电力交易系列：调频辅助服务市场概况
交能网团队整理德国亚琛工业大学(RWTH-Aachen University)电力系统和能源经济研究院(IAEW)各种资料，经该所所长Albert Moser教授指导，整合提炼德国经验，结合中国国情，推出电力生产与电力交易领域深度学习系列，致力降低行业门槛。共分12期，本文为第8期。
输电商的任务之一是维持发电与用电的实时平衡，从而保证电网频率的相对恒定。对此，输电商需要在电力市场中购买调频功率。发电方将手中的一部分电厂作为备用，专门为输电商出售调频功率等电力系统辅助服务。
图片1 调频辅助服务的调用与电网频率的维持
发电厂的排程安排通常由市场决定，主要基于所预测的用户侧需求和新能源发电量。当预测与实际有所偏差时，例如预测失准，负荷波动或者电厂的意外停机，都会打破发电与用电的平衡，从而导致电网频率的波动。当平衡条件不满足时，首先会引起发电机和马达的转子动能的改变。若发电量小于用电量，转子转速会逐渐降低，从而使得电网频率下降。若发电量大于用电量，转子转速会逐渐升高，从而使得电网频率上升。而备用平衡的电厂的启动有所延迟，过一段时间后，系统又将会在50Hz达到新的平衡。
下图展示了当某电厂故障停机后，系统的频率变化。
图片2 某电厂故障停机后系统频率变化
瞬时备用(第1阶段)
因为电厂突然停机而导致的供应缺口不能瞬时补偿，所以这部分能量会由发电机和马达的转子动能来提供，其转速也随之逐渐降低，进一步导致电网频率的下降。这部分能量缺口会按照相关联的发电机和马达的各自转子质量来分摊。因此，瞬时备用仅由相关连接设备的质量大小来决定。
一次调频(第2阶段)
频率的降低必须尽快由启动备用来补偿。在某些具有热力或者水力储存能力的电厂中，调速器可以在频率下降后的数秒内实现发电功率的线性提高。为了能使每个机组所提供的调频功率尽可能得小，从而在较短时间内提供调频功率，所有的输电系统运营商都要通过尽可能多的可调转速发电机组来参与一次调频，因为少量的偏差也会危及整个系统。
一次调频仅仅是调节频率，采用比例调节，从而使得电厂突然停机而导致的供应缺口分摊到每一个备用电厂。为保证备用功率与供应缺口相匹配，所有的发电厂调速器比例调节参数P都近似相等。由于比例调节的特点，一次调频结束后存在准静态偏差。
欧洲标准是：在两个大型发电机组突然停机的情况下，电网频率的波动在允许范围内。这就要求一共有3000MW的一次调频备用功率，并且能在30s内启动。
二次调频(第3阶段)
鉴于一次调频作用时间较短，需尽快启用二次调频。要求在五分钟内启动，由水电厂、能够快速启动的燃气发电机组和蒸汽发电机组的功率调节来实现。二次调频的启用时自动的，但是仅限于受影响的电网区域内。
三次调频(第3阶段)
当电厂突然停机而导致的供应缺口较大时，除了上述措施外，还需要三次调频的参与。它通过人工操作实现，要求在15分钟内启动，并可以持续作用1小时。此时，一次及二次调频逐渐减少投入至零。
应德国联邦网络管理局的要求，德国输电商自2006年起，在网站上公开招标一次、二次及三次调频备用，符合条件的发电企业可以承标，按要求提供调频备用服务。
按照调频类型、备用方向、预留时间以及可提供的最低备用来划分，欧洲能源交易所(EEX)上交易的调频辅助服务产品包括以下类型。
其中，正向调频指提高电网频率的备用，如提高电厂的发电功率;负向调频指降低电网频率的备用，如降低电厂的发电功率。
根据系统需要，不同国家和地区对辅助服务的定义、分类和标准有各自的约定。我国现行的辅助服务主要在发电环节，分为基本辅助服务和有偿辅助服务两大类。基本辅助服务是指为了保障电力系统安全稳定运行，保证电能质量，发电机组必须提供的辅助服务;有偿辅助服务是指并网发电厂在基本辅助服务之外所提供的辅助服务。
其中，一次调频属于基本辅助服务，不进行经济补偿;自动发电控制(AGC)、有偿调峰、旋转备用等调频服务属于有偿辅助服务，基于成本进行经济补偿。
我国的电力辅助服务市场建设也是和电力市场化进程相伴相随。早在2009年5月，京津唐电网根据华北区域辅助服务与并网考核实施细则，率先在全国建立了基于成本加合理收益的辅助服务交易机制，品种有自动发电控制(AGC)、无功、调峰、黑启动等。随后辅助服务交易陆续在华东地区等地开展。
新电改也将辅助服务市场建设视为一大重点，在“电改九号文”中已明确提出，要“建立辅助服务分担共享新机制”。 2016年5月，国家能源局发布《国家能源局关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿(市场)机制试点工作的通知》;8月，湖南省发布《抽水蓄能辅助服务专项市场交易规则》;11月，国家能源局发布《关于同意开展东北区域电力辅助服务市场专项改革试点的复函》。
2016年12月29日，国家发改委、国家能源局印发《电力中长期交易基本规则(暂行)》。其中不仅详细规定了电能量中长期交易规则，还对辅助服务市场化提出了指导性要求，是对“九号文”进一步深化。
按照规划，未来我国成熟的电力市场中，会有双边交易、中长期交易、日前和实时交易等多种交易方式，特别是在风、光、储等新能源迅速发展，大电网结构日趋复杂的背景下，完善优质的辅助服务是能量市场和电网安全可靠运行的基础。通过市场机制建立公平、规范、高效的辅助服务交易平台，分阶段逐步深化开展调频、调峰、备用、无功等多品种的交易，可以提高电力系统的运行效率，提升电网安全可靠运行的综合效益。
