参考中国报告网发布《2017-2022年中国电网行业市场发展现状及十三五竞争策略分析报告》
新能源装机量增长，调频需求激增
在整个电网中，频率是保证机组和用户用电安全的重要约束条件，一定程度的小范围频率波动（如国内大电网为±0.2HZ）一般可以被整个电网接受，但是一旦频率波动范围过大则会造成机组切机、用户电器跳闸等意外发生，造成损失。电网的频率与发电机及用户的负荷相关，当发电机和用户的负荷相平衡时，频率稳定在60HZ（国内为50HZ），当发电机容量超过负荷容量时，频率会上升，反之亦然。
在三时间段框架中，一次调频是机组的基本服务，是用于调节电网中较小的波动是其维持在正常的范围内，电厂无法靠其获得收益。自动发电控制（Automatic Generation Control, AGC）是二次频率控制的第一种形式，AGC 系统通过监测自身频率变化及其与相邻区域之间的实际交换功率变化得到区域控制误差（Area Control Error, ACE）,当其偏离平衡零点时，AGC 将调度信号传输给发电机，实施相应的提高/降低出力从而达到升/降频的目的。例如发电机脱网造成频率大幅下降超过一次调频的范围时，通过二次调频介入抑制频率下降，并逐步使频率回升到正常水平。
对于调频来说，传统电网中采用水电、火电和气电等机组进行调节，由于没有风光等短时间波动剧烈的电源，传统机组能较好的对电网进行调频。但是当新能源发电装机量占比逐渐上升之后，剧烈的波动需大量的传统机组来进行调频，特别是我国以煤电为主的电源结构下，火电机组的调频能力最差，因此需要建设更多的火电厂来保证电网频率，这样会造成大量的资源浪费。但是如果采用电池储能系统，则可以在降低成本的同时用较少的装机量实现更好的调频效果。
储能对传统电源的调频替代作用是非常显著的。我们假设区域电网在2min 内有20MW 的升功率需求，即对系统整体的爬坡能力要求为10MW/min。传统火电机组的爬坡率在2%~5%，我们假设火电机组爬坡 率为2％/min，则需要一台容量为500MW的火电机组来提供调节，而采用20MW 的储能系统就能 够瞬间完成升功率的需求，即在该调节速率需求下，１MW 储能系统提供的AGC 调频能力相当于25MW 火电机组的调节能力。如果系统的功率调 节需求为20MW/min ，则储能的调节功率替代效果是燃煤机组的50 倍。PNNL 同过仿真得到类似的结论，根据California 电力市场的电源特点，平均来看，储能调频效果是水电机组的1.7 倍，燃气机组的2.5 倍，燃煤机组的20 倍以上。
国内由于改革起步晚，能量市场还不完备，因此辅助服务市场相关政策的制定也非常滞后。目前全国采用的依然是各区域的《发电厂并网运行管理细则》和《并网发电厂辅助服务管理细则》。山东省在2017 年6 月5 日发布了《山东电力辅助服务市场运营规则（试行）》，文中规定了交易品种为有偿调峰和自动发电控制（AGC），采用日前组织、日内调整的交易方式。广东于7 月4 日发布了《广东调频辅助服务市场建设试点方案》，但是其补偿费用依然采用先行南方区域“两个细则”相关规定进行结算，因此调频的市场建立还需时日。
在AGC 调频中储能的效果明显
对于三次调频来说，其主要应用与在较长时间间隔下提交和调度资源，通常也被称为实时平衡或者负荷跟踪。我们以加州为例，CAISO 通过每15min 指派短期启动和快速启动机组以及每5min 给机组发送调度指令来进行负荷跟踪，而对于二次调频，每隔4s，AGC 系统就会监视ACE 偏差并给提供调频辅助服务的机组发送调度信号，因此在此我们主要讨论储能在二次调频中的应用及其效果。
新能源装机量增长，调频需求激增
在整个电网中，频率是保证机组和用户用电安全的重要约束条件，一定程度的小范围频率波动（如国内大电网为±0.2HZ）一般可以被整个电网接受，但是一旦频率波动范围过大则会造成机组切机、用户电器跳闸等意外发生，造成损失。电网的频率与发电机及用户的负荷相关，当发电机和用户的负荷相平衡时，频率稳定在60HZ（国内为50HZ），当发电机容量超过负荷容量时，频率会上升，反之亦然。
发电侧与用电侧的容量匹配是频率稳定的关键
资料来源：LBNL，中国报告网数据中心整理
对于电网来说，发电端的供给和用电端的需求必须保持实时平衡，由于实际过程中，用户无序的使用以及发电端新能源发电的波动性特征使得电网无法保证真正的实时平衡，通过调节供需可以使得电网能在较小的范围内波动，从而达到相对平衡的状态。以发电机切机导致频率降低为例，目前三时间段框架是应用较为普遍的平衡机制：在大量机组切除后的30S 内，发电厂通过机组惯性和调速器响应来控制频率偏移，自动抑制频率衰减，此时是一次调频；在30S~10min 的期间内，以调频器为代表的二次调频设备介入调频，此为二次调频；第三个时间段从第5min 开始，资源的经济调度通过5min 实时情况提供三级控制机制，此时进行三次调频。在三时间段框架中，一次调频是机组的基本服务，是用于调节电网中较小的波动是其维持在正常的范围内，电厂无法靠其获得收益。自动发电控制（Automatic Generation Control, AGC）是二次频率控制的第一种形式，AGC 系统通过监测自身频率变化及其与相邻区域之间的实际交换功率变化得到区域控制误差（Area Control Error, ACE）,当其偏离平衡零点时，AGC 将调度信号传输给发电机，实施相应的提高/降低出力从而达到升/降频的目的。例如发电机脱网造成频率大幅下降超过一次调频的范围时，通过二次调频介入抑制频率下降，并逐步使频率回升到正常水平。
在不同频率波动情形下采用不同的频率控制措施
资料来源：LBNL，中国报告网数据中心整理
随着新能源装机容量的不断上升，旧有的电网系统已经无法适应新能源接入带来的各种变化，特别是对于风电和光伏来说，由于没有办法进行一次调频，因此随着风光在电源结构中占比的不断攀升，系统调频的压力也越来越大。风电由于电机的转子惯性很小，同时缺乏调速器在扰动后增加机组出力，因此从性质上可以将其看成是无调节的火电机组。而光伏更是没有旋转体提供惯性，尽量在理论上逆变器可以提供在从直流向交流的电力转换过程中的响应，但是这需要依赖于只能电网监控和通讯功能，因此在现有条件下也不具有一次调频能力。当系统缺乏足够的一次调频能力时，可能无法在干扰后充分抑制频率波动，导致出现运营商采取甩负荷的措施，造成发电厂和用户双输的局面。发电机脱网时一次、二次和三次调频的依次动作及其对系统频率的影响
资料来源：LBNL，中国报告网数据中心整理
电池储能是构建新电网中的关键对于调频来说，传统电网中采用水电、火电和气电等机组进行调节，由于没有风光等短时间波动剧烈的电源，传统机组能较好的对电网进行调频。但是当新能源发电装机量占比逐渐上升之后，剧烈的波动需大量的传统机组来进行调频，特别是我国以煤电为主的电源结构下，火电机组的调频能力最差，因此需要建设更多的火电厂来保证电网频率，这样会造成大量的资源浪费。但是如果采用电池储能系统，则可以在降低成本的同时用较少的装机量实现更好的调频效果。
储能对传统电源的调频替代作用是非常显著的。我们假设区域电网在2min 内有20MW 的升功率需求，即对系统整体的爬坡能力要求为10MW/min。传统火电机组的爬坡率在2%~5%，我们假设火电机组爬坡 率为2％/min，则需要一台容量为500MW的火电机组来提供调节，而采用20MW 的储能系统就能 够瞬间完成升功率的需求，即在该调节速率需求下，１MW 储能系统提供的AGC 调频能力相当于25MW 火电机组的调节能力。如果系统的功率调 节需求为20MW/min ，则储能的调节功率替代效果是燃煤机组的50 倍。PNNL 同过仿真得到类似的结论，根据California 电力市场的电源特点，平均来看，储能调频效果是水电机组的1.7 倍，燃气机组的2.5 倍，燃煤机组的20 倍以上。
储能装置对比传统机组调频效果显著
资料来源：电力系统自动化，中国报告网数据中心整理
由于储能在发输配售各个领域都有相关应用场景，因此其发展非常迅速，但是相关的法律法规是制约其发展的一大因素。从全球范围来看，储能产业也是处于成长之中，以美国为例，2007 年890 法案确认了要包括储能在内的非传统发电电源的市场主体地位，2011 年的755 法案解决了储能系统参与电网调频市场获得合理回报的问题，要求电网为调频服务的效果支付调频补偿费用，因此调频的实际效果和产业爆发需要政策和标准的支持。国内由于改革起步晚，能量市场还不完备，因此辅助服务市场相关政策的制定也非常滞后。目前全国采用的依然是各区域的《发电厂并网运行管理细则》和《并网发电厂辅助服务管理细则》。山东省在2017 年6 月5 日发布了《山东电力辅助服务市场运营规则（试行）》，文中规定了交易品种为有偿调峰和自动发电控制（AGC），采用日前组织、日内调整的交易方式。广东于7 月4 日发布了《广东调频辅助服务市场建设试点方案》，但是其补偿费用依然采用先行南方区域“两个细则”相关规定进行结算，因此调频的市场建立还需时日。
在AGC 调频中储能的效果明显
对于三次调频来说，其主要应用与在较长时间间隔下提交和调度资源，通常也被称为实时平衡或者负荷跟踪。我们以加州为例，CAISO 通过每15min 指派短期启动和快速启动机组以及每5min 给机组发送调度指令来进行负荷跟踪，而对于二次调频，每隔4s，AGC 系统就会监视ACE 偏差并给提供调频辅助服务的机组发送调度信号，因此在此我们主要讨论储能在二次调频中的应用及其效果。
AGC 信号与实际负荷曲线存在误差
资料来源：电力系统自动化，中国报告网数据中心整理
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