第四章 電市場中的輔助服務

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

第1節概述

隨著電力市場的發展，輔助服務(Ancillary Services)越來越受到大家的關注。“輔助服務”概念的提出體現了對電力系統運行方式的再認識。

那么，究竟什么是輔助服務呢?

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

1.1 輔助服務市場的必要性

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

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

1.2輔助服務的分類

美國聯邦能源管制委員會( FERC)規定了六種類型的輔助服務：

1、計劃、系統控制和調度;

2、無功出力與電壓控制;

3、調節與頻率響應;

4、不平衡電能;

5、旋轉備用;

6、運行備用。

其實計劃、系統控制和調度并不是真正意義上的輔助服務，因為只有系統運行調度機構才能履行這些職能。消除系統電量不平衡是設置實時市場的主要目的，而且本質上頻率響應、旋轉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該作為一項輔助服務。

電力系統有四個主要變量：有功、無功、頻率和電壓。有功是電力市場交易的主要產品，由于負荷和系統狀態(發電機或線路故障等)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。電力系統的頻率必須在規定范圍內，如果頻率偏差較大，必須有AGC機組來進行調頻(此外，AGC還可以調節聯絡線功率偏差)。除了有功，系統還必須有一定的無功使得電壓維持在適當的水平。另外，如果系統發生較大故障致使系統崩潰，這時必須有一些機組能夠自啟動并帶動整個系統恢復供電。綜上所述，電力市場的輔助服務主要包括：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基本也是這么分類的。

有一點值得強調的是：輔助服務并不等于輔助服務市場!國外各電力市場都定義了自己的輔助服務項目，但并不是都組織了輔助服務市場。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市場，也并不是所有的輔助服務項目都通過競標市場來獲得。

設置輔助服務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電功率的不匹配，維持系統頻率，并使控制區內負荷與發電功率的偏差及控制區之間的交換功率實際值與計劃值的偏差最小。

(2)備用 電力系統安全防線

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

(3)無功電壓支持

通過發電機或輸電系統中的其他無功電源向系統注入或從系統吸收無功功率，以維持輸電系統的電壓在允許范圍內。

我們都知道，無功在電例上的流動會引起l冽損，甚全會帶來電壓穩定性問題。

因此無功只能就地平衡，絕不能搞資源優化配置。

(4)事故后恢復服務(黑啟動)

整個系統因故障停運后，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，逐步擴大系統的恢復范圍，最終實現整個系統的恢復。電網的黑啟動以電力的黑啟動為前提。黑啟動電力應具備在沒有外援廠用電的情況下啟動發電機的能力。

1.3輔助服務的特點

輔助服務有三個顯著的特點：

輔助服務市場與電量市場是并列的。

兩個比較特殊的輔助服務就是AGC和旋轉備用，這些服務需要發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。

輔助服務的特征是提前預留容量，并在實時調度中分配電量。這意味著需要支付兩類相關價格：容量價格和電量價格。

1.4輔助服務成本分析

在我國，輔助服務問題長期未引起足夠的重視。傳統的調度機制下，電廠提供各類輔助服務被規定為“義務”。長期無償提供輔助服務，也使發電企業對維護系統的安全性和可靠性失去足夠的積極性。在市場環境下，發電企業是獨立的經濟實體，所提供的輔助服務應該是有償的。應從成本角度分析各類輔助服務，建立輔助服務的成本模型。由于發電機組提供輔助服務時，往往同時提供大量電能，這部分電能又屬于輔助服務的服務費用。因此，輔助服務成本研究的一個值得注意的問題就是盡量將輔助服務成本與發電部分的成本分離，以避免由輔助服務和電量雙重結算而造成的成本重復計算。

輔助服務的成本可以分為固定成本和可變成本。

一、固定成本

從輔助服務的固定成本投資看，可以分為兩類：一類是輔助服務與發電服務共享相同的固定成本;另一類是輔助服務必須添加特殊的裝置或設備的成本。

哪些情況是輔助服務與發電服務共享相同的固定成本呢?提供這類輔助服務無需額外添加裝置或設備。大多數輔助服務都屬于這類情況。

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

某些輔助服務必須添加特殊的裝置或設備才能完成。比如：AGC輔助服務要求火電機組具備調頻器(LFC裝置)和CCS(協調控制系統)，以便提供良好的頻率響應和負荷調節的能力;又如：黑啟動服務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，并恢復系統的供電。

這部分裝置的固定成本屬于輔助服務的固定成本。

二、可變成本

輔助服務的可變成本包括兩部分：

(1)輔助服務的運行成本

輔助服務的運行成本主要是調用該輔助服務時發電的服務成本。調用該輔助服務時的發電過程與普通的發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的運行過程，基本等同于普通的發電過程或啟動過程，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。由于發電的服務成本可以在電量市場中結算，因此，輔助服務的運行成本屬電量成本，在輔助服務成本研究中不必考慮，以避免重復計算。

(2)維持輔助服務能力的成本

維持輔助服務能力的成本包含兩方面：

1)維持輔助服務的附加成本

從維持輔助服務能力的附加成本看，絕大多數輔助服務容量的預留，都將導致發電運行成本的增加。

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

2)損失的機會成本

維持某項輔助服務能力，將導致機組在電量市場或其他輔助服務市場中獲利機會的喪失，從而產生機會成本。如下圖所示，PRHL和PRLL分別為機組f的自動調節能力上、下限，提供AGC輔助服務的機組只能工作在區間[PRHL，PRLL]之內，從而導致機組實際的可發電容量下降。PA+i，和PA-i分別表示機組i為系統提供的向上、向下AGC調節容量。為提供這些AGC調節容量，機組的AGC基值點將被設置為PBi，機組運行點只將以PBi為中心響應系統的調整。

不但AGC、備用等與有功容量有關的市場會產生機會成本，無功服務也會產生機會成本。發電機提供無功時基本不消耗燃料，只是減小其發有功的能力(見下圖)。例如，如果發電機的無功要從QA增加到QB，則其有功仍為PA;但如果發電機的無功要從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，絕大多數輔助服務要求機組提前預留容量，壓低出力運行，并根據實時調度需要參與運行調用。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獲利的機會，機組每提供一種輔助服務，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市場的最大獲利，旋轉備用的機會成本是舍棄電量市場或其他輔助服務的最大獲利。

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

第2節AGC市場

AGC(Automatic Generation Control，自動發電控制)的基本目的是通過調整被選定的發電機的輸出，使系統頻率恢復到指定的正常值以及保證控制區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系統的控制目標為區域控制誤差ACE (Area Control Error)。

電力系統的有功不平衡負荷表現為頻率的波動和聯絡線潮流的變化等信號。當系統頻率偏離正常值時，所有發電機組和負荷都會按其頻率特性進行調整，即所謂的一次調頻。但一次調頻是有差調節，此頻率偏差必須經過AGC機組的進一步調整才能消除，這就是二次調頻。經過二次調頻不但消除了頻率偏差，而且所有非AGC機組的出力將恢復其計劃安排值。

電力系統對AGC的需求為維持系統頻率及聯絡線交換功率的調節容量。

為什么要開展AGC市場呢?首先，機組為了提供AGC服務，加裝了額外的AGC設備，使發電成本增高，這部分成本必須給予補償;另外，由于必須預留一定的有功容量才能提供AGC服務，工作在AGC基值點上將犧牲部分可發電空間的發電利潤。所以在市場機制下，機組不愿再像傳統體制那樣無償提供。解決這個問題的最簡單的方法就是對AGC機組預留容量而損失的機會成本等進行直接補償。但為了體現公平、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，即使沒有被調用，也仍然要對其支付容量費用;

AGC與其他輔助服務的競價過程是是分離的。在AGC市場上，機組申報的調頻容量—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輔助服務如果在市場中被調用，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市場優先于電量市場成交，這也就是說發電商一旦在AGC市場上中標，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：如何利用市場規則規避發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市場可以較準確地購買AGC服務，減少冗余購買;可以與日前發電計劃相結合，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 旋轉備用市場

當由于負荷預測偏差較大或設備故障等原因而造成發電計劃與實際負荷偏差較大時，AGC機組會在很短的時間內(秒級)動作消除此偏差。但為了維持系統的AGC能力，調度機構還必須定期(十分鐘或更長)的調用備用使得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。

在電力系統運行中，需要不同響應時問的備用來滿足系統的可靠性要求。在電力市場中一般將備用分為旋轉備用、非旋轉備用以及慢速備用。多數市場規定，旋轉備用為與系統同步運行的機組10分鐘內可以增加(調節)的備用容量。非旋轉備用通常為幾十分鐘之內可以迅速開機并帶負荷的機組。對于系統的慢速備用，如30分鐘或60分鐘的替代備用，通常為防止系統出現第二次意外事故而設置，所以，系統的替代備用需求是維持機組N-2安全約束所需的容量。系統的替代備用不應低于電網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。本節以旋轉備用為例進行分析。

旋轉備用分為正備用和負備用。當提供正備用服務時，發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，系統備用的機組申報的數據應包括單位備用容量—價格曲線。和備用機組調節速率。可中斷負荷申報的內容更為詳細，包括：可中斷時間區間，中斷提前預知時間，中斷持續時間，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電機，但并不真正向系統提供電能，所以不需要進行電量報價，其切負荷電量后應該按現貨供電價格支付。

備用市場竟價容量需要滿足常規的可靠性和安全性標準，系統正備用應該達到系統負荷的3-5%。系統的備用容量應該在備用市場開市前公布系統需求。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。加州電力市場中，將容量電價和電量電價結合在一起，在容量電價前乘以調用概率系數。備用機組也參與現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貨電量價格。

備用市場也應在日前組織，這樣能與預調度發電計劃結果結合起來，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，這樣不會影響發電權交易結果，實現系統資源的優化配置。

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中機組分布的不均勻、負荷分布的不均勻，特別是電網傳輸容量的限制，雖然電網中的總備用容量充足，但在實際運行時卻無法調用。

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。一是采用分區備用電價其原理與分區電價相同，而是組織發電權和用電權的市場來實現備用的自我轉移。