中國儲能網(wǎng)訊：在清華大學(xué)與中國能源研究會聯(lián)合主辦的“電力市場建設(shè)助力高比例可再生能源發(fā)展——邁向低碳未來”學(xué)術(shù)研討會上，美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校教授羅斯·鮑迪克（Ross Baldick，以下簡稱“鮑迪克”）發(fā)表了題為“北美電力市場中的新型輔助服務(wù)體系與慣量輔助服務(wù)”的報告。鮑迪克重點分析了火電機組退役背景下日益凸顯的電網(wǎng)慣性問題，強調(diào)儲能在輔助服務(wù)方面能夠發(fā)揮不可忽視的作用，并創(chuàng)新提出新型轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)機制。
會后，在接受《南方能源觀察》（以下簡稱“eo”）記者采訪時，鮑迪克進一步闡述了未來電力市場設(shè)計需同時關(guān)注能量容量（Energy Capacity）和裝機（功率）容量，為新型儲能參與輔助服務(wù)市場創(chuàng)造公平、可量化條件；激發(fā)需求側(cè)靈活性也是提升電力系統(tǒng)韌性的關(guān)鍵，要通過價格機制讓工業(yè)用戶從“問題”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖鉀Q方案”。
探索轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)
可再生能源在節(jié)能降碳的同時，也為電力系統(tǒng)增添了更多不確定性。鮑迪克介紹，高比例可再生能源電力系統(tǒng)主要需應(yīng)對更快速的頻率波動和更劇烈的負(fù)荷爬坡需求兩類挑戰(zhàn)，這也催生了快速調(diào)頻響應(yīng)和爬坡響應(yīng)兩類重要的輔助服務(wù)品種。
可再生能源占比提高往往伴隨著火電機組占比持續(xù)下降。除了提供已被納入輔助服務(wù)市場的服務(wù)品種之外，火電機組還提供一些尚未單獨計價或納入計價系統(tǒng)的輔助服務(wù)，如無功支撐、自動頻率響應(yīng)及轉(zhuǎn)動慣量等。隨著火電機組比例持續(xù)下降，其提供的機械慣性作用也隨之降低，慣量缺失造成系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性下降成為系統(tǒng)穩(wěn)定運行面臨的核心問題之一。
轉(zhuǎn)動慣量是指在系統(tǒng)經(jīng)受擾動時，并網(wǎng)主體根據(jù)自身慣量特性提供響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化率的快速正阻尼，阻止系統(tǒng)頻率突變的服務(wù)。慣量響應(yīng)是一次調(diào)頻的前置環(huán)節(jié)，為一次調(diào)頻贏得時間窗口和調(diào)節(jié)裕度。雖然快速調(diào)頻可部分替代轉(zhuǎn)動慣量減緩頻率波動，但轉(zhuǎn)動慣量在電力系統(tǒng)中仍不可被替代。
火電、水電、核電、抽水蓄能等同步發(fā)電機及電動機、電機類負(fù)荷可為電力系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動慣量，部分新型儲能也能通過虛擬慣量控制器等新技術(shù)提供與頻率變化率成比例的有功功率響應(yīng)，模擬同步發(fā)電特性。換句話說，依靠大量同步發(fā)電機的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)“自帶”轉(zhuǎn)動慣量。然而，隨著轉(zhuǎn)動慣量下降，電網(wǎng)風(fēng)險發(fā)生概率增加。鮑迪克說，必須通過市場機制，明確激勵能夠提供轉(zhuǎn)動慣量的市場主體，將轉(zhuǎn)動慣量由公共品轉(zhuǎn)變?yōu)榭啥▋r的商品。
鮑迪克建議，從功率貢獻角度衡量轉(zhuǎn)動慣量。電力系統(tǒng)需要在事故發(fā)生后，將瞬間頻率變化限制在一定范圍內(nèi)，因此，轉(zhuǎn)動慣量的“數(shù)量”可以被定義為：在系統(tǒng)規(guī)定的最大頻率變化率下，可以提供轉(zhuǎn)動慣量的市場主體所能提供的功率變化量。這種定義方式適用于傳統(tǒng)同步發(fā)電機及可以提供轉(zhuǎn)動慣量的新型儲能。
他說，不同于“自帶”轉(zhuǎn)動慣量的同步發(fā)電機，可以提供轉(zhuǎn)動慣量的新型儲能需明確預(yù)留相應(yīng)的能量容量，并通過控制策略，在頻率恢復(fù)時“吸收”能量補回?fù)p耗，因此需精準(zhǔn)界定最大頻率變化率等，以滿足技術(shù)需求?！靶疫\的是，總能量與系統(tǒng)頻率總變化量成正比，從電力系統(tǒng)額定頻率到最低準(zhǔn)許頻率的最大頻率偏差，決定了轉(zhuǎn)動慣量所需的最大能量儲備，這意味著要求新型儲能為轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)預(yù)留特定量的能量可行且可量化?！?/span>
鮑迪克建議進一步完善轉(zhuǎn)動慣量輔助服務(wù)定義，明確功率提供能力和能量儲備要求，公平對待同步發(fā)電機和新型儲能。
現(xiàn)階段中國是否需要將轉(zhuǎn)動慣量納入輔助服務(wù)市場？鮑迪克說，在規(guī)模較小的電力系統(tǒng)中，隨著傳統(tǒng)火電機組退役，轉(zhuǎn)動慣量下降明顯，中國電力系統(tǒng)規(guī)模龐大，火電機組完全退役需要更長時間，因此，現(xiàn)階段暫不需要專門激勵提供轉(zhuǎn)動慣量的主體，但需注意云南等高比例可再生能源地區(qū)可能比其他地區(qū)更早面臨缺乏轉(zhuǎn)動慣量的問題。
能量容量是關(guān)鍵
“當(dāng)電力系統(tǒng)越來越需要儲能提供輔助服務(wù)時，能量容量將變得至關(guān)重要。轉(zhuǎn)動慣量只是其中一個具體體現(xiàn)，能量容量適用于所有需要儲能提供輔助服務(wù)的場景?！滨U迪克在接受eo記者專訪時說。
據(jù)了解，目前新型儲能已在輔助服務(wù)中發(fā)揮重要作用，但儲能可以提供的輔助服務(wù)具有能量局限性。傳統(tǒng)輔助服務(wù)只要求容量可用，并未明確考慮能量存儲要求。具體來說，火電機組可以在一天之內(nèi)被多次調(diào)用，但儲能可以提供的總能量受限于其能量容量，若被長時間或多頻次調(diào)用，儲能可能耗盡能量。在實際場景中，電力系統(tǒng)運營商往往希望儲能保證充足的能量，儲能所有者通常則希望最小化預(yù)留能量以降低成本。
隨著可再生能源占比不斷提高，電力系統(tǒng)將越來越需要儲能。而儲能的關(guān)鍵特性就是同時具有功率容量和能量容量，這在過往設(shè)計輔助服務(wù)品種時較少被考慮?！稗D(zhuǎn)動慣量就是同時關(guān)注功率容量和能量容量的例子。在設(shè)計應(yīng)對突發(fā)事件和供需失衡的其他輔助服務(wù)品種時，也需同時關(guān)注功率和能量。”鮑迪克說。
對整個電力系統(tǒng)而言，能量容量也至關(guān)重要。
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)有備用裕量概念，即根據(jù)預(yù)測的峰值要求，規(guī)劃10%—30%的電力系統(tǒng)裕量。在擁有大量可再生能源和新型儲能的電力系統(tǒng)中，峰值需求可能更高，總裕量要求也更大。
鮑迪克認(rèn)為，未來電力系統(tǒng)重要的問題不是峰值時刻需要多少裝機容量，而是峰值當(dāng)天乃至數(shù)日內(nèi)的總能源供應(yīng)量能否滿足負(fù)荷需求曲線，這主要取決于可再生能源預(yù)測能量、儲能能量及火電能量三個關(guān)鍵因素。
對以水電為主的電力系統(tǒng)來說，最重要的不是水電站的裝機容量，而是水庫有多少水及預(yù)測降雨量。未來電力系統(tǒng)將需要類似于水電為主電力系統(tǒng)的思維方式，不同的是水電為主電力系統(tǒng)考慮的時間周期是月度或季度，新能源為主的電力系統(tǒng)考慮的時間周期是數(shù)小時或數(shù)天。
“輔助服務(wù)市場并非獨立存在，而是要將市場主體的電能量生產(chǎn)能力與輔助服務(wù)提供能力進行統(tǒng)一協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，這是實現(xiàn)能源高效利用的關(guān)鍵?！滨U迪克說，“進行市場設(shè)計還需具有前瞻性，不僅考慮現(xiàn)狀，更要考慮可再生能源滲透率大幅提升之后的情況，重點在于使電力系統(tǒng)能應(yīng)對更快速、更大規(guī)模的凈負(fù)荷變化需求，提升系統(tǒng)快速響應(yīng)能力?！?/span>
他還提到要建立有效的價格激勵機制，充分挖掘和利用需求側(cè)靈活性，保障電網(wǎng)穩(wěn)定與高效運行?！安簧俟I(yè)用戶和數(shù)據(jù)中心具有巨大的靈活性調(diào)節(jié)潛力，應(yīng)將這些工業(yè)用戶和數(shù)據(jù)中心視為電力系統(tǒng)的‘解決方案’而非‘問題’”。具體而言，數(shù)據(jù)中心負(fù)荷可以快速調(diào)節(jié)，部分工業(yè)用戶則可以在可再生能源發(fā)電富足時增加生產(chǎn)，短缺時減少生產(chǎn)，在一定時間周期內(nèi)實現(xiàn)總生產(chǎn)配額下的靈活用電。
鮑迪克說，讓工業(yè)用戶面對批發(fā)市場的實時價格信號，是激發(fā)其靈活性的根本驅(qū)動力。應(yīng)確保工業(yè)用戶能夠直接或通過售電公司接觸到批發(fā)市場的實時價格，讓具備調(diào)節(jié)能力的用戶通過價格激勵為電力系統(tǒng)提供價值，在保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定和高效運行的同時獲取收益。
