2021年12月，國家能源局印發《電力輔助服務管理辦法》（國能發監管規[2021]61號），首次提出增設爬坡和轉動慣量輔助服務新品種。新型電力系統在安全運行上面臨的主要挑戰之一，是系統缺乏足夠的轉動慣量，導致在應對大功率缺失擾動事件時難以保障電網頻率安全。目前，華東、華中、西北和南方區域以及山東省的最新版“兩個細則”已對轉動慣量進行了補償和分攤，標志著轉動慣量運行價值得到正式認可。然而，迄今為止，國內尚未建立轉動慣量輔助服務市場。因此，研究并建設轉動慣量輔助服務市場，通過市場機制采購和調用足額的轉動慣量，對于保障新型電力系統安全運行、完善輔助服務市場體系具有重要的理論和現實意義。
（來源：電聯新媒 作者：國家電網有限公司華東分部調度控制中心 胡朝陽 孫志豪 南京國電南自自動化有限公司 郭樂）
轉動慣量輔助服務市場功能定位
按照《電力輔助服務管理辦法》中的定義，轉動慣量輔助服務是指在系統經受擾動時，并網主體根據自身慣量特性為系統提供響應系統頻率變化率的快速正阻尼，以阻止系統頻率突變所提供的服務。從運行上分析，在發生大功率缺失擾動事件時，系統有功功率出現不平衡，導致頻率發生變化，此時機組轉動慣量通過釋放動能來減小頻率變化幅度和變化速度，為一次調頻和AGC（自動發電控制）調頻動作爭取響應時間。在缺少足額轉動慣量的情況下，有可能等不到一次調頻和AGC調頻動作，系統頻率就直接跌破低頻減載設定值，從而導致事故進一步擴大。可見，轉動慣量本質上是由機組轉動部件提供動能來彌補系統缺失的有功功率，如果能夠即時通過增量有功功率直接彌補缺失的有功功率，就可以起到與轉動慣量相同的功效，這就是電化學儲能等電源能夠提供轉動慣量輔助服務的物理解釋。在大擾動事件中，轉動慣量的作用有兩個：一是減小頻率跌落速度和斜率，二是提高頻率跌落最低值。
隨著新型電力系統建設的推進，風光等新能源機組在電力系統中的占比越來越高。然而，由于電力電子裝置的隔離作用，這些新能源機組對外基本不呈現轉動慣量。相比之下，火電、水電等常規機組因具有轉動部件（其轉動慣量大小由轉動部件質量、旋轉半徑和轉速共同決定），能夠為系統提供必要的轉動慣量。但隨著新能源機組比例的增加，能夠提供轉動慣量的常規機組越來越少，導致系統轉動慣量可能出現缺額。這一問題在節假日電網運行方式中尤為突出。由于節假日系統負荷較小，為優先保障新能源消納，電網通常會盡可能減少火電、水電等常規機組的開機數量。在這種情況下，系統轉動慣量將維持在非常低的水平，可能無法承受直流雙極閉鎖等大擾動事件的沖擊，從而帶來較大的安全運行風險。
在大功率缺失擾動事件中，轉動慣量、一次調頻和AGC調頻均提供了有功功率支撐，以助力頻率回升至正常值，區分這三種輔助服務的貢獻值是建設相應輔助服務市場的前提和必要條件。
如圖所示，在大擾動事件發生的第10秒，電網頻率跌到最低值，在這個時間段起頻率支撐作用的主要是轉動慣量。在大擾動發生的第10秒之后到第60秒，電網頻率開始緩慢上升并維持在低于正常頻率值，這個時間段起頻率支撐作用的主要是一次調頻。在第60秒之后，AGC調頻開始發揮頻率支撐作用，將電網頻率恢復至正常值。可見，三種與頻率相關的輔助服務能以作用時間進行區分。
需要指出的是，轉動慣量和一次調頻的作用時間可能存在部分重疊。根據歷史統計數據，在大擾動事件發生的10～15秒，電網頻率通常出現最低值。按照最新版《并網電源一次調頻技術規定及試驗導則》（GB/T 40595-2021）規定，火電機組一次調頻有功功率達到75%目標功率的時間應不大于15秒。火電機組一次調頻原理是調節汽輪機調門開度，利用機組蓄熱來響應電網頻率變化。由于這個過程涉及機械操作速度較慢，火電機組一次調頻出力主要集中在10秒之后響應，前面10秒響應量較小。因此，為了盡可能準確區分轉動慣量和一次調頻，可以將10秒作為劃分界限，10秒之內為轉動慣量響應，10秒之后為一次調頻響應。考慮到10秒之內也有少量一次調頻響應量，轉動慣量需求的設定值應適當低于擾動功率缺額，這種處理方法不會影響電網頻率安全。
轉動慣量輔助服務市場
關鍵問題探討
電力現貨市場中標機組不應參與轉動慣量輔助服務市場，且不應進行轉動慣量補償
在省級電力現貨市場中，發電機組通常采用國際上通行的“三部制”報價，即發電機組申報電能價格、啟動成本和空載成本，只是在市場實踐中部分省市對啟動成本和空載成本采用核定值替代申報值。這就意味著發電機組只要在電力現貨市場中標，那么這三部分成本就已經得到了完全補償。機組空載成本是指在沒有負載的情況下，維持發電機組正常運行需要消耗的成本，包括燃料、潤滑油、維護等方面的費用。發電機組一般為同步發電機，同步發電機的特點是無論負載多少，其轉速恒定，通常為3000轉/分鐘，也就是說，發電機組空載和滿載時向系統提供的轉動慣量完全相同，且已經通過空載成本得到了完全補償。因此，只要是參與電力現貨市場并中標的發電機組就不應再參與轉動慣量輔助服務市場，并且此時“兩個細則”對機組轉動慣量的補償也應停止，否則將面臨重復補償的質疑。
轉動慣量輔助服務市場更適合在區域層面建設
通常情況下，在更大范圍配置電力資源能更有利于實現社會福利最大化，因此，能夠在區域層面建設的市場就不應放在省級層面建設。轉動慣量輔助服務市場建設的本質目的是確保電網頻率安全。區域交流電網是全網共享同一個頻率，頻率安全的受益方是全網，因此，在區域層面建設轉動慣量輔助服務市場是更合適的選擇。在控制性能標準（CPS）考核機制下，一旦某省中標的轉動慣量被調用，那么該省的地區控制目標（ACE）將出現較大偏差。然而轉動慣量被調用說明電網發生了大功率缺失擾動事件，此時電網處在低頻狀態，調用轉動慣量產生的ACE偏差屬于低頻超送，是有利于電網頻率恢復的，也是CPS考核機制鼓勵的調頻行為，不會產生任何考核罰款，因此，CPS考核機制不會限制轉動慣量的跨省調用，轉動慣量輔助服務市場更適合在區域層面建設。
電化學儲能特別適合參與轉動慣量輔助服務市場
在電力現貨市場中，已開機組的轉動慣量已得到完全補償，而僅參與轉動慣量市場的新開機組在成本上缺乏競爭力。因此，新型儲能（尤其是電化學儲能）可能是最適合參與轉動慣量輔助服務市場的技術選擇。電化學儲能的轉動慣量響應時間為毫秒級，完全能夠滿足10秒內響應的技術要求。此外，電化學儲能在參與轉動慣量輔助服務市場時具有顯著優勢：該市場的標的是電力，但作用時間僅需10秒，因此對電量的需求極低。而電化學儲能具備高倍率放電能力（可達10C），這意味著額定容量1萬千瓦的儲能電站理論上可提供10萬千瓦的電力。這一特性使其特別適合電力要求高但電量要求低的轉動慣量輔助服務市場，相比煤電機組，能夠大幅降低提供轉動慣量的成本，從而提升社會福利。當然，電化學儲能參與該市場的前提是必須滿足相關技術準入門檻條件。
轉動慣量輔助服務市場設計構想
轉動慣量輔助服務市場需求確定
轉動慣量是在發生大功率缺失擾動時提供即時功率支撐的關鍵因素。因此，轉動慣量輔助服務市場的需求應基于交流電網可能發生的單一最大功率缺失擾動事件來確定。具體計算方法是：用該擾動事件的最大功率損失值，扣減已開機組能夠提供的轉動慣量支撐功率。已開機組的轉動慣量可通過估算法計算。假設某區域電網的最大負荷為4億千瓦，單一直流最大受入功率為1200萬千瓦，系統允許的最大頻率跌落為0.2赫茲，且K值（系統單位頻率調節功率）取最大負荷的1%，即400萬千瓦/0.1赫茲。那么，在頻率跌落0.2赫茲時，系統能夠提供的轉動慣量支撐功率為：（400/0.1）×0.2=800萬千瓦，因此，轉動慣量輔助服務的市場需求為：1200-800=400萬千瓦。需要注意的是，估算法中已開機組轉動慣量的估算值通常包含機組一次調頻出力的貢獻。因此，在實際應用中，需對估算值進行適當折扣處理，以更準確地反映轉動慣量的實際需求。
已開機組的轉動慣量也可用系統仿真法得出，仿真系統利用歷史擾動事件真實數據進行訓練，然后對未來擾動事件進行預測。系統仿真法的最大問題是仿真系統可調參數太多，容易出現“過適應”現象，仿真系統的泛化能力不足。也就是說，訓練后的仿真系統對于歷史擾動仿真的精度非常高，但是對新擾動仿真的精度往往不盡如人意，在很多情形下其仿真效果可能還不如估算法準確。
轉動慣量輔助服務市場競價出清
電力現貨市場每日確定的開機機組組合不同，轉動慣量輔助服務市場需求也因此不同，所以轉動慣量輔助服務市場應按日出清，當然在市場初期也可固定轉動慣量需求值，按周或者按月進行市場出清。在市場需求發布后，轉動慣量輔助服務市場供應商進行市場申報，申報轉動慣量容量（單位：兆瓦）和轉動慣量價格（單位：元/兆瓦），隨后市場進行出清計算。市場出清可采用邊際出清方式（MCP），也可采用按報價出清方式（PAB），但是建議在市場初期采用邊際出清方式，因為至少在理論上MCP鼓勵供應商按照邊際成本報價，而PAB有可能鼓勵投機報價。
需要明確的是，轉動慣量輔助服務市場本質上應屬于容量市場，其付費機制應基于中標容量而非實際調用電量。這種設計是由轉動慣量輔助服務的特性決定的：大功率缺失擾動事件具有隨機性，發生頻率可能從一年數次到零次不等。為確保系統安全，中標儲能電站必須始終保持中標容量處于充滿電狀態，隨時待命提供轉動慣量支持。采用按實際調用電量付費的方式并不合理，因為轉動慣量預留容量的核心價值恰恰在于“備而不用”——這種常態化的備用狀態正是其運行價值所在。當然，為確保系統可靠性，必須建立完善的日常考核機制，通過定期檢測驗證轉動慣量預留容量的可用性，保證在真實發生大功率缺失擾動時能夠實現足額調用。
轉動慣量輔助服務市場費用分攤
轉動慣量輔助服務市場運營的目標是確保電網頻率穩定，一個標準且穩定的電網頻率同時有益于發電企業和電力用戶，按照“誰受益、誰承擔”的市場分攤原則，轉動慣量輔助服務市場費用應該同時在發電側和用戶側分攤，這也符合國家能源局提出的“輔助服務費用逐步從只在發電側分攤過渡到在發用電兩側分攤，最終實現只在用戶側分攤”的發展方向。
在市場初期，建議區域轉動慣量輔助服務市場費用首先按照各省發電量和用電量之和的比例分攤到各省，然后各省根據發電量和用電量的比例將費用分攤到發電側和用電側，最后分別根據發電量、用電量的比例分攤到具體的發電機組和電力用戶。在市場成熟期，轉動慣量輔助服務市場費用分攤可以采用更加公平合理的分攤方式，即向系統提供了轉動慣量支撐的機組可以少分攤或者不分攤，而未向系統提供轉動慣量的風光等新能源機組需要承擔更多的轉動慣量輔助服務市場費用。（本文僅代表作者個人觀點）
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