儲能技術(shù)主要是指電能的儲存。儲存的能量可以用做應(yīng)急能源，也可以用于在電網(wǎng)負(fù)荷低的時(shí)候儲能，在電網(wǎng)高負(fù)荷的時(shí)候輸出能量，用于削峰填谷，減輕電網(wǎng)波動。能量有多種形式，包括輻射，化學(xué)的，重力勢能，電勢能，電力，高溫，潛熱和動力。 能量儲存涉及將難以儲存的形式的能量轉(zhuǎn)換成更便利或經(jīng)濟(jì)可存儲的形式。

本文通過對兆瓦級儲能調(diào)頻項(xiàng)目概況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)針對選型因素分析不同類型儲能與調(diào)頻相關(guān)的參數(shù)特點(diǎn)；從已應(yīng)用的4種儲能調(diào)頻運(yùn)行模式出發(fā)，分析應(yīng)用區(qū)域現(xiàn)有的與其模式相關(guān)的政策與市場需求；基于國內(nèi)外調(diào)頻輔助服務(wù)市場現(xiàn)狀調(diào)研，分析調(diào)頻服務(wù)不同計(jì)量方法、政策規(guī)則對儲能調(diào)頻商業(yè)化應(yīng)用的影響。最后，結(jié)合上述研究結(jié)果從3個(gè)角度出發(fā)對如何促進(jìn)中國儲能調(diào)頻商業(yè)化應(yīng)用提出建議。

0. 引言

為減少碳足跡和保障能源安全，世界各國著手制定后化石能源時(shí)代能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略[1-3]，因而快速發(fā)展的電力系統(tǒng)中可再生能源比例逐步提高。隨著新能源發(fā)電的高比例滲透，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組占比減少，電網(wǎng)面臨調(diào)頻資源減少，頻率特性日益惡化的結(jié)構(gòu)性困境，調(diào)頻容量不足的問題凸顯[4-5]，尋求新型調(diào)頻手段輔佐傳統(tǒng)機(jī)組提升電網(wǎng)整體調(diào)頻能力成為研究熱點(diǎn)[6-7]。儲能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、精確跟蹤與優(yōu)異功率-頻率特性，在電網(wǎng)調(diào)頻領(lǐng)域應(yīng)用備受業(yè)界關(guān)注[8-10]。

調(diào)頻輔助服務(wù)為全球規(guī)模化儲能示范項(xiàng)目開展最多的三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域之一[11]，近年迅猛發(fā)展。同時(shí)儲能在電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用最接近商業(yè)化運(yùn)營[12-14]。美國、德國、英國及中國等依據(jù)各自能源結(jié)構(gòu)特性、市場需求及政策激勵(lì)機(jī)制等，積極開展與推動儲能在調(diào)頻領(lǐng)域示范應(yīng)用及研究。兆瓦級儲能調(diào)頻示范工程已由2014年的近50項(xiàng)發(fā)展至當(dāng)前的160余項(xiàng)，涉及類型由電化學(xué)儲能、物理儲能拓展至相變儲能、氫儲能，滲入發(fā)電、配電和用電環(huán)節(jié)。

隨著規(guī)模化儲能調(diào)頻示范工程廣泛開展，各國調(diào)頻市場需求特點(diǎn)、儲能選型、儲能調(diào)頻的市場介入形式等決定性因素將衍生的投資方式，以及示范應(yīng)用與研究中關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，成為各界關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文目的在于從若干角度，梳理國內(nèi)外規(guī)模化儲能調(diào)頻示范項(xiàng)目基本概況、運(yùn)行模式及影響因素，對儲能調(diào)頻示范項(xiàng)目處于領(lǐng)先地位的國家進(jìn)行市場規(guī)則調(diào)研，為中國相關(guān)項(xiàng)目投資與運(yùn)作提供決策依據(jù)及建議，促進(jìn)儲能在電網(wǎng)調(diào)頻領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用。

1. 國內(nèi)外兆瓦級儲能調(diào)頻示范工程基本概況

根據(jù)容量規(guī)模(rated power)和服務(wù)/應(yīng)用場景(service/use case)對美國能源局(Department of Energy, DOE)全球儲能項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫[15]截止到2016年10月31日的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，所得除抽水蓄能外應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)頻的兆瓦級儲能工程共計(jì)164項(xiàng)，其中包括已聲明/簽約/在建項(xiàng)目。

將上述兆瓦級調(diào)頻儲能分為物理儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能、氫儲能和相變儲能。物理儲能包括飛輪儲能、壓縮空氣儲能、液態(tài)空氣儲能、重力儲能。根據(jù)統(tǒng)計(jì)可得上述調(diào)頻儲能工程技術(shù)類型基本構(gòu)成情況如圖 1所示。

圖1兆瓦級儲能調(diào)頻工程類型基本構(gòu)成

Figure1.Category structure of frequency control-applied megawatt-scale energy storage projects

由圖 1(a)可知，兆瓦級儲能調(diào)頻工程中，物理儲能項(xiàng)目數(shù)少、單項(xiàng)容量大，電化學(xué)儲能項(xiàng)目數(shù)逾百、單項(xiàng)容量小，氫儲能、相變儲能的調(diào)頻規(guī)模應(yīng)用則顯稀少。此外，綜合圖 1(a)，(b)，(c)可知，項(xiàng)目數(shù)最多的電化學(xué)儲能中鋰離子電池占據(jù)全部電化學(xué)儲能調(diào)頻項(xiàng)目73%，物理儲能裝機(jī)容量接近全部兆瓦級調(diào)頻儲能容量50%，以飛輪儲能、壓縮空氣儲能項(xiàng)目數(shù)居多。

兆瓦級儲能調(diào)頻項(xiàng)目數(shù)及容量在各地區(qū)分布情況如附錄A圖A1所示。其中美國兆瓦級儲能調(diào)頻項(xiàng)目數(shù)和裝機(jī)容量均以顯著優(yōu)勢領(lǐng)跑，意大利、德國、英國近幾年有較快發(fā)展趨勢，韓國和日本相關(guān)項(xiàng)目于2015——2016年受到重視，中國則每年以平穩(wěn)速度推進(jìn)示范應(yīng)用。

2. 國內(nèi)外兆瓦級儲能調(diào)頻示范工程應(yīng)用概況

2.1 各技術(shù)類型儲能調(diào)頻示范工程

為分析實(shí)際調(diào)頻項(xiàng)目中儲能類型結(jié)構(gòu)變化趨勢，將前述164項(xiàng)工程數(shù)據(jù)按投運(yùn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)為2014年前、2014年至2016年之間、2016年后三個(gè)時(shí)期。同時(shí)為了解電化學(xué)儲能子類結(jié)構(gòu)，將全部儲能劃分為物理儲能、鋰系電池儲能、非鋰系電池儲能、超級電容器、相變儲能和氫儲能，再進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)剖分得到圖 2。圖中：其他鋰離子電池指DOE統(tǒng)計(jì)資料未給明具體類型的鋰離子電池; 百分比有舍入誤差。

圖2兆瓦級儲能調(diào)頻工程具體類型結(jié)構(gòu)圖

Figure2.Detail category structure of megawatt-scale energy storage projects applied in frequency control

1) 鋰系電池為兆瓦級儲能調(diào)頻應(yīng)用主流類型，三個(gè)時(shí)期分別占據(jù)全部項(xiàng)目數(shù)59%，77%，52%，其中鈦酸鋰、磷酸鐵鋰電池在2014年之前占據(jù)鋰離子電池調(diào)頻項(xiàng)目半壁，隨后三元材料鋰電池興起。

2) 非鋰系電池的鈉硫、鉛酸電池在該類調(diào)頻用儲能中具有前期優(yōu)勢，2014年之后二者新投項(xiàng)目比重開始減少; 同時(shí)鉛炭電池、鈉-氯化鎳電池儲能涉入調(diào)頻，未來投運(yùn)項(xiàng)目比重分別占據(jù)6%和3%;近年液流電池比重則有所上升，未來投運(yùn)項(xiàng)目占6%。

3) 儲能技術(shù)類型呈多元趨勢。未來重力儲能、氫儲能等新興儲能技術(shù)將在調(diào)頻服務(wù)領(lǐng)域嶄露頭角。

為探究調(diào)頻儲能類型結(jié)構(gòu)呈上述特點(diǎn)及趨勢原因，需分析儲能技術(shù)特點(diǎn)、調(diào)頻服務(wù)所考慮選型因素。

2.2 兆瓦級儲能調(diào)頻應(yīng)用選型因素

一次調(diào)頻為機(jī)組調(diào)速器及負(fù)荷特性自發(fā)吸收電網(wǎng)高頻低幅負(fù)荷波動以減少頻率變化，時(shí)間尺度為秒級至分鐘級，二次調(diào)頻即自動發(fā)電控制(AGC)調(diào)頻由機(jī)組跟蹤AGC指令以平抑區(qū)域控制偏差，時(shí)間尺度為分鐘級。因此儲能系統(tǒng)提供頻率調(diào)節(jié)服務(wù)時(shí)，充放時(shí)間短且次數(shù)多，屬于功率型應(yīng)用，對循環(huán)壽命及短時(shí)功率吞吐能力要求較高。

其中AGC調(diào)頻要求調(diào)頻源進(jìn)行快速功率爬坡以較大出力迅速跟蹤AGC指令，因此電池類儲能需具備高倍率特性。此外，還需考慮儲能安全性、功率密度、成本、轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn)。表 1列出已應(yīng)用于調(diào)頻的幾類儲能上述相關(guān)參數(shù)及特點(diǎn)[16-19]。

表1調(diào)頻應(yīng)用儲能的參數(shù)及特點(diǎn)

Table1.Parameters and traits of energy storage in frequency regulation application

結(jié)合表 1及資料文獻(xiàn)，磷酸鐵鋰電池技術(shù)成熟，但批次穩(wěn)定性及低溫性能缺陷[20]使得電池組較單體循環(huán)壽命有所折扣。鈦酸鋰電池具有高倍率特性，前景較廣。三元鋰離子電池可根據(jù)需求調(diào)制正極材料，一致性好且循環(huán)壽命不遜于鋰離子電池，在調(diào)頻領(lǐng)域興起。鈉硫電池倍率特性差，運(yùn)行時(shí)需高溫溶解鈉硫，安全隱患堪憂，投運(yùn)放緩。

液流電池雖然成本高昂且自放電率較高[21]，但上萬次循環(huán)壽命仍吸引項(xiàng)目投運(yùn)。鉛炭電池屬電容型改性鉛酸電池，即在鉛酸電池負(fù)極引入高電容活性炭材料，改善循環(huán)壽命和功率密度。

飛輪儲能充放電次數(shù)幾乎不受限，現(xiàn)有兆瓦級調(diào)頻項(xiàng)目少歸因于高昂成本。壓縮空氣儲能單位造價(jià)與抽水蓄能相近，與其相比，非補(bǔ)燃型壓縮空氣儲能則可實(shí)現(xiàn)零碳充放[22]。

綜上所述，具備關(guān)鍵性能優(yōu)勢的鋰離子電池未來一段時(shí)間仍將是調(diào)頻用儲能首選。此外，隨著改性電池如鉛炭電池及新型儲能的關(guān)鍵材料研發(fā)和批量生產(chǎn)，其成本降低，商業(yè)化調(diào)頻應(yīng)用也將逐步擴(kuò)大。

3. 國內(nèi)外兆瓦級儲能調(diào)頻運(yùn)行模式

3.1 國內(nèi)外兆瓦級儲能調(diào)頻運(yùn)行模式分類

儲能調(diào)頻滲入發(fā)電端、輸配環(huán)節(jié)、需求側(cè)，依運(yùn)營商需求協(xié)同配套電源或獨(dú)立并網(wǎng)提供調(diào)頻輔助服務(wù)，按運(yùn)行模式分為以下四類。

1) 輔助傳統(tǒng)電源調(diào)頻

儲能系統(tǒng)裝設(shè)在發(fā)電廠以輔助單臺或多臺火電機(jī)組參與AGC調(diào)頻，在調(diào)節(jié)延時(shí)、超調(diào)、反調(diào)等情況下執(zhí)行不同充放策略[23]改善目標(biāo)機(jī)組AGC性能。二者動作時(shí)機(jī)整定配合應(yīng)避免能量對沖，技術(shù)實(shí)現(xiàn)取決于依據(jù)調(diào)節(jié)效果及補(bǔ)償機(jī)制設(shè)計(jì)的指令分配方法和能量管理策略。

2) 依托大規(guī)模新能源參與調(diào)頻

大規(guī)模風(fēng)光并網(wǎng)輔設(shè)儲能進(jìn)行波動平抑實(shí)現(xiàn)高比例消納，儲能系統(tǒng)通常可多功能切換，包括響應(yīng)調(diào)度指令跟蹤[24]參與調(diào)頻，以實(shí)現(xiàn)能量的就地存儲周轉(zhuǎn)，提高能源系統(tǒng)運(yùn)行效率和可靠性。

3) 輸配環(huán)節(jié)獨(dú)立并網(wǎng)調(diào)頻

儲能作為獨(dú)立主體不依托于其他能源，從輸配環(huán)節(jié)特別是配電網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立并網(wǎng)調(diào)頻，減少調(diào)節(jié)區(qū)域控制偏差時(shí)供受區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線損耗并緩解擁塞。該模式下先行擬定儲能并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尤為重要，各級調(diào)度機(jī)構(gòu)需對區(qū)域網(wǎng)絡(luò)功率流及可能的運(yùn)行方式變化預(yù)想決策并及時(shí)調(diào)整。

4) 需求側(cè)分布式儲能集群調(diào)頻

分布式儲能集群協(xié)調(diào)控制以用戶——調(diào)控中心之間交互信息流為基礎(chǔ)，聯(lián)接多個(gè)戶用儲能集成虛擬儲能系統(tǒng)參與頻率控制服務(wù)，通過家庭能量管理策略[25]提高運(yùn)行效率及虛擬集容量儲能系統(tǒng)的調(diào)頻可用率。

3.2 國外兆瓦級儲能調(diào)頻市場需求與運(yùn)行模式選擇

部分國家和地區(qū)在上述4種運(yùn)行模式下兆瓦級儲能調(diào)頻項(xiàng)目分布如圖 3所示。資料中未指出并網(wǎng)環(huán)節(jié)的項(xiàng)目未計(jì)入其中。

圖3部分國家地區(qū)各運(yùn)行模式兆瓦級儲能調(diào)頻項(xiàng)目分布

Figure3.Numbers of megawatt-scale storage projects with distinct regulation modes in several regions

由圖 3縱向比較，輸配環(huán)節(jié)儲能獨(dú)立并網(wǎng)、依托大規(guī)模新能源調(diào)頻應(yīng)用地域分布最廣，輔助傳統(tǒng)電源調(diào)頻次之。分布式儲能集群調(diào)頻僅美國、德國已投運(yùn)兆瓦級項(xiàng)目。

橫向比較，美國和德國的儲能調(diào)頻運(yùn)行模式應(yīng)用全面覆蓋且項(xiàng)目較多。國內(nèi)除分布式儲能調(diào)頻外，其余運(yùn)行模式均有兆瓦級示范項(xiàng)目。英國、意大利、韓國和日本以儲能從輸配環(huán)節(jié)獨(dú)立并網(wǎng)為重，西歐、北歐則以配套新能源模式為主。

1) 美國

為公允地反映不同電源調(diào)頻性能價(jià)值和貢獻(xiàn)度，美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(FERC)755號法規(guī)[26]頂層市場規(guī)則設(shè)計(jì)要求區(qū)域市場出臺計(jì)及效果的AGC輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制，將考慮性能的里程(MW-Mileage)報(bào)價(jià)與容量報(bào)價(jià)結(jié)合為兩部制報(bào)價(jià)。調(diào)頻性能劣勢的燃煤機(jī)組綜合報(bào)價(jià)經(jīng)效果評價(jià)算法調(diào)整后排序價(jià)格不具優(yōu)勢，或撤出調(diào)頻市場投標(biāo)容量或增資建設(shè)高性能機(jī)組，致使輔助服務(wù)收入減少或固定成本增加。而現(xiàn)有機(jī)組加裝兆瓦級儲能系統(tǒng)輔助調(diào)頻改善性能，可增加投標(biāo)競爭力同時(shí)節(jié)省建設(shè)投資。由上述，AGC市場電源需求結(jié)構(gòu)變化激勵(lì)發(fā)電端儲能引入，圖 3中美國火電機(jī)組裝設(shè)儲能以改善AGC性能相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)僅次于德國。

美國摒棄以往不計(jì)效果僅考慮容量的AGC服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制，具備里程優(yōu)勢的電量受限電源如電池儲能與具備容量優(yōu)勢的爬坡受限電源如火電之間AGC收益由兩部制調(diào)衡，激勵(lì)飛輪、電池儲能投資商等以獨(dú)立個(gè)體進(jìn)入AGC市場，政策不公性壁壘撤除后電量受限儲能收益預(yù)期增加引發(fā)儲能市場需求，圖 3中美國輸配環(huán)節(jié)獨(dú)立并網(wǎng)儲能項(xiàng)目占全部項(xiàng)目50%。

2) 德國

德國計(jì)劃2020和2050年分別將清潔能源占全部發(fā)電能源比重提至35%和80%[27]，頻率穩(wěn)定維護(hù)與實(shí)時(shí)能量平衡難度相應(yīng)增加。其次，德國電力市場平衡單元機(jī)制要求發(fā)電商嚴(yán)格追蹤合同負(fù)荷否則支付不平衡罰金。市場環(huán)境與技術(shù)現(xiàn)狀迫使發(fā)電商尋求實(shí)時(shí)電量交易、優(yōu)化機(jī)組減少跟蹤偏差，相當(dāng)數(shù)量的儲能項(xiàng)目引入發(fā)電端，圖 3所示德國輔助火電機(jī)組調(diào)頻模式下儲能項(xiàng)目為全球最多。

隨著家庭屋頂光伏推廣，德國分布式電源并網(wǎng)補(bǔ)貼減少，供需時(shí)段錯(cuò)峰使各戶消納電量僅占耗電量30%[28]。2013年德國復(fù)興信貸銀行實(shí)行配套儲能補(bǔ)貼，預(yù)計(jì)2018年戶用光伏——儲能發(fā)電成本價(jià)與居民電價(jià)持平。需求側(cè)分布式儲能項(xiàng)目SWARM[29]將65戶20 kW光伏儲能聯(lián)接成虛擬儲能系統(tǒng)，參與頻率控制，所得收入在居民和運(yùn)營商之間分配，同時(shí)各戶光伏消納電量對家庭耗電量占比提高到60%~80%。

3) 英國

與德國能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程相似，英國將分批關(guān)停占發(fā)電設(shè)施20%的老舊火電機(jī)組并增加30%~36%新能源電量[30]。英國與德國調(diào)頻市場自由化程度不一，但均實(shí)行平衡單元機(jī)制，對優(yōu)質(zhì)調(diào)頻源的市場需求具有相似之處。

英國把眼光投向輸配環(huán)節(jié)儲能電站并網(wǎng)提供頻率控制服務(wù)，圖 3中該運(yùn)行模式下技術(shù)論證與試點(diǎn)項(xiàng)目達(dá)10項(xiàng)，以測試電網(wǎng)在儲能從輸配電環(huán)節(jié)并網(wǎng)后的新特性。例如：威倫霍爾變電站接入2 MW/1 MW·h鈦酸鋰電池儲能，研究配網(wǎng)能量多向注入對功率需求與電能質(zhì)量的影響，監(jiān)測儲能不同并網(wǎng)方式下的運(yùn)行狀態(tài)以建立可靠性評估方法并起草并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

4) 其他歐洲國家

圖 3所示西歐和北歐國家主要為儲能依托大規(guī)模新能源調(diào)頻。荷蘭、丹麥等歐洲國家風(fēng)光資源豐富，同時(shí)為響應(yīng)歐盟委員會《2030年氣候與能源政策框架》[31]增強(qiáng)能源安全性、產(chǎn)業(yè)競爭性、可持續(xù)性的政策，逐步提高風(fēng)光滲透率。風(fēng)光場儲能設(shè)備切換至跟蹤系統(tǒng)調(diào)頻指令功能，可將電網(wǎng)波動影響由能量時(shí)移轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)供需平衡的補(bǔ)充。

5) 日本和韓國

根據(jù)DOE資料統(tǒng)計(jì)，日本和韓國兆瓦級儲能多從變電站并網(wǎng)獨(dú)立調(diào)頻，該運(yùn)行模式可降低發(fā)電設(shè)備磨損，就近需求側(cè)平衡供需差異也可減少因調(diào)節(jié)區(qū)域控制偏差所致區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線損耗，緩解線路擁塞。

3.3 國內(nèi)兆瓦級儲能調(diào)頻運(yùn)行模式選擇

1) 儲能輔助傳統(tǒng)電源調(diào)頻。山西京玉電廠改造火電機(jī)組控制器后裝設(shè)9 MW鋰離子電池儲能系統(tǒng)，響應(yīng)電網(wǎng)AGC調(diào)度ACE模式投入運(yùn)行，儲能供應(yīng)商與電廠分享AGC補(bǔ)償增量收益。

2) 依托大規(guī)模新能源調(diào)頻。張北風(fēng)光儲輸示范基地、國電和風(fēng)北鎮(zhèn)風(fēng)電場儲能依托大規(guī)模風(fēng)光電源響應(yīng)調(diào)度參與調(diào)頻運(yùn)行，已積累較全面的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3) 輸配環(huán)節(jié)并網(wǎng)獨(dú)立調(diào)頻。深圳寶清儲能電站為世界首個(gè)10 kV無變壓器直掛配電網(wǎng)的鈦酸鋰電池儲能系統(tǒng)，調(diào)度控制中心通過儲能監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)儲能站出力以滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求。

國內(nèi)開展除需求側(cè)外各運(yùn)行模式的兆瓦級儲能調(diào)頻試點(diǎn)及初步商業(yè)項(xiàng)目，探究適合國內(nèi)AGC輔助服務(wù)需求及符合市場規(guī)則的盈利及運(yùn)行模式，暫未實(shí)現(xiàn)商業(yè)市場化。未來隨著輔助服務(wù)市場建設(shè)和完善、儲能作為獨(dú)立主體的收益或補(bǔ)償方式明確、調(diào)度機(jī)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)累積，國內(nèi)儲能調(diào)頻將由試點(diǎn)示范、初級商用逐步擴(kuò)大商業(yè)化規(guī)模并擴(kuò)展運(yùn)行模式。

3.4 小結(jié)

儲能作為主體參與商業(yè)調(diào)頻在美國因其市場環(huán)境發(fā)展而趨于完善且運(yùn)行模式全面，德國、英國則因其出臺的強(qiáng)制性平衡機(jī)制助力儲能調(diào)頻在發(fā)電端與傳統(tǒng)機(jī)組相結(jié)合。其他歐洲國家則受能源結(jié)構(gòu)變革驅(qū)動為在穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行前提下消納高比例新能源而引導(dǎo)儲能參與調(diào)頻。國內(nèi)則開展除需求側(cè)外的三種運(yùn)行模式下儲能調(diào)頻項(xiàng)目，處于示范性或初級商業(yè)階段。

綜上所述，受市場激勵(lì)、政策導(dǎo)向或技術(shù)需求影響，全球各國儲能調(diào)頻市場的商業(yè)化進(jìn)程不一而運(yùn)行模式多元。儲能調(diào)頻不同運(yùn)行模式的技術(shù)要求、市場或政策環(huán)境、典型項(xiàng)目總結(jié)如表 2所示。

表2儲能調(diào)頻運(yùn)行模式特點(diǎn)

Table2.Features in regulation operating modes of energy storage

4. 儲能調(diào)頻相關(guān)市場規(guī)則現(xiàn)狀

4.1 美國

2012年美國各獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商設(shè)計(jì)滿足FERC要求的市場規(guī)則以量化各調(diào)頻源性能，引入新的里程市場流程，制定效果評判方法和調(diào)頻市場“容量+里程”兩部制價(jià)格，在市場報(bào)價(jià)、排序、定價(jià)、結(jié)算環(huán)節(jié)中調(diào)整計(jì)量以重構(gòu)不同性能電源的收益分配。

1) 賓州——新澤西——馬里蘭電力系統(tǒng)(PJM)

PJM的效果得分(performance score, PS)加權(quán)考核算法[32]涵括準(zhǔn)確度(accuracy)、時(shí)延(delay)、精確度(precision)得分。以5分鐘為計(jì)算區(qū)間，首時(shí)刻調(diào)頻源響應(yīng)數(shù)據(jù)序列按一定間隔依次推延后與所接收AGC指令序列之間相關(guān)系數(shù)的最大值計(jì)為該時(shí)刻準(zhǔn)確度系數(shù)，對應(yīng)推延時(shí)間代入規(guī)則算式得時(shí)延系數(shù); 電源響應(yīng)曲線與指令所差積分均值為精確度系數(shù)。每小時(shí)各系數(shù)均值計(jì)為該小時(shí)三項(xiàng)性能得分，加權(quán)求和為該小時(shí)段PS。中標(biāo)機(jī)組中里程最高報(bào)價(jià)為里程定價(jià)，邊際機(jī)組兩部總報(bào)價(jià)與里程價(jià)之差即容量定價(jià)。歷史效果得分HPS用于排序時(shí)機(jī)組報(bào)價(jià)調(diào)整、出清時(shí)兩部定價(jià)調(diào)整和結(jié)算時(shí)實(shí)際容量與里程調(diào)整。

2016上半年度PJM輔助服務(wù)市場報(bào)告[33]各類調(diào)頻源調(diào)頻占比、調(diào)整結(jié)算容量如附錄B圖B1所示。與2015同期相較，2016上半年燃?xì)鈾C(jī)組計(jì)劃調(diào)頻占比與結(jié)算容量分別下降1/2和1/3;儲能電池調(diào)頻占比與結(jié)算容量增長1倍，取代燃?xì)鈾C(jī)組成為PJM最大調(diào)頻來源; 2016上半年P(guān)JM總調(diào)頻費(fèi)用42 949 813美元，較2015年同期減少62.4%。受益于新設(shè)計(jì)考慮效果得分的調(diào)頻準(zhǔn)入規(guī)則與補(bǔ)償辦法，調(diào)頻市場各主體自由角逐降低市場總?cè)萘坎少彸杀荆苿邮袌鲑Y源優(yōu)化配置與結(jié)構(gòu)調(diào)整。

2) 加州電力系統(tǒng)(CAISO)

CAISO基于實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)對機(jī)組進(jìn)行包括里程計(jì)算在內(nèi)的準(zhǔn)確度調(diào)整(accuracy adjustment, AA)代數(shù)算法[34]。15分鐘計(jì)算區(qū)間內(nèi)，以實(shí)時(shí)機(jī)組響應(yīng)數(shù)據(jù)、AGC指令偏差值與指令和的比值衡算準(zhǔn)確度調(diào)整系數(shù); 由前一計(jì)量周的歷史數(shù)據(jù)計(jì)算每小時(shí)的系統(tǒng)/機(jī)組里程倍增系數(shù)(mileage multiplier)。邊際機(jī)組里程報(bào)價(jià)即里程定價(jià)，邊際機(jī)組容量報(bào)價(jià)和機(jī)會成本確定容量定價(jià)。結(jié)算時(shí)中標(biāo)機(jī)組里程補(bǔ)償費(fèi)用由實(shí)際里程、準(zhǔn)確度、里程增倍系數(shù)確定。

3) 紐約州電力系統(tǒng)(NYISO)

NYISO設(shè)計(jì)效果追蹤系統(tǒng)[35](performance tracking system, PTS)，5分鐘間隔記錄正負(fù)控制偏差、機(jī)組服務(wù)時(shí)長和實(shí)際調(diào)頻容量計(jì)算效果指標(biāo)(performance index, PI)，里程和容量定價(jià)方法與CAISO相同。根據(jù)PI值調(diào)整結(jié)算時(shí)里程服務(wù)費(fèi)和向機(jī)組征收的效果調(diào)整費(fèi)。

4) 中西部電力系統(tǒng)(MISO)

MISO對5分鐘間隔內(nèi)機(jī)組期望里程與實(shí)際里程進(jìn)行實(shí)時(shí)性能準(zhǔn)確度測試[36](performance accuracy test, PAT)確定精確度系數(shù)。實(shí)際里程/期望里程達(dá)到70%則測試合格且精確度系數(shù)計(jì)為1，連續(xù)4個(gè)間隔未通過測試則計(jì)為0。中標(biāo)機(jī)組中里程最高報(bào)價(jià)即里程定價(jià)，機(jī)會成本和邊際容量價(jià)確定為容量定價(jià)。結(jié)算時(shí)根據(jù)精確度系數(shù)補(bǔ)償機(jī)組實(shí)際里程超出中標(biāo)調(diào)頻容量部分的額外里程費(fèi)。

綜合上述，美國引入里程市場后收益補(bǔ)償激勵(lì)和性能測試管理，驅(qū)動AGC市場儲能商業(yè)規(guī)模擴(kuò)大和運(yùn)營效率提升。

4.2 德國

德國電力市場的電量平衡機(jī)制以虛擬的平衡結(jié)算單元為主體，日前、日內(nèi)現(xiàn)貨市場與多級調(diào)頻輔助服務(wù)市場協(xié)同合作。調(diào)頻輔助服務(wù)分為一次/二次/三次調(diào)頻控制。一次調(diào)頻由歐洲輸電運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)ENTSO-E統(tǒng)一操作，二次調(diào)頻由各控制區(qū)輸電系統(tǒng)運(yùn)營商(TSO)直接控制[37]。

平衡結(jié)算單元由多個(gè)發(fā)電商和供電商組成。每小時(shí)交付電量前，發(fā)電商和供電商將發(fā)電計(jì)劃及需求預(yù)測遞呈平衡結(jié)算單元。參與一次/二次頻率控制的機(jī)組定期參與投標(biāo)，提供兩部分報(bào)價(jià)即容量報(bào)價(jià)和調(diào)用容量時(shí)的電量報(bào)價(jià)。TSO根據(jù)機(jī)組容量報(bào)價(jià)遞增排列選定機(jī)組，由電量報(bào)價(jià)遞增排列決定調(diào)用順序，按報(bào)價(jià)結(jié)算(pay as bid, PAB)。此外，市場要求頻率控制服務(wù)商的一次、二次調(diào)頻投標(biāo)容量分別不小于1 MW和5 MW，規(guī)范進(jìn)入市場的儲能主體，而電量受限型儲能提供二次調(diào)頻控制服務(wù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加。

德國平衡結(jié)算機(jī)制協(xié)同TSO管控的獨(dú)立調(diào)頻市場，由調(diào)頻市場與電量市場的價(jià)格差異拉動發(fā)電側(cè)對包括儲能在內(nèi)的多種電源建設(shè)投資。市場對電源調(diào)節(jié)效果不加區(qū)分進(jìn)行補(bǔ)償以及對投標(biāo)容量的下限設(shè)置，一定程度上影響儲能作為獨(dú)立服務(wù)提供商參與調(diào)頻的積極性。

4.3 英國

英國的頻率響應(yīng)輔助服務(wù)包括強(qiáng)制性/固定/需求側(cè)頻率響應(yīng)三種[38]。與德國相似，英國同樣采用平衡結(jié)算機(jī)制，其電力市場雙邊交易和實(shí)時(shí)電量平衡以“關(guān)閘”作為分界，關(guān)閘前由雙邊合同完成98%的電量交易，強(qiáng)制性和需求側(cè)頻率響應(yīng)即由雙邊合同完成。固定頻率響應(yīng)服務(wù)則在平衡服務(wù)市場招投標(biāo)后，由服務(wù)商與電網(wǎng)公司的輔助服務(wù)業(yè)務(wù)部ASB簽訂輔助服務(wù)協(xié)議。機(jī)組動態(tài)響應(yīng)頻率變化時(shí)，由聯(lián)營體支付未按計(jì)劃發(fā)電的利潤損失補(bǔ)償和所簽訂輔助服務(wù)合同明確的服務(wù)補(bǔ)償。

英國的傳統(tǒng)調(diào)頻輔助服務(wù)市場逐步完善，但儲能提供調(diào)頻服務(wù)的獨(dú)立市場主體地位尚未明確，收益的不確定性難以吸引英國商用調(diào)頻儲能的投資建設(shè)，儲能參與調(diào)頻還處于前期驗(yàn)證階段。

4.4 中國

國內(nèi)調(diào)頻輔助服務(wù)分為基本服務(wù)如一次調(diào)頻和有償服務(wù)如AGC，由電網(wǎng)運(yùn)營商和服務(wù)提供商在并網(wǎng)調(diào)度協(xié)議中協(xié)定。對火電機(jī)組和水電機(jī)組的輔助服務(wù)費(fèi)用支付和結(jié)算實(shí)施考核補(bǔ)償制。

2009年華北區(qū)域電網(wǎng)對AGC機(jī)組調(diào)頻性能，包括可用率和調(diào)節(jié)性能，進(jìn)行月度考核和補(bǔ)償。調(diào)節(jié)性能包括調(diào)節(jié)速率K1，調(diào)節(jié)精度K2和響應(yīng)時(shí)間K3。可用率指標(biāo)KA小于98%時(shí)按定額確定可用率考核電量，對K1，K2，K3則分項(xiàng)單獨(dú)考核，按月結(jié)算總考核電量以征收各機(jī)組考核費(fèi)用并向各發(fā)電商按比例返還。同時(shí)根據(jù)機(jī)組日調(diào)節(jié)深度與調(diào)節(jié)性能指標(biāo)確定補(bǔ)償，按月結(jié)算并由各發(fā)電商按比例分?jǐn)偂C(jī)組的輔助服務(wù)凈收益為返還考核費(fèi)、發(fā)放補(bǔ)償費(fèi)與征收考核費(fèi)、分?jǐn)傃a(bǔ)償費(fèi)之差，性能越好的機(jī)組輔助服務(wù)凈收益越高。

2016年國家能源局下發(fā)《關(guān)于促進(jìn)電儲能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償(市場)機(jī)制試點(diǎn)工作的通知》[39]，確立電儲能在輔助服務(wù)市場主體地位，鼓勵(lì)其在發(fā)電側(cè)、需求側(cè)參與調(diào)頻輔助服務(wù)，并明確發(fā)電側(cè)的電儲能調(diào)頻放電電量按發(fā)電廠相關(guān)合同電價(jià)結(jié)算，需求側(cè)執(zhí)行目錄電價(jià)。同時(shí)要求能源局各區(qū)域監(jiān)管局根據(jù)“按效果補(bǔ)償原則”調(diào)整調(diào)頻輔助服務(wù)計(jì)量公式。

國內(nèi)對于獨(dú)立的電儲能裝置作為常規(guī)可控設(shè)備參與AGC調(diào)頻，調(diào)度機(jī)構(gòu)還缺乏相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)基于調(diào)頻效果的合理服務(wù)計(jì)量方法，按實(shí)際貢獻(xiàn)補(bǔ)償，激發(fā)優(yōu)質(zhì)調(diào)頻源的積極性，成為推動我國儲能調(diào)頻商業(yè)化的前提。

4.5 小結(jié)

美國實(shí)時(shí)AGC競價(jià)市場從準(zhǔn)入到定價(jià)及結(jié)算均引入性能指標(biāo)，對不同調(diào)頻源的適用性較廣。德國調(diào)頻市場的定期投標(biāo)競價(jià)未限制電源種類，準(zhǔn)入條件對容量受限型儲能有所制約，同時(shí)補(bǔ)償機(jī)制中效果指標(biāo)的缺位容易造成儲能與傳統(tǒng)源的收益分配與實(shí)際貢獻(xiàn)不對等。英國儲能調(diào)頻則處于前期驗(yàn)證階段，尚未配套市場規(guī)則。國內(nèi)則已明確儲能在發(fā)電與需求兩側(cè)的調(diào)頻市場主體地位及價(jià)格機(jī)制的初步規(guī)則，但缺少適用于儲能的服務(wù)計(jì)量方法，調(diào)度機(jī)構(gòu)則缺乏電儲能裝置作為獨(dú)立可控設(shè)備參與AGC調(diào)頻的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)。

各國儲能參與調(diào)頻市場的服務(wù)類型、準(zhǔn)入條件、交易方式、服務(wù)計(jì)量和定價(jià)機(jī)制等總結(jié)如表 3所示。

表3儲能調(diào)頻相關(guān)市場規(guī)則比較

Table3.Comparisons of market rules in frequency regulation of energy storage

5. 分析與啟示

5.1 分析

由國內(nèi)外兆瓦級儲能調(diào)頻項(xiàng)目與調(diào)頻市場研究有以下分析。

1) 儲能于未來電網(wǎng)調(diào)頻技術(shù)的補(bǔ)充與支撐意義促使全球各國相繼擴(kuò)大項(xiàng)目投入和容量建設(shè)。不同類型儲能的技術(shù)特性與經(jīng)濟(jì)性不一，而調(diào)頻儲能選型需要平衡具體服務(wù)技術(shù)需求與投資主體經(jīng)濟(jì)制約，因此服務(wù)商對調(diào)頻用儲能呈多元選擇，但以成熟度高的鋰離子電池為主流技術(shù)。

2) 兆瓦級儲能調(diào)頻運(yùn)行模式的開展受各國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略與政策環(huán)境引導(dǎo)。發(fā)電側(cè)儲能聯(lián)合火電調(diào)頻適用于激勵(lì)和強(qiáng)制型制度，不受初期儲能服務(wù)計(jì)量辦法空白的影響。需求側(cè)分布式儲能集成調(diào)頻需實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)及協(xié)調(diào)管理的集控中心承轉(zhuǎn)支撐，涉及自消納/外響應(yīng)合理分配與用戶信息安全，配套建設(shè)和調(diào)控監(jiān)管難度稍大。

3) 儲能調(diào)頻商業(yè)化受市場開放程度、補(bǔ)貼與激勵(lì)及計(jì)量定價(jià)方式等影響。電儲能跟蹤精準(zhǔn)快速而容量有限，尤其對于獨(dú)立儲能運(yùn)營商，僅靠服務(wù)容量或電量價(jià)格補(bǔ)償力度較小且難以反映實(shí)際調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)，服務(wù)計(jì)量方法也需對應(yīng)不同電源的調(diào)節(jié)質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)特性增強(qiáng)適用性。

5.2 啟示

引導(dǎo)中國儲能產(chǎn)業(yè)在調(diào)頻領(lǐng)域健康發(fā)展，實(shí)現(xiàn)較高的商業(yè)化運(yùn)營需協(xié)調(diào)各方力量。根據(jù)上述分析提出對中國儲能調(diào)頻商業(yè)應(yīng)用初期的啟示。

1) 政策制定者：根據(jù)國內(nèi)外示范項(xiàng)目制定發(fā)電側(cè)與需求側(cè)調(diào)頻用儲能的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)給予服務(wù)商技術(shù)路線自主選擇權(quán); 設(shè)計(jì)效果評價(jià)指標(biāo)或方法時(shí)，可在調(diào)節(jié)速率和精度等指標(biāo)外引入基于各調(diào)頻源執(zhí)行指令的有效性度量如實(shí)際里程; 設(shè)計(jì)服務(wù)計(jì)量方法時(shí)，可兼顧不同電源的調(diào)節(jié)性能與成本差異，在參調(diào)容量/電量與實(shí)際效果指標(biāo)之間加權(quán)制衡; 統(tǒng)籌發(fā)電側(cè)需求側(cè)和未來可能的輸配電側(cè)并網(wǎng)電儲能，為暫未推行的運(yùn)行模式留取政策空間裕度。

2) 市場參與者：儲能運(yùn)營商需綜合考慮應(yīng)用場景的頻率調(diào)節(jié)需求及投資回報(bào)年限預(yù)期選擇儲能類型，在計(jì)量與獲益方式暫未明確的市場環(huán)境下可先考慮儲能——火電聯(lián)合調(diào)頻運(yùn)行模式，依據(jù)現(xiàn)有補(bǔ)償/考核機(jī)制與發(fā)電商實(shí)現(xiàn)互利共贏; 電網(wǎng)運(yùn)營商在規(guī)程允許前提下為儲能供應(yīng)商開放試驗(yàn)接入端口并提供協(xié)助，對用戶側(cè)儲能調(diào)頻模式下電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、線路敷設(shè)及節(jié)點(diǎn)計(jì)量等開展試驗(yàn)。

3) 調(diào)度機(jī)構(gòu)：綜合服務(wù)質(zhì)量、區(qū)域頻率調(diào)節(jié)需求及運(yùn)行成本對不同種類和不同側(cè)電源調(diào)度次序和分配策略進(jìn)行優(yōu)化; 對儲能獨(dú)立個(gè)體調(diào)度時(shí)機(jī)和區(qū)域調(diào)節(jié)功率分配可能性進(jìn)行前期探索; 需求側(cè)分布式光伏——儲能模式調(diào)度可引入用戶自發(fā)電/自用電預(yù)測技術(shù)及超前控制對分布式儲能荷電狀態(tài)協(xié)調(diào)管理; 對于暫未開放的輸配電側(cè)，依托前期試點(diǎn)項(xiàng)目研究儲能就地平衡供需特性和對局部電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響。

6. 結(jié)語

本文從兆瓦級儲能調(diào)頻應(yīng)用項(xiàng)目的基本概況和類型構(gòu)成出發(fā)，對調(diào)頻用儲能選型的技術(shù)需求進(jìn)行分析，研究與調(diào)頻應(yīng)用相關(guān)的儲能性能參數(shù); 根據(jù)應(yīng)用工程對儲能調(diào)頻運(yùn)行模式進(jìn)行分類，分析比較部分國家相應(yīng)運(yùn)行模式的相關(guān)政策與市場需求; 最后，分析國內(nèi)外調(diào)頻市場與儲能相關(guān)的市場準(zhǔn)入、服務(wù)計(jì)量、定價(jià)機(jī)制等規(guī)則，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)狀，從政策制定、市場主體、調(diào)度機(jī)構(gòu)角度，為如何促進(jìn)中國儲能調(diào)頻商業(yè)化應(yīng)用提出建議。