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作者：清能互联 咨询部
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引言
国家能源局于2021年底印发新版《电力辅助服务管理办法》，提出了爬坡、转动惯量等新型辅助服务，以应对新型电力系统建设背景下新能源出力波动、风光等弱惯量系统对电网运行造成的影响。
本系列第一篇文章新型电力辅助服务市场机制之——爬坡辅助服务市场介绍了爬坡辅助服务市场的交易原理以及机制设计建议，本文将对转动惯量市场交易机制设计及建设路径进行探讨。
1. 转动惯量产品概述
惯性是物体的固有属性，表现为物体对其运动状态变化的一种阻抗程度。在直线运动中，物体的惯性由物体质量决定，质量越大的物体惯性越大；在旋转运动中，物体的惯性由物体质量在其旋转半径上的分布情况决定，以转动惯量表示。当电力系统频率受到扰动时，同步发电机转子所具备的转动惯量能够提供将系统频率维持在允许范围内的“惯性”，降低系统频率崩溃的风险，对于保障电力系统稳定运行具有重要作用。国家能源局《电力辅助服务管理办法》中对转动惯量的定义为：在系统经受扰动时，并网主体根据自身惯量特性提供响应系统频率变化率的快速正阻尼，阻止系统频率突变所提供的服务。
图1展示了系统受到扰动时的频率响应过程。
▲ 图1 频率响应过程
转动惯量主要在频率响应过程的遏制期（即图中的第一阶段）发挥作用，通过系统的惯量特性在第一时间内阻止频率下降，为其他辅助服务动作提供缓冲时间，是无法由其他辅助服务替代的。
电力系统受到扰动后的频率变化率（rate of change of frequency，RoCoF）是衡量系统转动惯量是否充足的重要指标，若RoCoF过高，在一次调频动作之前，扰动引起的频率跌幅极有可能越过低频减载装置动作的阈值，继而危及电力系统稳定运行。
一般而言，系统的最低转动惯量需求与RoCoF成反比，与系统可能的功率缺额、系统额定频率成正比，即：
（1）
（2）
其中，
为系统的最低转动惯量需求，可由下述指标综合确定：
为系统可能的功率缺额，
为系统额定频率，
为系统最大允许的频率变化率。为将系统频率变化率控制在合理范围，系统中必须具备足够的转动惯量。
当系统中非同步资源渗透率不高时，转动惯量供应充足，可认为其为同步发电机组提供电能量时的附带产物，因此传统的“两个细则”并未对转动惯量开展补偿；而当高比例新能源接入系统、非同步资源渗透率提高到一定水平时，转动惯量在系统中将逐渐成为稀缺资源，仅考虑电力供需平衡的开机方式可能难以满足系统转动惯量需求，这种情况下，有必要对提供转动惯量的设备进行补偿（或通过市场交易形成价格），以保持对同步资源投资、运维的激励，保障系统安全。
目前，国外典型的电力市场中并未开展转动惯量辅助服务交易，基本处于研究论证阶段，澳大利亚国家电力市场已经完成转动惯量市场方案的初步设计。接下来，本文对国内转动惯量市场建设的可行模式进行初步探讨。
2. 转动惯量辅助服务市场建设路径探讨
同步设备启动并按照同步转速并网后便能提供转动惯量，其成本对应发电机组在现货电能量市场中申报的启动成本以及最小出力成本（或空载成本）。我国已经在运的几个一批现货试点省份中，均对发电机组的上述成本有相应的补偿机制。
但随着高比例新能源并网，电能量市场价格降低、转动惯量稀缺，光依靠电能量市场中的补偿机制仅能保证同步资源回收成本，盈利空间并不明确，难以对同步惯量资源的投资、运维形成良性的激励信号。因此，建议初期从固定补偿起步，逐步建立转动惯量市场化交易及补偿机制，准确反映转动惯量为系统安全稳定运行所发挥的价值。
由于电能量和惯量具有强耦合性，现货电能量市场出清结果将决定机组启停状态，而机组启停状态直接决定了机组是否提供转动惯量，因此转动惯量约束应作为电能量市场出清的约束条件之一，电能量与惯量应协同优化、联合出清。
转动惯量市场一种可行的建设路径如下所述。
2.1 阶段一：电能量出清考虑惯量约束，转动惯量固定补偿
由于同步设备的转动惯量由其转子物理特征决定，可视为定值，可由市场运营机构测试核定。初期，可不引入转动惯量申报，采取在现货电能量出清模型中添加惯量约束条件的方式：
（3）
其中，
与
分别为同步发电机i与同步调相机j在t时段的启停状态变量，
与
分别为同步发电机i与同步调相机j的转动惯量，为系统最低转动惯量需求。
对于转动惯量提供者的补偿机制，可参考新版南方区域“两个细则”中对于转动惯量的补偿逻辑，在下述情形下按照固定标准进行补偿：
1、机组运行在低负荷区间，此时认为机组对于系统的作用主要是提供惯量；
2、系统中的非同步资源渗透率达到一定阈值，渗透率越高补偿标准越高，以体现惯量稀缺性。
在非同步资源渗透率超过一定阈值的时段，满足低负荷率判据的机组根据相应的补偿标准获得转动惯量补偿，补偿金额=转动惯量*补偿标准。
2.2 阶段二：电能量、惯量联合优化，形成市场化转动惯量价格
当系统非同步资源渗透率提高，转动惯量约束会明显影响开机组合优化结果时，可引入转动惯量报价，以“电能量+惯量”总成本最低作为现货市场出清的优化目标。
对于参与了现货电能量报价的同步发电机，其并网后按照最小发电出力运行便可提供对应的转动惯量，因此转动惯量无需额外报价，根据其申报的最小出力成本折算即可，得到在一个调度周期内该机组提供单位惯量所对应的价格，计算方式如下：
（4）
其计算逻辑为，机组按照最小发电出力运行一个调度周期，便能在该周期内提供相应的转动惯量，因此该调度周期内所产生的最小出力费用即为机组提供转动惯量所需的费用，除以转动惯量后便得到单位惯量所对应的价格。
对于准入参与惯量市场的同步调相机，以及部分仅愿意提供转动惯量而不提供电能量的机组（如空载运行的水电机组等），可单独申报单位惯量价格。
根据各类型资源的单位惯量价格，可将现货市场出清的目标函数写为：
Min（系统电能量费用+系统转动惯量费用）（5）
同时在约束条件中添加（3）式所述的惯量约束即可。
此阶段下，存在两种对转动惯量定价的方式：
1、惯量边际机组定价
根据折算后（或机组申报）的单位惯量价格由低到高排序，可形成各时段的系统惯量供给曲线。在开机运行的机组中（含开机的同步调相机），可根据（3）式寻找各时段的边际惯量提供者（即恰好满足系统最小惯量需求的边际机组），根据其单位惯量价格对该时段的转动惯量服务进行定价，并按照该价格对排序在边际惯量提供者之前的机组进行结算。确定惯量边际机组时，可增加机组是否运行在低负荷区间的判据。
该方式下各时段的惯量边际机组寻找过程简单明确，但出清环节与定价环节独立开展，出清环节综合考虑了电能量与惯量价格，但定价环节仅考虑惯量价格，可能存在惯量定价结果不合理的情况。如某台机组因为整体电能量报价较低而被优化开机，但根据最小出力成本折算后的单位惯量报价较高，可能会抬高惯量市场价格。
2、惯量约束影子价格定价
从优化理论来看，根据系统转动惯量约束（3）式的影子价格对转动惯量定价是最为合理的。但由于联合出清模型为混合整数规划模型，且惯量约束中含有0-1整数变量，严格意义上来说该条约束并不存在影子价格，需要对模型进行线性化处理，相应的定价原理有待进一步研究论证。
转动惯量对于保障电力系统的安全稳定运行具有重要作用，尤其在高比例可再生能源并网的情况下，系统中的转动惯量将逐步成为稀缺资源，因此有必要建立转动惯量市场，体现惯量提供者对系统安全稳定所发挥的价值。在转动惯量市场的设计过程中，建议关注以下几个方面的问题：
一是应根据转动惯量在系统中的稀缺性来决定是否开展补偿（或开展市场交易），在非同步资源渗透率较低的电力系统中，转动惯量可视为提供电能量时的附带产物，其成本可通过启动费用、最小出力费用补偿疏导，无需单独补偿或交易，建议视系统中非同步资源的发展情况统筹规划转动惯量市场建设；二是转动惯量与电能量之间为强耦合关系，建议进一步完善跨多级市场的监管体系，关注市场主体通过自身在惯量市场中的稀缺性进一步抬高电能量市场价格的行为；三是基于“谁受益、谁承担”的原则，建议转动惯量费用在零惯量（或弱惯量）发电机组以及用户侧之间合理分摊；四是建议统筹考虑转动惯量市场与其他频率响应市场建设，关注在系统最小转动惯量需求之上，惯量与快速频率响应资源之间的可替代关系，合理设计市场机制。
参考文献
[1]国能发监管规〔2021〕61号《电力辅助服务管理办法》
http://zfxxgk.nea.gov.cn/2021-12/21/c_1310391161.htm
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[3]孙华东,王宝财,李文锋,杨超,魏巍,赵兵.高比例电力电子电力系统频率响应的惯量体系研究[J].中国电机工程学报,2020,40(16):5179-5192.
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[8]南方监能市场〔2022〕91号《南方区域电力辅助服务管理实施细则》
http://nfj.nea.gov.cn/adminContent/initViewContent.do?pk=4028811c80b7744a01815cbdb9a4006e
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