储能在美国调频市场中的发展及启示

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DOI:10.7500/AEPS201209268
储能在美国调频市场中的发展及启示
陈大宇1,张粒子1,王 澍2,牟镠峰2
(1.华北电力大学电气与电子工程学院,北京市102206;2.北京睿能世纪科技有限公司,北京市100026
)摘要:随着风电等间歇性能源的发展和大规模并网,大容量储能技术的瞬时及精确功率控制能力
在辅助自动发电控制系统为电力系统提供高质量的调频服务上得到开发和应用。文中借鉴美国联邦能源监管委员会最新提出的调频市场补偿规则的基本框架以及各电力市场的最新调频市场设
计,
针对中国调频服务管理和运行经验、现状及存在的问题,提出了中国深化和改善调频市场建设的思路和建议。
关键词:储能;调频服务;自动发电控制;电力市场
收稿日期:2012-09-29;修回日期:2012-11-
19。0 引言
近10年来,包括锂电池、飞轮储能、压缩空气储能、超级电容、液流电池等在内的各种新型储能技术发展快速,主要体现在使用寿命、功率和容量的规模
化、运行可靠性、投资成本等方面取得了突破[1]
。储能系统的输出外特性具有以下特点:①响应速度快,
可在毫秒级时间范围内满功率输出;②精确控制,能够在任何功率点保持稳定输出;③双向调节能力,
充电过程表现为负荷,
放电过程表现为电源。在电力系统运行过程中,自动发电控制(AGC)窑链
主要通过实时调节电网中调频电源的有功出力,实现对电网频率及联络线功率的控制。储能系统能够快速、精确地控制功率输出,非常符合电网调频的需求。在全球范围内,新型储能系统规模化应用于电网调频始于美国,电力工业的相关主体协同进行了大量的理论验证、
实验分析和实际测试,结果显示充分利用储能等高性能调频电源能够有效改善系统调频整体效率和经济性。
电子台历在较完善的电力市场中,调频市场是能量市场以外的独立市场,由于电力系统调频功能的特殊性,其市场设计也自成体系。调频市场设计的核心目标是在保证系统频率控制满足标准的前提下,最小化
系统整体调频成本[
2-
4]。随着储能等新技术在美国调频市场中的应用,
原有市场设计的缺陷逐渐显露,主要体现在储能等优质调频电源的价值不能充分体现,成本无法得到合理补偿,由此降低了优质调频电源保持和改善对电网服务的积极性。2011年,
美国联邦能源监管委员会(FERC)发布法案755,其中包括重新设计了根据调频效果支付调频电源经济补偿费用的调频补偿
机制的框架。
自2006年国家电力监管委员会发布《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》以来,中国辅助服务补偿机制已经基本建立,特别是AGC调频市场化已经取得了显著的成效。近几年来,随着国内可再生能源在“三北”地区的大规模并网引起了系统调频需求的增长,而火电机组AGC调频会导致煤耗增加、机组磨损增加等问题,
且调频性能不及储能系统,因此,在以火电为主的电网(如华北),利用储能技术提供AGC调频,
可能是一种应对含大规模风电系统调频需求的解决方案。但由于中国尚未有储能技术在调频领域规模化应用的经验,因此从市场准入、运
行管理、补偿与考核以及AGC调度等方面都可能面临各种问题,亟待开展相关研究。本文结合新型储能技术(以下简称储能)的特点,通过与传统电源的调频方案从技术上及经济性上进行比较,借鉴美国新调频市场设计框架和独立系统运营商(ISO)/区域输电组织(RTO)
的新调频市场规则设计内容,结合目前中国AGC调频市场现状,提出未来逐步深化AGC调频市场的建议。
1 储能系统与传统电源的调频特性比较
与传统电源相比,储能为电网提供调频的技术
优势较明显,
并且经济性也将逐渐呈现,能有效改善电力系统的运行效率。
1.1 储能技术与传统调频电源的性能对比分析
一般电网调频功能主要由水电机组、燃气机组以及燃煤机组等传统电源提供。由于这些电源均由具有旋转惯性的机械器件组成,将一次能源转换成
9—第37卷 第1期2013年1月10
日Vol.37 No.1
Jan.10,2013
电能将经历一系列过程,这些电源的AGC调频性
能与电网的调节期望相比尚有差距,具体表现为调节的延迟、
偏差(超调和欠调)等现象。图1为一火电机组实际跟踪电网AGC指令进行功率调节的过程
图1 火电机组实际跟踪电网AGC指令
进行功率调节的过程
Fig.1 Thermal generator output resp
onse forfollowing 
AGC command from grid operator对于电储能系统而言,在额定功率范围内,都可以在1s内以99%以上的精度完成指定功率的输
出,其综合响应能力完全满足在AGC调频的时间尺度内的功率变换需求。如果采用电储能技术,y型钢
AGC跟踪曲线几乎与AGC指令曲线重合,
即调节反向、调节偏差以及调节延迟等问题将不会出现。
针对系统的AGC调频功能,储能技术的调节能力数倍于传统机组。在表1中,
假设区域电网在2min内有20MW的升功率需求,即对系统整体的爬坡能力要求为10MW/min。如果火电机组爬坡
率为2%/min,则需要一台容量为500MW的火电机组来提供调节,而采用20MW的储能系统就能
够瞬间完成升功率的需求,即在该调节速率需求下,1MW储能系统提供的AGC调频能力相当于25MW火电机组的调节能力。如果系统的功率调
节需求为20MW/min
,则储能的调节功率替代效果是燃煤机组的50倍。可以看出,
系统的调节需求越紧迫,储能技术的优势越明显。美国西北太平洋国
家实验室的研究报告通过更复杂的仿真[5]
,提出了
相似的结论:
具有快速调节能力的储能技术能够更有效地提供调频服务;根据California电力市场的
电源特点,平均来看,储能调频效果是水电机组的1.7倍,是燃气机组的2.5倍,是燃煤机组的20倍以上。
表1 储能与传统电源的调频效果比较
Table 1 Comparison of frequency regulation effects between energy storage system and conventional generating 
resources机组类型发电设备爬坡能
力/(%·min-1)
电网的短时爬坡能力
需求/(MW·min-1)
相应发电设备总
功率需求/MW
储能功率/MW储能对传统电
源的替代效果
水电机组30 10 33.33 20 1.67燃气机组20 10 50.00 20 2.50燃煤机组
2 
10 
500.00 
20 
25.00
1.2 储能技术与传统调频电源的经济性对比分析
对不同电源的AGC调频经济性进行对比分析是一项较为系统、复杂的工作。综合目前业界的研究结果,分析可以从3个主要方面进行,即调频电源本身的投资成本、寿命期内的运行及维护成本、对电力系统总调频成本的影响。
基于目前的储能产业状况,适合调频的电储能系统单位平均初始投资约为8 
000元/kW,在储能AGC调度策略下,
系统的运行寿命大约可以达到5~10a
,按照7%的年利率水平计算,年折旧费为1 150~2 
000元/kW。相比之下,目前火电机组的建设成本平均约为4 500元/kW,按照20a的
项目生命周期来估算,同样采用7%的年利率水平计算,年折旧费约为425元/kW。因此,储能系统年平均投资是火电的2.7~4.7倍。但是,
考虑到在实际AGC调频效果上两者有近20倍的差异,
并且储能产品未来还有成本下降的空间,
则储能系统的等效投资仍然有一定优势。从长期的电源投资建设来看,建设相对少量的储能项目能够减缓以调频为主要目的的火电容量建设投资,可以较大地节省社会
总体投资。
储能系统提供调频的运行成本也具有一定的优势。由于AGC上下调节的过程可以近似看做能量平衡的过程,并且充放电过程都是在为系统提供调频服务,因此储能所实际发生的成本主要是由运行效率决定的能量消耗,其运行成本较小。火电机组长期承担AGC功能,
在频繁变出力的运行工况下,主要会产生以下几方面的成本:①频繁变出力以及
较低负荷率运行都将导致煤耗增加[6-
7];②调频备用
容量无法用于提供能量而损失的机会成本;③造成火电机组主机及辅机设备的疲劳和磨损,导致更高的检修成本和时间、更高的非计划停运的概率以及设计寿命的缩短。
系统总调频成本由运行过程中所有调频电源的调频补偿组成。AGC调频是通过实时调整调频电源的出力以快速精确地控制区域电网区域控制偏差(ACE)
的趋势。传统机组响应的延迟、过调和超调会给ACE控制带来负面影响,
而多台机组负面影—
01—2013,37(1
) 
响的叠加将使电网需要投入更多的调频电源进行消除,调节的低效将增加调频备用容量及实际调节量。例如:由于传统火电机组的炉机协调控制存在惯性滞后的现象,响应速度慢的火电机组的出力无法跟上调频需求的变化,可能出现发电机提供错误方向出力的现象;它也可能由于提供的调频服务方向相反,和另一个参与调频的火电机组的作用相互抵消。储能技术参与调频服务的最大优势是其具有
快速和精确的响应能力,单位功率的调节效率较高。California能源委员会(CEC)研究表明,具有快速响应能力的调频手段可以在广域范围内减少调频所需容量[8]。
2 美国调频市场的改革
2.1 美国调频市场设计及潜在问题分析
在美国较为完善的电力市场中,如PJM(Pennsylvania-New Jersey-Maryland),New York,New England,California和Midwest电力市场,调频市场流程组织的基本框架主要包括调频容量评估、机组调频容量投标、调频市场出清以及调频费用结算。按照这样的市场设计,调频市场只提供单一的容量补偿。由于全网的调频出清价格相同,相同容量的储能系统和燃煤火电机组会得到相同的调频补偿。但在实际运行过程中,储能系统由于调节能力远优于传统机组,完成调频任务量及品质也相应地高于传统机组,对电网运行控制的贡献也较高,与传统电源显示出了完全不同的效果。例如:根据2011年3月New York电力市场的数据显示,投运的9MW储能调频系统占其电网总体调频容量275MW的3.3%,但却完成了总体调频任务量的23.8%,即3.3%的优质调频电源完成了23.8%的总调频任务[9]。但是根据之前的市场设计,相同容量的但不同调频性能的电源只能获得相同的经济补偿,显然无法公允地反映不同电源的调频价值及其对系统调频的贡献程度,不利于鼓励高性能调频电源的建设,进而对提高系统整体调节能力和改善系统总体运行效率产生负面影响。电机减速机构
2.2 FERC调频市场补偿机制的改进
美国FERC负责监管美国批发电力市场和设计顶层市场规则,以保证电力市场的公正、公平和充分竞争。针对之前电力市场的调频补偿规则存在的不公平问题,2011年10月,FERC正式发布法案755“批发电力市场的调频服务补偿”[10]。该法案制定了电力市场调频补偿规则的基本框架,提出了两部制补偿(two-part payment)。第一部分为调频容量补偿(capacity payment),即对用于提供调频备用而无法在能量市场竞价的容量进行补偿。调频容量
出清价格需基于市场机制,反映出清价格为全网统一价格。第二部分为调频效果补偿(pay forperformance),由调频任务量和品质及其出清价格共同决定。任务量主要由调频电源响应电网调度下发的AGC指令从而进行的有功功率上下调节的绝对值之和以及跟踪电网AGC指令的质量综合决定。该部分的出清价格是基于市场的全网统一价格,不允许由ISO提前制定固定价格,该价格应反映调频市场参与者提供的调频任务的竞拍价格。此外,该法案还要求ISO配备监测和计算调频电源对电网提供调频的实际品质的功能,并且调节品质的计算方法对包括传统电源以及储能在内的所有调频电源保持一致。调节品质的监测是正确补偿调频效果的基础。根据法案755制定的调频补偿的基本框架,各ISO/RTO根据自身系统的特点以及现行的市场规则,制定出各自详细的新调频市场设计,其主要特点如下。
1)调频电源竞价需提供2类价格,即调频容量报价以及调频任务量报价。2类报价将被同时用于系统的调频市场出清过程,其将影响调频电源的选择以及最终的出清市场价格。
2)出清过程会直接或间接地考虑电源调频效果的历史统计以及预期的调频性能,该指标将影响出清过程中调频电源的选择。例如:PJM电力市场使用电源调频效益因子和历史调频性能评价来调整调频电源报价,使性能好的电源有更大可能被选中。
3)调频结算由系统调频容量出清价、任务量出清价、电源调频容量以及实际完成的任务量综合决定,高质多量完成调频任务的电源将获得更多的调频补偿。
4)不同市场的AGC调度原则较为一致,即精度高、调节速率快的调频电源优先调用。该原则有利于提高系统层面的整体调频效率及经济性。
5)各市场均将实施实时地针对各个调频电源的调频性能监测。同时,根据性能监测的历史统计以及有针对性的测试,严格执行电源的调频资格准入及取消。
3 中国发展储能调频应用的市场方案设计
中国电源结构以大型火电机组为主,特别是“三北”地区电网中,AGC调频电源几乎全部为火电机组,高性能调频电源稀缺,系统整体AGC调频能力有限。“三北”是中国风电集中开发的地区,国外
多项研究结论指出,除调峰问题外,风电的大规模并网将显著增加电网的AGC调频需求[11-12]。特别是在冬季风电大发的时期,大量火电机组进入供热期运行,又进一步限制了电网的调频能力,“三北”电网增
·储能技术及其在电力系统中的应用· 陈大宇,等 储能在美国调频市场中的发展及启示
加的调频需求与有限的调频能力之间的不平衡状况加剧,
将危及电力系统运行安全,并从根本上制约风电的开发利用。另外,火电机组长期承担AGC任务的多重负面影响不利于节能减排的实施,并会降低全社会的资源利用效率。因此,可以借鉴美国储
能技术应用的调频市场机制,
在中国探索考虑储能参与的AGC调频市场设计方案。3.1 多元化AGC服务参与主体
广义来讲,任何并网的可发电的设备在具备一定的功率控制能力的前提下,均有可能为电力系统提供AGC调频服务。在目前的辅助服务管理办法中,把包括AGC调频在内的辅助服务的提供者仅限定为并网发电厂。在电力市场化较为发达的美国,已将储能等非传统电源纳入AGC调频市场。在中国进一步深化辅助服务的过程中,应该以储能技术应用为契机,积极探索引入新的AGC调频服务市场参与主体,提高AGC调频市场的运行效益。3.2 按调频效果补偿
虽然储能的实现技术不同于传统的电源,但对
于电力系统而言,
二者提供的调频功能的性质相同,即根据电网AGC指令进而进行有功功率调节,所以储能提供调频的补偿计算依据应与传统机组相同。根据电网调度给出的AGC指令,
调频效果有2个方面的含义:
其一指调频电源上调和下调的总的调节量,一般以MW为单位;另外,效果也包含了电源出力跟踪指令的程度,主要体现在调节速率和调节偏差。调频服务中调节效果好、对系统频率控制贡献大,其相应价值会较高,需支付更高的经济补偿。按效果付费反映了“优劳多得”的公平合理原则。因此,在中
国的AGC补偿设计中,
应全面推广按调频效果支付调频补偿的规则。该规则将激励包括储能在内的调频电源不断提升自身能力,持续地更多更优质地向电网提供调频服务。
3.3 根据调频电源性能优化调度策略
调频市场建设的核心目标是在满足电力系统频率及联络线控制标准的前提下,最小化系统整体的调频成本。在中国以行政设定调频单价的准市场运作情况下,优化调度策略是实现调频市场目标的关键手段。目前,在不同区域电网,调频补偿由容量和任务量补偿组成,最小化综合调频成本主要通过最小化调频容量和调频任务量补偿实现。
在制订计划过程中,调频电源组成的选择方法应考虑不同特性电源对系统AGC控制的贡献程
度。当储能成为可选调频电源时,
单位功率的储能有数倍于传统机组的调节效果,在满足系统整体调节能力的条件下,可有效减少传统机组的调频备用
容量,降低系统总调频容量补偿。在系统实时运行过程中,基于现有AGC协调
控制系统,
优化储能系统调度可减少传统机组的频繁调节。与传统电源相比,适于调频的储能系统的主要约束是有限的能量,即储能放电时间长度由其系统配置决定。不同的储能技术,由于优化其寿命
长度的要求,
能量水平的控制策略也有所不同。因此,AGC控制需考虑储能系统上调或下调功率约束,以及充电或放电能量约束等。储能系统由于其良好的控制特性,可适当考虑基于超短期负荷预测的超前控制,通过预判ACE趋势及其目前所在和即将进入的控制区域,提前控制储能系统动作,减少机组不必要的调节。由于储能瞬时响应以及不存在
超调、欠调的现象,因此,在满足相同的控制性能标准(CPS
)的控制目标基础上,系统总体调频任务量将会相应减少。更宽泛地讲,
无论何种发电方式,优先利用高性能的调频电源有利于提高系统整体调频效率,实现补偿成本的最小化。3.4 设立AGC调频容量补偿
oju
给予有资格参与AGC调频服务的调频电源一
定的调频容量补偿,
并且该容量补偿的金额应该能够弥补电源不能参与能量市场而产生的机会成本。设立AGC调频容量费,一方面,能够向市场参与者提供公平的基本收益保障,保持市场参与积极性;另
一方面,
也能保证系统有充足的调频备用容量。容量补偿和任务量补偿相结合,有助于逐步推进调频市场化的步伐。
3.5 建立调频性能监测系统
精确的调频电源调节性能监测是提供合理调频补偿的基础。性能监测指标反映实时运行过程中,电源实际有功调节与电网调度AGC指令的差异,该差异是调节延迟、调节精度、调节偏差等因素的综合效果。在中国的调频市场中,只有华北区域电网较为完善地建立了调频性能监测系统。单纯以调节电量为指标无法完全真实反映电源的调频效果,例
如:虽然机组根据AGC指令进行了有功功率调节,但如果实际调节方向与AGC指令相反,即无谓甚至反向调节,对系统频率控制造成负面影响,但由于该机组确实提供了调节电量,这将出现不合理补偿现象。另外,长期精确的调频性能统计是电源调频资格准入或取消的关键指标。
此外,相比传统机组,特别是调频能力较差的火电机组,储能调频体现了较大的效果差异,例如:储能可以瞬时达到指令目标功率,但火电机组有几十
秒至分钟级别的延迟和爬升过程;
储能能较为稳定地保持在目标功率出力,但火电机组的惯性会造成偏差。只有在目前的调频监测系统中适当地调整量
测系统的参数和算法,
使其能够充分辨识储能的调—
21—2013,37(1
) 
频效果,才能在经济补偿中体现合理和公平的原则。
4 结语
本文提出了将储能应用于中国AGC调频市场
的几点建议。在借鉴美国经验的同时,
结合中国电力市场状况,还需进行更多政策以及技术层面的研究,并有针对性地建设一批储能调频的示范项目。以理论研究和项目实践相结合,完善AGC调频市
场化工作,
实现电力系统调频效率及成本的进一步优化,保障电力系统在接纳更大规模可再生能源情况下的安全稳定运行。
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102206,China;2.Ray Power Systems Ltd.,Beijing 
100026,China)Abstract:Along with the development and grid integration of massive variable energy resources,mainly including 
wind andsolar generation,large-scale energy 
storage systems with capability of instantaneous and precise output control can effectivelyassist automatic generation control(AGC)and provide superior quality of frequency 
regulation service for power systems.Thefundamental framework of frequency regulation compensation newly issued by Federal Energy Regulatory Commission(FERC)of United States and the corresponding latest proposals of new market designs by 
independent system operators(ISOs)/regional transmission operators(RTOs)are introduced.Suggestions for further improvement of frequency regulation marketare proposed based on an analysis of regulatory practice and operational experience of frequency regulation ser
vice in China,aswell as its existing 
issues.Key 
words:energy storage;frequency regulation service;automatic generation control;power markets—
31—·储能技术及其在电力系统中的应用· 陈大宇,等 储能在美国调频市场中的发展及启示

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