英国频率响应服务市场及对中国调频市场建设的启示
叶文圣, 荆朝霞, 禤宗衡
（华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640）
摘要：
引文信息
叶文圣, 荆朝霞, 禤宗衡. 英国频率响应服务市场及对中国调频市场建设的启示[J]. 中国电力, 2023, 56(1): 77-86.
YE Wensheng, JING Zhaoxia, XUAN Zongheng. UK frequency response service markets and their implications for China’s frequency regulation market construction[J]. Electric Power, 2023, 56(1): 77-86.
引言
调频服务用于解决电力系统实时功率不平衡，维持系统频率稳定。随着可再生能源渗透率的上升，电力系统的不确定性不断增大，高性能调频服务需求也不断增加。电力市场化改革以后，调频成为一种需要竞价的有偿服务，其市场机制设计得到了广泛而深入的研究[1-3] ，有望成为独立储能电站和电动车充电桩等第三方主体的重要利润来源。电改“9号文”配套文件《关于推进电力市场建设的实施意见》将电力市场机制分为集中式和分散式两大类[4] 。中国和美国采用集中式机制，欧洲采用分散式机制[5] 。两种机制的主要区别有：集中式现货市场[6] 全电量出清，且辅助服务与电能量联合出清，尽量考虑市场主体的物理特性和电力商品的特殊性；分散式现货市场是增量出清，且各辅助服务和电能量独立出清[7-8] ，在不违反安全约束的前提下，尽量将电力商品作为一般商品交易。中国以往普遍实施按需调用、事后补偿的调频机制，补偿价格完全由政府规定[9] 。这虽然能够在一定程度上使电厂回收调频成本，但缺乏对电厂提高调频质量的激励。市场化改革后，中国调频市场发展迅速，各省纷纷出台了调频市场规则[10-11] ，并进入了试运行、试结算乃至正式运行阶段[12] 。中国调频市场的建设取得了一定的成果，但在实际运行中也暴露了补偿不合理[13] 、存在垄断风险[14] 等问题，需要进一步改进，借鉴国外成熟电力市场的经验很有必要[15] 。中国电力市场虽然不成熟，但没有陷入路径依赖中，有着广阔的发展前景。采用全电量现货市场机制并不意味着辅助服务市场也必须是完全集中的，分散式市场的经验仍有很大价值。国内对分散式市场的研究不足，尤其缺乏对英国频率响应服务市场（以下简称“英国调频市场”）的关注。虽然有部分文献[16-17] 对英国调频市场进行了介绍，但视角局限于储能主体，没有对英国调频产品和调频体系做全方位的详细介绍与分析，也没有深入发掘英国调频市场设计的特点和成因，对中国调频市场建设建议不足。英国调频市场存在着许多可借鉴之处，值得进行深入研究。为此，本文梳理并介绍了英国的各种传统调频产品和新兴调频产品，并重点针对其多时间尺度、多市场模式、无调频里程补偿、义务调频模式和市场透明度等显著区别于集中式市场的特点进行深入剖析，发掘英国调频市场体系的建设原理，为中国调频市场建设提出建议。
1 英国电力市场概况
1.1 英国电能量市场概况 [6] 。英国电能量市场主要由批发市场、平衡机制和不平衡结算构成。批发市场包括从多年前到日前的场内和场外交易，不需要考虑阻塞，只需在运行日前上传总交易曲线作为运行计划。平衡机制类似实时市场，在运行时刻前1 h进行交易。参与平衡机制的交易单位被称为BM单元，其余的被称作非BM单元。NGESO采购不平衡服务的主要目的是避免线路越限[18] ，并修正实时电量偏差。事后，Elexon根据市场主体事前交易曲线、中标不平衡服务供应量和实际发用电量计算不平衡电量，按系统不平衡价格进行结算。因响应辅助服务而变化的电量，不计入不平衡电量中，相关成本需要在辅助服务补偿中回收。1.2 英国调频服务市场概况 英国调频市场的产品按推出时间排列如下[19] ：强制频率响应（mandatory response services，MRS），义务提供；固定频率响应（firm frequency response，FFR），按月招投标；动态高低频（dynamic low high，DLH）、静态低频（low frequency static，LFS），按周拍卖；动态遏制（dynamic containment，DC）、动态校准（dynamic regulation，DR）和动态调节（dynamic moderation，DM），按日拍卖 。NGESO还曾经推出增强频率响应（enhanced frequency response，EFR）[20] ，但已完全停止采购。MRS分为初级频率响应（primary response，PR）、次级频率响应（secondary response，SR）和高级频率响应（high frequency response，HFR）3种响应服务，都是动态响应服务。这些产品的响应特性和交易方式虽然各不相同，但都是根据系统频率自动响应的，无需调度机构发送调频信号。各产品的技术要求和共同点如表1、2所示。
表1 英国频率响应服务技术要求
Table 1 UK frequency response services technical requirements
表2 英国频率响应服务产品共同点
Table 2 Common ground of UK frequency response services products
2 传统频率响应服务
2.1 MRS性能要求 [21] 。电厂建成或改造后需要接受调频性能测试并签署供应协议。一个电厂可能同时提供其中一种或多种服务，取决于NGESO的需要。被NGESO调用的电厂进入频率响应模式，然后当系统频率超出（50±0.015）Hz的死区范围时触发响应，调频功率根据频率偏差持续变化，直到频率恢复或者超过响应持续时间，具体的响应曲线根据机组性能测试结果而定。性能要求上，PR、SR、HFR的完全响应时间分别为10 s、30 s、10 s，最大响应持续时间分别为20 s、30 min、无限。其中，PR和SR只响应低频并增加出力，HFR只响应高频并减少出力。2.2 MRS交易与结算 MRS的补偿由保持费用（holding payment）和响应能量费用（response energy payment）组成。保持费用分别对3种服务进行支付，而响应能量费用对3种服务的总响应能量进行支付。MRS是义务提供的，不需要事前交易，但供应商仍需每半个月分别对每种服务的保持费用进行报价，NGESO会综合评估MRS、FFR和DLH的成本选择调频资源；响应能量费用的价格则由NGESO根据平衡市场电价确定，不需申报[21] 。
2.2.1 保持费用
保持费用是调频单元进入频率响应模式时，根据处于频率响应模式的持续时间以及调频容量，以英镑/（MW·h）为单位所获得的补偿。以PR为例，对一个特定的调频单元，其每分钟的保持费用P M 计算公式[22] 为
式中：P PR 是保持费用的价格，由供应商申报； P MW 是此时刻最大可用调频容量，由实际出力和机组参数计算得到；是PR服务的平均响应不足率，默认为0； K T 是和温度有关的修正系数，由用户和NGESO共同确定，默认为1； K GRC 是联合循环燃气轮机修正系数，由协议规定，默认为1。
SR和HFR的费用公式是相同的，只是价格和调频容量不同。总保持费用是3种服务费用之和。保持费用报价的上限是9 999.99英镑/（MW·h），远高于正常报价，大型电厂可以通过申报上限价格避免被调用，实际上有个别电厂会这样做。这说明MRS所谓的义务提供是指没有明确的市场交易和出清环节，并不意味着所有大型电厂必然提供服务。2.2.2 响应能量费用 [22] 为是调频单元 i 在结算时段 j 的响应能量费用； 是因调频而向系统送出的新增净电量，由功率变化积分得到，可正可负； D 是结算时段的长度； 是调频单元 i 在时刻 t 因响应调频变化的功率，不是实测值，而是根据实际频率偏差计算的期望响应功率； 分别是高频（HFR）、低频（PR和SR）服务的平均响应不足率； 是结算价格，当 [23] ；当结算价格为负或调频单元没有燃料成本时（如水电厂）时，按零计算。 响应能量费用的具体含义是：如果调频单元因为进行调频而增加了结算时段外送电量，那么新增电量由NGESO给予调频者补偿；若减少了外送电量，那么所减少电量由调频者返还NGESO电费。2种情况下结算价格不同，在新增外送电量时，相当于以高于市场价卖电；在减少外送电量时，相当于事先按市场价卖电，然后以低于市场价买电，相关电量可直接赚取0.25倍的差价。无论是哪种情况，供应商都增加了电能量收益。2.3 FFR性能要求 [24] 。FFR包括动态响应服务和静态响应服务。动态响应服务包含和MSR相同的3种服务，即PR、SR和HFR，只是交易和结算方式不同。静态响应服务只包含SR，区别在于其响应条件不同。当系统频率超过合同规定的触发频率点后（位于49.5~49.8 Hz），静态调频服务触发响应，调频单元提供全部的调频容量并保持响应功率不变，持续30 min。期间即使频率恢复到触发频率点之前的水平，响应也继续进行，并保持响应功率不变，除非频率达到50 Hz，才需要提前结束响应。2.4 FFR交易与结算 2.4.1 FFR费用构成 [24] 。可用费是根据中标调频单元的调频可用时间所给予的补偿，单位是英磅/h，是FFR的主要补偿。提名费是根据中标调频单元的被提名时间所给予的补偿，单位是英磅/h。窗口费是根据中标调频单元被提名的FFR窗口数量所给予的补偿，单位是英磅/窗口。这3项费用的价格都是供应商申报的，但后两者功能重叠，实际上往往省略不报。窗口修改费是当NGESO需要临时修改调频单元的响应窗口期时，需要给予的一次性补偿，由NGESO和供应商协商决定，不需申报，通常也不会使用。根据规定，NGESO可以在任何时候下达指示要求中标单元在中标窗口期进入频率敏感模式。在实践中，NGESO在每月的第12个工作日通知所有中标单元需要提供服务的时间（即提名），实际的提名率接近100%，可以认为中标时段都会被提名，相关容量不可用于其他服务。响应能量费结算公式与式（2）相同，但BM单元和非BM单元的价格不同。BM单元的价格由平衡市场电价决定，同MRS；非BM单元则需要申报该价格，然后按报价结算。2.4.2 招投标要求与标书内容 [24] 。供应商对至少一个月、至多连续30个月的需求进行投标。一份FFR标书主要包括以下信息：调频单元、时间（月份）、窗口（EFA块）、报价、类型（动态或静态）、响应特性（包括可进行动态响应的出力范围及其响应曲线，或静态服务的触发频率和响应功率）。一份标书对提交的所有时间和窗口使用同样的报价和响应特性。如果供应商在不同时段提供不同的报价或调频容量，就需要提交多份标书。同一个调频单元在一次招投标最多可以提交3份标书，如果这些标书内容间存在互相矛盾的问题（如服务期间重叠），那么NGESO最多只接受其中一个标书。2.4.3 出清与结算 中标的供应商按报价结算，不存在统一的结算价格。如果供应商在实际运行中出现了响应量或性能不足等情况，所获补偿按相关考核规则和服务合约规定进行扣减。
3 周度拍卖频率响应服务
3.1 拍卖试验介绍
为节约辅助服务成本，探索未来电力市场的发展路径，英国电网于2018年开始进行拍卖试验的讨论研究，并于2019年6月、9月开始2轮试验，试验为期2年，于2021年11月进行了最后一次周度拍卖。随着试验期结束，LFS和DLH产品已经暂停交易。EPEXSPOT公司负责开发和管理拍卖平台。
拍卖试验的改进点在于：引入了LFS和DLH两种新的调频产品、对新产品使用周度拍卖机制。经济学上通常将招投标（Tender）算作广义上的拍卖机制，但在英国电力市场两者是完全不同的：在招投标中，只有一个成本最小的出清原则，没有明确的出清模型和算法，而且使用报价结算；在拍卖中，有明确的出清模型和算法，出清结果由优化程序确定，而且使用统一价格结算[25] 。
3.2 LFS和DLH性能要求
DLH是动态频率响应产品，要求供应商提供等量的PR、SR和HFR服务。DLH遵守与FFR相同的要求，已经通过FFR产品测试的调频单元可以参与拍卖。DLH、FFR和MRS本质上提供了同样的服务，它们的需求量取决于其他两者的供应量以及成本。
LFS是一种快速的低频静态频率响应产品，类似于FFR的静态SR，但速度更快。当系统频率小于49.6 Hz时触发，调频单元在1 s内完成响应并提供全部调频容量，然后保持30 min。调频单元需要进行专门的LFS性能测试才能参与拍卖[26] 。
3.3 LFS和DLH交易与结算
3.3.1 LFS和DLH报价
LFS和DLH每周在专门的拍卖平台上对7天共42个EFA块的需求进行一次交易[26] 。LFS和DLH分别报价、出清和结算，但使用相同平台和算法，其拍卖本质上是一种块交易机制，可以认为是欧洲日前电能量市场常用的块交易机制的简化版[27] 。
为方便进行统一优化出清，LFS和DLH的补偿只包含可用费，单位为英镑/（MW•h）。响应能量不再进行补偿，因此需要供应商自行考虑能量成本并将其包含在可用费报价中[26] 。
在进行交易时，NGESO首先在每个EFA块为LHS和DLH分别提交一个买单，包含一个购买量和购买价格，相当于需求量和价格上限。拍卖平台和算法本身支持提交弹性购买曲线，NGESO也有使用弹性需求的计划，但目前尚未实施。
供应商提交卖单，可以同时提交多个，但一个调频单元在一个EFA块对一种产品最多只能有一个卖单。一个卖单由如下要素组成：产品类型（LFS或DLH）、调频单元ID、1~6个位于同一日的EFA块（供应时段）、订单类型（C01或C02）、价格、每EFA块一个响应容量。其中，C01代表独立订单或父订单，不可缩减；C02代表子订单，可缩减，还要指定一个同一日的父订单。一个子订单仅当其父订单中标时，才可中标。
3.3.2 LFS和DLH出清和定价
每次拍卖只针对一种产品，由出清和定价组成，各进行一次线性规划优化[28] 。在出清环节中，目标函数是最大化市场福利（即总盈余），优化变量是各订单的中标量，并满足如下约束：各时段卖单中标量等于买单中标量、各订单中标量不超过提交量、订单类型约束，如不可缩减或父子订单。
NGESO的模型说明文档只通过文字描述了模型和算法，并给出了算例分析，没有直接给出具体的数学模型。根据描述搭建的出清模型具体组成如下。
目标函数为
式中：T 是交易时段总数，在日拍卖中为6，在周拍卖中为42； I t 是 t 时段的卖单的集合； xi 是卖单i 的中标比例，对于可缩减卖单范围为0~1，对于不可缩减卖单为0或1，是出清模型的优化变量； qi ,t 是卖单 i 在时段 t 的申报容量； 是时段 t 的买单报价（每时段仅有一个买单）； pi 是卖单 i 报价。 约束条件为 p (i ) 是卖单 i 的父订单编号。定价环节在出清结果基础上进行，固定卖单中标比例，优化的目标函数是最小化全时段加权平均结算价格，优化变量是各时段的结算价格，约束是所有中标订单的盈余非负。模型具体组成如下。目标函数为式中：πt 是时段 t 的结算价格，是优化变量； xi 的含义与式（4）相同，但不再是优化变量而是固定值，是出清环节结果。 约束条件为 分别是卖单 i 的起始、结束时段。 C (i ) 是父订单 i 的子订单的集合；分别是卖单 c 的起始、结束 时段； x c 、 pc 、 qc ,t 分别为卖单c 的中标比例、报价和时段t 的申报容量； I 父 、 I 子 、 I 独 分别为父订单、子订单和独立订单的集合。 定价环节得到的各时段结算价格确保所有市场成员有利可图，并使购买调频产品的费用尽可能少。供应商每周按各时段中标量以结算价格进行结算，若供应商在实际 运行中的性能表现不满足要求，则补偿费用会按照每周的最差表现进行扣除。
4 日前拍卖频率响应服务
DC[28] 在2020年引入市场时的采购方式是按周招投标。NGESO通过拍卖试验积累了足够的经验后，在2021年5月决定将DC的采购方式修改为日前拍卖，并于2021年8月完成修改。此后又分别于2022年4月和5月推出了DR[29] 和DM[30] 进行日前拍卖，构成了完整的频率控制体系。4.1 日前拍卖性能要求、交易与结算 DR、DM和DC的特性如表3所示，它们都是动态响应的，在频率超出死区后就开始响应，但在响应时间和主要响应区间（响应5%调频容量至响应全部调频容量的频率范围，区间中响应量和频率偏差的变化呈线性关系）形成了很好的配合，分别响应小、中、大3种不同幅度的频率偏差，足以满足系统从正常运行到故障处理的全部需求。NGESO计划在日前拍卖市场成熟运行后，逐步淘汰传统调频产品（主要是FFR，特别是静态的SR服务）。
表3 日前拍卖产品对比
Table 3 Comparison of day-ahead auction products
DC、DR和DM的每一个方向在日前分别通过拍卖采购（每天共6种产品），与周度拍卖相比，除了交易周期变为一天以外，其报价、出清以及结算均与3.3节所述的一致，此处不再赘述。虽然需求在日前才完全确定，但NGESO会每月提前公布次月以及次季度需求的预测，作为供应商的参考。4.2 荷电状态管理 [28] 。提交和遵循基线功率（operational baseline）是荷电状态管理的基本方法。基线功率是储能的计划功率，储能的总功率为基线功率与响应功率之和，当不进行响应时（如频率处于死区内），储能必须严格按照基线功率运行，否则被视为违规并将受到惩罚。荷电管理的基本时间单位是结算期，每结算期为15 min，一个日内有96个结算期。DC最大持续时间为15 min，在每个结算期开始前，储能应该存有50×0.25=12.5 MW•h的电量（不考虑损耗）。如果不足，供应商应马上提交至少20%合同容量的新基线功率（此例为10 MW）进行充电。为了对平衡市场的参与者公平，提交的新基线会在1 h后生效，此过程中储能需要按原基线功率运行。即使储能的电量不足，依然被视作拥有响应能力，当发生事件时需要进行响应。这可能导致电量的进一步下降，供应商需要不断地提交1 h后的基线功率。特殊情况是：储能由于调频导致电量归零后，它将被标记为不可用状态，不需要进行响应，直到新基线生效并使电量满足要求（此例为12.5 MW•h）。虽然在这段时间内储能不可用并且不能获得可用性费用，供应商并不会受到进一步惩罚，因为其被认为遵循了荷电状态管理的要求。DC高频服务的荷电状态管理区别在于功率方向相反，对充电的管理改为放电，同时提供2种服务的储能必须分别满足低频、高频管理需求。DM服务也采用类似的荷电管理方法。
5 英国调频市场启示和借鉴意义
5.1 远期调频市场分析 5.2 多市场模式的调频市场体系分析 [31] ，通过引入调频里程补偿和性能系数修正，在同一个市场中将调频划分为连续的不同产品，对调频主体的性能进行区分，使高性能主体获得大量调频补偿。英国市场是典型的多市场模式，引入新的高性能要求调频产品（如LFS和DC），各种产品在不同市场独立交易。只有高性能调频资源才能提供高性能产品，性能不足的资源一开始就被排除在高性能产品市场外，自然抬高产品价格。这也使得提供同一产品的调频单元的调频性能和响应调用率相当，不需要进一步区分考虑调频里程和性能系数（性能系数仍会被用于考核并计算应扣减的补偿费用），即可确保高性能资源获得充足收益。多市场模式相较之下主要有以下优点。首先，调频产品有了明确的划分，更接近于一般的标准化商品，使NGESO和市场成员都能形成一个更确切的需求和成本预期，便于产品交易。其次，多市场模式下形成的出清结果和市场价格更加透明。在多市场模式各调频产品单独出清，避免了市场耦合，出清结果解释性强，对每一个未中标的卖单都能给出明确的拒绝原因，市场成员更能了解和接受市场结果。此外，多市场模式避免了性能系数设计不合理产生的扭曲。单市场模式中的性能系数是响应延迟、精度和相关性等多个指数综合的结果，不同市场中所考虑的指数和指数权重差别非常大，难以评估哪一种设计更加合理，这对供应商的利益影响很大。而多市场模式预先设计了不同产品，性能要求是根据系统实际需要确定的，从而不需要性能系数用于结算，产品价格完全通过市场交易形成，避免人为设置的干扰。最后，多市场模式更有利于应对电力系统发展产生的新需求。NGESO可以比较轻易设计一种产品并独立采购，不会对现有的调频和能量市场产生直接影响。相比之下，单市场模式的市场一旦修改调频产品，必然直接影响现货市场所有产品的出清，不利于实时跟进系统需求进行改革。国内由于普遍采用集中式市场，更适合单市场模式，但可以参考英国市场模式优化设计。建议国内推出多种调频产品，性能要求依次增加，覆盖从常规扰动到事故恢复的全部需求，在现货市场中和电能量市场联合优化出清，不考虑调频里程和性能系数。另外，还可针对部分可提前确定的调频需求，专门设计远期调频产品并进行单独出清。这样的调频体系能够最大限度综合多市场和单市场模式的优点。5.3 义务辅助服务产品分析 5.4 市场透明度分析 5.5 英国调频市场不足之处 （责任编辑 李博）
作者介绍
叶文圣（1998—），男，硕士研究生，从事电力现货市场和辅助服务市场研究，E-mail：368802058@qq.com; ★
荆朝霞（1975—），女，通信作者，博士，教授，从事电力市场、电动汽车、电力系统运行与控制、综合能源系统优化等研究，E-mail：zxjing@scut.edu.cn.