣能與預(yù)調(diào)度發(fā)電計劃結(jié)果結(jié)合起來，可以充分考慮機組的負荷剩余情況;另外針對各時段備用需求的分時購買，可以降低系統(tǒng)備用的總購買成本(如市場采用分峰谷時段競價)。同時日前組織市場也能對日前市場發(fā)揮積極的影響，有益于日前市場報價的理性化。日前組織的備用市場可以在最后決策，這樣不會影響發(fā)電權(quán)交易結(jié)果，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化配置。

備用市場還存在一個特殊性的問題，就是備用的空間分布由于電網(wǎng)中機組分布的不均勻、負荷分布的不均勻，特別是電網(wǎng)傳輸容量的限制，雖然電網(wǎng)中的總備用容量充足，但在實際運行時卻無法調(diào)用。

請讀者思考：如何解決這一問題?

本書提供兩種解決方案供讀者參考。一是采用分區(qū)備用電價其原理與分區(qū)電價相同，而是組織發(fā)電權(quán)和用電權(quán)的市場來實現(xiàn)備用的自我轉(zhuǎn)移。