深度｜需求响应在电力辅助服务市场中的应用

2. 需求响应提供辅助服务应用

2.1 辅助服务的基本概念

辅助服务通常定义为除了电能以外为了保证电网安全、可靠所必须提供的服务。但是目前辅助服务并没有一个统一的定义。有学者认为辅助服务是由于一些不可预测的因素, 如气温波动、交易变动等引起的负荷随机波动、机组被迫停机等突发事件, 为保证电网有功无功实时平衡及系统稳定运行而必须提供的服务[40]。也有学者认为辅助服务是发电厂为了保证电力系统安全可靠运行必须采取的措施[41]。文献[42]全面介绍了稳定系统运营所需的辅助服务。文献[43]和文献[44]总结了11种电力系统辅助服务机制, 并强调了它们的经济性特征。根据联邦能源管制委员会(FERC)的有关规定, 辅助服务有利于电能从供应侧到需求侧的稳定传输, 保证输电系统能够安全、可靠地运行。FERC在开放的准入输电服务价目表中定义了6种辅助服务[45], 分别是调度和系统控制、无功备用和电压调整、调节和频率响应、能量不平衡出力、旋转备用和非旋转备用。

电力系统必须时刻保证发电和用电的平衡。但是突然出现的发电缺额或者主要输电线路损坏需要辅助服务在最短时间内保证供需平衡[46]。一旦系统频率出现较大偏差, 发电机组就会脱机从而引发一系列错误, 严重的将会导致系统崩溃和大面积停电。辅助服务最大的价值就体现在备用容量及快速可靠响应系统不平衡的能力。随着中国电力系统的不断发展, 需要更多灵活的资源提供快速、可靠的响应以维持系统平衡。

2.2 需求响应提供辅助服务的潜力

智能电网的迅速发展使得传统的集中式发电厂向不可调度的分布式新能源发电机转变, 给电力系统运营带来了很多困难。其中一个就是如何在可再生能源随机分布的情况下保持电力系统平衡。目前国内电力系统主要依靠集中式的化石燃料发电厂来提供辅助服务。但是, 随着可再生能源机组逐渐增多, 系统不确定性增加, 传统的发电厂难以通过提供转动惯量来稳定系统频率[47]。需要更灵活的资源一起提供辅助服务。智能电网的快速发展为需求响应提供了技术支撑。在需求侧应用信息通信技术及高级量测体系, 可以通过双向互动智能用电实现负荷优化调度, 为电力系统提供调峰、调频、备用等服务[23]。

利用需求响应提供辅助服务, 对中国电力系统的运行与发展具有重要作用。发电机提供辅助服务受爬坡速率约束, 反应较慢且成本较高。如果由常规机组承担新增的辅助服务需求, 会带来巨大的建设投入, 降低了系统运行效率, 并且难以满足国内部分地区高受电比例电网安全运行的要求。除此之外, 一旦参与提供辅助服务的发电机响应延迟或不启动, 就会造成大量旋转备用容量缺失, 从而引发系统崩溃。相反, 需求响应资源一般较为廉价, 也更容易克服通信和控制延时的问题。随着批发市场中动态可控负荷数目逐渐增多, 系统运行成本逐渐减少[48]。在保证通信基础的情况下, 无论是针对调度系统的指令还是价格信号, 大部分需求侧资源的响应速度都比发电机更快。同时, 需求侧资源由大量小型负荷集合而成, 极个别需求响应资源不响应对整体的影响很小, 使得负荷聚合商提供辅助服务更加可靠。因此, 负荷聚合商更容易完成与系统运营商签订的合同任务。综上所述, 研究响应快、成本低的需求侧辅助服务资源对于中国电力市场建设具有积极意义。

近年来越来越多的学者发现需求响应提供辅助服务的巨大潜力。需求侧资源既可以用于电力资源调度[49], 也可以提供不同的辅助服务[50-51]。温度控制负荷可以在几分钟内提供辅助服务[52-55], 尤其是空调负荷具有热存储性能, 调度潜力很大[54]。电动汽车充放电可以在小时级时间尺度上提供辅助服务[56-57]。有学者重点总结了利用热水器和电池储能系统提供辅助服务的示范项目[58]。这些需求响应资源都表现出随机循环开关的特性, 因此可以通过控制算法的设计加以利用, 让它们在合适的时间, 以适当的方式连接电网[59], 提供辅助服务。文献[60]详细介绍了各种参与提供辅助服务的需求响应, 并分别建模, 提出了需求响应参与辅助服务市场的框架, 为系统运营商提供了宝贵的借鉴经验。

根据FERC对辅助服务的定义, 考虑到负荷控制策略的灵活性及快速响应的特性,表 3总结了适合需求侧资源提供的辅助服务, 分别为运行备用(旋转和非旋转)、频率调节和负荷跟踪。

表3

表3需求响应提供辅助服务

Table3.Ancillary services with demand response

2.3 需求响应提供备用辅助服务

随着可再生能源逐渐增多, 发电侧不确定性增大, 系统备用容量的需求增大。同时, 用户对电能质量的要求逐渐增高, 渴望获得更加可靠的电能, 因此系统运营商必须综合考虑各种灵活资源来优化运行备用。需求响应技术的发展让负荷控制策略更具灵活性, 并且在备用市场中推广[61-70]。提供运行备用的需求响应资源必须在10 min或更短时间内达到预期响应量。因此可以通过直接负荷控制, 让需求侧资源, 例如带有贮热水箱的电热水器, 快速响应系统扰动, 提供非旋转备用[71-73]。通用电气和夏威夷州自然能源研究所对夏威夷州的辅助服务进行了合作研究[74]。研究表明, 应该合理利用储能和需求响应的快速响应能力来提供一定比例的旋转备用。在需求响应与发电机协调控制方面, 有学者在计及环境因素的动态调度中考虑需求响应资源提供旋转备用, 并且通过优化模型最小化社会成本, 从而达到环境友好型经济调度的目的[75]。还有学者建立了需求响应随机安全约束机组组合模型来提供短期备用[68]。小型负荷可以通过负荷聚合商的形式参与提供备用服务, 在市场中与传统发电机组公平竞争[76-78]。然而, 响应时长的局限性限制了需求响应资源提供系统备用。供应侧的发电量和需求侧的用电量同时具有随机波动性, 很难确定可以在市场中交易的备用容量[79]。除此之外, 虽然需求侧资源可以提供快速备用, 但是由于有限的容量约束, 它们不能真正提供电能传输。例如:电池系统可以给用户提供一定量的电能, 但是不能超过电池总容量; 热质量一定的需求侧设备也只能在热舒适度范围内转移有限的电能。未来随着中国需求响应技术的发展, 需要更深入地研究备用辅助服务的控制模型, 让需求侧资源的调控模式更精确、更有效。

2.4 需求响应提供频率调节和负荷跟踪

能源变革趋势下, 世界各国开始逐步淘汰火电机组等传统高污染发电机组, 取而代之的是清洁高效的间歇性可再生能源机组。随机性的增加使得电力系统频率波动增多, 幅度加大, 对提供频率控制辅助服务提出了高要求。需求响应可以让负荷灵活参与系统频率调节而不受环境因素制约[4]。需求侧许多电力设备都有一定的工作周期, 例如电冰箱、制热通风和空调系统(HVAC)、电热水器等。这些灵活的需求响应资源可以响应频率调整信号, 通过改变工作周期来提供频率调节服务。研究表明:商业楼宇中的制热、通风和空调系统调频潜力巨大[80-85]。它们数量众多, 可以通过聚合表现出很大的热惯性, 从而抵消短期波动。不同的控制策略可以利用物理变量实现直接控制风扇速度, 或者操控空气质量流量、供气压力和恒温器设定值以达到间接调频的目的。文献[86]提出了线性控制和预设形状控制这两种家用冰箱控制策略, 可以在没有实时通信的情况下快速地提供无扰动的频率调节服务。文献[87]针对微电网提出了一种基于适应爬山法的需求响应控制策略, 从配电网的角度提供一次调频, 利用步进式控制器来减少被控制负荷数量, 并通过优化得到最小值。考虑到需求侧频率调节资源与发电机组共同参与频率控制, 文献[79]研究了需求响应资源的运行模式, 并且同时优化发电机组和需求响应资源提供紧急需求响应。在辅助服务市场模式下, 需求响应聚合商根据紧急情况下的价格信号, 利用动态规划法优化资源来实现频率调节。文献[88]利用分散式牵制控制策略来协调大量发电机组和大量负荷聚合商的运行, 从而让发电机组和温控负荷同时提供负荷跟踪服务。发电机组通过反馈控制调节机组转速来响应指令, 分布式温控负荷聚合商调节温度设定点来改变聚合的总功率。

3. 需求响应参与辅助服务市场

随着各国电力体制改革的深入, 市场机制逐步完善, 辅助服务市场的建立可以鼓励需求响应参与电力系统控制, 并且可以补偿提供需求响应的用户。美国基于电力库的市场机制针对远期和实时市场、联合优化的能源和辅助服务市场、节点边际电价和金融输电权市场都采用双结算系统[89]。当前的辅助服务市场主要包括旋转备用、非旋转备用和频率调节[90-92]。随着智能电网及可再生能源的发展, 规范这些新兴市场的规则仍在不断变化, 但是必须要保证需求响应资源可以得到公平的补偿。为了衡量需求响应的参与效果从而确定补偿量, 负荷资源需要通过基准测试, 并且在长期运行下保持良好的表现[93]。美国ERCOT, MISO, PJM和NYISO通过引入需求响应资源提供辅助服务, 除此之外, ISO-NE, BPA和CAISO开展了一些试点项目, 传统电力市场正逐步向需求侧的灵活资源开放。但是目前看来这些需求响应项目的参与度很低[5]。随着通信设施变得更可靠, 应用更广泛, 智能设备间的互动越来越便捷。大量智能设备可以协调动作完成电力系统所需的调节量。电网公司和用户之间双向的信息流和电力流, 促进了需求响应提供辅助服务, 例如削峰、削负荷和旋转备用等。因此, 有效开展需求响应可以提高电力市场效率和系统运行稳定性[7]。

中国电力辅助服务市场建设与电力市场化进程相伴相随。2009年5月, 京津唐电网根据华北区域辅助服务与并网考核实施细则, 率先在全国建立了基于成本加合理收益的辅助服务交易机制, 随后辅助服务交易陆续在华东地区等地开展。2015年3月《进一步深化电力体制改革的若干意见》(中发〔2015〕9号)发布后, 将辅助服务市场建设视为一大重点, 同时也对需求响应工作产生深远影响。自2013年国家开展电力需求侧管理城市综合试点建设以来, 北京、上海、苏州、佛山分别建立了可服务城市运行保障工作的需求响应调峰资源库。经过多年的试点培育, 中国需求响应试点工作形成了政府主导、电网企业支持、新型负荷聚合商和电力用户参与的需求响应工作体系。对于需求侧资源参与辅助服务, 2016年5月国家能源局发布《国家能源局关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿(市场)机制试点工作的通知》。提出用户侧建设一定规模的电储能设施, 作为独立市场主体或与发电企业联合参与调频、深度调峰和启停调峰等辅助服务。

2016年11月发布的《规划》对大力提高需求响应能力作了部署, 将需求响应作为提升电力系统调峰能力的重要手段予以提出, 明确了需求响应的作用和价值, 对今后推广需求响应应用具有极其重要的意义。随着辅助服务市场的发展, 未来高比例可再生能源接入对系统辅助服务交易, 尤其是调动需求侧储能资源参与辅助服务提出了更迫切的需求。构建完善的辅助服务市场是中国电力市场建设工作中的重要环节, 未来电力辅助服务市场化还有很长一段路要走, 需要借鉴国外需求响应的实施及市场设计的经验, 建设适应中国国情的需求响应提供辅助服务的市场机制。

目前, 对于需求响应提供辅助服务的商业化的研究很少, 还无法准确计算需求响应供应商的潜在收益[94]。有学者对工商业需求响应进行了经济性分析[9,95], 可以发现虽然不同地区的市场机制存在差异, 但是这些需求响应资源很快将会在现有的辅助服务市场出清机制下具有较大的竞争力。文献[96]比较了3种需求响应参与备用市场的合同设计方法:基准点分析法、集中式合约设计和分散式合约设计。仿真结果表明, 3种方法各有利弊, 用户隐私和成本等因素都会影响需求响应效果和负荷聚合商的收益。对于用户来说, 与传统的紧急需求响应项目相比, 参与辅助服务响应频率低, 年削减负荷小时数要小得多[97-98]。对于零售用户和终端负荷来说, 其更倾向于参与辅助服务项目。值得注意的是, 虽然需求响应提供辅助服务具有成本低、响应快、安全可靠的特点, 但是对于那些需要长时间响应、必须具有大量能源储备的服务, 更适合让发电机来提供。因此, 不能盲目追求需求响应规模的扩大。电力系统对辅助服务的需求量是有限的, 负荷的过度参与可能会提供超过系统需求的辅助服务[5], 这对于电力系统稳定是不利的。负荷聚合商需要考察负荷参与辅助服务的投资价值, 不能盲目跟风。

4. 中国需求响应参与辅助服务市场的障碍

4.1 观念的转变

需求响应在市场环节的应用, 受到传统观念的限制。目前中国尚未实现真正的市场化竞争, 主要是通过政策引导, 当系统突发扰动或容量缺额时采取的强制性手段。同时传统观念上认为辅助服务应该由发电侧提供, 发电侧必须时刻满足用户需求。为了优化资源配置, 提高用电效率, 应该挖掘负荷参与提供辅助服务的能力, 使用户自愿参与到辅助服务市场中, 自觉改善其用电特性, 实现系统优化运行。

4.2 技术的支持

虽然世界各国的学者们已经意识到负荷可以被用来提供辅助服务, 但是要想把负荷和传统的发电侧资源同等对待需要克服技术上的难关。可以从需求侧、系统运营商和通信3个方面加以分析[5]。

1) 需求侧。参与辅助服务的需求侧资源可能会同时参与能源市场和容量市场。因此, 需求侧的技术要能够成熟、有效地克服负荷参与多种市场交易的约束。另一方面, 辅助服务市场对参与用户的要求非常严格, 比如要求具有一定的上下调节容量、提供的辅助服务容量能够保持特定的时间等[99]。即使在电力市场和需求响应机制建设较早、商业及金融环境成熟的美国, 需求侧参与辅助服务市场的数量也十分有限。宽泛地说, 负荷必须要能够提供具体的响应信息以确定在不同状况、不同响应时间和运行状况下的响应等级。负荷根据信号响应的速度、爬坡速率、响应范围，以及频率变化的影响都可以决定负荷响应等级。

2) 系统运营商。由于负荷特性受到季节、节假日、峰谷时刻等不同因素的影响, 系统运营商需要对需求响应资源进行建模, 而不仅仅用和发电机相同的参数来表示提供辅助服务的需求响应资源。同时需要考虑需求响应资源的不确定性, 鼓励小用户通过聚合商或其他形式参与到辅助服务市场中。

3) 通信。通信网络的发展使得通信安全标准的缺乏问题日益突出。由于通信安全问题导致大型负荷聚合商运作偏离预期会影响系统稳定性。通信的安全可以降低运行成本, 也包括负荷参与成本。

4.3 辅助服务的合理定价

根据国外的以发电侧为主的辅助服务市场定价机制, 辅助服务价格透明且包括两方面内容:有效投标和机会成本[100]。辅助服务供应商通过有效投标回收边际成本, 如由于耗热率降低引起的损耗增加和燃料消费的增长。如果供应商为了提供辅助服务放弃了能量交易, 就会产生机会成本。同理, 如果负荷为了响应调度指令而时刻准备着削减用电量, 也会产生机会成本。不同于发电机响应特性, 通常负荷响应时间过长会产生巨大的成本。因为对许多负荷来说, 无法长时间减少用电量, 一旦响应时间增长, 响应成本会急剧升高。除了机会成本, 负荷参与提供辅助服务的成本还有投资成本, 包括通信和控制设备的投资成本、实时遥测技术的成本等[5]。然而, 如今的以发电侧为主的辅助服务市场定价机制都是基于机会成本。在这样的市场规则下, 机会成本计算复杂并且受投资成本影响很大的需求侧资源很难准确评估提供辅助服务的成本效益, 也就难以建立一个公平公正的市场竞争环境。

理论上通过需求响应获得辅助服务与发电侧提供相比成本更低, 需求侧资源的报价应该偏低。在辅助服务市场建立初期, 为了吸引投资, 需求侧的辅助服务供应商会竭力缩减成本、降低报价。为了鼓励金融市场稳定发展, 防止发生恶性竞争, 政府应该给予提供辅助服务的需求侧资源一定的经济补偿。例如：给予购置特定智能可控设备的电力用户适当比例的折让[101], 应对分布式电源、储能、电动汽车等新兴需求侧资源给予一定的政策扶持, 对分布式能源对电网供电提供电价补偿, 对电动汽车用户实行电价折扣等奖励机制[102], 以鼓励需求侧资源积极参与辅助服务市场。要建设科学、合理和权威的辅助服务价格体系, 还需完善相应的监管手段和法律法规[103]。中国应在建设能量市场的同时构建合理的辅助服务定价机制, 促进需求响应资源在提供辅助服务方面的发展。

5. 结语

中国现阶段还处于电力市场发展探索阶段, 市场建设尚未完善, 还有许多亟待解决的问题。因此, 对于辅助服务市场及需求响应参与机制的研究与实践, 应该结合中国电能市场的现状及世界能源改革的发展趋势。需求侧资源的市场化应用还需要长时间的实践和检验, 除了需要排除技术上的障碍外, 还需要理清体制和观念问题。

1) 需求响应资源参与电力辅助服务市场, 可以提高系统可靠性、灵活性, 优化资源配置, 提高用电效率, 具有重要的社会效益。充分利用负荷的实时可调节能力, 发挥其响应速度快、响应效果可靠、响应成本低的优势, 可以极大地提高系统的间歇性新能源接入能力和系统安全稳定性, 考虑需求响应的电力辅助服务市场设计已成为当前研究的热点领域之一。

2) 主要发达国家都开展了辅助服务市场设计的研究, 提供了多种辅助服务市场运作模式。大量的实践经验及示范工程都表明:需求响应参与辅助服务市场具有可操作性和实际应用价值。

3) 中国新一轮电力体制改革提出的“三放开、一推进、三强化”正是围绕电力市场建设而展开。对于辅助服务市场化建设的研究还非常初步, 需要相关政策协调及相关技术标准的支持, 如市场准入标准、奖惩机制等。中国应加快设施建设、相关研究和用电侧市场化进程, 推进辅助服务合理定价和相关规则、标准制定进程, 促进需求响应在中国辅助服务市场的应用和发展。

参考文献略

作者：沈运帷,李扬,高赐威,周磊