快速切负荷火电机组参与我国黑启动服务的适应性分析

汪成根，刘建坤，高小涛，盛昌栋

(1. 国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京211103；2. 东南大学 能源与环境学院，江苏 南京210096)



快速切负荷火电机组参与我国黑启动服务的适应性分析

汪成根1，刘建坤1，高小涛1，盛昌栋2

(1. 国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京211103；2. 东南大学 能源与环境学院，江苏 南京210096)

针对快速切负荷(fast cut back，FCB)燃煤火电机组参与黑启动服务的适应性问题，综述了我国各区域电网黑启动辅助服务的相关规定细则；结合国外的经验，主要从黑启动服务的采购与补偿、考核与测试方面分析了我国黑启动服务的现状。在此基础上，从黑启动技术要求、服务采购和能力测试等方面对FCB燃煤火电机组提供黑启动服务的适应性进行了论述，并对进一步完善黑启动服务管理和促进FCB火电机组应用提出了建议。

电网恢复；黑启动；辅助服务；快速切负荷火电机组

黑启动服务是指电力系统大面积停电后，在无外界电源支持下，由具备自启动能力的发电机组所提供的恢复系统供电的服务[1]。在国外，多数国家均将黑启动作为一种有偿辅助服务[2-5]，电网运营商需要通过一定的采购方式从供应方(并网发电厂)获得，约10%的国家(如北欧国家、西班牙)将其视为发电机组应该提供的基本义务服务。我国规定，黑启动为有偿辅助服务[1]，虽然它只是并网发电厂众多辅助服务(包括基本辅助服务和有偿辅助服务)中的一种，却是保证电网安全运行的一种重要和必要的服务。随着电力体制改革的深入，以厂网分开、产权多元化和市场竞争等为特征的多元化电力市场体系初步形成，辅助服务的市场化也是改革的目标之一。各区域电网都建立了黑启动服务采购体系，作为电网系统恢复能力建设的一个重要组成部分。

提供黑启动服务的并网发电机组可以是多种类型，如传统的水电机组、燃气轮机组等，而具有快速切负荷(fast cut back, FCB)功能的燃煤火电机组也具有这种能力[6-8]，近年来国内大量的试验研究[8-12]证明了燃煤火电机组的这种能力。目前我国辅助服务市场化仍处于初期阶段，其中黑启动服务也是如此[6,13,14]，随着对电网黑启动重要性、过程的认识和技术的逐渐开发，相关的规定正在不断修订、完善[6,14]。对于FCB机组应用的研究、开发目前主要集中在黑启动能力建设和试验方面，而对其提供黑启动服务的技术要求、补偿、能力检验考核等方面的研究较少[6]。本文通过对各区域电网黑启动服务管理实施细则主要内容的综述，结合国外的经验，系统分析我国黑启动服务的现状，从黑启动服务采购、考核测试技术要求和黑启动能力建设等方面论述FCB火电机组参与黑启动服务的适应性，以为FCB机组黑启动能力建设和将其应用于电网恢复提供参考。

1　我国黑启动服务管理概况

表1我国区域电网黑启动服务采购相关规定

区域采购与调用黑启动机组类型补偿方案东北[16]指定水电、火电机组能力费:水电机组2万元/月,火电机组10万元/月;使用费:500万元/台次华北[18]指定未指明按厂补偿,6000元/(天·厂)西北[20]市场竞价具备自启动、自维持或FCB能力的机组评分制:水电机组3分/(月·厂),火电机组6分/(月·厂)华东[22]指定未指明机组6万元/(月·台),全厂最高8万元/月华中[24]指定未指明水电机组2万元/月,其他机组10万元/月南方[26]指定具备自启动、自维持或FCB能力的机组能力费:广东2万元/(月·台)(FCB机组0.01万元/(MW·月),广西0.30万元/(月·台),云南1.07万元/(月·台),贵州0.23万元/(月·台),海南0.33万元/(月·台);使用费:广东480万元/台次,广西360万元/台次,云南300万元/台次,贵州300万元/台次,海南150万元/台次江苏省[28]指定未指明100MW以下机组1万元/(月·台),100MW及以上的机组2万元/月

注：西北区域电网的补偿采用评分制，评分与相应的人民币金额对应。

国家电力监管委员会于2006年发布了《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》[1]和《发电厂并网运行管理规定》[15]，明确了黑启动服务是并网电厂向电网提供的一种有偿辅助服务。根据这两个文件的要求，各区域监管部门相继制定了各自的并网发电厂辅助服务管理实施细则和发电厂并网运行管理实施细则[16-27]，对黑启动服务(包括采购与调用、补偿与考核、计量与结算、监督与管理等)做出了具体规范。近年来，各区域电网监管部门仍在对各自的管理实施细则进行修订和完善。表1综合了我国各区域电网黑启动服务采购相关规定的部分内容。

2　黑启动服务的采购与补偿

黑启动服务采购方法主要有成本费用法、统一费率法和竞争性采购法[29]，前两者基于成本补偿，后者则基于市场导向机制[5]。

成本费用法为传统方法，它是电力市场化初期对旧方法的延续，但即使在竞争性市场较成熟的北美仍是常用的方法[29]。黑启动服务的供应方由采购方(电力系统运营商或区域输电公司)指定。采购方根据供应方提供服务的成本确定和支付补偿费用，具体的补偿由双方合同约定。采购采用滚动合同，若合同不提前中止，期满后则自动延长到下一汪成根，等：快速切负荷火电机组参与我国黑启动服务的适应性分析合同期，因而合同期长，服务质量可能得不到保障，这表明该方法适用于电网架构长期保持不变且电网黑启动和恢复预案更新缓慢的区域电网。

统一费率法在国外也常用[29]。向供应方支付的采购费一般按照所提供的黑启动服务能力乘以一个固定费率。费率的确定通常参考供应方提供服务的成本，并加入激励成本，随着时间的推移可进行调整，以确保能够采购到足够的服务，但一般较少考虑机组类型、容量和地域的差别。经验表明，该方法优于成本费用法，它比较简单，服务机组获得的补偿容易确定。但是，固定费率不能体现供应方机组提供服务的质量差异，因而对不同供应方的激励效果不同，也可能不利于采购到优质的服务。

竞争性采购法的黑启动服务及其供应商由采购方通过招标确定。供应方在标书中提出服务成本，采购方根据成本、服务质量以及其电网恢复预案的需要对黑启动服务进行评估以确定供应方[29]，并按照供应方在竞标书中提出的价格支付采购费用。该方法的优势在于，可降低采购费用，提高采购效率；通常通过短期(2～3年)合同迫使供应方提高服务能力和质量，有利于获得优质足量的黑启动服务，并可保证黑启动预案不断更新和更加有效，显著降低大停电导致的损失。它适用于黑启动服务供应较多、分布相对均匀且在区域内有可替代服务的区域电网。虽然目前仅约30%的国家或区域电网采用该方法[5]，但市场导向的竞争性采购被普遍认为是发展方向。

表1显示，我国区域电网黑启动服务的采购只有西北电网采用市场竞价方式，其余均由采购方(电网调度机构)指定供应方并采用统一费率法。补偿基于黑启动服务成本，包括服务能力费(含机组改造新增投资、运行维护、黑启动测试和人员培训等成本)和使用费[1]，但只有南方和东北电网在补偿上对二者进行了明确区分。补偿费用的差别体现出在地区、机组类型和容量(如江苏电网)上有所区分。因此，目前黑启动服务的采购和补偿较合理地考虑了我国各区域电网黑启动电源及其分布不均的实际。尽管如此，总体上黑启动服务采购的市场化程度仍不够，补偿主要关注黑启动服务能力而忽视对服务质量的区分，对机组参与黑启动服务的激励不足，不利于电网获得优质的服务。具体表现为：补偿对提供服务的机组类型区分得不够细致，较少考虑不同机组、不同容量机组在服务成本和机组能力、可用性上的差异，难以体现对服务质量的区分；使用费没有对实际黑启动过程中的贡献和服务质量进行奖励与区分；当补偿不及保持服务能力而付出的成本时，缺少向监管部门申请额外补偿的明确规定。因此，这些方面仍有待逐步完善。

表2我国区域电网对黑启动服务的考核内容与测试要求[16-27]

区域失去黑启动能力但及时向调度机构汇报失去黑启动能力未及时向调度机构汇报调用黑启动服务时无法提供测试要求东北0.01分/MWh0.02分/MWh水电机组1200分/次;火电机组6000分/次每年测试一次华北1.2万元/天120万元/次1800万元西北6分/次90分/次600分/次每年一次黑启动试验华东W=t×P/25,不大于当年相应补偿费W=t×P×0.25,上次认定具备黑启动能力时间起至200hW=P×100h华中W=0.01分/MWh×t1,不大于厂当年相应补偿费用当月不补偿,W=0.02分/MWh×t1,不大于厂当年相应补偿费用当月不补偿,2×该厂前6个月补偿费用每年一次黑启动测试试验南方当月失去补偿,直到试验合格后的次月恢复补偿 6×本省黑启动服务能力补偿费用标准12×本省黑启动服务能力补偿标准每半年一次黑启动自检试验,每2年委托具备国家认证资质机构试验一次;FCB火电机组则分别为每2年和4年试验一次

注：东北和西北区域电网考核的“分”有与之对应的人民币金额；华东和华中区域电网的考核由考核电量乘以上网电价计量考核金额。W为考核电量；t、t1分别为不具备黑启动能力时间、无法提供黑启动时间，h；P为机组容量，MW。

3　黑启动服务的考核与测试

电力系统运营商通过对提供服务机组黑启动能力的强制性经常测试和服务的考核，来保证黑启动服务、电网恢复预案的质量。国外的一般经验是，考核包括对供应方未通过合同要求的黑启动测试、供应方提供黑启动服务质量的降低和供应方不能按照要求及时提供黑启动服务等的考核。测试既是检查、维持黑启动服务能力和质量的手段，也是考核的依据。测试内容主要是机组的性能，包括切负荷、自启动、升负荷时间，控制电压和频率的能力，通信和联网系统的运行等；启动供电能力也是重要内容，但一般通过模拟而很少通过试验来测试[5]。国外部分区域电网甚至允许机组出现黑启动测试失败，但如果供应方连续多次未能通过测试则必须接受考核[5]。部分区域电网还进行可用性考核，根据可用性对供应方的补偿和考核做出调整。如英国国家电力公司规定，机组可用性大于90%时无需考核；可用性大于85%时按比例降低补偿；若可用性低于85%则按比例退还过去12个月的补偿费用，并修改黑启动服务合同[30]。

我国各区域电网主要考核内容及试验要求综合在表2中，可以看出，考核内容主要针对维持和提供黑启动服务的能力，考核以金额或电量计，因各区域电网自身情况不同，考核金额或电量存在明显的差异。除表2的内容外，华北和华东区域电网还规定了针对黑启动相关设备维护、黑启动事故处理预案及其及时修订、黑启动人员培训、黑启动演习等具体内容的考核。与国外相比，与黑启动服务的采购和补偿一样，我国区域电网对黑启动服务的考核也主要关注服务的能力而很少涉及服务质量，主要不足包括：不同机组之间无区别，仅东北和华东区域电网考虑了机组容量；无机组可用性考核和允许机组黑启动测试失败的明确规定等。因此，难以激励电厂保持黑启动能力的积极性。此外，各区域电网考核的明显差异不利于黑启动服务的跨区域调用。在这些方面应对考核内容及其标准进行完善。

由于真正大停电后的电网恢复极少见，因此考核主要依赖于机组黑启动能力的测试试验和仿真演习。国外的一般要求是，提供黑启动服务的机组需要参与所在区域电网制定的黑启动预案，并定期接受黑启动能力和电网恢复计划的测试；测试内容主要是机组黑启动能力的测试，还可以包括对某输电母线进行送电以及启动其他机组的测试等。我国的相关要求近似，但侧重黑启动能力。测试要求合同双方共同参与，并由国家认证资质机构执行，结果报监管部门作为考核黑启动服务能力的依据。表2显示，机组黑启动能力的测试试验大多每年进行一次；而南方区域电网则要求每半年进行一次黑启动自检试验，每2年委托具备国家认证资质机构进行一次试验。除此之外，供应方还必须参加电网调度机构组成的演习等。

国外电网运营商出于实际电网恢复过程的需要，对黑启动服务质量一般都有一些明确的技术要求，包括停电后的反应时间、连续提供服务的时间和监控等(见表3)。我国各区域电网的细则中也有相关要求，即在合同的技术协议中约定黑启动技术性能指标，如南方区域电网要求协议中的技术指标包括机组的设备配置、响应时间等[27]。但对技术指标的具体数值，公开的文件中都没有明确的规定，因此，需要根据电网实际、黑启动预案要求进行细化和完善，以强化对黑启动服务质量的考核。

4　FCB火电机组参与黑启动服务的适应性

电网恢复对黑启动机组的基本要求包括：可靠性高；启动快；所处的位置合理，接近负荷中心，有利于电网架构的恢复；能够提供足够大的功率，一般要求具有数小时内提供黑启动服务的能力；有良好的调频、调压和进相能力，满足电网黑启动初期的孤网运行对调压、调频和无功功率调节的需要。此外，还有一些具体的技术要求(见表3)。传统的黑启动电源有水电机组、燃气轮机组、内燃机组、外部供电等，而具有FCB功能的火电机组也可满足这些要求。

表3　部分国家、地区电网黑启动服务的技术要求[2]

我国大量燃煤火电机组FCB试验的经验[8-12]表明，FCB机组可迅速甩负荷到带厂用电运行，虽然大多数试验只执行了数分钟的带厂用电运行，但足以证明FCB机组的快速响应能力；而一些机组在试验和实际运行过程中成功实现了长时间稳定地带厂用电运行，如外高桥三厂1 000 MW超超临界机组[10]和珠海电厂700 MW亚临界机组[9]分别有近2 h和3 h的稳定运行经验，证明了FCB机组具有长时间提供黑启动服务的能力；粤电台山电厂1 000 MW超超临界机组则进行了空载条件下带500 kV线路零起升压和空充线路的成功试验[11]，证明了FCB机组的黑启动能力。因此，通过进一步的开发以保证运行的安全性和经济性，完全能满足表3中的技术要求。我国的电源结构以大型燃煤火电机组占统治地位，许多机组的设备配置具有或通过适当改造后有实行FCB功能的潜力，且分布广，大多接近负荷中心。而且，FCB火电机组容量大，当处于FCB运行时对黑启动而言实际上相当于处于“启动备用”状态，可快速参与电网重启过程，因此也满足上述对黑启动电源的基本要求。

西北和南方区域电网的辅助服务管理实施细则中，黑启动电源明确包括FCB机组(表1)，南方电网通过深入研究[6]，在细则修订[26]时甚至将对广东省FCB机组的能力补偿标准单列出来(表1)，并就其能力测试提出了特殊的要求(表2)。其他区域电网大多也包括火电机组，虽未指明但不排除FCB机组的应用。因此，在政策层面上对FCB机组参与黑启动服务并无限制。尽管如此，在区域电网制定的黑启动预案中，少有选择FCB机组作为黑启动电源，而现有的辅助服务管理实施细则在许多方面也不利于FCB燃煤火电机组的应用。

上述对我国黑启动服务现状分析时已指出，目前的黑启动采购补偿在不同机组、可用性、服务能力和质量等方面区分还不够详细，因此黑启动服务的采购在竞争性和激励方面尚不足。如根据南方区域电网对广东省FCB机组的补偿费用，大容量FCB机组的能力费相对于其他机组仍较高，这可能不利于FCB机组参与与竞争。但是，FCB火电机组容量大，适当数量FCB机组的参与不仅可显著加速电网黑启动和恢复的速度，而且可显著降低因大停电导致的损失[31]，因此是优质的黑启动电源。考虑到各区域电网有大量的作为潜在黑启动电源的FCB机组的存在和相对较均匀的分布，相当数量的FCB机组的应用还有利于建立黑启动服务的竞争性机制，这对降低黑启动采购成本、获得优质的黑启动服务和提升电网恢复效率十分有利。

我国区域电网两种黑启动服务采购方法的存在体现出因地制宜，而辅助服务的进一步市场化有利于FCB机组的应用。对于FCB机组数量较多且其他类型黑启动电源少的区域电网(如东部沿海地区)，如采用竞争采购法来获得黑启动服务，既有利于电网获得优质服务和降低采购成本，也有利于推动FCB机组作为黑启动电源的应用。

在黑启动服务的考核与测试方面，仅南方区域电网对FCB机组能力测试提出了有别于其他机组的具体要求(见表2)，而其他区域电网则可视为与其他机组要求一致。考虑到FCB燃煤火电机组型式、系统设备配置、容量和运行性能等范围较大[7]，我国目前还没有建立对FCB机组黑启动服务能力的评价方法。在测试方面，目前还没有专门针对黑启动的FCB试验方法，只是在《火力发电建设工程机组甩负荷试验导则》[32]中对FCB试验进行了简要规范，即FCB试验的条件、方法、安全措施等参照常规法甩负荷试验方法，并可与甩负荷试验同时进行。但对FCB能力和质量的考核还没有具体的技术要求，因此应根据黑启动服务的实际要求，通过相应的研究开发建立必要的规范，促进FCB机组的应用。

5　结束语

黑启动服务是并网发电厂提供的一项重要的有偿辅助服务。本文通过对目前我国各区域电网黑启动辅助服务的相关规定细则的综述分析，并参考国外经验，主要从黑启动服务的采购与补偿、考核与测试方面对我国黑启动服务的现状进行了系统论述，在此基础上，从技术要求、黑启动服务采购和能力测试等方面论述了FCB火电机组参与黑启动服务的适应性。研究表明，目前我国黑启动服务的采购与补偿体现出因地制宜的特征，但在市场化和激励方面仍值得进一步完善；考核与测试则在技术要求和服务质量评价方面尚不够明确。目前采购补偿对服务质量区分和竞争性的不足、FCB能力测试和评价规范的缺乏，可能不利于FCB燃煤火电机组参与黑启动服务，而黑启动服务的进一步市场化和相关方面的完善则可促进FCB火电机组的应用。

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汪成根(1981)，安徽安庆人。工程师，工学博士，从事电力系统安全稳定分析等工作。

刘建坤(1980)，山东淄博人。高级工程师，工学硕士，从事电力系统安全稳定分析等工作。

高小涛(1967)，江苏靖江人。高级工程师，工学博士，从事电力系统安全稳定和火电厂运行分析等工作。

(编辑阚杰)

Analysis on Adaptability of FCB Thermal Power Unit Participating in Black-start Service in China

WANG Chenggen1, LIU Jiankun1, GAO Xiaotao1, SHENG Changdong2

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing, Jiangsu 211103, China; 2. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, China)

In allusion to the problem of adaptability of fast cut back (FCB) coal-fired thermal power unit participating in black-start service, this paper reviews relevant provisions about power system black-start auxiliary services.Combining overseas experiences, it also analyzes status quo of black-start service in China in aspects of purchase and compensation, examination and testing of black-start service. Furthermore, in terms of technical requirements, service purchase, ability testing, and so on, it discusses adaptability of FCB coal-fired thermal power unit providing black-start service and proposes suggestions on further completing black-start service management and promoting application of FCB thermal power unit.

power system restoration; black-start service; FCB thermal power unit

2016-06-23

2016-08-26

国网江苏省电力公司科技项目资助(J2015032)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.008

TM621；TM73

B

1007-290X(2016)09-0037-06