王婷婷，趙杰君，王朝陽(yáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024)

我國(guó)電網(wǎng)對(duì)抽水蓄能電站變速機(jī)組的需求分析

王婷婷，趙杰君，王朝陽(yáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024)

變速抽水蓄能機(jī)組具有更好的穩(wěn)定性和變速恒頻發(fā)電能力、更優(yōu)的調(diào)節(jié)性能、更廣的調(diào)節(jié)范圍等優(yōu)勢(shì)。以變速抽水蓄能機(jī)組的優(yōu)勢(shì)為基礎(chǔ)，從未來(lái)電網(wǎng)的特點(diǎn)和需求出發(fā)，探索變速機(jī)組對(duì)電網(wǎng)建設(shè)、提高資源利用率以及電站自身運(yùn)行等方面的積極影響，并參照國(guó)外已建變速機(jī)組的相關(guān)運(yùn)行指標(biāo)和我國(guó)電網(wǎng)調(diào)節(jié)性能補(bǔ)償相關(guān)規(guī)定，就我國(guó)變速機(jī)組在未來(lái)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行預(yù)判。

變速機(jī)組；抽水蓄能電站；調(diào)節(jié)性能；經(jīng)濟(jì)性

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)外水電行業(yè)就開(kāi)始了變速抽水蓄能機(jī)組的研究及試驗(yàn)工作，日本早在1990年就投產(chǎn)了首臺(tái)變速機(jī)組(矢木澤抽水蓄能電站)。截止目前，國(guó)際上已采用變速蓄能機(jī)組的電站約11座、20臺(tái)機(jī)組，在建約7座電站、17臺(tái)機(jī)組[1-3]，其中Kzaunogawa抽水蓄能電站額定水頭最高(714 m)，單機(jī)容量最大(460 MW)，相應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為±4%；已建在建的大部分變速機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍在±4%～±7%之間，日本Takami抽水蓄能電站到達(dá)±10%，Yagisawa抽水蓄能電站轉(zhuǎn)速變幅在+4%～-13%之間。可以說(shuō)，從發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品研發(fā)和電站建設(shè)來(lái)看，變速蓄能機(jī)組的各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展已日趨成熟，且在國(guó)際上也逐步形成較為成熟的變速機(jī)組的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。尤其是歷經(jīng)20余年電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和效果的考驗(yàn)，變速機(jī)組比定速機(jī)組能夠更好、更經(jīng)濟(jì)地服務(wù)于電網(wǎng)，因此電站蓄能機(jī)組從早期的定速+變速模式(日本矢木澤、德國(guó)Goldisthal等)發(fā)展到現(xiàn)階段的全變速模式(日本Kyogoku、瑞士Linthal和Nant de Drance SA、印度Tehri等)，從發(fā)達(dá)國(guó)家建設(shè)(日本、德國(guó))發(fā)展到發(fā)達(dá)國(guó)家、發(fā)展中國(guó)家均建設(shè)的格局(瑞士、印度等)，從新建變速機(jī)組到定速向變速機(jī)組改造(日本奧多多良木蓄能定速機(jī)組更換為變速機(jī)組已開(kāi)始建設(shè)實(shí)施)。可以說(shuō)，采用變速機(jī)組不僅是蓄能電站在技術(shù)上的發(fā)展，更是電網(wǎng)需求變化的產(chǎn)物。

然而，中國(guó)變速機(jī)組及其配套的變頻設(shè)備尚未引進(jìn)技術(shù)建設(shè)的工程實(shí)例。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)優(yōu)質(zhì)電網(wǎng)的需求日益顯著，尤其是在風(fēng)電大規(guī)模地接入電網(wǎng)以后，從電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度考慮，大容量變速機(jī)組的應(yīng)用變得日益迫切。為此，2014年11月國(guó)家發(fā)改委明確提出我國(guó)要積極推進(jìn)可變機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化，提高主輔設(shè)備的獨(dú)立成套設(shè)計(jì)和制造能力。本文將以未來(lái)電網(wǎng)的特點(diǎn)和需求為切入點(diǎn)，探索變速機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的重要性及經(jīng)濟(jì)性。

1 變速機(jī)組的優(yōu)勢(shì)

變速抽水蓄能電站機(jī)組在電網(wǎng)運(yùn)行和電站自身運(yùn)行等方面的優(yōu)勢(shì)較為突出。從電網(wǎng)運(yùn)行考慮，變速機(jī)組具有更好的穩(wěn)定性、更優(yōu)的調(diào)節(jié)性能、更廣的調(diào)節(jié)范圍、以及更強(qiáng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功功能[4、5]。

首先，變速機(jī)組啟動(dòng)時(shí)交流勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出頻率逐漸變化，不僅實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，更能使其在最利于出力的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。這樣，無(wú)論在抽水或發(fā)電工況均可減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，從根本上解決以往采用改變電機(jī)極數(shù)所帶來(lái)的技術(shù)上的麻煩以及諧波等對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響。據(jù)有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，日本Kzaunogawa變速機(jī)組水泵工況抽水運(yùn)行與定速機(jī)組相比，系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅度減低43%。如圖1所示，日本關(guān)西電力公司結(jié)合Okawachi電站變速機(jī)組進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在電力系統(tǒng)容量為11 000 MW系統(tǒng)中，當(dāng)火電和水電的調(diào)頻容量為160 MW時(shí)，系統(tǒng)頻率控制在60 Hz±0.1 Hz之內(nèi)的比例是96.8%(見(jiàn)圖1a)；當(dāng)火電和水電的調(diào)頻容量為80 MW、變速機(jī)組為80 MW時(shí)，系統(tǒng)頻率控制在60 Hz±0.1 Hz之內(nèi)的比例是99.7%，系統(tǒng)頻率保證率提高了2.9%，顯著說(shuō)明變速機(jī)組對(duì)改善電網(wǎng)供電質(zhì)量的作用[6](見(jiàn)圖1b)。

圖1 可變機(jī)組與可變機(jī)組實(shí)驗(yàn)對(duì)比

其次，變速機(jī)組可通過(guò)變頻調(diào)速的方式來(lái)調(diào)節(jié)水泵工況下入力，不僅能夠提高精準(zhǔn)配合系統(tǒng)需求水平，配合電力系統(tǒng)頻率自動(dòng)控制，尤其是提高低谷負(fù)荷時(shí)電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)質(zhì)量，并可免掉SFC水泵工況啟動(dòng)裝置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本、德國(guó)已建變速機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化范圍約±4%～10%。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以改變，與傳統(tǒng)抽水蓄能機(jī)組相比，變速機(jī)組發(fā)電調(diào)節(jié)范圍可由50%～100%擴(kuò)大至40%～100%，抽水調(diào)節(jié)范圍可由僅能滿(mǎn)入力抽水?dāng)U大至60%～100%。在新能源電源大規(guī)模入網(wǎng)的背景下，從提高資源利用率、減小新能源電源對(duì)系統(tǒng)的沖擊、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，變速機(jī)組的優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越明顯。

此外，變速機(jī)組在響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)精度等方面的調(diào)節(jié)性能更好。根據(jù)現(xiàn)階段收集到的資料，變速機(jī)組在響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速度方面明顯優(yōu)于定速機(jī)組。Okawachi抽水蓄能電站400 MW變速機(jī)組0.2 s內(nèi)可改變輸出功率32 MW或輸入功率80 MW，十三陵蓄能電廠(chǎng)機(jī)組在AGC控制下的調(diào)節(jié)速率約為100 MW/min。從啟動(dòng)時(shí)間來(lái)看，變速機(jī)組約3 min，定速機(jī)組約5 min。同時(shí)，變速機(jī)組具有較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功和深度吸收系統(tǒng)無(wú)功的功能，并可通過(guò)自動(dòng)頻率控制來(lái)提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。

從電站自身運(yùn)行考慮，變速機(jī)組具有提高機(jī)組效率和穩(wěn)定性能、改善空化性能、改善功率調(diào)節(jié)范圍等優(yōu)勢(shì)；從抽水蓄能電站建設(shè)角度考慮，可通過(guò)增加站點(diǎn)水頭變幅來(lái)增加電站建設(shè)規(guī)模，提高電站經(jīng)濟(jì)效益。

2 變速機(jī)組在電網(wǎng)中的需求分析

2.1 有利于促進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)越來(lái)越趨于大容量、遠(yuǎn)距離、超高壓、重負(fù)載發(fā)展，電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式更為復(fù)雜，區(qū)域系統(tǒng)振蕩引發(fā)跨區(qū)域事故的可能性增加，為此，我國(guó)提出要建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)，以提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能。而建設(shè)變速抽水蓄能機(jī)組將提高蓄能電站自身調(diào)節(jié)能力，進(jìn)而助力堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)。

首先，變速機(jī)組可為有效的解決負(fù)荷突變所引發(fā)的無(wú)功功率過(guò)剩、工頻過(guò)電壓等系統(tǒng)安全運(yùn)行隱患。在負(fù)荷突變時(shí)，變速機(jī)組可以通過(guò)改變頻率的辦法來(lái)迅速改變轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能，釋放或吸收負(fù)荷，從根本上解決諧波等對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響，更好的適應(yīng)送、受端電網(wǎng)對(duì)可靠性的需求，從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

其次，變速機(jī)組不論在發(fā)電工況還是抽水工況，功率調(diào)節(jié)速度、調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間等方面均大幅提高，調(diào)節(jié)幅度更大，這樣對(duì)電網(wǎng)緊急事故的應(yīng)急能力更快，更有利的保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，并能夠更好的響應(yīng)電力系統(tǒng)功率變化要求。

2.2 是我國(guó)電力體制改革發(fā)展的必然選擇

為進(jìn)一步深化電力體制改革，中國(guó)提出了具體任務(wù)，即“三放開(kāi)，一獨(dú)立”，其中對(duì)于工商電價(jià)和非公益性發(fā)電計(jì)劃的同時(shí)放開(kāi)，不僅僅使電廠(chǎng)在上網(wǎng)電價(jià)與利用小時(shí)數(shù)上獲得了雙重的解脫，更重要的是電廠(chǎng)面對(duì)的目標(biāo)從電網(wǎng)部門(mén)和地方政府轉(zhuǎn)變?yōu)橄掠斡脩?hù)，用戶(hù)訴求也從平衡轄區(qū)內(nèi)各電廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)利益轉(zhuǎn)變?yōu)楂@取優(yōu)質(zhì)可靠的電力。這種訴求的轉(zhuǎn)變，加之相對(duì)寬松的電力需求形勢(shì)，使得各電廠(chǎng)只有配備調(diào)節(jié)性能高的、運(yùn)行靈活的高效機(jī)組，才能攀升利用小時(shí)數(shù)，進(jìn)而帶來(lái)更大的利潤(rùn)。

由此可見(jiàn)，抽水蓄能電站采用變速機(jī)組不僅是抽水蓄能電站與時(shí)俱進(jìn)的發(fā)展產(chǎn)物，更是符合我國(guó)電力體制改革發(fā)展趨勢(shì)，勢(shì)必受到更多電廠(chǎng)、用戶(hù)的歡迎。

2.3 可有效降低電站啟停對(duì)局部電網(wǎng)的沖擊

隨著特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，我國(guó)電力系統(tǒng)上層區(qū)域越來(lái)越大，各分網(wǎng)之間的聯(lián)系線(xiàn)也逐漸加強(qiáng)，幾十萬(wàn)機(jī)組的啟停對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響很小，但對(duì)局部小電網(wǎng)，即位于底層小區(qū)域電網(wǎng)的沖擊仍是較大的。1996年，河北省張家口地區(qū)的沙嶺子電廠(chǎng)一臺(tái)機(jī)組掉閘，繼而引起電網(wǎng)周波驟降，連帶造成其他機(jī)組乃至同地區(qū)的其他電廠(chǎng)(裝機(jī)容量為440 MW)全部掉閘，致使張家口地區(qū)的220 kV系統(tǒng)與華北主網(wǎng)之間發(fā)生較大振蕩。

定速機(jī)組在電力調(diào)節(jié)時(shí)單純依靠閥門(mén)，由于閥門(mén)有一定的機(jī)械慣性，快速調(diào)節(jié)時(shí)電力損失和機(jī)械振動(dòng)相對(duì)較大，尤其是在深夜用電量小、變化速度過(guò)快時(shí)，機(jī)組存在無(wú)法連續(xù)運(yùn)行的可能，對(duì)局部電網(wǎng)的安全運(yùn)行存在隱患。而變速機(jī)組在水泵工況啟動(dòng)時(shí)，交流勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出頻率逐漸變化，故能實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，從而降低對(duì)局部電網(wǎng)的沖擊。此外，變速機(jī)組可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，尤其是能夠在泵工況下對(duì)輸入功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在負(fù)荷突變時(shí)也可通過(guò)改變頻率的辦法來(lái)迅速改變轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能，釋放或吸收負(fù)荷，使電網(wǎng)的擾動(dòng)比常規(guī)電機(jī)小，從而可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。據(jù)變速機(jī)組在日本東京電網(wǎng)運(yùn)行情況來(lái)看，Okawachi電站482 MW水泵水輪機(jī)抽水工況下啟動(dòng)時(shí)與定速機(jī)組相比，系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅度減低43%，這將有效減少機(jī)組啟動(dòng)對(duì)局部電網(wǎng)的影響。

2.4 有利于提高與可再生能源電源的契合度

我國(guó)積極發(fā)展核電，大力發(fā)展風(fēng)電、太陽(yáng)能等清潔和可再生能源，預(yù)計(jì)2020年全國(guó)風(fēng)電規(guī)模達(dá)到1.5億～2.0億kW。抽水蓄能電站建設(shè)采用變速機(jī)組，將有利于提高與可再生能源電源的契合度。

一方面，可根據(jù)風(fēng)電等新能源出力過(guò)程，更為靈活的跟蹤電網(wǎng)頻率，調(diào)節(jié)水泵輸入功率，在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下提高新能源利用率；另一方面，電站調(diào)節(jié)速率提高，可更好的跟蹤風(fēng)電等穩(wěn)定性差的出力過(guò)程，從而減小風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源電源對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

據(jù)分析，52 262 MW京津及冀北電網(wǎng)，風(fēng)電占比為總裝機(jī)規(guī)模的11.75%，如果安裝一臺(tái)300 MW變速抽水蓄能機(jī)組，則風(fēng)電的上網(wǎng)容量率可以提高0.3%左右，相應(yīng)年可增加風(fēng)電發(fā)電量約0.27億kW·h。當(dāng)然，電網(wǎng)中約80%的火電承擔(dān)了大量調(diào)峰任務(wù)，弱化了變速蓄能機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的作用。

如考慮建設(shè)具備孤網(wǎng)性質(zhì)的柔性直流電網(wǎng)，送端9 300 MW的光伏、風(fēng)電電源，配合1 500 MW的抽水蓄能電站，實(shí)現(xiàn)向受端穩(wěn)定送電3 000 MW的目的。經(jīng)分析，抽水蓄能電站采用變速機(jī)組配合運(yùn)行后，新能源資源利用率率提高近3%，按單臺(tái)容量300 MW考慮，即使采用2臺(tái)變速機(jī)組、4臺(tái)定速機(jī)組方案，新能源電量增加5.6億kW·h。由此可見(jiàn)，變速機(jī)組在提高新能源資源利用率方面作用明顯。

2.5 可提高機(jī)組效率、延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命

變速機(jī)組的整體空化性較定速機(jī)組有所提高。機(jī)組可根據(jù)運(yùn)行工況和水輪機(jī)特性調(diào)整轉(zhuǎn)速，使機(jī)組始終運(yùn)行于最優(yōu)或較優(yōu)工況，故而可明顯改善水泵水輪機(jī)的水力性能，提高運(yùn)行效率，減少震動(dòng)、空蝕和泥沙磨損，延長(zhǎng)機(jī)組檢修期，并可擴(kuò)大運(yùn)行水頭范圍和負(fù)荷范圍，提高機(jī)組穩(wěn)定性。從日本多個(gè)已建變速機(jī)組的運(yùn)行資料來(lái)看，機(jī)組年平均效率可提高3%～5%，在合適的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行變速機(jī)組的磨損量可減少50%。根據(jù)河北豐寧抽水蓄能電站變速機(jī)組效率的分析計(jì)算，當(dāng)機(jī)組變速范圍達(dá)到±7%時(shí)，水輪機(jī)工況加權(quán)平均效率從91.2%增加到了92.41%，升高1.21%。

3 變速機(jī)組在電網(wǎng)中的經(jīng)濟(jì)性分析

變速機(jī)組在電網(wǎng)中的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在其在電網(wǎng)中因調(diào)節(jié)性能提高所帶來(lái)的效益和較低的運(yùn)行費(fèi)用兩個(gè)方面。其中，效益主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，即機(jī)組調(diào)節(jié)性能改善所帶來(lái)的AGC補(bǔ)償，機(jī)組效率提高所帶來(lái)的發(fā)電效益，以及提高可再生能源尤其是風(fēng)資源的消納能力所帶來(lái)的效益。當(dāng)然，中國(guó)抽水蓄能電站的現(xiàn)行的兩部制電價(jià)體制決定了此部分效益難以?xún)冬F(xiàn)，但根據(jù)中國(guó)現(xiàn)行的發(fā)電廠(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行管理辦法等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)預(yù)判，可一定程度上反映出變速抽水蓄能電站對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及配合新能源電源儲(chǔ)能的等方面的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

3.1 電網(wǎng)效益分析

根據(jù)相關(guān)研究成果及諸多文獻(xiàn)資料，變速機(jī)組在調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時(shí)間方面的調(diào)節(jié)性能均優(yōu)于定速機(jī)組。但礙于我國(guó)尚未建設(shè)大容量可連續(xù)變速的機(jī)組及其配套的變頻設(shè)備的工程實(shí)例，調(diào)節(jié)性能指標(biāo)的相關(guān)資料很少，僅能以國(guó)外已建變速機(jī)組的相關(guān)指標(biāo)作為借鑒。同時(shí)，為更好的與反映變速機(jī)組在我國(guó)電網(wǎng)中的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合京津及冀北電網(wǎng)發(fā)行的區(qū)域發(fā)電廠(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行及輔助服務(wù)管理相關(guān)規(guī)定和實(shí)施細(xì)則，可定量分析可變機(jī)組在電網(wǎng)中所產(chǎn)生的效益。

3.1.1 調(diào)節(jié)性能

從調(diào)節(jié)速率來(lái)看，有制造廠(chǎng)表明，變速機(jī)組水泵工況功率調(diào)節(jié)可達(dá)到200 MW/s；日本Okawachi抽水蓄能電站變速機(jī)組400 MW，水泵工況下輸入功率速度為400 MW/s，即每秒調(diào)節(jié)功率可達(dá)到機(jī)組額定功率[7]。而根據(jù)我國(guó)某抽水蓄能電站相關(guān)資料，其水泵工況下調(diào)節(jié)速率約為100 MW/60s，即變速機(jī)組的調(diào)節(jié)速率可達(dá)到定速機(jī)組的60～120倍。

從調(diào)節(jié)幅度來(lái)看，定速機(jī)組的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒定，故只能滿(mǎn)抽；根據(jù)已建工程統(tǒng)計(jì)成果，變速機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為±4%～±10%，如暫按定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍±7%考慮的話(huà)，水泵最大入力可增大6%～8%。

參照華北區(qū)域發(fā)電廠(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則，如果蓄能電站能夠參與調(diào)節(jié)性能補(bǔ)償，則300 MW單機(jī)容量的變速機(jī)組，僅水泵工況下因調(diào)節(jié)速率提高所帶來(lái)的補(bǔ)償應(yīng)不少于1 200萬(wàn)/a。

3.1.2 轉(zhuǎn)換效率提高

變速機(jī)組的綜合轉(zhuǎn)換效率能夠得到一定程度的提高，因此在相同蓄能量下，必然能夠轉(zhuǎn)換出更多的發(fā)電量，從而帶來(lái)更多的發(fā)電效益。

根據(jù)節(jié)能減排的能量轉(zhuǎn)換平衡分析，可變機(jī)組的電力轉(zhuǎn)換能量利用率較定速機(jī)組提高0.01%～0.03%。考慮京津及冀北電網(wǎng)豐寧蓄能電站安裝一臺(tái)300 MW變速機(jī)組，與定速機(jī)組相比因轉(zhuǎn)化效率提高而增加發(fā)電量約13.9萬(wàn)kW·h/a。按照河北省標(biāo)桿電價(jià)0.304 8元/(kW·h)(不含稅)考慮，電站每年可增加發(fā)電效益4.26萬(wàn)元。當(dāng)然，此部分發(fā)電效益也受到電網(wǎng)需求調(diào)度影響。

3.1.3 對(duì)于風(fēng)電消納所產(chǎn)生的效益

變速機(jī)組可利用其響應(yīng)速度快、水泵工況調(diào)節(jié)幅度可變等特點(diǎn)，促進(jìn)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電等新能源電源的消納吸收[8-10]。經(jīng)分析，京津及冀北電網(wǎng)如果安裝一臺(tái)300 MW變速抽水蓄能機(jī)組，則風(fēng)電的上網(wǎng)容量率可提高0.3%左右，則年可增加風(fēng)電發(fā)電量約0.27億kW·h。由此可見(jiàn)，在不考慮轉(zhuǎn)換效率提高所帶來(lái)的效益的前提下，通過(guò)與新源配合運(yùn)行，變速機(jī)組每年由于機(jī)組性能提高等優(yōu)勢(shì)可獲取一定效益。

3.2 運(yùn)行費(fèi)用分析

變速機(jī)組整體空化性能優(yōu)于定速機(jī)組，加之其改善了水泵水輪機(jī)的水力性能，提高了運(yùn)行效率和機(jī)組穩(wěn)定，減少了震動(dòng)、空蝕和泥沙磨損，降低機(jī)組機(jī)械故障率，因此主機(jī)檢修周期可適當(dāng)放寬。但是，由于變速機(jī)組的勵(lì)磁變頻裝置較大，相應(yīng)的檢修內(nèi)容和費(fèi)用會(huì)有所增加。

此外，根據(jù)世界上已建變速蓄能電站的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，變速機(jī)組的運(yùn)行小時(shí)數(shù)，尤其是抽水工況的運(yùn)行小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)高于定速機(jī)組。日本Yagisawa抽水蓄能電站變速機(jī)組比定速機(jī)組運(yùn)行時(shí)間多20%～30%[11]；日本Kzaunogawa電站變速機(jī)(4號(hào)機(jī))的累積(14個(gè)月)運(yùn)行小時(shí)數(shù)約是定速機(jī)組(1號(hào)機(jī)或2號(hào)機(jī))的5倍；從德國(guó)Goldisthal電站兩臺(tái)變速機(jī)組和兩臺(tái)定速機(jī)組歷時(shí)10 a的運(yùn)行情況來(lái)看，變速機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間是定速機(jī)組的1.25倍，而抽水工況下的運(yùn)行時(shí)間是1.33倍。但運(yùn)行小時(shí)數(shù)高并不意味著檢修費(fèi)用增加，根據(jù)相關(guān)資料，日本Yagisawa抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)的空蝕和易損件的磨損量相同或更少，尤其在合適的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，變速機(jī)組的磨損量可減少50%；日本Shibara抽水蓄能電站變速機(jī)組振動(dòng)的振幅也比定速機(jī)組減少一半[11]。

根據(jù)幾個(gè)已建抽水蓄能電站調(diào)研成果，變速機(jī)組的年平均效率可提高3%左右，運(yùn)行小時(shí)數(shù)增加20%以上，但機(jī)組檢修周期與定速機(jī)組基本一致，運(yùn)行費(fèi)用也沒(méi)有增加。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)分析，雖然可變機(jī)組的靜態(tài)投資比定速機(jī)組約高出20%～50%，但如果蓄能電站能夠納入電網(wǎng)調(diào)節(jié)性能補(bǔ)償，則變速機(jī)組由于機(jī)組性能提高等優(yōu)勢(shì)可獲取不少于3.4萬(wàn)元/(a· MW)的效益。因此，變速抽水蓄能電站在電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及配合新能源電源儲(chǔ)能等方面具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論及建議

(1)變速抽水蓄能電站機(jī)組通過(guò)提高自身調(diào)節(jié)性能，不僅提高了機(jī)組自身的運(yùn)行穩(wěn)定性、延長(zhǎng)了機(jī)組使用壽命，還有利于促進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，提高特高壓輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，并可有效降低電站機(jī)組啟停對(duì)局部電網(wǎng)的沖擊性，通過(guò)提高與可再生能源電源的契合度來(lái)提高資源利用率。

(2)盡管變速機(jī)組的靜態(tài)投資比定速機(jī)組約高出20%～50%，但抽水蓄能電站如能夠合理納入電網(wǎng)調(diào)節(jié)性能補(bǔ)償，每年由于機(jī)組性能提高等優(yōu)勢(shì)可獲取補(bǔ)償效益也是較為突出的。

(3)建議結(jié)合電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、需求，深入開(kāi)展變速機(jī)組轉(zhuǎn)速范圍參數(shù)選取相關(guān)研究，以期為變速抽水蓄能更好的適應(yīng)電網(wǎng)需求提供技術(shù)依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 高 瑜)

Demand Analysis of Variable Speed Units of Pumped-storage Power Station in Power Grid of China

WANG Tingting, ZHAO Jiejun, WANG Chaoyang

(PowerChina Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

The variable speed pumped-storage unit has the advantages of good stability, variable-speed constant-frequency generating capacity, better regulating performance and wider adjustment range. Based on the advantages of variable speed pumped storage unit and the characteristics and demands of future power grid development, the effects of variable speed unit on power grid construction, resource utilization efficiency and power plant operation are explored. Based on the operation indicators and the provisions on China’s power grid regulation performance, the operation economy of variable speed pumped-storage unit in China’s power grid is also analyzed.

variable speed unit; pumped-storage power station; regulation performance; economy

2016-07-25

王婷婷(1978—)，女，山西太原人，高級(jí)工程師，主要從事動(dòng)能經(jīng)濟(jì)、水資源綜合規(guī)劃等工作.

TV743

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0559-9342(2016)12-0107-04