抽水蓄能電站本質(zhì)功能分析

陳同法，張毅

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；

2.國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵電廠，北京市 102200）

抽水蓄能電站本質(zhì)功能分析

陳同法1，張毅2

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；

2.國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵電廠，北京市 102200）

抽水蓄能技術必要性、經(jīng)濟可行性、政策支撐（電價政策）是抽水蓄能健康可持續(xù)發(fā)展的三個核心問題。我國傳統(tǒng)的抽水蓄能發(fā)展理論以“抽水蓄能調(diào)峰填谷-促進電力系統(tǒng)節(jié)煤”作為基本出發(fā)點，構建了“抽水蓄能電站的建設旨在服務電力系統(tǒng)，提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平，降低系統(tǒng)總的建設、運行成本”的理論體系。隨著經(jīng)濟社會和電力工業(yè)的快速發(fā)展，上述理論已經(jīng)漸漸落后于我國抽水蓄能發(fā)展的實踐，不能繼續(xù)科學地回答工作實踐中遇到的問題。為了推動抽水蓄能科學健康發(fā)展，有必要發(fā)展創(chuàng)新抽水蓄能發(fā)展理論。本文在深入分析電力工業(yè)新發(fā)展、電力系統(tǒng)的新特點以及抽水蓄能的技術特征，準確把握電網(wǎng)和各類電源特性的基礎上，分析確立抽水蓄能的本質(zhì)功能，為建立更為科學的抽水蓄能發(fā)展理論提供參考。

抽水蓄能；本質(zhì)；功能

0 引言

抽水蓄能機組具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等功能。它的服務對象是電力系統(tǒng)。因而，抽水蓄能本質(zhì)功能及其發(fā)揮情況，取決于電力系統(tǒng)的需求和抽水蓄能自身特性兩個方面。

1 電力系統(tǒng)的基本特點

電力系統(tǒng)的運行機理十分復雜。簡單起見，本文僅就與抽水蓄能顯著相關的特點加以分析說明。

電力系統(tǒng)是由若干發(fā)電機、變壓器、電力線路和用電設備等組成（見圖1），簡單起見，可簡化為電源（裝機容量以G表示，發(fā)電功率以PG表示）、電網(wǎng)和電力用戶（用電負荷的容量以L表示，功率以PL表示）三部分，有關線損、轉換損失包含在相應的環(huán)節(jié)中（見圖 2）。

1.1 電力系統(tǒng)的一般特性

1.1.1 裝機容量保證

從裝機容量的角度，應有G≥L。足夠大的發(fā)電供給能力，是電力系統(tǒng)正常運行的基本保障。

1.1.2 有功平衡

電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用是同時進行的，所以有功的供需平衡必須隨時滿足PG（t）≡PL（t）。有功平衡維持穩(wěn)定的情況下，電網(wǎng)會穩(wěn)定在額定頻率fn。

用電負荷PL隨時間t不斷變化是電力系統(tǒng)的重要特征。一般來說，負荷有如下幾種變化情況：

圖1 電力系統(tǒng)圖Fig. 1 Power system diagram

圖2 電力系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of power system

一是變化周期一般小于10s的隨機分量，幅值一般不會太大。本文稱其為負荷對電網(wǎng)的“第一類沖擊”。二是變化周期在10s～3min的脈動分量，其變化幅度比隨機分量的幅值要大一些。本文稱其為負荷對電網(wǎng)的“第二類沖擊”。

“第一類沖擊”和“第二類沖擊”的共同特征是PL在量的方面變化比較小，但是變化的過程非常快，“質(zhì)”（負荷調(diào)整的速度）是主要矛盾，“量”是次要矛盾。這兩類“沖擊”都會導致電能瞬時供需偏離穩(wěn)定平衡狀態(tài)，導致系統(tǒng)頻率f發(fā)生波動，偏離額定頻率fn。頻率變化既是系統(tǒng)電能瞬間供需不平衡的本能反應，也是啟動系統(tǒng)調(diào)頻手段以期恢復系統(tǒng)平衡的指令。該類問題的產(chǎn)生以及解決，稱為系統(tǒng)的調(diào)頻問題。一般而言，常規(guī)火電機組能夠比較理想地完成電力系統(tǒng)的調(diào)頻需求。

三是變化十分緩慢并帶有周期規(guī)律的負荷，這是工廠作息制度、居民生活習慣以及氣象條件變化等造成的，也是負荷變化的主體。根據(jù)分析周期的不同，用電負荷分別呈現(xiàn)典型的日內(nèi)負荷變化規(guī)律、周內(nèi)負荷變化規(guī)律和年內(nèi)負荷變化規(guī)律。本文統(tǒng)稱其為負荷對電網(wǎng)的“第三類沖擊”。其特點是隨著時間t的變化，PL在量的方面變化非常大，但是變化過程比較緩慢，“量”是主要矛盾，“質(zhì)”是次要矛盾。該問題歸結為系統(tǒng)的調(diào)峰問題。系統(tǒng)典型日負荷曲線見圖3。

圖3 電力系統(tǒng)典型日負荷曲線示意圖Fig. 3 Schematic diagram of typical daily load curve of power system

系統(tǒng)調(diào)峰問題突出表現(xiàn)在高峰和低谷兩個關鍵點。其中，高峰需求如上文G≥L的要求；低谷需求，則要求電源在負荷低谷期間，能夠將發(fā)電出力降下來，具備良好的低谷調(diào)峰能力。一般來說，β=Pmim/Pmax≈60%。調(diào)峰問題，特別是低谷調(diào)峰問題，是電力系統(tǒng)的突出問題，需要多措并舉予以解決。

四是電力系統(tǒng)緊急事故，系統(tǒng)瞬間產(chǎn)生較大規(guī)模的發(fā)電供給容量缺失。本文稱其為負荷對電網(wǎng)的“第2.5類沖擊”。其特點是，PL在量的方面變化很大，而且變化的過程非常快。“量”和“質(zhì)”兩方面都對PG的應對能力有較高需求。該問題歸結為系統(tǒng)緊急事故。緊急事故應對，需要一定規(guī)模的能夠在0～10s內(nèi)快速反應、大幅調(diào)整出力范圍的電源。

綜合上述各種因素，圖4是圖3日負荷過程的更確切的表示方式：

圖4 電力系統(tǒng)日負荷變化曲線示意圖Fig. 4 Schematic diagram of daily load change curve of power system

1.1.3 無功平衡

電力系統(tǒng)是一個電磁系統(tǒng)，為了正常運行，需要一定的無功。該問題表現(xiàn)為系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，稱為系統(tǒng)的調(diào)相問題。

一般來說，無功可以就地平衡（避免浪費線路輸送資源），而且無功設備相對十分低廉，解決方式也比較多。

1.1.4 功角平衡

真實的電力系統(tǒng)，由一系列子系統(tǒng)進一步聯(lián)網(wǎng)組成（見圖5）。顯然，有

圖5所示的電力系統(tǒng)有兩方面的重要特征：

圖5 電力系統(tǒng)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of power system

如果電網(wǎng)結構十分堅強，子系統(tǒng)間的聯(lián)絡線路十分強大，當任一子系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生供需不平衡時，其余子系統(tǒng)會通過潮流轉移向其轉移電能，使整個系統(tǒng)在瞬間達到新的平衡。

但是，如果電網(wǎng)不夠堅強，子系統(tǒng)間的聯(lián)絡線路不夠強大，當某一子系統(tǒng)發(fā)生供需失衡需要從其余子系統(tǒng)轉移電能，但由于過流能力受限不能及時實現(xiàn)全系統(tǒng)的新的平衡時，便發(fā)生功角失穩(wěn)問題。功角問題的解決，除了要求輸電線路足夠堅強以外，還要求電源點和用電負荷合理配置。

1.2 以特高壓為骨干網(wǎng)架的大規(guī)模電網(wǎng)的主要特征

一是聯(lián)網(wǎng)規(guī)模大。如華東電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)規(guī)模（指最大負荷，下同）超過1.5億kW，華北電網(wǎng)近1.7億kW。

二是大電網(wǎng)的頻率十分穩(wěn)定。如華東電網(wǎng)頻率的正常變動幅度僅為0.001Hz左右。

三是大電網(wǎng)會削弱聯(lián)網(wǎng)之前各獨立電網(wǎng)的峰谷差異。

四是大電網(wǎng)對一般電網(wǎng)事故抵抗能力顯著增強。

五是大電網(wǎng)的重大事故破壞性大，應對方式少，傳統(tǒng)緊急事故備用方式很難有效應對。

1.3 我國電網(wǎng)的發(fā)展趨勢

根據(jù)國家能源發(fā)展規(guī)劃和電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，我國電網(wǎng)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

一是同步電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)規(guī)模將越來越大。

二是清潔可再生能源快速發(fā)展，在系統(tǒng)中的比重越來越大。清潔可再生能源運行特征復雜，對傳統(tǒng)電網(wǎng)運行方式提出了挑戰(zhàn)。

三是作為骨干電源的常規(guī)火電機組的運行靈活性越來越好，低谷調(diào)峰能力越來越強。

2 抽水蓄能機組的功能特性與本質(zhì)功能

2.1 抽水蓄能機組的功能特性

2.1.1 抽水蓄能機組的調(diào)頻性能

發(fā)電機組應對電網(wǎng)“第一類沖擊”的行為稱為“一次調(diào)頻”，即當電力系統(tǒng)頻率變化時，發(fā)電機組的原動機調(diào)速系統(tǒng)會自動改變原動機的輸入，從而改變發(fā)電機的出力，以求系統(tǒng)功率供需平衡，恢復頻率到正常允許偏差范圍之內(nèi)。這一過程稱為發(fā)電機組的一次調(diào)頻頻率。系統(tǒng)頻率變化導致發(fā)電機組輸出功率變化的關系稱為發(fā)電機組的功率—頻率靜態(tài)特性。發(fā)電機組的一次調(diào)頻對系統(tǒng)頻率變化的響應快，可以起快速的緩沖作用，是頻率主動控制的第一道防線。對于火電機組而言，由于發(fā)電機的一次調(diào)節(jié)僅作用于原動機的閥門位置，而未作用于火力發(fā)電機組的燃料系統(tǒng)，當閥門開度增大時，鍋爐中的蓄熱暫時改變了原動機的功率，但由于燃燒系統(tǒng)中的化學能量沒有發(fā)生變化，隨著蓄熱量的減少，原動機的功率很快又會回到原來的水平。因而，火力發(fā)電機組的一次調(diào)節(jié)的作用時間是短暫的。不同類型的火電機組，由于蓄熱量不同，一次調(diào)頻的作用時間為0.5～2min。顯然，只有在系統(tǒng)中運行的機組，才可能貢獻一次調(diào)頻，也就是說無論機組的啟動、爬坡速度多么快，只要不在運行狀態(tài)，就無法發(fā)揮一次調(diào)頻的作用。至于機組的一次調(diào)頻貢獻率，取決于運行機組額定容量，與σ%的整定值有關，與爬坡速度關系不大。一般來說，一次調(diào)頻貢獻率有如下關系：常規(guī)水電＜抽水蓄能＜常規(guī)火電。也就是說，就一次調(diào)頻功能來說，常規(guī)火電機組承擔著主要角色，而抽水蓄能機組并不出色。

發(fā)電機組應對電網(wǎng)“第二類沖擊”的行為稱為“二次調(diào)頻”。二次調(diào)頻由發(fā)電機調(diào)頻器進行、主要對第二種負荷變動引起的頻率偏移進行調(diào)整，通過改變調(diào)頻機組調(diào)速器系統(tǒng)的給定值，改變機組輸出功率使電網(wǎng)頻率回到額定值。系統(tǒng)中主要由調(diào)頻機組承擔二次調(diào)頻任務。由于一次調(diào)頻作用具有衰減性和調(diào)整的有差性，不能單獨實現(xiàn)頻率的無差調(diào)整，因而要實現(xiàn)頻率的無差調(diào)整，必須依靠頻率的二次調(diào)節(jié)。

在協(xié)調(diào)控制的發(fā)電機組中，由于受能量轉換過程的時間限制，頻率二次調(diào)節(jié)對系統(tǒng)負荷變化的響應比一次調(diào)節(jié)慢得多，它的響應時間一般需要1～2min。二次調(diào)節(jié)響應時間慢，不能調(diào)整那些快速的負荷隨機波動，但能有效調(diào)整分鐘級及更長周期的負荷波動。發(fā)電機組二次調(diào)頻的貢獻率，與設備的爬坡速度有關。一般來說，各種設備的爬坡率如下：火電機組1%～2%/min，燃氣機組50%/min，燃氣聯(lián)合循環(huán)機組1%～2%/min，水電機組30%～50%/min，抽水蓄能機組50%/min。二次調(diào)頻意味著較大幅度的出力調(diào)整。對于抽水蓄能機組來講，一次、二次調(diào)頻動作，基本上意味著一次停機轉發(fā)電操作，過于“興師動眾”。就二次調(diào)頻需求在電網(wǎng)中的出現(xiàn)頻率與抽水蓄能機組的運行特性而言，實際上抽水蓄能機組在發(fā)揮二次調(diào)頻功能方面的表現(xiàn)也不突出。

2.1.2 抽水蓄能機組的調(diào)相性能

從電力系統(tǒng)對無功的需求分析，抽水蓄能機組調(diào)相功能的“性價比”比較低。

2.1.3 抽水蓄能機組的低谷調(diào)峰性能

為了維護電力系統(tǒng)的正常運行，負荷低谷期間，發(fā)電負荷也必須要相應地降下來，這種行為稱為系統(tǒng)的低谷調(diào)峰。不同電源的低谷調(diào)峰貢獻效率不同。對于一個由風電、常規(guī)火電、燃氣電站、抽水蓄能電站組成的系統(tǒng)來說，為了達到相同的低谷調(diào)峰效果，要么棄風a，要么調(diào)停火電2a，要么調(diào)停燃氣機組2a，要么運行抽水蓄能機組0.67a（文中“a”為系統(tǒng)低谷調(diào)峰缺口）。

棄風、調(diào)停/重啟常規(guī)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(jīng)濟分析。

2.1.4 抽水蓄能機組的儲能性能

抽水蓄能機組的儲能功能，本質(zhì)上就是抽水蓄能機組的低谷調(diào)峰性能，不宜與可以進行空間位移的化學儲能方式相提并論或混淆。

2.1.5 抽水蓄能機組的緊急事故應對性能

抽水蓄能機組從停機狀態(tài)過渡到滿負荷發(fā)電狀態(tài)，約需200s。該功能與燃氣機組接近。也就是說，就靜止轉發(fā)電工況而言，燃氣機組是抽水蓄能機組緊急事故應對功能的有力替代/競爭者。

另一方面，抽水蓄能機組從滿負荷抽水狀態(tài)過渡到停機狀態(tài)，僅需0～15s，即在系統(tǒng)需要的瞬間提供相當于其裝機規(guī)模的發(fā)電出力。該功能，目前沒有任何電源方式可與匹敵。特別地，電網(wǎng)在系統(tǒng)負荷低谷時相對“脆弱”。此時，抽水蓄能機組一般正在抽水，具備以抽水工況承擔緊急事故備用功能的條件。

特殊情況下，抽水蓄能電站可以邊抽邊發(fā)，以持續(xù)維持電站裝機容量50%的能力瞬間緊急事故應對反應能力。

從上述分析可以看出，緊急事故應對性能，是抽水蓄能機組的突出性能。

2.1.6 抽水蓄能機組的黑啟動性能

抽水蓄能機組可以承擔理想的黑啟動電源。但是該功能的需求概率非常小，“性價比”不高。

2.2 抽水蓄能機組的本質(zhì)功能

從上述分析可以看出，低谷調(diào)峰、緊急事故應對是抽水蓄能機組的本質(zhì)功能。

進一步講，對于電力系統(tǒng)而言，低谷調(diào)峰功能有棄風和調(diào)停火電機組，以及提升火電機組調(diào)峰性能等替代方式，是一種技術資源，需要進一步結合經(jīng)濟分析確定不同方案間的取舍關系；緊急事故應對功能是一種戰(zhàn)略資源，是電力系統(tǒng)的安全運行的重要戰(zhàn)略保障。

3 結束語

（1）低谷調(diào)峰和緊急事故應對是抽水蓄能機組的本質(zhì)功能。

（2）電力系統(tǒng)低谷調(diào)峰的方式很多，如棄風、調(diào)停火電機組或提升火電機組調(diào)峰性能等，因此，抽水蓄能機組的低谷調(diào)峰功能仍然只是一種技術資源。其價值，需要進一步結合經(jīng)濟分析確定不同方案間的取舍關系。

（3）抽水蓄能機組的緊急事故應對功能，特別是抽水工況瞬間切機功能，是一種戰(zhàn)略資源，是電力系統(tǒng)的安全運行的重要戰(zhàn)略保障。

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Analysis on the Essential Function of Pumped Storage Power Station

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

The necessity，economic feasibility and policy support of pumped storage technology are the three core issues of sustainable development of pumped storage. Pumped storage development theory to pumping peak regulation to promote coal power system as the basic starting point of the traditional energy storage in China，established the construction of pumped storage power station to serve the power system，enhance the level of safe and stable operation system，the theoretical system of reducing the total construction cost and operation cost. With the rapid development of the economic society and the electric power industry，the theory has gradually lagged behind the practice of Pumped Storage Development in our country. In order to promote the scientific development of pumped storage，it is necessary to develop the theory of pumped storage development. Based on the new characteristics of the new development of electric power industry，in-depth analysis of the power system and the technical characteristics of pumped storage，accurately grasp the basic characteristics of various types of power grid and power supply，analysis of establishing the essential function of pumping energy storage，to establish a more scientific development theory to provide the reference for pumped storage.

pumped storage； essence； function

TM612

A

470.4047

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.012

2017-01-08

2017-03-05

陳同法（1976—），男，碩士，教授級高級工程師。主要研究方向：抽水蓄能發(fā)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