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英國頻率響應(yīng)服務(wù)市場及對(duì)中國調(diào)頻市場建設(shè)的啟示
葉文圣, 荊朝霞, 禤宗衡
（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）
摘要：高比例可再生能源接入增大了高性能調(diào)頻服務(wù)的需求，給電力市場建設(shè)帶來了挑戰(zhàn)。輔助服務(wù)市場機(jī)制是經(jīng)濟(jì)、可靠地獲取調(diào)頻服務(wù)的關(guān)鍵，中國正處在電力市場改革的關(guān)鍵時(shí)期，吸取國外先進(jìn)市場的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)很有必要。詳細(xì)介紹英國頻率響應(yīng)服務(wù)市場，包括強(qiáng)制頻率響應(yīng)、固定頻率響應(yīng)等傳統(tǒng)調(diào)頻產(chǎn)品以及動(dòng)態(tài)高低頻、動(dòng)態(tài)遏制等新型調(diào)頻產(chǎn)品的性能要求、交易機(jī)制和響應(yīng)機(jī)制，重點(diǎn)分析其分散式、多市場、長周期、高透明度的特點(diǎn)，對(duì)中國調(diào)頻市場的發(fā)展提出意見和建議。
引文信息
葉文圣, 荊朝霞, 禤宗衡. 英國頻率響應(yīng)服務(wù)市場及對(duì)中國調(diào)頻市場建設(shè)的啟示[J]. 中國電力, 2023, 56(1): 77-86.
YE Wensheng, JING Zhaoxia, XUAN Zongheng. UK frequency response service markets and their implications for China’s frequency regulation market construction[J]. Electric Power, 2023, 56(1): 77-86.
引言
調(diào)頻服務(wù)用于解決電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率不平衡，維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。隨著可再生能源滲透率的上升，電力系統(tǒng)的不確定性不斷增大，高性能調(diào)頻服務(wù)需求也不斷增加。電力市場化改革以后，調(diào)頻成為一種需要競價(jià)的有償服務(wù)，其市場機(jī)制設(shè)計(jì)得到了廣泛而深入的研究[1-3]，有望成為獨(dú)立儲(chǔ)能電站和電動(dòng)車充電樁等第三方主體的重要利潤來源。
電改“9號(hào)文”配套文件《關(guān)于推進(jìn)電力市場建設(shè)的實(shí)施意見》將電力市場機(jī)制分為集中式和分散式兩大類[4]。中國和美國采用集中式機(jī)制，歐洲采用分散式機(jī)制[5]。兩種機(jī)制的主要區(qū)別有：集中式現(xiàn)貨市場[6]全電量出清，且輔助服務(wù)與電能量聯(lián)合出清，盡量考慮市場主體的物理特性和電力商品的特殊性；分散式現(xiàn)貨市場是增量出清，且各輔助服務(wù)和電能量獨(dú)立出清[7-8]，在不違反安全約束的前提下，盡量將電力商品作為一般商品交易。
中國以往普遍實(shí)施按需調(diào)用、事后補(bǔ)償?shù)恼{(diào)頻機(jī)制，補(bǔ)償價(jià)格完全由政府規(guī)定[9]。這雖然能夠在一定程度上使電廠回收調(diào)頻成本，但缺乏對(duì)電廠提高調(diào)頻質(zhì)量的激勵(lì)。市場化改革后，中國調(diào)頻市場發(fā)展迅速，各省紛紛出臺(tái)了調(diào)頻市場規(guī)則[10-11]，并進(jìn)入了試運(yùn)行、試結(jié)算乃至正式運(yùn)行階段[12]。中國調(diào)頻市場的建設(shè)取得了一定的成果，但在實(shí)際運(yùn)行中也暴露了補(bǔ)償不合理[13]、存在壟斷風(fēng)險(xiǎn)[14]等問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)，借鑒國外成熟電力市場的經(jīng)驗(yàn)很有必要[15]。中國電力市場雖然不成熟，但沒有陷入路徑依賴中，有著廣闊的發(fā)展前景。
采用全電量現(xiàn)貨市場機(jī)制并不意味著輔助服務(wù)市場也必須是完全集中的，分散式市場的經(jīng)驗(yàn)仍有很大價(jià)值。國內(nèi)對(duì)分散式市場的研究不足，尤其缺乏對(duì)英國頻率響應(yīng)服務(wù)市場（以下簡稱“英國調(diào)頻市場”）的關(guān)注。雖然有部分文獻(xiàn)[16-17]對(duì)英國調(diào)頻市場進(jìn)行了介紹，但視角局限于儲(chǔ)能主體，沒有對(duì)英國調(diào)頻產(chǎn)品和調(diào)頻體系做全方位的詳細(xì)介紹與分析，也沒有深入發(fā)掘英國調(diào)頻市場設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和成因，對(duì)中國調(diào)頻市場建設(shè)建議不足。
英國調(diào)頻市場存在著許多可借鑒之處，值得進(jìn)行深入研究。為此，本文梳理并介紹了英國的各種傳統(tǒng)調(diào)頻產(chǎn)品和新興調(diào)頻產(chǎn)品，并重點(diǎn)針對(duì)其多時(shí)間尺度、多市場模式、無調(diào)頻里程補(bǔ)償、義務(wù)調(diào)頻模式和市場透明度等顯著區(qū)別于集中式市場的特點(diǎn)進(jìn)行深入剖析，發(fā)掘英國調(diào)頻市場體系的建設(shè)原理，為中國調(diào)頻市場建設(shè)提出建議。
1 英國電力市場概況
1.1 英國電能量市場概況
英國是世界上最早進(jìn)行電力市場化改革的國家之一，自1989年以來，已經(jīng)進(jìn)行了3次大規(guī)模的改革，建成了一個(gè)成熟可靠的分散式市場，并仍在不斷進(jìn)行改革。國家電網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)營商（National Grid Electricity System Operator，NGESO）是英國電力市場的運(yùn)營組織，負(fù)責(zé)購買平衡服務(wù)和輔助服務(wù)并維護(hù)系統(tǒng)安全；Elexon是國家電網(wǎng)的子公司，負(fù)責(zé)在事后進(jìn)行結(jié)算和費(fèi)用分?jǐn)俒6]。
英國電能量市場主要由批發(fā)市場、平衡機(jī)制和不平衡結(jié)算構(gòu)成。批發(fā)市場包括從多年前到日前的場內(nèi)和場外交易，不需要考慮阻塞，只需在運(yùn)行日前上傳總交易曲線作為運(yùn)行計(jì)劃。平衡機(jī)制類似實(shí)時(shí)市場，在運(yùn)行時(shí)刻前1 h進(jìn)行交易。參與平衡機(jī)制的交易單位被稱為BM單元，其余的被稱作非BM單元。NGESO采購不平衡服務(wù)的主要目的是避免線路越限[18]，并修正實(shí)時(shí)電量偏差。事后，Elexon根據(jù)市場主體事前交易曲線、中標(biāo)不平衡服務(wù)供應(yīng)量和實(shí)際發(fā)用電量計(jì)算不平衡電量，按系統(tǒng)不平衡價(jià)格進(jìn)行結(jié)算。因響應(yīng)輔助服務(wù)而變化的電量，不計(jì)入不平衡電量中，相關(guān)成本需要在輔助服務(wù)補(bǔ)償中回收。
1.2 英國調(diào)頻服務(wù)市場概況
英國電力輔助服務(wù)市場有頻率響應(yīng)服務(wù)、備用服務(wù)、無功服務(wù)、黑啟動(dòng)服務(wù)等一系列產(chǎn)品，所有產(chǎn)品都在各自的市場獨(dú)立出清。同時(shí)提供多種產(chǎn)品的供應(yīng)商需要自行協(xié)調(diào)在各市場的申報(bào)量以確保交易結(jié)果可行。
英國調(diào)頻市場的產(chǎn)品按推出時(shí)間排列如下[19]：強(qiáng)制頻率響應(yīng)（mandatory response services，MRS），義務(wù)提供；固定頻率響應(yīng)（firm frequency response，F(xiàn)FR），按月招投標(biāo)；動(dòng)態(tài)高低頻（dynamic low high，DLH）、靜態(tài)低頻（low frequency static，LFS），按周拍賣；動(dòng)態(tài)遏制（dynamic containment，DC）、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)（dynamic regulation，DR）和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)（dynamic moderation，DM），按日拍賣 。NGESO還曾經(jīng)推出增強(qiáng)頻率響應(yīng)（enhanced frequency response，EFR）[20]，但已完全停止采購。MRS分為初級(jí)頻率響應(yīng)（primary response，PR）、次級(jí)頻率響應(yīng)（secondary response，SR）和高級(jí)頻率響應(yīng)（high frequency response，HFR）3種響應(yīng)服務(wù)，都是動(dòng)態(tài)響應(yīng)服務(wù)。這些產(chǎn)品的響應(yīng)特性和交易方式雖然各不相同，但都是根據(jù)系統(tǒng)頻率自動(dòng)響應(yīng)的，無需調(diào)度機(jī)構(gòu)發(fā)送調(diào)頻信號(hào)。各產(chǎn)品的技術(shù)要求和共同點(diǎn)如表1、2所示。
表1 英國頻率響應(yīng)服務(wù)技術(shù)要求
Table 1 UK frequency response services technical requirements
表2 英國頻率響應(yīng)服務(wù)產(chǎn)品共同點(diǎn)
Table 2 Common ground of UK frequency response services products
2 傳統(tǒng)頻率響應(yīng)服務(wù)
2.1 MRS性能要求
英國法律規(guī)定電網(wǎng)頻率應(yīng)保持在（50±0.5）Hz。為留有安全裕度，NGESO盡量確保頻率維持在(50±0.2) Hz的范圍內(nèi)。調(diào)頻產(chǎn)品根據(jù)主要響應(yīng)范圍是否在±0.2 Hz范圍內(nèi)被分為故障前/后產(chǎn)品。
NGESO要求所有大型電廠義務(wù)提供MRS，包括在國家電網(wǎng)內(nèi)裝機(jī)大于100 MW的電廠和在蘇格蘭電網(wǎng)內(nèi)裝機(jī)大于30 MW的電廠以及10 MW的水電廠[21]。電廠建成或改造后需要接受調(diào)頻性能測試并簽署供應(yīng)協(xié)議。
一個(gè)電廠可能同時(shí)提供其中一種或多種服務(wù)，取決于NGESO的需要。被NGESO調(diào)用的電廠進(jìn)入頻率響應(yīng)模式，然后當(dāng)系統(tǒng)頻率超出（50±0.015）Hz的死區(qū)范圍時(shí)觸發(fā)響應(yīng)，調(diào)頻功率根據(jù)頻率偏差持續(xù)變化，直到頻率恢復(fù)或者超過響應(yīng)持續(xù)時(shí)間，具體的響應(yīng)曲線根據(jù)機(jī)組性能測試結(jié)果而定。性能要求上，PR、SR、HFR的完全響應(yīng)時(shí)間分別為10 s、30 s、10 s，最大響應(yīng)持續(xù)時(shí)間分別為20 s、30 min、無限。其中，PR和SR只響應(yīng)低頻并增加出力，HFR只響應(yīng)高頻并減少出力。
2.2 MRS交易與結(jié)算
MRS的補(bǔ)償由保持費(fèi)用（holding payment）和響應(yīng)能量費(fèi)用（response energy payment）組成。保持費(fèi)用分別對(duì)3種服務(wù)進(jìn)行支付，而響應(yīng)能量費(fèi)用對(duì)3種服務(wù)的總響應(yīng)能量進(jìn)行支付。MRS是義務(wù)提供的，不需要事前交易，但供應(yīng)商仍需每半個(gè)月分別對(duì)每種服務(wù)的保持費(fèi)用進(jìn)行報(bào)價(jià)，NGESO會(huì)綜合評(píng)估MRS、FFR和DLH的成本選擇調(diào)頻資源；響應(yīng)能量費(fèi)用的價(jià)格則由NGESO根據(jù)平衡市場電價(jià)確定，不需申報(bào)[21]。
2.2.1 保持費(fèi)用
保持費(fèi)用是調(diào)頻單元進(jìn)入頻率響應(yīng)模式時(shí)，根據(jù)處于頻率響應(yīng)模式的持續(xù)時(shí)間以及調(diào)頻容量，以英鎊/（MW·h）為單位所獲得的補(bǔ)償。以PR為例，對(duì)一個(gè)特定的調(diào)頻單元，其每分鐘的保持費(fèi)用PM計(jì)算公式[22]為
式中：PPR 是保持費(fèi)用的價(jià)格，由供應(yīng)商申報(bào)； PMW 是此時(shí)刻最大可用調(diào)頻容量，由實(shí)際出力和機(jī)組參數(shù)計(jì)算得到；圖片是PR服務(wù)的平均響應(yīng)不足率，默認(rèn)為0； KT 是和溫度有關(guān)的修正系數(shù)，由用戶和NGESO共同確定，默認(rèn)為1； KGRC 是聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)修正系數(shù)，由協(xié)議規(guī)定，默認(rèn)為1。
SR和HFR的費(fèi)用公式是相同的，只是價(jià)格和調(diào)頻容量不同?？偙３仲M(fèi)用是3種服務(wù)費(fèi)用之和。
保持費(fèi)用報(bào)價(jià)的上限是9 999.99英鎊/（MW·h），遠(yuǎn)高于正常報(bào)價(jià)，大型電廠可以通過申報(bào)上限價(jià)格避免被調(diào)用，實(shí)際上有個(gè)別電廠會(huì)這樣做。這說明MRS所謂的義務(wù)提供是指沒有明確的市場交易和出清環(huán)節(jié)，并不意味著所有大型電廠必然提供服務(wù)。
2.2.2 響應(yīng)能量費(fèi)用
響應(yīng)能量費(fèi)用是調(diào)頻單元進(jìn)行頻率響應(yīng)時(shí)，根據(jù)因響應(yīng)調(diào)頻向系統(tǒng)送出的新增凈電量以英鎊/（MW?h）所獲得的補(bǔ)償，用于回收電量成本。響應(yīng)能量費(fèi)用[22]為
式中：圖片是調(diào)頻單元i在結(jié)算時(shí)段j的響應(yīng)能量費(fèi)用；圖片是因調(diào)頻而向系統(tǒng)送出的新增凈電量，由功率變化積分得到，可正可負(fù)； D 是結(jié)算時(shí)段的長度；圖片是調(diào)頻單元i在時(shí)刻t因響應(yīng)調(diào)頻變化的功率，不是實(shí)測值，而是根據(jù)實(shí)際頻率偏差計(jì)算的期望響應(yīng)功率；圖片分別是高頻（HFR）、低頻（PR和SR）服務(wù)的平均響應(yīng)不足率；圖片是結(jié)算價(jià)格，當(dāng)圖片為正時(shí)，它是平衡市場電價(jià)的1.25倍，否則為0.75倍[23]；當(dāng)結(jié)算價(jià)格為負(fù)或調(diào)頻單元沒有燃料成本時(shí)（如水電廠）時(shí)，按零計(jì)算。
響應(yīng)能量費(fèi)用的具體含義是：如果調(diào)頻單元因?yàn)檫M(jìn)行調(diào)頻而增加了結(jié)算時(shí)段外送電量，那么新增電量由NGESO給予調(diào)頻者補(bǔ)償；若減少了外送電量，那么所減少電量由調(diào)頻者返還NGESO電費(fèi)。2種情況下結(jié)算價(jià)格不同，在新增外送電量時(shí)，相當(dāng)于以高于市場價(jià)賣電；在減少外送電量時(shí)，相當(dāng)于事先按市場價(jià)賣電，然后以低于市場價(jià)買電，相關(guān)電量可直接賺取0.25倍的差價(jià)。無論是哪種情況，供應(yīng)商都增加了電能量收益。
2.3 FFR性能要求
MRS對(duì)大型電廠的激勵(lì)并不充分，而且不支持小型資源的參與，為了更經(jīng)濟(jì)滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求，NGESO推出了市場化的FFR產(chǎn)品。FFR的供應(yīng)商是多元的，可以是非BM單元或BM單元，可以是電廠、儲(chǔ)能或者需求響應(yīng)[24]。
FFR包括動(dòng)態(tài)響應(yīng)服務(wù)和靜態(tài)響應(yīng)服務(wù)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)服務(wù)包含和MSR相同的3種服務(wù)，即PR、SR和HFR，只是交易和結(jié)算方式不同。靜態(tài)響應(yīng)服務(wù)只包含SR，區(qū)別在于其響應(yīng)條件不同。當(dāng)系統(tǒng)頻率超過合同規(guī)定的觸發(fā)頻率點(diǎn)后（位于49.5~49.8 Hz），靜態(tài)調(diào)頻服務(wù)觸發(fā)響應(yīng)，調(diào)頻單元提供全部的調(diào)頻容量并保持響應(yīng)功率不變，持續(xù)30 min。期間即使頻率恢復(fù)到觸發(fā)頻率點(diǎn)之前的水平，響應(yīng)也繼續(xù)進(jìn)行，并保持響應(yīng)功率不變，除非頻率達(dá)到50 Hz，才需要提前結(jié)束響應(yīng)。
2.4 FFR交易與結(jié)算
2.4.1 FFR費(fèi)用構(gòu)成
FFR的補(bǔ)償按報(bào)價(jià)結(jié)算，最多由可用費(fèi)（availability fee）、提名費(fèi)（nomination fee）、窗口費(fèi)（window initiation fee）、窗口修改費(fèi)（tendered window revision fee）、響應(yīng)能量費(fèi)（response energy fee）組成[24]。
可用費(fèi)是根據(jù)中標(biāo)調(diào)頻單元的調(diào)頻可用時(shí)間所給予的補(bǔ)償，單位是英磅/h，是FFR的主要補(bǔ)償。提名費(fèi)是根據(jù)中標(biāo)調(diào)頻單元的被提名時(shí)間所給予的補(bǔ)償，單位是英磅/h。窗口費(fèi)是根據(jù)中標(biāo)調(diào)頻單元被提名的FFR窗口數(shù)量所給予的補(bǔ)償，單位是英磅/窗口。這3項(xiàng)費(fèi)用的價(jià)格都是供應(yīng)商申報(bào)的，但后兩者功能重疊，實(shí)際上往往省略不報(bào)。窗口修改費(fèi)是當(dāng)NGESO需要臨時(shí)修改調(diào)頻單元的響應(yīng)窗口期時(shí)，需要給予的一次性補(bǔ)償，由NGESO和供應(yīng)商協(xié)商決定，不需申報(bào)，通常也不會(huì)使用。
根據(jù)規(guī)定，NGESO可以在任何時(shí)候下達(dá)指示要求中標(biāo)單元在中標(biāo)窗口期進(jìn)入頻率敏感模式。在實(shí)踐中，NGESO在每月的第12個(gè)工作日通知所有中標(biāo)單元需要提供服務(wù)的時(shí)間（即提名），實(shí)際的提名率接近100%，可以認(rèn)為中標(biāo)時(shí)段都會(huì)被提名，相關(guān)容量不可用于其他服務(wù)。
響應(yīng)能量費(fèi)結(jié)算公式與式（2）相同，但BM單元和非BM單元的價(jià)格不同。BM單元的價(jià)格由平衡市場電價(jià)決定，同MRS；非BM單元?jiǎng)t需要申報(bào)該價(jià)格，然后按報(bào)價(jià)結(jié)算。
2.4.2 招投標(biāo)要求與標(biāo)書內(nèi)容
NGESO會(huì)每月一次公布未來一年的FFR需求預(yù)測，進(jìn)行滾動(dòng)修改，并以招投標(biāo)的方式采購FFR。NGESO將每日劃分為6個(gè)4 h的EFA塊（相當(dāng)于時(shí)段），對(duì)每一種服務(wù)按EFA塊分別給出一個(gè)需求，月內(nèi)每天的需求都是相同的，每月共24個(gè)需求量[24]。供應(yīng)商對(duì)至少一個(gè)月、至多連續(xù)30個(gè)月的需求進(jìn)行投標(biāo)。
一份FFR標(biāo)書主要包括以下信息：調(diào)頻單元、時(shí)間（月份）、窗口（EFA塊）、報(bào)價(jià)、類型（動(dòng)態(tài)或靜態(tài)）、響應(yīng)特性（包括可進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)的出力范圍及其響應(yīng)曲線，或靜態(tài)服務(wù)的觸發(fā)頻率和響應(yīng)功率）。一份標(biāo)書對(duì)提交的所有時(shí)間和窗口使用同樣的報(bào)價(jià)和響應(yīng)特性。如果供應(yīng)商在不同時(shí)段提供不同的報(bào)價(jià)或調(diào)頻容量，就需要提交多份標(biāo)書。同一個(gè)調(diào)頻單元在一次招投標(biāo)最多可以提交3份標(biāo)書，如果這些標(biāo)書內(nèi)容間存在互相矛盾的問題（如服務(wù)期間重疊），那么NGESO最多只接受其中一個(gè)標(biāo)書。
2.4.3 出清與結(jié)算
在接收完標(biāo)書后，NGESO綜合考慮FFR報(bào)價(jià)和替代成本（MRS和平衡市場報(bào)價(jià)），按總成本最小的原則，對(duì)標(biāo)書進(jìn)行篩選評(píng)估以確定中標(biāo)結(jié)果。市場規(guī)則沒有明確規(guī)定應(yīng)當(dāng)使用的出清算法，通常的做法是將標(biāo)書按價(jià)格排序，由低價(jià)至高價(jià)采購直到滿足需求。計(jì)算機(jī)程序只用于輔助計(jì)算，最終的中標(biāo)結(jié)果是根據(jù)規(guī)則人為確定的。
市場出清完成后，NGESO會(huì)對(duì)所有標(biāo)書進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)全社會(huì)公開發(fā)布市場報(bào)告表格，包含各標(biāo)書的服務(wù)期、容量、價(jià)格、是否中標(biāo)等信息，并且會(huì)給出未中標(biāo)標(biāo)書被拒絕的理由。
中標(biāo)的供應(yīng)商按報(bào)價(jià)結(jié)算，不存在統(tǒng)一的結(jié)算價(jià)格。如果供應(yīng)商在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)了響應(yīng)量或性能不足等情況，所獲補(bǔ)償按相關(guān)考核規(guī)則和服務(wù)合約規(guī)定進(jìn)行扣減。
3 周度拍賣頻率響應(yīng)服務(wù)
3.1 拍賣試驗(yàn)介紹
為節(jié)約輔助服務(wù)成本，探索未來電力市場的發(fā)展路徑，英國電網(wǎng)于2018年開始進(jìn)行拍賣試驗(yàn)的討論研究，并于2019年6月、9月開始2輪試驗(yàn)，試驗(yàn)為期2年，于2021年11月進(jìn)行了最后一次周度拍賣。隨著試驗(yàn)期結(jié)束，LFS和DLH產(chǎn)品已經(jīng)暫停交易。EPEXSPOT公司負(fù)責(zé)開發(fā)和管理拍賣平臺(tái)。
拍賣試驗(yàn)的改進(jìn)點(diǎn)在于：引入了LFS和DLH兩種新的調(diào)頻產(chǎn)品、對(duì)新產(chǎn)品使用周度拍賣機(jī)制。經(jīng)濟(jì)學(xué)上通常將招投標(biāo)（Tender）算作廣義上的拍賣機(jī)制，但在英國電力市場兩者是完全不同的：在招投標(biāo)中，只有一個(gè)成本最小的出清原則，沒有明確的出清模型和算法，而且使用報(bào)價(jià)結(jié)算；在拍賣中，有明確的出清模型和算法，出清結(jié)果由優(yōu)化程序確定，而且使用統(tǒng)一價(jià)格結(jié)算[25]。
3.2 LFS和DLH性能要求
DLH是動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)產(chǎn)品，要求供應(yīng)商提供等量的PR、SR和HFR服務(wù)。DLH遵守與FFR相同的要求，已經(jīng)通過FFR產(chǎn)品測試的調(diào)頻單元可以參與拍賣。DLH、FFR和MRS本質(zhì)上提供了同樣的服務(wù)，它們的需求量取決于其他兩者的供應(yīng)量以及成本。
LFS是一種快速的低頻靜態(tài)頻率響應(yīng)產(chǎn)品，類似于FFR的靜態(tài)SR，但速度更快。當(dāng)系統(tǒng)頻率小于49.6 Hz時(shí)觸發(fā)，調(diào)頻單元在1 s內(nèi)完成響應(yīng)并提供全部調(diào)頻容量，然后保持30 min。調(diào)頻單元需要進(jìn)行專門的LFS性能測試才能參與拍賣[26]。
3.3 LFS和DLH交易與結(jié)算
3.3.1 LFS和DLH報(bào)價(jià)
LFS和DLH每周在專門的拍賣平臺(tái)上對(duì)7天共42個(gè)EFA塊的需求進(jìn)行一次交易[26]。LFS和DLH分別報(bào)價(jià)、出清和結(jié)算，但使用相同平臺(tái)和算法，其拍賣本質(zhì)上是一種塊交易機(jī)制，可以認(rèn)為是歐洲日前電能量市場常用的塊交易機(jī)制的簡化版[27]。
為方便進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化出清，LFS和DLH的補(bǔ)償只包含可用費(fèi)，單位為英鎊/（MW?h）。響應(yīng)能量不再進(jìn)行補(bǔ)償，因此需要供應(yīng)商自行考慮能量成本并將其包含在可用費(fèi)報(bào)價(jià)中[26]。
在進(jìn)行交易時(shí)，NGESO首先在每個(gè)EFA塊為LHS和DLH分別提交一個(gè)買單，包含一個(gè)購買量和購買價(jià)格，相當(dāng)于需求量和價(jià)格上限。拍賣平臺(tái)和算法本身支持提交彈性購買曲線，NGESO也有使用彈性需求的計(jì)劃，但目前尚未實(shí)施。
供應(yīng)商提交賣單，可以同時(shí)提交多個(gè)，但一個(gè)調(diào)頻單元在一個(gè)EFA塊對(duì)一種產(chǎn)品最多只能有一個(gè)賣單。一個(gè)賣單由如下要素組成：產(chǎn)品類型（LFS或DLH）、調(diào)頻單元ID、1~6個(gè)位于同一日的EFA塊（供應(yīng)時(shí)段）、訂單類型（C01或C02）、價(jià)格、每EFA塊一個(gè)響應(yīng)容量。其中，C01代表獨(dú)立訂單或父訂單，不可縮減；C02代表子訂單，可縮減，還要指定一個(gè)同一日的父訂單。一個(gè)子訂單僅當(dāng)其父訂單中標(biāo)時(shí)，才可中標(biāo)。
3.3.2 LFS和DLH出清和定價(jià)
每次拍賣只針對(duì)一種產(chǎn)品，由出清和定價(jià)組成，各進(jìn)行一次線性規(guī)劃優(yōu)化[28]。在出清環(huán)節(jié)中，目標(biāo)函數(shù)是最大化市場福利（即總盈余），優(yōu)化變量是各訂單的中標(biāo)量，并滿足如下約束：各時(shí)段賣單中標(biāo)量等于買單中標(biāo)量、各訂單中標(biāo)量不超過提交量、訂單類型約束，如不可縮減或父子訂單。
NGESO的模型說明文檔只通過文字描述了模型和算法，并給出了算例分析，沒有直接給出具體的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)描述搭建的出清模型具體組成如下。
目標(biāo)函數(shù)為
式中：T是交易時(shí)段總數(shù)，在日拍賣中為6，在周拍賣中為42； It 是 t 時(shí)段的賣單的集合； xi 是賣單i的中標(biāo)比例，對(duì)于可縮減賣單范圍為0~1，對(duì)于不可縮減賣單為0或1，是出清模型的優(yōu)化變量； qi,t 是賣單 i 在時(shí)段 t 的申報(bào)容量；圖片是時(shí)段 t 的買單報(bào)價(jià)（每時(shí)段僅有一個(gè)買單）； pi 是賣單 i 報(bào)價(jià)。
約束條件為
各訂單中標(biāo)比例為0~1，對(duì)于C01類訂單，必須為整數(shù)。
C02類訂單為子訂單，中標(biāo)比例不大于其父訂單， p(i) 是賣單 i 的父訂單編號(hào)。
定價(jià)環(huán)節(jié)在出清結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行，固定賣單中標(biāo)比例，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是最小化全時(shí)段加權(quán)平均結(jié)算價(jià)格，優(yōu)化變量是各時(shí)段的結(jié)算價(jià)格，約束是所有中標(biāo)訂單的盈余非負(fù)。模型具體組成如下。
目標(biāo)函數(shù)為
式中：πt是時(shí)段 t 的結(jié)算價(jià)格，是優(yōu)化變量； xi 的含義與式（4）相同，但不再是優(yōu)化變量而是固定值，是出清環(huán)節(jié)結(jié)果。
約束條件為
式中：圖片分別是賣單 i 的起始、結(jié)束時(shí)段。
式中： C(i) 是父訂單 i 的子訂單的集合；圖片分別是賣單c的起始、結(jié)束時(shí)段； xc 、 pc 、 qc,t 分別為賣單c的中標(biāo)比例、報(bào)價(jià)和時(shí)段t的申報(bào)容量； I父 、 I子 、 I獨(dú) 分別為父訂單、子訂單和獨(dú)立訂單的集合。
定價(jià)環(huán)節(jié)得到的各時(shí)段結(jié)算價(jià)格確保所有市場成員有利可圖，并使購買調(diào)頻產(chǎn)品的費(fèi)用盡可能少。供應(yīng)商每周按各時(shí)段中標(biāo)量以結(jié)算價(jià)格進(jìn)行結(jié)算，若供應(yīng)商在實(shí)際運(yùn)行中的性能表現(xiàn)不滿足要求，則補(bǔ)償費(fèi)用會(huì)按照每周的最差表現(xiàn)進(jìn)行扣除。
4 日前拍賣頻率響應(yīng)服務(wù)
DC[28]在2020年引入市場時(shí)的采購方式是按周招投標(biāo)。NGESO通過拍賣試驗(yàn)積累了足夠的經(jīng)驗(yàn)后，在2021年5月決定將DC的采購方式修改為日前拍賣，并于2021年8月完成修改。此后又分別于2022年4月和5月推出了DR[29]和DM[30]進(jìn)行日前拍賣，構(gòu)成了完整的頻率控制體系。
4.1 日前拍賣性能要求、交易與結(jié)算
DR、DM和DC的特性如表3所示，它們都是動(dòng)態(tài)響應(yīng)的，在頻率超出死區(qū)后就開始響應(yīng)，但在響應(yīng)時(shí)間和主要響應(yīng)區(qū)間（響應(yīng)5%調(diào)頻容量至響應(yīng)全部調(diào)頻容量的頻率范圍，區(qū)間中響應(yīng)量和頻率偏差的變化呈線性關(guān)系）形成了很好的配合，分別響應(yīng)小、中、大3種不同幅度的頻率偏差，足以滿足系統(tǒng)從正常運(yùn)行到故障處理的全部需求。NGESO計(jì)劃在日前拍賣市場成熟運(yùn)行后，逐步淘汰傳統(tǒng)調(diào)頻產(chǎn)品（主要是FFR，特別是靜態(tài)的SR服務(wù)）。
表3 日前拍賣產(chǎn)品對(duì)比
Table 3 Comparison of day-ahead auction products
DC、DR和DM的每一個(gè)方向在日前分別通過拍賣采購（每天共6種產(chǎn)品），與周度拍賣相比，除了交易周期變?yōu)橐惶煲酝?，其?bào)價(jià)、出清以及結(jié)算均與3.3節(jié)所述的一致，此處不再贅述。雖然需求在日前才完全確定，但NGESO會(huì)每月提前公布次月以及次季度需求的預(yù)測，作為供應(yīng)商的參考。
4.2 荷電狀態(tài)管理
DC和DM的高性能要求使儲(chǔ)能成為主要的供應(yīng)者。NGESO為儲(chǔ)能專門發(fā)布了一套荷電狀態(tài)管理規(guī)則，以提供50 MW容量DC低頻產(chǎn)品的儲(chǔ)能為例進(jìn)行介紹[28]。
提交和遵循基線功率（operational baseline）是荷電狀態(tài)管理的基本方法?；€功率是儲(chǔ)能的計(jì)劃功率，儲(chǔ)能的總功率為基線功率與響應(yīng)功率之和，當(dāng)不進(jìn)行響應(yīng)時(shí)（如頻率處于死區(qū)內(nèi)），儲(chǔ)能必須嚴(yán)格按照基線功率運(yùn)行，否則被視為違規(guī)并將受到懲罰。荷電管理的基本時(shí)間單位是結(jié)算期，每結(jié)算期為15 min，一個(gè)日內(nèi)有96個(gè)結(jié)算期。DC最大持續(xù)時(shí)間為15 min，在每個(gè)結(jié)算期開始前，儲(chǔ)能應(yīng)該存有50×0.25=12.5 MW?h的電量（不考慮損耗）。如果不足，供應(yīng)商應(yīng)馬上提交至少20%合同容量的新基線功率（此例為10 MW）進(jìn)行充電。為了對(duì)平衡市場的參與者公平，提交的新基線會(huì)在1 h后生效，此過程中儲(chǔ)能需要按原基線功率運(yùn)行。
即使儲(chǔ)能的電量不足，依然被視作擁有響應(yīng)能力，當(dāng)發(fā)生事件時(shí)需要進(jìn)行響應(yīng)。這可能導(dǎo)致電量的進(jìn)一步下降，供應(yīng)商需要不斷地提交1 h后的基線功率。特殊情況是：儲(chǔ)能由于調(diào)頻導(dǎo)致電量歸零后，它將被標(biāo)記為不可用狀態(tài)，不需要進(jìn)行響應(yīng)，直到新基線生效并使電量滿足要求（此例為12.5 MW?h）。雖然在這段時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)能不可用并且不能獲得可用性費(fèi)用，供應(yīng)商并不會(huì)受到進(jìn)一步懲罰，因?yàn)槠浔徽J(rèn)為遵循了荷電狀態(tài)管理的要求。
DC高頻服務(wù)的荷電狀態(tài)管理區(qū)別在于功率方向相反，對(duì)充電的管理改為放電，同時(shí)提供2種服務(wù)的儲(chǔ)能必須分別滿足低頻、高頻管理需求。DM服務(wù)也采用類似的荷電管理方法。
5 英國調(diào)頻市場啟示和借鑒意義
5.1 遠(yuǎn)期調(diào)頻市場分析
在2021年8月開啟DC的日前拍賣前，英國調(diào)頻市場完全是遠(yuǎn)期市場（本文的遠(yuǎn)期指早于日前）。在拍賣試驗(yàn)的過渡期間，由于DLH和FFR包括相同的服務(wù)類型，供應(yīng)商通常先參與月度招投標(biāo)，然后在周度拍賣市場上交易剩余調(diào)頻容量，這和發(fā)電商在多級(jí)電能量市場上的行為類似。一般來說，企業(yè)是風(fēng)險(xiǎn)厭惡的，遠(yuǎn)期市場最大的意義是錨定收益，對(duì)沖現(xiàn)貨風(fēng)險(xiǎn)?；谙嗤睦砟睿N調(diào)頻產(chǎn)品在不同時(shí)間尺度的市場上多次交易是完全可行的。除了金融層面的優(yōu)點(diǎn)以外，遠(yuǎn)期市場對(duì)物理運(yùn)行也有一定幫助?，F(xiàn)貨市場的前瞻性有限，遠(yuǎn)期調(diào)頻市場和電能量市場的配合有助于市場成員提前確定運(yùn)行方式，進(jìn)行長周期的燃料購買、水庫管理和荷電管理。
即使調(diào)頻需求會(huì)隨凈負(fù)荷預(yù)測改變而改變，部分需求（即所有可能情況下的最小調(diào)頻需求）也能夠在遠(yuǎn)期確定。運(yùn)營機(jī)構(gòu)可以提前采購這部分確定的需求，并簽訂遠(yuǎn)期調(diào)頻合約。由于調(diào)頻容量本身并不改變功率，對(duì)線路阻塞沒有影響，這使得遠(yuǎn)期調(diào)頻交易相比遠(yuǎn)期電能量交易要更加簡單。
國內(nèi)現(xiàn)有電力市場大多采取集中式，調(diào)頻市場必然也以現(xiàn)貨市場為主，但依然存在遠(yuǎn)期調(diào)頻市場的建設(shè)空間和價(jià)值。和遠(yuǎn)期能量合約一樣，遠(yuǎn)期調(diào)頻合約可以選擇金融執(zhí)行或物理執(zhí)行，還可以在場外進(jìn)行二次交易。這能夠在確保調(diào)頻容量充足的同時(shí)增強(qiáng)市場流動(dòng)性，降低調(diào)頻成本。引入遠(yuǎn)期調(diào)頻市場后，一個(gè)市場成員可以選擇在遠(yuǎn)期完全確定調(diào)度計(jì)劃，然后以自調(diào)度形式參與現(xiàn)貨市場。
5.2 多市場模式的調(diào)頻市場體系分析
激勵(lì)調(diào)頻資源建設(shè)的通用做法是對(duì)高性能調(diào)頻資源給予更多的補(bǔ)償。美國市場是典型的單市場模式[31]，通過引入調(diào)頻里程補(bǔ)償和性能系數(shù)修正，在同一個(gè)市場中將調(diào)頻劃分為連續(xù)的不同產(chǎn)品，對(duì)調(diào)頻主體的性能進(jìn)行區(qū)分，使高性能主體獲得大量調(diào)頻補(bǔ)償。英國市場是典型的多市場模式，引入新的高性能要求調(diào)頻產(chǎn)品（如LFS和DC），各種產(chǎn)品在不同市場獨(dú)立交易。只有高性能調(diào)頻資源才能提供高性能產(chǎn)品，性能不足的資源一開始就被排除在高性能產(chǎn)品市場外，自然抬高產(chǎn)品價(jià)格。這也使得提供同一產(chǎn)品的調(diào)頻單元的調(diào)頻性能和響應(yīng)調(diào)用率相當(dāng)，不需要進(jìn)一步區(qū)分考慮調(diào)頻里程和性能系數(shù)（性能系數(shù)仍會(huì)被用于考核并計(jì)算應(yīng)扣減的補(bǔ)償費(fèi)用），即可確保高性能資源獲得充足收益。多市場模式相較之下主要有以下優(yōu)點(diǎn)。
首先，調(diào)頻產(chǎn)品有了明確的劃分，更接近于一般的標(biāo)準(zhǔn)化商品，使NGESO和市場成員都能形成一個(gè)更確切的需求和成本預(yù)期，便于產(chǎn)品交易。
其次，多市場模式下形成的出清結(jié)果和市場價(jià)格更加透明。在多市場模式各調(diào)頻產(chǎn)品單獨(dú)出清，避免了市場耦合，出清結(jié)果解釋性強(qiáng)，對(duì)每一個(gè)未中標(biāo)的賣單都能給出明確的拒絕原因，市場成員更能了解和接受市場結(jié)果。
此外，多市場模式避免了性能系數(shù)設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的扭曲。單市場模式中的性能系數(shù)是響應(yīng)延遲、精度和相關(guān)性等多個(gè)指數(shù)綜合的結(jié)果，不同市場中所考慮的指數(shù)和指數(shù)權(quán)重差別非常大，難以評(píng)估哪一種設(shè)計(jì)更加合理，這對(duì)供應(yīng)商的利益影響很大。而多市場模式預(yù)先設(shè)計(jì)了不同產(chǎn)品，性能要求是根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要確定的，從而不需要性能系數(shù)用于結(jié)算，產(chǎn)品價(jià)格完全通過市場交易形成，避免人為設(shè)置的干擾。
最后，多市場模式更有利于應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)展產(chǎn)生的新需求。NGESO可以比較輕易設(shè)計(jì)一種產(chǎn)品并獨(dú)立采購，不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的調(diào)頻和能量市場產(chǎn)生直接影響。相比之下，單市場模式的市場一旦修改調(diào)頻產(chǎn)品，必然直接影響現(xiàn)貨市場所有產(chǎn)品的出清，不利于實(shí)時(shí)跟進(jìn)系統(tǒng)需求進(jìn)行改革。
國內(nèi)由于普遍采用集中式市場，更適合單市場模式，但可以參考英國市場模式優(yōu)化設(shè)計(jì)。建議國內(nèi)推出多種調(diào)頻產(chǎn)品，性能要求依次增加，覆蓋從常規(guī)擾動(dòng)到事故恢復(fù)的全部需求，在現(xiàn)貨市場中和電能量市場聯(lián)合優(yōu)化出清，不考慮調(diào)頻里程和性能系數(shù)。另外，還可針對(duì)部分可提前確定的調(diào)頻需求，專門設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期調(diào)頻產(chǎn)品并進(jìn)行單獨(dú)出清。這樣的調(diào)頻體系能夠最大限度綜合多市場和單市場模式的優(yōu)點(diǎn)。
5.3 義務(wù)輔助服務(wù)產(chǎn)品分析
在各國電力市場中，普遍存在要求義務(wù)提供的輔助服務(wù)產(chǎn)品，其目的在于為系統(tǒng)運(yùn)行提供基本保障，避免不當(dāng)?shù)氖袌龈偁幬＜跋到y(tǒng)正常運(yùn)行。國內(nèi)常見的義務(wù)輔助服務(wù)都是要求相關(guān)并網(wǎng)主體必須提供服務(wù)，然后在事后給予固定補(bǔ)償。在電力市場環(huán)境中，這可能會(huì)使并網(wǎng)主體將輔助服務(wù)成本折入能量報(bào)價(jià)中，從而扭曲價(jià)格。英國MRS雖然也要求義務(wù)提供，但允許報(bào)價(jià)，相當(dāng)于強(qiáng)制參與市場，能夠兼顧資源充裕度和精確補(bǔ)償。
為促進(jìn)市場的健康發(fā)展，建議未來中國的義務(wù)輔助服務(wù)要求修改為：相關(guān)主體并網(wǎng)時(shí)必須進(jìn)行測試證明其具有規(guī)定的輔助服務(wù)能力，必須定期在指定的市場中對(duì)相關(guān)服務(wù)進(jìn)行報(bào)價(jià)，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)主體必須保持相關(guān)服務(wù)的響應(yīng)能力，事后按報(bào)價(jià)結(jié)算。在初期可以為義務(wù)輔助服務(wù)設(shè)置一個(gè)較低的價(jià)格上限，后期可以放開此上限。
5.4 市場透明度分析
理想市場能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)資源配置，其中重要的是市場的信息透明度。只有在掌握充足信息的情況下，市場成員才能進(jìn)行正確決策。高市場透明度還能降低市場的進(jìn)入門檻，進(jìn)而減少壟斷。
英國電力市場的信息公開機(jī)制建設(shè)相當(dāng)優(yōu)秀。對(duì)于每一種電力產(chǎn)品，NGESO都創(chuàng)建了專門的網(wǎng)站頁面并公開發(fā)布了規(guī)則和指南。NGESO會(huì)定期開展研討會(huì)，討論市場的下一步發(fā)展，然后得到發(fā)展目標(biāo)和時(shí)間路徑圖，討論的過程和結(jié)果也是完全公開的。NGESO還收集市場成員對(duì)于各產(chǎn)品的疑問，定期整理并回答，發(fā)布在產(chǎn)品頁面。此外，系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測、輔助服務(wù)需求、各市場的投標(biāo)、中標(biāo)和結(jié)算信息都在專門的網(wǎng)站上對(duì)社會(huì)公眾完全公開，可以隨時(shí)下載和查閱。
中國的電力市場在頂層設(shè)計(jì)上也非常強(qiáng)調(diào)信息公開，然而在實(shí)際運(yùn)行中，市場透明度是不足的。國內(nèi)市場應(yīng)該參考英國市場，加強(qiáng)市場信息公開機(jī)制建設(shè)。除非保密需要，市場信息不僅要對(duì)市場成員公開，還要對(duì)全社會(huì)公開，便于社會(huì)成員了解和參與電力市場，吸引外來投資進(jìn)入。如果信息公開只局限于市場成員，那場外主體就缺少了解市場渠道，在信息層面加大了市場進(jìn)入壁壘，不利于市場的充分競爭。
5.5 英國調(diào)頻市場不足之處
英國調(diào)頻市場雖然有其優(yōu)點(diǎn)，但仍存在不足之處。需要說明的是，這并非是由于錯(cuò)誤設(shè)計(jì)產(chǎn)生的缺陷，而是采取此種機(jī)制體制的必然結(jié)果。英國調(diào)頻市場具體不足之處如下。
首先，多市場模式一方面給予了市場主體更大的決策自由和選擇空間，另一方面也對(duì)市場主體的投標(biāo)策略水平有著更高的要求，否則會(huì)得到較差的結(jié)果。中國若要實(shí)行多市場模式的調(diào)頻體系，必須建立在市場主體普遍積累了足夠的市場經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，并且逐步推出產(chǎn)品，為市場主體留有足夠適應(yīng)時(shí)間。
其次，英國市場沒有集中式的聯(lián)合優(yōu)化，從短期來看，交易結(jié)果不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)度。然而，分散式市場的高交易自由度可以帶來更準(zhǔn)確的價(jià)格信號(hào)，進(jìn)而優(yōu)化市場主體報(bào)價(jià)行為，并吸引社會(huì)投資降低市場壟斷情況，長期可能會(huì)得到更好的結(jié)果。這也是分散式市場的共同特點(diǎn)，國內(nèi)由于普遍采取集中式市場，不會(huì)遇到這樣的問題。
最后，英國頻率響應(yīng)服務(wù)產(chǎn)品均為自動(dòng)響應(yīng)，調(diào)度機(jī)構(gòu)在實(shí)時(shí)運(yùn)行中難以應(yīng)用調(diào)頻控制策略，必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和采購時(shí)，就在性能要求和需求量等方面考慮不同產(chǎn)品的配合響應(yīng)。國內(nèi)由于普遍同時(shí)采用一次和二次調(diào)頻，不會(huì)遇到這樣的問題。
轉(zhuǎn)自“中國電力”微信公眾號(hào)
