輔助服務通常定義為除了電能以外為了保證電網(wǎng)安全、可靠所必須提供的服務。但是目前輔助服務并沒有一個統(tǒng)一的定義。有學者認為輔助服務是由于一些不可預測的因素, 如氣溫波動、交易變動等引起的負荷隨機波動、機組被迫停機等突發(fā)事件, 為保證電網(wǎng)有功無功實時平衡及系統(tǒng)穩(wěn)定運行而必須提供的服務[40]。也有學者認為輔助服務是發(fā)電廠為了保證電力系統(tǒng)安全可靠運行必須采取的措施[41]。文獻[42]全面介紹了穩(wěn)定系統(tǒng)運營所需的輔助服務。文獻[43]和文獻[44]總結(jié)了11種電力系統(tǒng)輔助服務機制, 并強調(diào)了它們的經(jīng)濟性特征。根據(jù)聯(lián)邦能源管制委員會(FERC)的有關(guān)規(guī)定, 輔助服務有利于電能從供應側(cè)到需求側(cè)的穩(wěn)定傳輸, 保證輸電系統(tǒng)能夠安全、可靠地運行。FERC在開放的準入輸電服務價目表中定義了6種輔助服務[45], 分別是調(diào)度和系統(tǒng)控制、無功備用和電壓調(diào)整、調(diào)節(jié)和頻率響應、能量不平衡出力、旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用。

 

電力系統(tǒng)必須時刻保證發(fā)電和用電的平衡。但是突然出現(xiàn)的發(fā)電缺額或者主要輸電線路損壞需要輔助服務在最短時間內(nèi)保證供需平衡[46]。一旦系統(tǒng)頻率出現(xiàn)較大偏差, 發(fā)電機組就會脫機從而引發(fā)一系列錯誤, 嚴重的將會導致系統(tǒng)崩潰和大面積停電。輔助服務最大的價值就體現(xiàn)在備用容量及快速可靠響應系統(tǒng)不平衡的能力。隨著中國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展, 需要更多靈活的資源提供快速、可靠的響應以維持系統(tǒng)平衡。

 

 

智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展使得傳統(tǒng)的集中式發(fā)電廠向不可調(diào)度的分布式新能源發(fā)電機轉(zhuǎn)變, 給電力系統(tǒng)運營帶來了很多困難。其中一個就是如何在可再生能源隨機分布的情況下保持電力系統(tǒng)平衡。目前國內(nèi)電力系統(tǒng)主要依靠集中式的化石燃料發(fā)電廠來提供輔助服務。但是, 隨著可再生能源機組逐漸增多, 系統(tǒng)不確定性增加, 傳統(tǒng)的發(fā)電廠難以通過提供轉(zhuǎn)動慣量來穩(wěn)定系統(tǒng)頻率[47]。需要更靈活的資源一起提供輔助服務。智能電網(wǎng)的快速發(fā)展為需求響應提供了技術(shù)支撐。在需求側(cè)應用信息通信技術(shù)及高級量測體系, 可以通過雙向互動智能用電實現(xiàn)負荷優(yōu)化調(diào)度, 為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用等服務[23]。

 

利用需求響應提供輔助服務, 對中國電力系統(tǒng)的運行與發(fā)展具有重要作用。發(fā)電機提供輔助服務受爬坡速率約束, 反應較慢且成本較高。如果由常規(guī)機組承擔新增的輔助服務需求, 會帶來巨大的建設投入, 降低了系統(tǒng)運行效率, 并且難以滿足國內(nèi)部分地區(qū)高受電比例電網(wǎng)安全運行的要求。除此之外, 一旦參與提供輔助服務的發(fā)電機響應延遲或不啟動, 就會造成大量旋轉(zhuǎn)備用容量缺失, 從而引發(fā)系統(tǒng)崩潰。相反, 需求響應資源一般較為廉價, 也更容易克服通信和控制延時的問題。隨著批發(fā)市場中動態(tài)可控負荷數(shù)目逐漸增多, 系統(tǒng)運行成本逐漸減少[48]。在保證通信基礎的情況下, 無論是針對調(diào)度系統(tǒng)的指令還是價格信號, 大部分需求側(cè)資源的響應速度都比發(fā)電機更快。同時, 需求側(cè)資源由大量小型負荷集合而成, 極個別需求響應資源不響應對整體的影響很小, 使得負荷聚合商提供輔助服務更加可靠。因此, 負荷聚合商更容易完成與系統(tǒng)運營商簽訂的合同任務。綜上所述, 研究響應快、成本低的需求側(cè)輔助服務資源對于中國電力市場建設具有積極意義。

 

近年來越來越多的學者發(fā)現(xiàn)需求響應提供輔助服務的巨大潛力。需求側(cè)資源既可以用于電力資源調(diào)度[49], 也可以提供不同的輔助服務[50-51]。溫度控制負荷可以在幾分鐘內(nèi)提供輔助服務[52-55], 尤其是空調(diào)負荷具有熱存儲性能, 調(diào)度潛力很大[54]。電動汽車充放電可以在小時級時間尺度上提供輔助服務[56-57]。有學者重點總結(jié)了利用熱水器和電池儲能系統(tǒng)提供輔助服務的示范項目[58]。這些需求響應資源都表現(xiàn)出隨機循環(huán)開關(guān)的特性, 因此可以通過控制算法的設計加以利用, 讓它們在合適的時間, 以適當?shù)姆绞竭B接電網(wǎng)[59], 提供輔助服務。文獻[60]詳細介紹了各種參與提供輔助服務的需求響應, 并分別建模, 提出了需求響應參與輔助服務市場的框架, 為系統(tǒng)運營商提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。

 

根據(jù)FERC對輔助服務的定義, 考慮到負荷控制策略的靈活性及快速響應的特性,表 3總結(jié)了適合需求側(cè)資源提供的輔助服務, 分別為運行備用(旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn))、頻率調(diào)節(jié)和負荷跟蹤。

 

表3

 

 

表3需求響應提供輔助服務

 

Table3.Ancillary services with demand response

 

2.3 需求響應提供備用輔助服務

 

隨著可再生能源逐漸增多, 發(fā)電側(cè)不確定性增大, 系統(tǒng)備用容量的需求增大。同時, 用戶對電能質(zhì)量的要求逐漸增高, 渴望獲得更加可靠的電能, 因此系統(tǒng)運營商必須綜合考慮各種靈活資源來優(yōu)化運行備用。需求響應技術(shù)的發(fā)展讓負荷控制策略更具靈活性, 并且在備用市場中推廣[61-70]。提供運行備用的需求響應資源必須在10 min或更短時間內(nèi)達到預期響應量。因此可以通過直接負荷控制, 讓需求側(cè)資源, 例如帶有貯熱水箱的電熱水器, 快速響應系統(tǒng)擾動, 提供非旋轉(zhuǎn)備用[71-73]。通用電氣和夏威夷州自然能源研究所對夏威夷州的輔助服務進行了合作研究[74]。研究表明, 應該合理利用儲能和需求響應的快速響應能力來提供一定比例的旋轉(zhuǎn)備用。在需求響應與發(fā)電機協(xié)調(diào)控制方面, 有學者在計及環(huán)境因素的動態(tài)調(diào)度中考慮需求響應資源提供旋轉(zhuǎn)備用, 并且通過優(yōu)化模型最小化社會成本, 從而達到環(huán)境友好型經(jīng)濟調(diào)度的目的[75]。還有學者建立了需求響應隨機安全約束機組組合模型來提供短期備用[68]。小型負荷可以通過負荷聚合商的形式參與提供備用服務, 在市場中與傳統(tǒng)發(fā)電機組公平競爭[76-78]。然而, 響應時長的局限性限制了需求響應資源提供系統(tǒng)備用。供應側(cè)的發(fā)電量和需求側(cè)的用電量同時具有隨機波動性, 很難確定可以在市場中交易的備用容量[79]。除此之外, 雖然需求側(cè)資源可以提供快速備用, 但是由于有限的容量約束, 它們不能真正提供電能傳輸。例如:電池系統(tǒng)可以給用戶提供一定量的電能, 但是不能超過電池總?cè)萘? 熱質(zhì)量一定的需求側(cè)設備也只能在熱舒適度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移有限的電能。未來隨著中國需求響應技術(shù)的發(fā)展, 需要更深入地研究備用輔助服務的控制模型, 讓需求側(cè)資源的調(diào)控模式更精確、更有效。

 

2.4 需求響應提供頻率調(diào)節(jié)和負荷跟蹤

 

能源變革趨勢下, 世界各國開始逐步淘汰火電機組等傳統(tǒng)高污染發(fā)電機組, 取而代之的是清潔高效的間歇性可再生能源機組。隨機性的增加使得電力系統(tǒng)頻率波動增多, 幅度加大, 對提供頻率控制輔助服務提出了高要求。需求響應可以讓負荷靈活參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)而不受環(huán)境因素制約[4]。需求側(cè)許多電力設備都有一定的工作周期, 例如電冰箱、制熱通風和空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)、電熱水器等。這些靈活的需求響應資源可以響應頻率調(diào)整信號, 通過改變工作周期來提供頻率調(diào)節(jié)服務。研究表明:商業(yè)樓宇中的制熱、通風和空調(diào)系統(tǒng)調(diào)頻潛力巨大[80-85]。它們數(shù)量眾多, 可以通過聚合表現(xiàn)出很大的熱慣性, 從而抵消短期波動。不同的控制策略可以利用物理變量實現(xiàn)直接控制風扇速度, 或者操控空氣質(zhì)量流量、供氣壓力和恒溫器設定值以達到間接調(diào)頻的目的。文獻[86]提出了線性控制和預設形狀控制這兩種家用冰箱控制策略, 可以在沒有實時通信的情況下快速地提供無擾動的頻率調(diào)節(jié)服務。文獻[87]針對微電網(wǎng)提出了一種基于適應爬山法的需求響應控制策略, 從配電網(wǎng)的角度提供一次調(diào)頻, 利用步進式控制器來減少被控制負荷數(shù)量, 并通過優(yōu)化得到最小值。考慮到需求側(cè)頻率調(diào)節(jié)資源與發(fā)電機組共同參與頻率控制, 文獻[79]研究了需求響應資源的運行模式, 并且同時優(yōu)化發(fā)電機組和需求響應資源提供緊急需求響應。在輔助服務市場模式下, 需求響應聚合商根據(jù)緊急情況下的價格信號, 利用動態(tài)規(guī)劃法優(yōu)化資源來實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。文獻[88]利用分散式牽制控制策略來協(xié)調(diào)大量發(fā)電機組和大量負荷聚合商的運行, 從而讓發(fā)電機組和溫控負荷同時提供負荷跟蹤服務。發(fā)電機組通過反饋控制調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速來響應指令, 分布式溫控負荷聚合商調(diào)節(jié)溫度設定點來改變聚合的總功率。

 

3. 需求響應參與輔助服務市場

 

隨著各國電力體制改革的深入, 市場機制逐步完善, 輔助服務市場的建立可以鼓勵需求響應參與電力系統(tǒng)控制, 并且可以補償提供需求響應的用戶。美國基于電力庫的市場機制針對遠期和實時市場、聯(lián)合優(yōu)化的能源和輔助服務市場、節(jié)點邊際電價和金融輸電權(quán)市場都采用雙結(jié)算系統(tǒng)[89]。當前的輔助服務市場主要包括旋轉(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用和頻率調(diào)節(jié)[90-92]。隨著智能電網(wǎng)及可再生能源的發(fā)展, 規(guī)范這些新興市場的規(guī)則仍在不斷變化, 但是必須要保證需求響應資源可以得到公平的補償。為了衡量需求響應的參與效果從而確定補償量, 負荷資源需要通過基準測試, 并且在長期運行下保持良好的表現(xiàn)[93]。美國ERCOT, MISO, PJM和NYISO通過引入需求響應資源提供輔助服務, 除此之外, ISO-NE, BPA和CAISO開展了一些試點項目, 傳統(tǒng)電力市場正逐步向需求側(cè)的靈活資源開放。但是目前看來這些需求響應項目的參與度很低[5]。隨著通信設施變得更可靠, 應用更廣泛, 智能設備間的互動越來越便捷。大量智能設備可以協(xié)調(diào)動作完成電力系統(tǒng)所需的調(diào)節(jié)量。電網(wǎng)公司和用戶之間雙向的信息流和電力流, 促進了需求響應提供輔助服務, 例如削峰、削負荷和旋轉(zhuǎn)備用等。因此, 有效開展需求響應可以提高電力市場效率和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性[7]。

 

中國電力輔助服務市場建設與電力市場化進程相伴相隨。2009年5月, 京津唐電網(wǎng)根據(jù)華北區(qū)域輔助服務與并網(wǎng)考核實施細則, 率先在全國建立了基于成本加合理收益的輔助服務交易機制, 隨后輔助服務交易陸續(xù)在華東地區(qū)等地開展。2015年3月《進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)〔2015〕9號)發(fā)布后, 將輔助服務市場建設視為一大重點, 同時也對需求響應工作產(chǎn)生深遠影響。自2013年國家開展電力需求側(cè)管理城市綜合試點建設以來, 北京、上海、蘇州、佛山分別建立了可服務城市運行保障工作的需求響應調(diào)峰資源庫。經(jīng)過多年的試點培育, 中國需求響應試點工作形成了政府主導、電網(wǎng)企業(yè)支持、新型負荷聚合商和電力用戶參與的需求響應工作體系。對于需求側(cè)資源參與輔助服務, 2016年5月國家能源局發(fā)布《國家能源局關(guān)于促進電儲能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務補償(市場)機制試點工作的通知》。提出用戶側(cè)建設一定規(guī)模的電儲能設施, 作為獨立市場主體或與發(fā)電企業(yè)聯(lián)合參與調(diào)頻、深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰等輔助服務。

 

2016年11月發(fā)布的《規(guī)劃》對大力提高需求響應能力作了部署, 將需求響應作為提升電力系統(tǒng)調(diào)峰能力的重要手段予以提出, 明確了需求響應的作用和價值, 對今后推廣需求響應應用具有極其重要的意義。隨著輔助服務市場的發(fā)展, 未來高比例可再生能源接入對系統(tǒng)輔助服務交易, 尤其是調(diào)動需求側(cè)儲能資源參與輔助服務提出了更迫切的需求。構(gòu)建完善的輔助服務市場是中國電力市場建設工作中的重要環(huán)節(jié), 未來電力輔助服務市場化還有很長一段路要走, 需要借鑒國外需求響應的實施及市場設計的經(jīng)驗, 建設適應中國國情的需求響應提供輔助服務的市場機制。

 

目前, 對于需求響應提供輔助服務的商業(yè)化的研究很少, 還無法準確計算需求響應供應商的潛在收益[94]。有學者對工商業(yè)需求響應進行了經(jīng)濟性分析[9,95], 可以發(fā)現(xiàn)雖然不同地區(qū)的市場機制存在差異, 但是這些需求響應資源很快將會在現(xiàn)有的輔助服務市場出清機制下具有較大的競爭力。文獻[96]比較了3種需求響應參與備用市場的合同設計方法:基準點分析法、集中式合約設計和分散式合約設計。仿真結(jié)果表明, 3種方法各有利弊, 用戶隱私和成本等因素都會影響需求響應效果和負荷聚合商的收益。對于用戶來說, 與傳統(tǒng)的緊急需求響應項目相比, 參與輔助服務響應頻率低, 年削減負荷小時數(shù)要小得多[97-98]。對于零售用戶和終端負荷來說, 其更傾向于參與輔助服務項目。值得注意的是, 雖然需求響應提供輔助服務具有成本低、響應快、安全可靠的特點, 但是對于那些需要長時間響應、必須具有大量能源儲備的服務, 更適合讓發(fā)電機來提供。因此, 不能盲目追求需求響應規(guī)模的擴大。電力系統(tǒng)對輔助服務的需求量是有限的, 負荷的過度參與可能會提供超過系統(tǒng)需求的輔助服務[5], 這對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定是不利的。負荷聚合商需要考察負荷參與輔助服務的投資價值, 不能盲目跟風。

 

4. 中國需求響應參與輔助服務市場的障礙

 

4.1 觀念的轉(zhuǎn)變

 

需求響應在市場環(huán)節(jié)的應用, 受到傳統(tǒng)觀念的限制。目前中國尚未實現(xiàn)真正的市場化競爭, 主要是通過政策引導, 當系統(tǒng)突發(fā)擾動或容量缺額時采取的強制性手段。同時傳統(tǒng)觀念上認為輔助服務應該由發(fā)電側(cè)提供, 發(fā)電側(cè)必須時刻滿足用戶需求。為了優(yōu)化資源配置, 提高用電效率, 應該挖掘負荷參與提供輔助服務的能力, 使用戶自愿參與到輔助服務市場中, 自覺改善其用電特性, 實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行。

 

4.2 技術(shù)的支持

 

雖然世界各國的學者們已經(jīng)意識到負荷可以被用來提供輔助服務, 但是要想把負荷和傳統(tǒng)的發(fā)電側(cè)資源同等對待需要克服技術(shù)上的難關(guān)。可以從需求側(cè)、系統(tǒng)運營商和通信3個方面加以分析[5]。

 

1) 需求側(cè)。參與輔助服務的需求側(cè)資源可能會同時參與能源市場和容量市場。因此, 需求側(cè)的技術(shù)要能夠成熟、有效地克服負荷參與多種市場交易的約束。另一方面, 輔助服務市場對參與用戶的要求非常嚴格, 比如要求具有一定的上下調(diào)節(jié)容量、提供的輔助服務容量能夠保持特定的時間等[99]。即使在電力市場和需求響應機制建設較早、商業(yè)及金融環(huán)境成熟的美國, 需求側(cè)參與輔助服務市場的數(shù)量也十分有限。寬泛地說, 負荷必須要能夠提供具體的響應信息以確定在不同狀況、不同響應時間和運行狀況下的響應等級。負荷根據(jù)信號響應的速度、爬坡速率、響應范圍，以及頻率變化的影響都可以決定負荷響應等級。

 

2) 系統(tǒng)運營商。由于負荷特性受到季節(jié)、節(jié)假日、峰谷時刻等不同因素的影響, 系統(tǒng)運營商需要對需求響應資源進行建模, 而不僅僅用和發(fā)電機相同的參數(shù)來表示提供輔助服務的需求響應資源。同時需要考慮需求響應資源的不確定性, 鼓勵小用戶通過聚合商或其他形式參與到輔助服務市場中。

 

3) 通信。通信網(wǎng)絡的發(fā)展使得通信安全標準的缺乏問題日益突出。由于通信安全問題導致大型負荷聚合商運作偏離預期會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。通信的安全可以降低運行成本, 也包括負荷參與成本。

 

4.3 輔助服務的合理定價

 

根據(jù)國外的以發(fā)電側(cè)為主的輔助服務市場定價機制, 輔助服務價格透明且包括兩方面內(nèi)容:有效投標和機會成本[100]。輔助服務供應商通過有效投標回收邊際成本, 如由于耗熱率降低引起的損耗增加和燃料消費的增長。如果供應商為了提供輔助服務放棄了能量交易, 就會產(chǎn)生機會成本。同理, 如果負荷為了響應調(diào)度指令而時刻準備著削減用電量, 也會產(chǎn)生機會成本。不同于發(fā)電機響應特性, 通常負荷響應時間過長會產(chǎn)生巨大的成本。因為對許多負荷來說, 無法長時間減少用電量, 一旦響應時間增長, 響應成本會急劇升高。除了機會成本, 負荷參與提供輔助服務的成本還有投資成本, 包括通信和控制設備的投資成本、實時遙測技術(shù)的成本等[5]。然而, 如今的以發(fā)電側(cè)為主的輔助服務市場定價機制都是基于機會成本。在這樣的市場規(guī)則下, 機會成本計算復雜并且受投資成本影響很大的需求側(cè)資源很難準確評估提供輔助服務的成本效益, 也就難以建立一個公平公正的市場競爭環(huán)境。

 

理論上通過需求響應獲得輔助服務與發(fā)電側(cè)提供相比成本更低, 需求側(cè)資源的報價應該偏低。在輔助服務市場建立初期, 為了吸引投資, 需求側(cè)的輔助服務供應商會竭力縮減成本、降低報價。為了鼓勵金融市場穩(wěn)定發(fā)展, 防止發(fā)生惡性競爭, 政府應該給予提供輔助服務的需求側(cè)資源一定的經(jīng)濟補償。例如：給予購置特定智能可控設備的電力用戶適當比例的折讓[101], 應對分布式電源、儲能、電動汽車等新興需求側(cè)資源給予一定的政策扶持, 對分布式能源對電網(wǎng)供電提供電價補償, 對電動汽車用戶實行電價折扣等獎勵機制[102], 以鼓勵需求側(cè)資源積極參與輔助服務市場。要建設科學、合理和權(quán)威的輔助服務價格體系, 還需完善相應的監(jiān)管手段和法律法規(guī)[103]。中國應在建設能量市場的同時構(gòu)建合理的輔助服務定價機制, 促進需求響應資源在提供輔助服務方面的發(fā)展。

 

5. 結(jié)語

 

中國現(xiàn)階段還處于電力市場發(fā)展探索階段, 市場建設尚未完善, 還有許多亟待解決的問題。因此, 對于輔助服務市場及需求響應參與機制的研究與實踐, 應該結(jié)合中國電能市場的現(xiàn)狀及世界能源改革的發(fā)展趨勢。需求側(cè)資源的市場化應用還需要長時間的實踐和檢驗, 除了需要排除技術(shù)上的障礙外, 還需要理清體制和觀念問題。

 

1) 需求響應資源參與電力輔助服務市場, 可以提高系統(tǒng)可靠性、靈活性, 優(yōu)化資源配置, 提高用電效率, 具有重要的社會效益。充分利用負荷的實時可調(diào)節(jié)能力, 發(fā)揮其響應速度快、響應效果可靠、響應成本低的優(yōu)勢, 可以極大地提高系統(tǒng)的間歇性新能源接入能力和系統(tǒng)安全穩(wěn)定性, 考慮需求響應的電力輔助服務市場設計已成為當前研究的熱點領(lǐng)域之一。

 

2) 主要發(fā)達國家都開展了輔助服務市場設計的研究, 提供了多種輔助服務市場運作模式。大量的實踐經(jīng)驗及示范工程都表明:需求響應參與輔助服務市場具有可操作性和實際應用價值。

 

3) 中國新一輪電力體制改革提出的“三放開、一推進、三強化”正是圍繞電力市場建設而展開。對于輔助服務市場化建設的研究還非常初步, 需要相關(guān)政策協(xié)調(diào)及相關(guān)技術(shù)標準的支持, 如市場準入標準、獎懲機制等。中國應加快設施建設、相關(guān)研究和用電側(cè)市場化進程, 推進輔助服務合理定價和相關(guān)規(guī)則、標準制定進程, 促進需求響應在中國輔助服務市場的應用和發(fā)展。

 

參考文獻略

 

作者：沈運帷,李揚,高賜威,周磊

 

原標題:需求響應在電力輔助服務市場中的應用