新型电力系统建设背景下，新能源发电出力具有波动性高、不确定性高的特征，其通过电力电子装置并网也将导致电力系统转动惯量减少，这些都对新型电力系统运行的安全性、可靠性提出了挑战。国家能源局于2021年底印发《电力辅助服务管理办法》，提出了爬坡、快速频率响应、转动惯量等新型辅助服务，以应对新能源出力波动、风光等弱惯量系统对电网运行造成的影响。在国外成熟电力市场中，随着新能源占比逐步提高，新型辅助服务交易品种也逐步被纳入电力市场体系，以体现系统灵活性资源的调节价值。

本系列文章将结合国外新型辅助服务市场建设情况，阐述交易基本原理，并提出我国新型辅助服务市场的建设建议。

2016年，MISO和CAISO的可再生能源装机占比分别达到了11.6%和40.5%，发电占比分别为6.9%和20.9%。同年，两个市场运营机构均建立了爬坡市场。功能上，爬坡产品隶属于运行备用范畴，与其他辅助服务的关系如图1所示。事故备用通常在出现概率低但影响重大的突发情况下被调用，而调频和爬坡在正常运行状态下被连续的调用。调频资源通过AGC跟踪响应实时偏差，而爬坡资源在5-15min内根据调度指令进行出力，两者在响应时间、作用方式上存在不同。

▲图1 MISO/CAISO运行备用分类

爬坡产品的市场组织流程如图2所示。由于爬坡产品的成本是爬坡资源为了预留爬坡容量而在电能量市场中损失的机会成本，且MISO/CAISO的电能量市场和辅助服务市场是联合出清的，因此爬坡资源无须单独报价，根据电能量市场中的机会成本定价即可。

▲图2 爬坡产品市场组织流程

（1）各时段系统爬坡需求计算

系统爬坡需求的计算方法如图3所示，根据净负荷在相邻两个时段预测的变化量（t₁-t₂对应的黑色曲线变动）和预测的不确定性（t₂时刻对应的蓝色区域上下限），可以确定每一时段的系统上爬坡和下爬坡需求量。

▲图3 系统爬坡需求计算示意图

（2）爬坡效益曲线

理论上，机组预留的爬坡容量越多，越有利于应对净负荷波动的不确定性。然而从经济效益上考虑，预留爬坡容量过多可能会导致能量报价低的机组发电容量被预留，需要调用报价高的机组来满足负荷平衡，使得整体购电成本增大。

为了在出清模型中综合考虑爬坡产品带来的效益和系统发电成本，CAISO根据净负荷波动的概率和失负荷价值提出了分段爬坡效益曲线，如图4所示。系统出现0-R1的净负荷较小幅度波动的可能性较大，因此预留的爬坡容量效益也较高。随着系统预留的爬坡容量增大，其可以应对的净负荷大幅波动概率也降低，因此产生的效益逐渐减小。

▲图4  CAISO分段爬坡效益曲线示意图

（3）电力现货市场出清

电力现货市场出清的目标函数中考虑爬坡产品的效益，即：

Min（系统发电成本-系统爬坡效益）

其中，系统爬坡效益是图4中的爬坡效益曲线对系统预留爬坡能力的积分，系统预留的爬坡能力即所有机组预留的爬坡容量之和。

同时，出清约束中应添加系统上/下爬坡需求约束，即：

所有机组上/下爬坡预留容量之和>=系统上/下爬坡需求量

系统的上/下爬坡需求约束所对应的影子价格分别为上/下爬坡产品的出清价格。

（4）爬坡费用结算和分摊

爬坡产品结算按照日前和实时进行两部制偏差结算：日前按（机组日前出清的爬坡容量*日前爬坡产品价格）结算；实时按（机组实时和日前出清爬坡容量的偏差*实时爬坡产品出清价格）结算。MISO根据“谁受益，谁承担”原则将爬坡费用在负荷和外送电之间分摊，与事故备用费用的分摊方法一致。CAISO将爬坡费用在发用电两侧共同分摊。

英国国家电网（NatioanalGrid ESO, NGESO）通过提供平衡服务来保障电网的实时供需平衡。平衡服务包括了频率响应、备用、无功调节等。快速备用(FastReserve,FR)作为备用的一种，其发挥的作用与MISO/CAISO中爬坡辅助服务的作用类似，采用月度竞价的方式进行采购，中标资源在全天任一时段均可能被调用，且必须在接收调度指令后2min内提供爬坡速率大于25MW/min的响应能力。

（1）FR投标

并网机组、储能和需求响应资源均可以在通过资格审核并签署服务协议后成为FR资源。NGESO在竞价月的前一个月发布FR需求，FR资源必须在竞价月的第一个工作日投标，以参与后续一个月的FR服务。FR资源的投标需求包括以下信息：

• 可调用容量（MW）：可被调用的最大FR容量

• 可提供FR的运行日和时间：每个月分为工作日、周六、周日和节假日，每天有两个时间窗口可以选择。

• 可用价格（£/hour）：可提供FR的时间所对应的价格

• 调用价格（£/hour）：FR被调用时对应的价格

  
  

（2）FR中标

NGESO会计算每个投标的成交量加权可用价格（VWAP,£/MWh）：

VWAP=FR投标的可用价格/可调用容量

然后，根据可以增加或减少投标效益的因素对VWAP进行调整，以产生最终可用价格（AAP，£/MWh）。其中，考虑的效益因素包括：投标FR资源所在位置是否有约束限制，是否存在通过FR投标过度持留容量的投机行为等。

最后，所有投标资源将按照AAP从最低到最高进行排序，直至满足FR需求量。如果NGESO认为满足系统全部FR需求量的成本过高，可能会拒绝AAP价格与满足系统全部FR需求的平均价格有明显差异的投标，以保障市场能反映真实成本。

根据中标情况，调度员在实时运行过程中根据系统实际需求下达FR调用指令，FR中标资源在接受指令后2min内进行响应。

（3）FR结算

FR资源的结算包括三种费用：可用费用（£/hour）、调用费用（£/hour）和能量费用（£/MWh）。其中，可用费用补偿FR资源投标时可提供FR的时长，调用费用补偿FR资源被调用的时长，能量费用补偿FR资源被调用后提供的电能量。英国国家电网作为平衡服务的购买方，支付FR费用给相关资源，并根据实际运行情况从发电机组和负荷收取按日收取平衡费用。

[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

[2] 2016 Renewable Energy Grid Integration Data Book

https://www.nrel.gov/docs/fy18osti/71151.pdf

[3]CAISO灵活性爬坡产品CaliforniaISO - Flexible Ramping Product

http://www.caiso.com/informed/Pages/StakeholderProcesses/CompletedClosedStakeholderInitiatives/FlexibleRampingProduct.aspx

[4] MISO爬坡产品介绍PPT

https://cms.ferc.gov/sites/default/files/2020-05/20160629114652-1%2520-%252020160621%2520FERC%2520Technical%2520Conference_MISO%2520Ramp%2520Product.pdf

[5] MISO爬坡产品设计报告

https://cdn.misoenergy.org/Ramp%20Product%20Conceptual%20Design%20Whitepaper271170.pdf

[6]高比例新能源下的电力市场：美国与欧洲对比

https://ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/itet/institute-eeh/power-systems-dam/documents/Seminar/Botterud-ETH-20170127.pdf

[7] 英国国家电网快速备用服务

https://www.nationalgrideso.com/industry-information/balancing-services/reserve-services/fast-reserve