美國抽水蓄能電站分析

［美國］V.科里塔諾夫

由于風能、太陽能等間歇性可再生資源的不斷滲透，抽水蓄能(PSH)的作用也在發生著變化。在可再生能源發電和系統運行的失衡糾正中，其正從傳統的日負荷轉變為可響應短期變化的更為動態的運行。

美國能源部門(DOE)最近的一項研究正在評價全美先進PSH電站的作用和價值。這是由DOE能源效率和可再生能源辦公室(EERE)下屬的風水動力技術辦公室負責的一個項目所資助的。該項研究由阿貢國家實驗室牽頭，參與研究的有西門子公司、能源典范公司、美華集團及美國國家可再生能源實驗室(NREL)。

該項研究歷時2年多，于2014年年初完成，發布的7份報告記載了所進行的模擬及主要分析結果。

研究的主要目的是:

(1)開發具有先進技術的精確仿真模型，以分析其提供各種電網服務的技術能力;

(2)評估在不同的市場結構和電力系統中可再生能源不同發電水平下，這些服務的價值。

具體的研究目標為:

(1)提高先進PSH電站模型在電力系統仿真模型中的代表性;

(2)量化先進PSH電站提供各種電網服務的技術能力;

(3)分析這些服務在不同的市場結構和可再生能源(風能和太陽能)不同發電水平下的價值;

(4)提供關于PSH電站給系統帶來的利益和價值的全方位信息。

為了達到這些目標，項目組采用了多種計算機工具，包括PSS?E(工程電力系統模擬器)、FESTIV(用于整合可再生能源發電的能源調度工具)、CHEERS(傳統的水電能源和環境系統)和PLEXOS?，用以模擬系統操作及PSH電站的貢獻。該項分析意在捕捉PSH電站在不同時間尺度下的工況和操作特性——從若干分之一秒鐘的動態響應到生產成本的年度模擬。模擬解決了寬范圍電力系統的運行問題和時限。該技術方法主要由兩部分組成:先進的技術模型;精細的發電成本和電力系統仿真。

1 先進的技術模型

先進技術模型的任務集中于針對PSH先進技術動態仿真模型的發展，如可調速度(AS)和三元裝置，因為這些模型在美國還沒得到應用。針對AS和三元PSH技術的動態模型在項目過程中是被作為供應商中立模型來開發并發布的。此外，它們被加入PSS?E動態模型庫，并將被提供給所有PSS?E的用戶。這些新模型可實現先進PSH機組基于各種系統擾動的動態響應的精確建模，對于新PSH項目中的傳輸互聯研究是十分必要的。

2 發電成本模擬

對于生產成本和收入模型，項目組首先列出了PSH電站對系統的貢獻和服務(如下所示)。為評估PSH各種服務和貢獻的作用與價值，模擬了整個西部聯盟(WI)、加利福尼亞州以及一個單獨的平衡機構(薩克拉門托市政公用區，SMUD)的成產成本。分析調查了PSH電站在調控和競爭兩種電力市場環境下的優勢和價值，并針對可再生能源(RE)各種發電水平進行。

PSH的服務和貢獻如下:

(1)慣性響應;

(2)調節器響應，頻率響應，或一次調頻;

(3)調頻，調控備用容量，或二次調頻;

(4)可提供彈性備用容量;

(5)可提供應急旋轉備用容量;

(6)可提供應急非旋轉備用容量;

(7)可提供置換/補充備用容量;

(8)負荷跟蹤;

(9)負荷均衡/能源套利;

(10)發電能力;

(11)環境排放量減少;

(12)間歇性能源的整合;

(13)火電機組的熱循環與出力減少;

(14)其他投資組合的影響;

(15)輸電阻塞得以緩解;

(16)輸電延遲;

(17)電壓支撐;

(18)動態穩定性提高;

(19)黑啟動能力;

(20)能源安全。

主要基于西部電力協調委員會對2022年的長期預測，對未來一年的系統運行進行了模擬。針對可再生能源兩種水平的滲透對電力系統的運行進行了模擬:①基礎可再生能源情形——對應于WI美國部分2022年可再生能源發電的14%;②強風可再生能源情形——對應于WI美國部分2022年可再生能源發電的33%。

分析采用了基于成本和市場的兩種方法。基于成本的方法運用于整個WI和SMUD的模擬，而基于市場的方法(作為基于投標的電力市場)則被運用于加利福尼亞州的模擬。PLEXOS生產成本模擬針對3種情況進行:①沒有任何PSH電站;②采用現有的固定速度(FS)的PSH電站;③采用現有的FS和額外AS的PSH電站。擬建的3個新PSH項目(鷹山、愛荷華山和天鵝湖北)被作為AS PSH的代表項目。

3 主要研究成果

3.1 節省發電成本

研究確認PSH電站可極大降低電力系統的運行成本。表1總結了2022年因PSH裝機容量而節省的系統總發電成本，結果顯示，系統中可再生能源資源的滲透率越高，發電成本便會越節省。

3.2 能源套利

采用基于市場的方法對2022年的加利福尼亞州系統進行了PLEXOS模擬，該方法可對基于年每小時電力的節點邊際價格(LMP)的能源套利價值進行詳細分析。模擬結果表明，當放棄過量的間歇性能源時，強風情形下間歇性能源(風能和太陽能)的高滲透率可保持平均節點邊際價格較低并經常為負。由此，強風情形下PSH電站的抽水蓄能成本也比較低，因為抽水蓄能大部分由會被放棄的過量間歇性能源發電提供。因此，盡管平均節點邊際價格較低，源自能源套利的抽水蓄能收益仍比系統中更高水平的間歇性能源發電要高，主要是因為白天較低的抽水成本和多泵發電循環。

3.3 旋轉備用容量

FS與AS PSH電站的綜合裝機不足2022年整個WI系統裝機的3%，基于此，研究發現PSH電站向系統提供了大量的備用容量。隨著AS PSH電站的增加，其對WI和加利福尼亞州備用容量的貢獻也顯著增加。調控和靈活的備用容量增幅相當大，因為AS PSH電站也可以在抽水運行模式下提供這些服務。這些備用容量在電力系統靈活性較低時尤其必要，例如夜間。

表1 2022年因PSH裝機容量而節省的生產成本

3.4 間歇性能源的整合

PSH電站提供了大量非常靈活的系統容量以抗衡風能和太陽能發電的間歇性和不確定性，從而使得間歇性可再生能源在電力系統中的滲透率更高。研究結果清楚表明了PSH電站在盡量利用風能方面的重要性，尤其是在強風情形下。例如，PLEXOS對WI在強風可再生能源情形下的模擬結果表明，PS與AS PSH電站將放棄的間歇性可再生能源的發電量減少了12675 GW·h，換句話說，如果沒有PSH電站運行，總放棄量則約為22%。假設裝機容量的利用率為30%，節省的12675 GW·h發電量相當于裝機5000MW的風電的年均發電量。

3.5 減少火電機組的熱循環

PSH電站容量的靈活性、出力迅速增加的特點及負載均衡運行為火電機組創建了一個更為平坦的凈負荷曲線，使其能夠在一個更穩定的模式下運行，因此減少了增加出力和頻繁啟閉的需要。PLEXOS對WI的模擬結果顯示，2022年已有的FS和新的AS PSH電站可將火電機組起動次數和啟動成本減少20%～30%。

由于其運行的靈活性及出力迅速增加的特點，PSH電站也減少了增加火電機組出力的需求。模擬結果顯示，到2022年，WI和加利福尼亞州PSH電站可使火電機組總出力減少34%。

3.6 PSH對電力系統排放的影響

針對WI的模擬結果顯示，在基礎可再生能源情形下，二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)的排放會增加;而在強風可再生能源情形下，PSH電站的運行會減少整個系統的排放。這主要是由于可用于電站抽水的更多風能和PSH在盡量利用風能方面的影響，抵消了火電機組為提供額外的抽水能量而增加的排放。

針對加利福尼亞州的研究結果顯示，在基礎和強風可再生能源情形下，CO2和NOx排放都有所減少，而SO2的排放有所增加。加利福尼亞州和WI的結果不同是因為這兩個電力系統的發電組合不同。

SMUD系統的減排最為顯著。擬建的愛荷華山AS PSH電站可減少兩種可再生能源情形下SMUD系統的污染物排放。

4 PSH的價值

歷史上PSH電站的好處通常只涉及能源套利和提供應急備用容量，但該項研究表明PSH電站可為電力系統提供很多其他的好處。除了可將更多的風能和太陽能資源整合進系統和盡量利用間歇性可再生能源外，PSH電站還可降低整個系統的發電成本，為系統運行提供靈活多樣的備用容量，減少火電機組的熱循環與出力，緩解輸電阻塞，提高系統運行的可靠性等。此外，因在系統中存在大量間歇性可再生能源，PSH電站往往對系統排放有一個積極的影響，因為很大一部分抽水蓄能是由風能和太陽能發電提供的。該項研究也表明，PSH電站的價值隨著系統中間歇性可再生能源的不斷滲透而會得到提升。