新型电力系统的快速频率响应市场发展和启示

01、为什么新型电力系统需要快速频率响应服务？

建设以新能源为主体的新型电力系统已成为世界电力系统的必然发展趋势和我国的国家战略。当以同步机组为主的传统电网逐步过渡至高比例非同步资源的新型电力系统时，同步机能够提供的惯性和一次调频容量持续降低，系统抗扰动能力下降。2016 年澳大利亚南澳电网“9·28”大停电、2019 年英国“8·9”大停电均与此有关。因此，国际上部分新能源高渗透率的国家和地区设计了具有快速响应要求的新型调频服务，旨在弥补同步机惯性和一次调频备用容量的不足，在一次调频响应前通过有功功率快速注入限制频率下降速度，避免系统低频减载和频率崩溃。

02、什么是快速频率响应服务？

快速频率响应(FFR)服务是针对系统同步惯性不足导致的短时频率快速变化而设计的调节资源/产品，通过快速调节有功功率注入，与同步惯量响应共同阻止扰动后短时间内的频率快速变化，为一次调频的启动争取时间，从而保持频率稳定。同步惯性响应主要工作在图1所示的第1阶段（遏制期），即在第一时间阻止频率下降；随即几秒后的第2阶段（反弹期），同步机一次调频资源被激活，用于恢复频率。FFR与一次调频的差异主要体现于资源来源和响应时间。前者是由逆变器或继电器连接的非同步资源（可控负荷、储能、风电等），响应时间为数百毫秒级别；而后者是由基于调速器控制系统的同步资源，响应时间为数秒至数十秒级别。

图1 频率响应过程

目前，国际上开发的FFR资源主要有：风电虚拟惯性响应、储能有功输出、直流输电提供的区外调节能力以及负荷响应等。FFR服务已经在多个国家投入应用，并且建设了许多关于风电、储能和负荷提供FFR资源的示范性工程。按照输入信号和控制机理的分类结果如表1所示。

表1 FFR资源的控制方式分类

03、国际FFR市场发展情况

2011年爱尔兰和北爱尔兰启动了旨在建立含FFR的辅助服务体系的项目DS3，2018年完成FFR服务的市场化，2020年希望能够支撑爱尔兰电网在70%的非同步电源渗透率下安全运行。同年，美国得克萨斯州（简称得州）电网和英国电网分别提出了开展FFR产品设计和市场建立的计划。美国得州市场现处于FFR市场计划推行的第1阶段，已经明确了市场的交易机制。英国正在推进新的频率响应服务的市场机制。北欧电网在2019年5月明确了FFR的技术要求，现阶段由同步地区的各国传输系统运营商各自建立FFR市场，未来将实现北欧统一市场。

04、FFR产品的技术标准

典型的FFR过程可以划分为5个阶段，如图2所示，包括响应阶段、持续阶段、退出响应阶段、缓冲阶段和恢复阶段，可以根据各个阶段设置产品标准。虽然各电网的产品名称和类型不同，但总体而言，FFR产品要求都包含了触发条件、响应时间、持续时间这3个要素。典型的触发条件为频率偏差，不同国家和地区其值为0.2%~2%，响应时间范围为0.25~2 s，持续时间范围为5 s~20 min。

图2 FFR过程

05、FFR产品的交易机制

目前，国际上的电力市场主要可分为“集中式”和“分散式”。在集中式电力市场中 (以美国得州电网为代表的美国电力市场)，采用“一体化交易模式”，即辅助服务市场与电能量市场联合出清，以社会福利最大化为目标联合出清。在“分散式”电力市场(北欧以及大部分欧洲国家得电力市场)而言，辅助服务市场是独立于电能量市场运行的，电力辅助服务交易通常在电力平衡市场中进行，以辅助服务成本最小为出清目标。FFR产品交易机制均是在各国家/地区的原有电力市场体系基础中完善的。以美国得州电网为例，对FFR产品的整个交易流程进行详细介绍，FFR与其他辅助服务产品的交易流程一样，是在日前市场交易，交易流程如图3所示。授权计划实体(qualified scheduling entity，QSE)代理发电商和负荷用户参与市场交易。得州电力可靠性委员会（ERCOT）根据日前负荷预测情况，确定各小时的各类辅助服务需求，并按照QSE代理的负荷比例分配辅助服务义务。QSE可以自行提供分配的辅助服务义务（由代理的发电机和负荷提供），也可以通过双边合同从其他QSE购买辅助服务，或者是直接由ERCOT在日前市场采购辅助服务。

图3 FFR交易过程

ERCOT在06:00前公布辅助服务计划。QSE必须在10:00前提交其辅助服务的投标和报价，FFR资源按容量的价格和数量进行申报。日前市场从10:00开始出清，并于13:30前公布出清结果，最终以容量价格的市场出清价交付FFR。QSE可以与其他QSE进行双边交易，但必须在14:30前向ERCOT报告交易结果。

06、我国FFR市场的展望

我国许多区域电网同样将面临系统低惯性和同步机一次调频备用容量不足的挑战，推行FFR将是必然趋势。由于新能源机组调频缺乏向上调节能力，更适合于送端系统的应用，如采用加配储能或减载运行，会显著增加投资和运行成本。在大容量直流闭锁扰动下受端系统需要依靠安全稳定控制系统切负荷来保障频率安全。大量储能、负荷侧快速调频资源由于缺乏市场激励机制而无法发挥作用。新型快速调频资源缺乏获利途径和成长空间，是制约 FFR 技术推广的最大难题。未来FFR市场的构建可以从以下几个方面推进。1）技术支持系统和调频市场完善：参考国外FFR市场化过程，需要做铺垫工作，即实现系统惯性评估与预警技术，为调频服务的采购提供参考；实现对负荷侧调频资源的监测和评估；完善调频辅助服务市场，为FFR提供成熟的调频市场基础。2）FFR交易周期逐步缩短：在初始阶段，为简化FFR交易流程，令运营商和市场成员掌握FFR交易规则和市场需求规律，可尝试按季度/月度/周采购FFR。当FFR市场逐渐成熟时，可缩短交易周期，因为短期的惯性预测准确度更高。3）分应用场景挖掘中国FFR潜在资源：根据不同地区电网特点，利用市场化手段实现多调频资源经济调用。含大规模可再生能源基地的送端系统，面临的主要是高频问题，可以从光伏、风电参与向下调节的FFR服务起步。电源资源匮乏的受端电网，面临的主要是低频问题，可以开展以负荷聚合平台及储能参与向上FFR服务的试点项目。FFR市场体系建设和资源挖掘，将为解决新型电力系统下频率稳定问题提供重要的基础保障。