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英國頻率響應(yīng)服務(wù)市場及對中國調(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)市場機制是經(jīng)濟、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)鍵時期，吸取國外先進市場的建設(shè)經(jīng)驗很有必要。詳細介紹英國頻率響應(yīng)服務(wù)市場，包括強制頻率響應(yīng)、固定頻率響應(yīng)等傳統(tǒng)調(diào)頻產(chǎn)品以及動態(tài)高低頻、動態(tài)遏制等新型調(diào)頻產(chǎn)品的性能要求、交易機制和響應(yīng)機制，重點分析其分散式、多市場、長周期、高透明度的特點，對中國調(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)實時功率不平衡，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的有償服務(wù)，其市場機制設(shè)計得到了廣泛而深入的研究[1-3]，有望成為獨立儲能電站和電動車充電樁等第三方主體的重要利潤來源。
電改“9號文”配套文件《關(guān)于推進電力市場建設(shè)的實施意見》將電力市場機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制，歐洲采用分散式機制[5]。兩種機制的主要區(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。
中國以往普遍實施按需調(diào)用、事后補償?shù)恼{(diào)頻機制，補償價格完全由政府規(guī)定[9]。這雖然能夠在一定程度上使電廠回收調(diào)頻成本，但缺乏對電廠提高調(diào)頻質(zhì)量的激勵。市場化改革后，中國調(diào)頻市場發(fā)展迅速，各省紛紛出臺了調(diào)頻市場規(guī)則[10-11]，并進入了試運行、試結(jié)算乃至正式運行階段[12]。中國調(diào)頻市場的建設(shè)取得了一定的成果，但在實際運行中也暴露了補償不合理[13]、存在壟斷風(fēng)險[14]等問題，需要進一步改進，借鑒國外成熟電力市場的經(jīng)驗很有必要[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)驗仍有很大價值。國內(nèi)對分散式市場的研究不足，尤其缺乏對英國頻率響應(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[16-17]對英國調(diào)頻市場進行了介紹，但視角局限于儲能主體，沒有對英國調(diào)頻產(chǎn)品和調(diào)頻體系做全方位的詳細介紹與分析，也沒有深入發(fā)掘英國調(diào)頻市場設(shè)計的特點和成因，對中國調(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，并重點針對其多時間尺度、多市場模式、無調(diào)頻里程補償、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進行深入剖析，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行電力市場化改革的國家之一，自1989年以來，已經(jīng)進行了3次大規(guī)模的改革，建成了一個成熟可靠的分散式市場，并仍在不斷進行改革。國家電網(wǎng)電力系統(tǒng)運營商（National Grid Electricity System Operator，NGESO）是英國電力市場的運營組織，負責(zé)購買平衡服務(wù)和輔助服務(wù)并維護系統(tǒng)安全；Elexon是國家電網(wǎng)的子公司，負責(zé)在事后進行結(jié)算和費用分攤[6]。
英國電能量市場主要由批發(fā)市場、平衡機制和不平衡結(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，只需在運行日前上傳總交易曲線作為運行計劃。平衡機制類似實時市場，在運行時刻前1 h進行交易。參與平衡機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]，并修正實時電量偏差。事后，Elexon根據(jù)市場主體事前交易曲線、中標不平衡服務(wù)供應(yīng)量和實際發(fā)用電量計算不平衡電量，按系統(tǒng)不平衡價格進行結(jié)算。因響應(yīng)輔助服務(wù)而變化的電量，不計入不平衡電量中，相關(guān)成本需要在輔助服務(wù)補償中回收。
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)、黑啟動服務(wù)等一系列產(chǎn)品，所有產(chǎn)品都在各自的市場獨立出清。同時提供多種產(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)品按推出時間排列如下[19]：強制頻率響應(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；動態(tài)高低頻（dynamic low high，DLH）、靜態(tài)低頻（low frequency static，LFS），按周拍賣；動態(tài)遏制（dynamic containment，DC）、動態(tài)校準（dynamic regulation，DR）和動態(tài)調(diào)節(jié)（dynamic moderation，DM），按日拍賣 。NGESO還曾經(jīng)推出增強頻率響應(yīng)（enhanced frequency response，EFR）[20]，但已完全停止采購。MRS分為初級頻率響應(yīng)（primary response，PR）、次級頻率響應(yīng)（secondary response，SR）和高級頻率響應(yīng)（high frequency response，HFR）3種響應(yīng)服務(wù)，都是動態(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)頻率自動響應(yīng)的，無需調(diào)度機構(gòu)發(fā)送調(diào)頻信號。各產(chǎn)品的技術(shù)要求和共同點如表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
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)裝機大于100 MW的電廠和在蘇格蘭電網(wǎng)內(nèi)裝機大于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。
一個電廠可能同時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)時間，具體的響應(yīng)曲線根據(jù)機組性能測試結(jié)果而定。性能要求上，PR、SR、HFR的完全響應(yīng)時間分別為10 s、30 s、10 s，最大響應(yīng)持續(xù)時間分別為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的補償由保持費用（holding payment）和響應(yīng)能量費用（response energy payment）組成。保持費用分別對3種服務(wù)進行支付，而響應(yīng)能量費用對3種服務(wù)的總響應(yīng)能量進行支付。MRS是義務(wù)提供的，不需要事前交易，但供應(yīng)商仍需每半個月分別對每種服務(wù)的保持費用進行報價，NGESO會綜合評估MRS、FFR和DLH的成本選擇調(diào)頻資源；響應(yīng)能量費用的價格則由NGESO根據(jù)平衡市場電價確定，不需申報[21]。
2.2.1 保持費用
保持費用是調(diào)頻單元進入頻率響應(yīng)模式時，根據(jù)處于頻率響應(yīng)模式的持續(xù)時間以及調(diào)頻容量，以英鎊/（MW·h）為單位所獲得的補償。以PR為例，對一個特定的調(diào)頻單元，其每分鐘的保持費用PM計算公式[22]為
式中：PPR 是保持費用的價格，由供應(yīng)商申報； PMW 是此時刻最大可用調(diào)頻容量，由實際出力和機組參數(shù)計算得到；圖片是PR服務(wù)的平均響應(yīng)不足率，默認為0； KT 是和溫度有關(guān)的修正系數(shù)，由用戶和NGESO共同確定，默認為1； KGRC 是聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機修正系數(shù)，由協(xié)議規(guī)定，默認為1。
SR和HFR的費用公式是相同的，只是價格和調(diào)頻容量不同?？偙３仲M用是3種服務(wù)費用之和。
保持費用報價的上限是9 999.99英鎊/（MW·h），遠高于正常報價，大型電廠可以通過申報上限價格避免被調(diào)用，實際上有個別電廠會這樣做。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)能量費用
響應(yīng)能量費用是調(diào)頻單元進行頻率響應(yīng)時，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）所獲得的補償，用于回收電量成本。響應(yīng)能量費用[22]為
式中：圖片是調(diào)頻單元i在結(jié)算時段j的響應(yīng)能量費用；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； D 是結(jié)算時段的長度；圖片是調(diào)頻單元i在時刻t因響應(yīng)調(diào)頻變化的功率，不是實測值，而是根據(jù)實際頻率偏差計算的期望響應(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)算價格，當(dāng)圖片為正時，它是平衡市場電價的1.25倍，否則為0.75倍[23]；當(dāng)結(jié)算價格為負或調(diào)頻單元沒有燃料成本時（如水電廠）時，按零計算。
響應(yīng)能量費用的具體含義是：如果調(diào)頻單元因為進行調(diào)頻而增加了結(jié)算時段外送電量，那么新增電量由NGESO給予調(diào)頻者補償；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。2種情況下結(jié)算價格不同，在新增外送電量時，相當(dāng)于以高于市場價賣電；在減少外送電量時，相當(dāng)于事先按市場價賣電，然后以低于市場價買電，相關(guān)電量可直接賺取0.25倍的差價。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對大型電廠的激勵并不充分，而且不支持小型資源的參與，為了更經(jīng)濟滿足系統(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、儲能或者需求響應(yīng)[24]。
FFR包括動態(tài)響應(yīng)服務(wù)和靜態(tài)響應(yīng)服務(wù)。動態(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)頻率點之前的水平，響應(yīng)也繼續(xù)進行，并保持響應(yīng)功率不變，除非頻率達到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費用構(gòu)成
FFR的補償按報價結(jié)算，最多由可用費（availability fee）、提名費（nomination fee）、窗口費（window initiation fee）、窗口修改費（tendered window revision fee）、響應(yīng)能量費（response energy fee）組成[24]。
可用費是根據(jù)中標調(diào)頻單元的調(diào)頻可用時間所給予的補償，單位是英磅/h，是FFR的主要補償。提名費是根據(jù)中標調(diào)頻單元的被提名時間所給予的補償，單位是英磅/h。窗口費是根據(jù)中標調(diào)頻單元被提名的FFR窗口數(shù)量所給予的補償，單位是英磅/窗口。這3項費用的價格都是供應(yīng)商申報的，但后兩者功能重疊，實際上往往省略不報。窗口修改費是當(dāng)NGESO需要臨時修改調(diào)頻單元的響應(yīng)窗口期時，需要給予的一次性補償，由NGESO和供應(yīng)商協(xié)商決定，不需申報，通常也不會使用。
根據(jù)規(guī)定，NGESO可以在任何時候下達指示要求中標單元在中標窗口期進入頻率敏感模式。在實踐中，NGESO在每月的第12個工作日通知所有中標單元需要提供服務(wù)的時間（即提名），實際的提名率接近100%，可以認為中標時段都會被提名，相關(guān)容量不可用于其他服務(wù)。
響應(yīng)能量費結(jié)算公式與式（2）相同，但BM單元和非BM單元的價格不同。BM單元的價格由平衡市場電價決定，同MRS；非BM單元則需要申報該價格，然后按報價結(jié)算。
2.4.2 招投標要求與標書內(nèi)容
NGESO會每月一次公布未來一年的FFR需求預(yù)測，進行滾動修改，并以招投標的方式采購FFR。NGESO將每日劃分為6個4 h的EFA塊（相當(dāng)于時段），對每一種服務(wù)按EFA塊分別給出一個需求，月內(nèi)每天的需求都是相同的，每月共24個需求量[24]。供應(yīng)商對至少一個月、至多連續(xù)30個月的需求進行投標。
一份FFR標書主要包括以下信息：調(diào)頻單元、時間（月份）、窗口（EFA塊）、報價、類型（動態(tài)或靜態(tài)）、響應(yīng)特性（包括可進行動態(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）。一份標書對提交的所有時間和窗口使用同樣的報價和響應(yīng)特性。如果供應(yīng)商在不同時段提供不同的報價或調(diào)頻容量，就需要提交多份標書。同一個調(diào)頻單元在一次招投標最多可以提交3份標書，如果這些標書內(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標書。
2.4.3 出清與結(jié)算
在接收完標書后，NGESO綜合考慮FFR報價和替代成本（MRS和平衡市場報價），按總成本最小的原則，對標書進行篩選評估以確定中標結(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，通常的做法是將標書按價格排序，由低價至高價采購直到滿足需求。計算機程序只用于輔助計算，最終的中標結(jié)果是根據(jù)規(guī)則人為確定的。
市場出清完成后，NGESO會對所有標書進行統(tǒng)計，并對全社會公開發(fā)布市場報告表格，包含各標書的服務(wù)期、容量、價格、是否中標等信息，并且會給出未中標標書被拒絕的理由。
中標的供應(yīng)商按報價結(jié)算，不存在統(tǒng)一的結(jié)算價格。如果供應(yīng)商在實際運行中出現(xiàn)了響應(yīng)量或性能不足等情況，所獲補償按相關(guān)考核規(guī)則和服務(wù)合約規(guī)定進行扣減。
3 周度拍賣頻率響應(yīng)服務(wù)
3.1 拍賣試驗介紹
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年開始進行拍賣試驗的討論研究，并于2019年6月、9月開始2輪試驗，試驗為期2年，于2021年11月進行了最后一次周度拍賣。隨著試驗期結(jié)束，LFS和DLH產(chǎn)品已經(jīng)暫停交易。EPEXSPOT公司負責(zé)開發(fā)和管理拍賣平臺。
拍賣試驗的改進點在于：引入了LFS和DLH兩種新的調(diào)頻產(chǎn)品、對新產(chǎn)品使用周度拍賣機制。經(jīng)濟學(xué)上通常將招投標（Tender）算作廣義上的拍賣機制，但在英國電力市場兩者是完全不同的：在招投標中，只有一個成本最小的出清原則，沒有明確的出清模型和算法，而且使用報價結(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)一價格結(jié)算[25]。
3.2 LFS和DLH性能要求
DLH是動態(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報價
LFS和DLH每周在專門的拍賣平臺上對7天共42個EFA塊的需求進行一次交易[26]。LFS和DLH分別報價、出清和結(jié)算，但使用相同平臺和算法，其拍賣本質(zhì)上是一種塊交易機制，可以認為是歐洲日前電能量市場常用的塊交易機制的簡化版[27]。
為方便進行統(tǒng)一優(yōu)化出清，LFS和DLH的補償只包含可用費，單位為英鎊/（MW?h）。響應(yīng)能量不再進行補償，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報價中[26]。
在進行交易時，NGESO首先在每個EFA塊為LHS和DLH分別提交一個買單，包含一個購買量和購買價格，相當(dāng)于需求量和價格上限。拍賣平臺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劃，但目前尚未實施。
供應(yīng)商提交賣單，可以同時提交多個，但一個調(diào)頻單元在一個EFA塊對一種產(chǎn)品最多只能有一個賣單。一個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個位于同一日的EFA塊（供應(yīng)時段）、訂單類型（C01或C02）、價格、每EFA塊一個響應(yīng)容量。其中，C01代表獨立訂單或父訂單，不可縮減；C02代表子訂單，可縮減，還要指定一個同一日的父訂單。一個子訂單僅當(dāng)其父訂單中標時，才可中標。
3.3.2 LFS和DLH出清和定價
每次拍賣只針對一種產(chǎn)品，由出清和定價組成，各進行一次線性規(guī)劃優(yōu)化[28]。在出清環(huán)節(jié)中，目標函數(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量，并滿足如下約束：各時段賣單中標量等于買單中標量、各訂單中標量不超過提交量、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。
目標函數(shù)為
式中：T是交易時段總數(shù)，在日拍賣中為6，在周拍賣中為42； It 是 t 時段的賣單的集合； xi 是賣單i的中標比例，對于可縮減賣單范圍為0~1，對于不可縮減賣單為0或1，是出清模型的優(yōu)化變量； qi,t 是賣單 i 在時段 t 的申報容量；圖片是時段 t 的買單報價（每時段僅有一個買單）； pi 是賣單 i 報價。
約束條件為
各訂單中標比例為0~1，對于C01類訂單，必須為整數(shù)。
C02類訂單為子訂單，中標比例不大于其父訂單， p(i) 是賣單 i 的父訂單編號。
定價環(huán)節(jié)在出清結(jié)果基礎(chǔ)上進行，固定賣單中標比例，優(yōu)化的目標函數(shù)是最小化全時段加權(quán)平均結(jié)算價格，優(yōu)化變量是各時段的結(jié)算價格，約束是所有中標訂單的盈余非負。模型具體組成如下。
目標函數(shù)為
式中：πt是時段 t 的結(jié)算價格，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)束時段； xc 、 pc 、 qc,t 分別為賣單c的中標比例、報價和時段t的申報容量； I父 、 I子 、 I獨 分別為父訂單、子訂單和獨立訂單的集合。
定價環(huán)節(jié)得到的各時段結(jié)算價格確保所有市場成員有利可圖，并使購買調(diào)頻產(chǎn)品的費用盡可能少。供應(yīng)商每周按各時段中標量以結(jié)算價格進行結(jié)算，若供應(yīng)商在實際運行中的性能表現(xiàn)不滿足要求，則補償費用會按照每周的最差表現(xiàn)進行扣除。
4 日前拍賣頻率響應(yīng)服務(wù)
DC[28]在2020年引入市場時的采購方式是按周招投標。NGESO通過拍賣試驗積累了足夠的經(jīng)驗后，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)從正常運行到故障處理的全部需求。NGESO計劃在日前拍賣市場成熟運行后，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)品對比
Table 3 Comparison of day-ahead auction products
DC、DR和DM的每一個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?，其報價、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的高性能要求使儲能成為主要的供應(yīng)者。NGESO為儲能專門發(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)品的儲能為例進行介紹[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。基線功率是儲能的計劃功率，儲能的總功率為基線功率與響應(yīng)功率之和，當(dāng)不進行響應(yīng)時（如頻率處于死區(qū)內(nèi)），儲能必須嚴格按照基線功率運行，否則被視為違規(guī)并將受到懲罰。荷電管理的基本時間單位是結(jié)算期，每結(jié)算期為15 min，一個日內(nèi)有96個結(jié)算期。DC最大持續(xù)時間為15 min，在每個結(jié)算期開始前，儲能應(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）進行充電。為了對平衡市場的參與者公平，提交的新基線會在1 h后生效，此過程中儲能需要按原基線功率運行。
即使儲能的電量不足，依然被視作擁有響應(yīng)能力，當(dāng)發(fā)生事件時需要進行響應(yīng)。這可能導(dǎo)致電量的進一步下降，供應(yīng)商需要不斷地提交1 h后的基線功率。特殊情況是：儲能由于調(diào)頻導(dǎo)致電量歸零后，它將被標記為不可用狀態(tài)，不需要進行響應(yīng)，直到新基線生效并使電量滿足要求（此例為12.5 MW?h）。雖然在這段時間內(nèi)儲能不可用并且不能獲得可用性費用，供應(yīng)商并不會受到進一步懲罰，因為其被認為遵循了荷電狀態(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，對充電的管理改為放電，同時提供2種服務(wù)的儲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)頻市場完全是遠期市場（本文的遠期指早于日前）。在拍賣試驗的過渡期間，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，然后在周度拍賣市場上交易剩余調(diào)頻容量，這和發(fā)電商在多級電能量市場上的行為類似。一般來說，企業(yè)是風(fēng)險厭惡的，遠期市場最大的意義是錨定收益，對沖現(xiàn)貨風(fēng)險?；谙嗤睦砟?，同種調(diào)頻產(chǎn)品在不同時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)點以外，遠期市場對物理運行也有一定幫助?，F(xiàn)貨市場的前瞻性有限，遠期調(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行方式，進行長周期的燃料購買、水庫管理和荷電管理。
即使調(diào)頻需求會隨凈負荷預(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）也能夠在遠期確定。運營機構(gòu)可以提前采購這部分確定的需求，并簽訂遠期調(diào)頻合約。由于調(diào)頻容量本身并不改變功率，對線路阻塞沒有影響，這使得遠期調(diào)頻交易相比遠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，但依然存在遠期調(diào)頻市場的建設(shè)空間和價值。和遠期能量合約一樣，遠期調(diào)頻合約可以選擇金融執(zhí)行或物理執(zhí)行，還可以在場外進行二次交易。這能夠在確保調(diào)頻容量充足的同時增強市場流動性，降低調(diào)頻成本。引入遠期調(diào)頻市場后，一個市場成員可以選擇在遠期完全確定調(diào)度計劃，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
激勵調(diào)頻資源建設(shè)的通用做法是對高性能調(diào)頻資源給予更多的補償。美國市場是典型的單市場模式[31]，通過引入調(diào)頻里程補償和性能系數(shù)修正，在同一個市場中將調(diào)頻劃分為連續(xù)的不同產(chǎn)品，對調(diào)頻主體的性能進行區(qū)分，使高性能主體獲得大量調(diào)頻補償。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)仍會被用于考核并計算應(yīng)扣減的補償費用），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。
首先，調(diào)頻產(chǎn)品有了明確的劃分，更接近于一般的標準化商品，使NGESO和市場成員都能形成一個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)果和市場價格更加透明。在多市場模式各調(diào)頻產(chǎn)品單獨出清，避免了市場耦合，出清結(jié)果解釋性強，對每一個未中標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，難以評估哪一種設(shè)計更加合理，這對供應(yīng)商的利益影響很大。而多市場模式預(yù)先設(shè)計了不同產(chǎn)品，性能要求是根據(jù)系統(tǒng)實際需要確定的，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)計一種產(chǎn)品并獨立采購，不會對現(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，不利于實時跟進系統(tǒng)需求進行改革。
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。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，還可針對部分可提前確定的調(diào)頻需求，專門設(shè)計遠期調(diào)頻產(chǎn)品并進行單獨出清。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。
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償。在電力市場環(huán)境中，這可能會使并網(wǎng)主體將輔助服務(wù)成本折入能量報價中，從而扭曲價格。英國MRS雖然也要求義務(wù)提供，但允許報價，相當(dāng)于強制參與市場，能夠兼顧資源充裕度和精確補償。
為促進市場的健康發(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)時必須進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相關(guān)服務(wù)進行報價，在并網(wǎng)運行時主體必須保持相關(guān)服務(wù)的響應(yīng)能力，事后按報價結(jié)算。在初期可以為義務(wù)輔助服務(wù)設(shè)置一個較低的價格上限，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，市場成員才能進行正確決策。高市場透明度還能降低市場的進入門檻，進而減少壟斷。
英國電力市場的信息公開機制建設(shè)相當(dāng)優(yōu)秀。對于每一種電力產(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會定期開展研討會，討論市場的下一步發(fā)展，然后得到發(fā)展目標和時間路徑圖，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)的負荷預(yù)測、輔助服務(wù)需求、各市場的投標、中標和結(jié)算信息都在專門的網(wǎng)站上對社會公眾完全公開，可以隨時下載和查閱。
中國的電力市場在頂層設(shè)計上也非常強調(diào)信息公開，然而在實際運行中，市場透明度是不足的。國內(nèi)市場應(yīng)該參考英國市場，加強市場信息公開機制建設(shè)。除非保密需要，市場信息不僅要對市場成員公開，還要對全社會公開，便于社會成員了解和參與電力市場，吸引外來投資進入。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，但仍存在不足之處。需要說明的是，這并非是由于錯誤設(shè)計產(chǎn)生的缺陷，而是采取此種機制體制的必然結(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，另一方面也對市場主體的投標策略水平有著更高的要求，否則會得到較差的結(jié)果。中國若要實行多市場模式的調(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確的價格信號，進而優(yōu)化市場主體報價行為，并吸引社會投資降低市場壟斷情況，長期可能會得到更好的結(jié)果。這也是分散式市場的共同特點，國內(nèi)由于普遍采取集中式市場，不會遇到這樣的問題。
最后，英國頻率響應(yīng)服務(wù)產(chǎn)品均為自動響應(yīng)，調(diào)度機構(gòu)在實時運行中難以應(yīng)用調(diào)頻控制策略，必須在產(chǎn)品設(shè)計和采購時，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)由于普遍同時采用一次和二次調(diào)頻，不會遇到這樣的問題。
轉(zhuǎn)自“中國電力”微信公眾號
