棄風、調停火電還是開發抽水蓄能？
——抽水蓄能電站低谷調峰性能研究

陳同法，張 毅，王德敏

（1. 國網新源控股有限公司，北京市 100761；2. 國網新源控股有限公司北京十三陵電廠，北京市 102200）

棄風、調停火電還是開發抽水蓄能？
——抽水蓄能電站低谷調峰性能研究

陳同法1，張 毅2，王德敏1

（1. 國網新源控股有限公司，北京市 100761；2. 國網新源控股有限公司北京十三陵電廠，北京市 102200）

抽水蓄能機組能夠承擔抽水和發電等多種運行任務，而且不同運行工況間啟停轉換靈活。抽水蓄能機組的這一技術特性，使其成為優良的調峰電源，在優化系統電源結構、促進風電等清潔可再生能源大規模開發方面發揮著十分重要的作用。本文從客觀分析電力系統運行規律入手，通過建立較為嚴謹的數學模型，具體說明抽水蓄能機組的低谷調峰原理、價值，以及棄風、調停火電機組和建設運行抽水蓄能之間的技術、經濟對比關系，旨在為豐富抽水蓄能發展理論、科學決策抽水蓄能電站運行方式提供理論支撐。

抽水蓄能；低谷調峰；性能；新能源

0 引言

抽水蓄能電站作為優良的調峰電源，對于優化系統電源結構、促進風電等清潔可再生能源具有十分重要的意義。本文從深入分析系統運行規律入手，通過建立嚴謹的數學模型，具體說明抽水蓄能機組的低谷調峰原理、價值，以及棄風、調停火電機組和開發抽水蓄能之間的技術、經濟關系。

1 系統低谷調峰問題分析

1.1 問題的由來

1.1.1 電力系統的特性

電力系統是指由發電機、變壓器、電力線路和用電設備組成的統一整體，可簡化為電源（發電負荷）、電網和電力用戶（用電負荷）三部分。

有功平衡是電力系統正常運行所必須遵循的規律。因為電能的生產、輸送、分配和使用是同時進行的，所以從整體上講，發電有功必須隨用電負荷的變化及時調整。

1.1.2 用電負荷的峰谷特性

不同的用電設備呈現不同的負荷特性，但是總體上呈現較為穩定的規律。根據分析周期的不同，用電負荷分別呈現典型的日內負荷變化規律、周內負荷變化規律和年內負荷變化規律。以京津唐電網為例，系統典型日負荷曲線見圖1。

1.1.3 發電設備的低谷調峰特性

就對電源（發電負荷）的需求而言，電力系統在峰、谷時刻分別呈現完全不同的需求特性。其中，系統高峰時段的核心需求是可發電容量，系統低谷時段的核心需求是發電設備盡量降低發電出力水平即低谷調峰能力。

圖1 電力系統日負荷變化曲線示意圖Fig. 1 Power system daily load change curve diagram

因一次能源類型不同，發電設備可分為常規燃煤火電機組、燃氣機組、水電機組、核電機組、風電機組、太陽能機組等類型。不同類型機組的低谷調峰性能有較大差異。其中，燃氣機組可通過啟/停進行調峰，具有良好的調峰性能。燃煤火電機組，在當前技術條件下，通常可降負荷至50%，即約有50%的調峰能力。抽水蓄能機組可通過啟/停調峰，調峰能力十分突出。核電機組在技術上具有一定的調峰能力，但是為降低事故發生概率一般維持固定出力，不參與調峰。風電機組的出力受風源制約，一般系統用電高峰期間出力較小，系統用電低谷期間出力較大，呈現典型的“反調峰”特點，必須有相應的其他電源配合運行，以解決其出力與用電需求在時間上不匹配的矛盾。

電力系統的負荷波動分為年度增長、月度波動、周內波動和日內波動幾種情況。其中又以日內波動最為關鍵。一般來說，系統的日最低負荷通常不低于其最大負荷的60%，而常規火電機組的出力最低可以降至其發電容量的50%左右。因此，對于只有常規火電機組的電力系統來說，低谷調峰沒有太大的困難。當前，我國大部分區域的電力系統面臨嚴重的低谷調峰困難，是因為系統中有大量的不能參與正常調峰的電源類型，如核電、風電、以熱定電的供熱機組等。受限于其技術特性，系統低谷期間，這些類型的電源就像“針子戶”，不能按照系統的需求降低出力比例，從而導致調停風電機組乃至常規火電機組。

高峰容量需求和低谷調峰需求，是兩個不同性質的問題。基于我國目前大部分地區的系統狀況，當前乃至今后較長一段時期，低谷調峰能力是問題的主要方面。

2 電力系統調峰容量關系

峰、谷兩個典型時間點的發電容量平衡，是系統容量平衡的關鍵。可以認為，只要解決了峰、谷兩個極端的容量平衡，就可以保證全過程的有功平衡。峰、谷兩個極端情況的負荷關系見圖2。

圖2中及其有關符號含義如下：

a—系統低谷期間風電出力，MW；

b—系統高峰期間風電出力，MW；

d—系統高峰期間，抽水蓄能發電功率，MW；

d'—系統低谷期間，抽水蓄能抽水功率，一般可視為d=d'；

k—系統高峰期間，常規火電機組的開機容量，MW；

ktt—因低谷調峰需要，系統調停的常規火電機組的容量，MW；

圖2 系統負荷示意圖Fig. 2 System load diagram

k'—系統低谷期間，正常調峰電源開機容量，MW，k'=k-ktt；

q—燃氣機組的容量，低谷期間，可停機調峰，MW；

Pmax—系統最高負荷，MW；

Pmin—系統最低負荷，MW；

β—系統最低負荷系數，β=Pmin/Pmax，一般β≈60%；

η—常規火電機組可承受的最低負荷率，當前技術條件下，一般η≈50%。

為簡化問題的分析過程，暫忽略旋轉備用容量，不影響問題的基本結論。

根據圖2，有：

一般來說，風電在高峰期間不貢獻可靠的開機容量，取b=0。進一步取d=d'，k'=k-ktt，η=0.5，β=0.6，代入式（1），可得：

式（2）左側為低谷調峰資源，右側為系統調峰需求。從中可以看出：棄風、調停燃氣機組、調停常規火電機組與抽水蓄能機組共同構成低谷調峰資源。一般情況下它們可以相互替代，互為補充。

各種電源的低谷調峰貢獻效率不同。對于容量為a的棄風需求，可作如下選擇：要么ktt=2a，要么q=2a，要么d=0.67a，即對于容量為a的低谷調峰缺口，要么棄風a，要么停常規火電機組2a，要么停燃氣機組2a，要么運行抽水蓄能機組0.67a。

也就是說，棄風、調停/重啟常規火電，或運行抽水蓄能，技術上不存在明顯的制約，僅看技術指標還不能就三者的合理性做出判斷。判斷三種技術方案何者更合理，需要進一步作經濟分析。

3 棄風、調停火電與開發抽水蓄能等不同電源方案的經濟關系

棄風、調停火電與建設/運行抽水蓄能的成本關系兩兩不同。為便于分析比較起見，本文以棄風與避免棄風100萬kW為例，以“年”為分析時段，將各種技術方案的經濟代價進行折算。

3.1 棄風

棄風的代價是放棄發電的電費損失，主要與電價、棄風小時數以及棄風事件的年度發生概率有關。

風電的電價比較復雜。從國民經濟評價的角度，忽略電價補貼，按電站所在地火電標桿電價（以0.4元/kWh為例）計算，可得有關棄風損失（見表1）。

表1 電力系統棄風導致的經濟損失示意表Tab.1 The economic loss caused by the abandonment of wind power system

3.2 調停常規火電機組

常規火電機組的調停/重啟成本大約為100萬元/100萬kW（因機組類型、啟動方式而略有差異），因“次”發生，與每年的調停/重啟總次數有關，詳見表2。

3.3 建設運行抽水蓄能電站

抽水蓄能電站的運行成本，主要取決于電站建設、運行成本（含抽/發損耗）。抽發損耗按“4度換3度”的標準折算，并取近年來平均建設運營成本，抽水蓄能電站的年度費用數值見表3。

表2 電力系統調停常規火電機組導致的經濟損失示意表Tab.2 Power systems mediate the economic loss of the conventional coal-fired units

表3 電力系統建設運行抽水蓄能電站的經濟成本示意表Tab. 3 Power system builds the economic cost of pumping storage power station

綜合考慮棄風、調停火電機組和建設運行抽水蓄能機組的事件發生概率，從上述三個表中的對應數據格選取最小值，得到表4。

表4 棄風、調停火電機組與建設運行抽水蓄能機組三種電源方案最小成本對比匯總表Tab.4 The minimum cost comparison of the three sources of power solutions for the pumping unit and the construction of the pumped storage units

從表4可以看出，黃色區域為棄風合理區，綠色區域為調停火電機組合理區，橙色區域為建設抽水蓄能合理區。更為通俗的說明為：

如每天的棄風時段較小，或者雖然每次棄風時段較長但每年發生該種棄風事件的天數較少，則棄風較調停常規火電機組或建設抽水蓄能的損失更小；如每次棄風時段較長但年度發生概率較低，則調停/重啟常規火電機組損失更小；如每次棄風時段較長時且年度發生概率較高，則建設抽水蓄能更為經濟。

隨著電力系統有關技術經濟方案不斷變化，表4最經濟方案的變動趨勢為：當棄風的單位價值（標桿電價）降低時，黃/橙區域交界線、黃/綠區域交界線均背離黃色區域移動，黃色區域擴大；當抽水蓄能造價水平提高時，黃/橙區域交界線、綠/橙交界線均往橙色區域移動，橙色區域縮小；當常規火電機組重啟動成本降低時，黃/綠交界線、橙/綠交界線均背離綠色區域移動，綠色區域擴大。簡而言之，經濟社會發展、科學技術進步對上表的影響趨勢是：黃色區域擴大，綠色區域擴大，橙色區域縮小。

上述各表的數據是示意性的。具體數值，應據實從嚴論證、確定。

上述表格是以承擔配合風電等清潔可再生能源為主要功能的抽水蓄能電站投資建設的決策模型。超出上述范圍建設的抽水蓄能，很容易導致產能剩，產生“泡沫”。

上述表格不是以承擔配合風電等清潔可再生能源為主要功能的抽水蓄能電站運行方式的決策模型。對于已經投運的抽水蓄能電站，其建設成本已成為沉沒成本，變動成本相對比較小，應當在所有棄風時段或有調停常規火電機組的情況下發揮抽水填谷功能。

每日棄風時長以及棄風事件年度發生概率，跟風電本身的資源稟賦與系統低谷時段的負荷特性關系有關，主要取決于系統負荷低谷與風電出力在時間上重合的部分。對風電出力特性的分析研究以及系統負荷特性的預測分析，抽水蓄能投資決策的重要基礎，需要提前啟動并切實加強對這項工作的研究。

4 小結

（1）就調峰問題而言，高峰、低谷兩個典型時間點的發電調整能力，是電力系統容量平衡的關鍵。可以認為，只要解決了這兩種極端情況的有功容量平衡，就可以保證日內全過程的有功平衡。峰、谷兩個時間點，又以低谷調峰為問題的主要方面。

（2）針對電力系統的低谷調峰需求，棄風、調停常規火電機組、建設運行抽水蓄能等不同電源方案的技術價值相當。為了滿足相同的調峰需求（設為a），要么棄風a，要么停火電2a，要么停燃氣機組2a，要么運行抽水蓄能機組0.67a。如果要做出科學的投資決策，需要進一步比較不同電源方案的經濟指標。

（3）文章提供了棄風、調停常規火電機組、建設運行抽水蓄能等各種電源方案的經濟性計算模型，并提供了示意數據，并就發展趨勢進行了預測。

（4）以調峰填谷功能為主的抽水蓄能電站的能量指標（電站裝機容量和機組利用小時數）確定原則，應以抽水需求為導向，而不是傳統的發電需求。

（5）抽水蓄能電站在調峰填谷中的作用，表現為避免常規火電機組停機/重啟調峰，而不是傳統意義上的降低常規火電機組低谷時段發電煤耗。

（6）抽水蓄能投資決策，應當高度重視常規火電機組技術進步，特別是低谷調峰能力的改善和停機重啟技術方案和經濟性的變化。

（7）傳統理論低估了抽水蓄能機組的調峰能力。抽水蓄能機組的調峰能力（避免常規火電機組停機調峰的能力）是300%，而不是傳統意義上的200%。

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2017-05-01

2017-05-30

陳同法（1976—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能發展理論。E-mail ： tongfa-chen@sgxy.sgcc.com.cn

張 毅（1988—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站技術管理。E-mail： zhangyi09421@163.com

王德敏（1979—），男，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站工程經濟等，E-mail：demin-wang@sgxy.sgcc.com.cn

Abandon the wind, mediation thermal power or develop pumped storage?——Research on Peak Performance of Pumped Storage Power Station

CHEN Tongfa1，ZHANG Yi2，WANG Demin1
（1.State Grid Xinyuan Company Limited，Beijing 100761，China；2. Beijing Shisanling Pumped Storage Power Station，State Grid Xinyuan Company Limited，Xianju 102200，China）

Pumped storage units have various operation modes such as pumping and power generation， and the switching between different operating conditions is flexible. The technology characteristics of pumped storage unit， making it a good load power supply， the optimization of system power supply structure， promote clean renewable energy sources such as wind power large-scale development plays a very important role. This article obtains from the power system operation rule， through the establishment of a rigorous mathematical model， specify regulating principle， the low value of pumped storage unit， and abandon the wind， mediation thermal power unit and the development relations between the technical and economic comparison of pumped storage

pumped storage；low load；performance；new energy

TM612

A學科代碼：470.4047

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.010