中國儲能網(wǎng)訊：慣量輔助服務(wù)是指在電力系統(tǒng)頻率受到擾動(dòng)時(shí)，能夠提供快速正阻尼調(diào)節(jié)，阻止系統(tǒng)頻率突變的服務(wù)。慣量輔助服務(wù)對于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)對新能源發(fā)電波動(dòng)等不確定因素具有重要作用。隨著新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，電力系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量逐漸減少，導(dǎo)致故障擾動(dòng)后的頻率變化率增大，系統(tǒng)安全性下降。因此，開展慣量輔助服務(wù)補(bǔ)償和市場化交易，激勵(lì)各類資源提供慣量輔助服務(wù)，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要舉措。
本文將介紹慣量輔助服務(wù)的基本概念，國際上慣量輔助服務(wù)的發(fā)展情況和南方區(qū)域推出的國內(nèi)首個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制的設(shè)計(jì)思路。
01.慣量輔助服務(wù)的概念
電力輔助服務(wù)是指為維持電力系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量和安全穩(wěn)定所提供的各類服務(wù)，包括有功平衡服務(wù)、無功平衡服務(wù)和事故應(yīng)急及恢復(fù)服務(wù)等。慣量輔助服務(wù)屬于有功平衡服務(wù)的一種。有功平衡服務(wù)還包括調(diào)頻、調(diào)峰、備用、爬坡等。
慣量輔助服務(wù)主要在頻率響應(yīng)過程的遏制期（即擾動(dòng)發(fā)生后的第一階段）發(fā)揮作用，通過系統(tǒng)內(nèi)部的慣性特性在第一時(shí)間內(nèi)阻止頻率下降或上升，為機(jī)組調(diào)頻動(dòng)作提供緩沖時(shí)間。慣量輔助服務(wù)是無法由其他輔助服務(wù)替代的。
在電力系統(tǒng)運(yùn)行中提到的慣量，通常包含同步慣量（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）和非同步慣量（虛擬慣量）。同步慣量是直接與電網(wǎng)連接的同步資源儲存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能總和，來自同步發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)等。這類設(shè)備的轉(zhuǎn)子在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)與系統(tǒng)頻率同步旋轉(zhuǎn)，當(dāng)系統(tǒng)頻率受到擾動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子可以釋放或吸收其儲存的動(dòng)能，從而產(chǎn)生有功功率變化，對抗系統(tǒng)頻率變化。同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由其物理特征決定，與其質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)半徑有關(guān)。我們提到的慣量輔助服務(wù)，就是指此類旋轉(zhuǎn)慣量。
非同步慣量是指由非同步資源（如風(fēng)電、光伏、儲能等）根據(jù)頻率變化率所提供的瞬時(shí)功率支撐功能。非同步資源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)不與系統(tǒng)頻率同步旋轉(zhuǎn)，因此沒有固有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。但非同步資源可以通過控制器模擬出類似于同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的響應(yīng)特性，從而提供虛擬的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。非同步資源提供的非同步慣量由其控制策略決定，與其出力水平和響應(yīng)速度有關(guān)。目前國際上此類設(shè)備提供的快速功率支撐能力大都納入快速頻率響應(yīng)（Fast Frequency Response，F(xiàn)FR）輔助服務(wù)范疇。
02.慣量輔助服務(wù)的國內(nèi)外發(fā)展情況
國際上，已有部分新能源高滲透運(yùn)行國家將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為一類市場品種進(jìn)行交易。愛爾蘭(EirGrid)和北愛爾蘭(SONI)系統(tǒng)運(yùn)營商共同組成的合作機(jī)構(gòu)EirGrid/SONI于2016年正式將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量納入輔助服務(wù)，名稱為同步慣量響應(yīng)（Synchronous Inertial Response, SIR）。在該輔助服務(wù)中，系統(tǒng)運(yùn)行商對參與輔助服務(wù)的機(jī)組依據(jù)SIR可用容量、機(jī)組所在的區(qū)位以及服務(wù)時(shí)段的慣量稀缺程度支付費(fèi)用，以市場激勵(lì)的手段提升電網(wǎng)的慣量水平。
2020年1月英國國家電網(wǎng)（Electricity System Operator, ESO）與Drax、Rassau Grid Services（Welsh Power）、Statkraft、Triton Power和 Uniper五家企業(yè)簽訂了為期六年的慣性服務(wù)合同，價(jià)值3.28億英鎊，由這五家企業(yè)向ESO提供系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性服務(wù)。這是管理電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種新的方法。
2021年6月18日，Triton Power公司Deesid電廠兩臺原已關(guān)停的燃?xì)鈾C(jī)組重新啟用，用以接入電網(wǎng)提供系統(tǒng)慣性支持。Drax通過其Cruachan 抽水蓄能電站來提供慣量。Welsh Power公司已經(jīng)開始在威爾士的工業(yè)區(qū)建造同步調(diào)相機(jī)和飛輪儲能，以進(jìn)一步提升電網(wǎng)慣性并改善西南地區(qū)的電壓控制。Statkraft正在利物浦和蘇格蘭的基思建設(shè)兩臺同步調(diào)相機(jī)。
澳大利亞國家電力市場（NEM）已經(jīng)完成了慣量輔助服務(wù)市場方案的初步設(shè)計(jì)，后續(xù)將根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需要組織實(shí)施。
在中國，2021年12月，國家能源局印發(fā)了《電力輔助服務(wù)管理辦法》，首次將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量納入有功平衡電力輔助服務(wù)中，這標(biāo)志著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由一種發(fā)電“附屬品”轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌妮o助服務(wù)市場品種。2023年1月1日正式實(shí)施的《南方區(qū)域電力輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》借鑒愛爾蘭經(jīng)驗(yàn)推出了國內(nèi)首個(gè)慣量輔助服務(wù)品種。
03.南方區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輔助服務(wù)
補(bǔ)償機(jī)制設(shè)計(jì)思路
在系統(tǒng)低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與新能源高滲透的典型場景下，若要增開同步機(jī)，必然會(huì)擠占新能源的發(fā)電空間，且有可能造成棄電的局面，因此南方區(qū)域考慮對能低功率運(yùn)行，并為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、盡可能少擠占新能源發(fā)電空間的同步機(jī)組提供補(bǔ)償，鼓勵(lì)火電靈活性改造以及水電低負(fù)荷運(yùn)行。
1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輔助服務(wù)方案設(shè)計(jì)
2）未來市場的補(bǔ)償規(guī)模測算
根據(jù)測算，2025年，云南電網(wǎng)非同步電源滲透率在40%—60%之間運(yùn)行的時(shí)長為1553.18時(shí)，超過60%及以上為313.4小時(shí)。云南全網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量年補(bǔ)償費(fèi)用約228.67萬元，均為水電廠獲得補(bǔ)償。
隨著新能源滲透率的逐漸升高，未來南方電網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償對象將主要包括煤電、氣電、水電、抽蓄。根據(jù)初步測算，2025年南方電網(wǎng)中東部主網(wǎng)新能源滲透率超過40%的時(shí)長約為300小時(shí)，2025年中東部主網(wǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量總補(bǔ)償費(fèi)用約為1000萬元。
現(xiàn)行補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)未來新能源投產(chǎn)進(jìn)度和系統(tǒng)穩(wěn)定需要進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。
04.總結(jié)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輔助服務(wù)的補(bǔ)償機(jī)制設(shè)計(jì)將為解決高比例新能源電力系統(tǒng)中慣量需求難以滿足、常規(guī)發(fā)電資源參與調(diào)節(jié)意愿不足等問題提供重要的解決路徑。未來轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償機(jī)制可以從以下幾個(gè)方面持續(xù)改進(jìn)：
1）完善技術(shù)支持系統(tǒng)和輔助服務(wù)補(bǔ)償體系：研究系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需求分析和實(shí)時(shí)評估與預(yù)警技術(shù)，為慣量輔助服務(wù)補(bǔ)償提供參考，根據(jù)未來電網(wǎng)運(yùn)行需求對補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整；跟蹤分析國外轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輔助服務(wù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案和市場機(jī)制，結(jié)合國內(nèi)新型電力系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程，完善輔助服務(wù)市場體系建設(shè)。
2）分場景挖掘轉(zhuǎn)動(dòng)慣量潛在資源：根據(jù)不同地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)，利用市場化手段實(shí)現(xiàn)多元轉(zhuǎn)動(dòng)慣量資源的經(jīng)濟(jì)調(diào)用。對于清潔能源占比較高的送端電網(wǎng)，可以側(cè)重挖掘常規(guī)水電的慣量支撐潛力。對于以火力發(fā)電為主的受端電網(wǎng)，深入研究抽蓄調(diào)度控制策略，實(shí)行有益于火電機(jī)組長周期低功率運(yùn)行的容量成本回收機(jī)制和市場化運(yùn)營機(jī)制。同時(shí)發(fā)揮新能源、新型儲能、虛擬電廠的快速頻率響應(yīng)能力，降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需求和系統(tǒng)運(yùn)行成本。
