中國儲能網(wǎng)訊：慣量輔助服務是指在電力系統(tǒng)頻率受到擾動時，能夠提供快速正阻尼調節(jié)，阻止系統(tǒng)頻率突變的服務。慣量輔助服務對于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，應對新能源發(fā)電波動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)中的轉動慣量逐漸減少，導致故障擾動后的頻率變化率增大，系統(tǒng)安全性下降。因此，開展慣量輔助服務補償和市場化交易，激勵各類資源提供慣量輔助服務，是構建新型電力系統(tǒng)的重要舉措。
本文將介紹慣量輔助服務的基本概念，國際上慣量輔助服務的發(fā)展情況和南方區(qū)域推出的國內首個轉動慣量輔助服務補償機制的設計思路。
01.慣量輔助服務的概念
電力輔助服務是指為維持電力系統(tǒng)運行質量和安全穩(wěn)定所提供的各類服務，包括有功平衡服務、無功平衡服務和事故應急及恢復服務等。慣量輔助服務屬于有功平衡服務的一種。有功平衡服務還包括調頻、調峰、備用、爬坡等。
慣量輔助服務主要在頻率響應過程的遏制期（即擾動發(fā)生后的第一階段）發(fā)揮作用，通過系統(tǒng)內部的慣性特性在第一時間內阻止頻率下降或上升，為機組調頻動作提供緩沖時間。慣量輔助服務是無法由其他輔助服務替代的。
在電力系統(tǒng)運行中提到的慣量，通常包含同步慣量（轉動慣量）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動能總和，來自同步發(fā)電機、調相機和同步電動機等。這類設備的轉子在并網(wǎng)運行時與系統(tǒng)頻率同步旋轉，當系統(tǒng)頻率受到擾動時，轉子可以釋放或吸收其儲存的動能，從而產(chǎn)生有功功率變化，對抗系統(tǒng)頻率變化。同步發(fā)電機轉子的轉動慣量由其物理特征決定，與其質量和旋轉半徑有關。我們提到的慣量輔助服務，就是指此類旋轉慣量。
非同步慣量是指由非同步資源（如風電、光伏、儲能等）根據(jù)頻率變化率所提供的瞬時功率支撐功能。非同步資源并網(wǎng)運行時不與系統(tǒng)頻率同步旋轉，因此沒有固有的轉動慣量。但非同步資源可以通過控制器模擬出類似于同步發(fā)電機轉子的響應特性，從而提供虛擬的轉動慣量。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速度有關。目前國際上此類設備提供的快速功率支撐能力大都納入快速頻率響應（Fast Frequency Response，F(xiàn)FR）輔助服務范疇。
02.慣量輔助服務的國內外發(fā)展情況
國際上，已有部分新能源高滲透運行國家將轉動慣量作為一類市場品種進行交易。愛爾蘭(EirGrid)和北愛爾蘭(SONI)系統(tǒng)運營商共同組成的合作機構EirGrid/SONI于2016年正式將轉動慣量納入輔助服務，名稱為同步慣量響應（Synchronous Inertial Response, SIR）。在該輔助服務中，系統(tǒng)運行商對參與輔助服務的機組依據(jù)SIR可用容量、機組所在的區(qū)位以及服務時段的慣量稀缺程度支付費用，以市場激勵的手段提升電網(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合同，價值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。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電廠兩臺原已關停的燃氣機組重新啟用，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)建造同步調相機和飛輪儲能，以進一步提升電網(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兩臺同步調相機。
澳大利亞國家電力市場（NEM）已經(jīng)完成了慣量輔助服務市場方案的初步設計，后續(xù)將根據(jù)系統(tǒng)運行需要組織實施。
在中國，2021年12月，國家能源局印發(fā)了《電力輔助服務管理辦法》，首次將轉動慣量納入有功平衡電力輔助服務中，這標志著轉動慣量由一種發(fā)電“附屬品”轉變?yōu)樾碌妮o助服務市場品種。2023年1月1日正式實施的《南方區(qū)域電力輔助服務管理實施細則》借鑒愛爾蘭經(jīng)驗推出了國內首個慣量輔助服務品種。
03.南方區(qū)域轉動慣量輔助服務
補償機制設計思路
在系統(tǒng)低轉動慣量與新能源高滲透的典型場景下，若要增開同步機，必然會擠占新能源的發(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行，并為系統(tǒng)提供轉動慣量、盡可能少擠占新能源發(fā)電空間的同步機組提供補償，鼓勵火電靈活性改造以及水電低負荷運行。
1）轉動慣量輔助服務方案設計
2）未來市場的補償規(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%之間運行的時長為1553.18時，超過60%及以上為313.4小時。云南全網(wǎng)轉動慣量年補償費用約228.67萬元，均為水電廠獲得補償。
隨著新能源滲透率的逐漸升高，未來南方電網(wǎng)轉動慣量的補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%的時長約為300小時，2025年中東部主網(wǎng)的轉動慣量總補償費用約為1000萬元。
現(xiàn)行補償標準可根據(jù)未來新能源投產(chǎn)進度和系統(tǒng)穩(wěn)定需要進行適應性調整。
04.總結
轉動慣量輔助服務的補償機制設計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)電資源參與調節(jié)意愿不足等問題提供重要的解決路徑。未來轉動慣量補償機制可以從以下幾個方面持續(xù)改進：
1）完善技術支持系統(tǒng)和輔助服務補償體系：研究系統(tǒng)轉動慣量需求分析和實時評估與預警技術，為慣量輔助服務補償提供參考，根據(jù)未來電網(wǎng)運行需求對補償系數(shù)進行適應性調整；跟蹤分析國外轉動慣量輔助服務產(chǎn)品設計方案和市場機制，結合國內新型電力系統(tǒng)建設進程，完善輔助服務市場體系建設。
2）分場景挖掘轉動慣量潛在資源：根據(jù)不同地區(qū)電網(wǎng)特點，利用市場化手段實現(xiàn)多元轉動慣量資源的經(jīng)濟調用。對于清潔能源占比較高的送端電網(wǎng)，可以側重挖掘常規(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)，深入研究抽蓄調度控制策略，實行有益于火電機組長周期低功率運行的容量成本回收機制和市場化運營機制。同時發(fā)揮新能源、新型儲能、虛擬電廠的快速頻率響應能力，降低轉動慣量需求和系統(tǒng)運行成本。
