抽水蓄能電站功能研究

黃志緒

（國網(wǎng)新源浙江寧海抽水蓄能有限公司， 浙江 寧海 315600）

引言

抽水蓄能電站是常規(guī)發(fā)電形式的革命性變革，是電力建設(shè)的一項(xiàng)重大創(chuàng)新，也是生態(tài)文明建設(shè)的重要典范。抽水蓄能電站為應(yīng)對(duì)突發(fā)性電力供應(yīng)問題提供了有效保障，其在我國電力系統(tǒng)中的作用日益突出。近年來，中國政府越來越重視抽水蓄能電站的開發(fā)建設(shè)，導(dǎo)致抽水蓄能電站的建設(shè)步伐加快，已批準(zhǔn)建設(shè)的抽水蓄能電站無論從數(shù)量上還是規(guī)模上都已創(chuàng)歷史新高。國家“十三五”規(guī)劃中，在能源和電力規(guī)劃方面強(qiáng)調(diào)加快抽水蓄能電站建設(shè)，并明確在“十三五”期間新開工抽水蓄能容量6 000萬kW左右，到2020年我國抽水蓄能運(yùn)行容量將達(dá)到4 000萬kW，抽水蓄能電站建設(shè)規(guī)模將超過7 000萬kW。

1 抽水蓄能電站建設(shè)的公共調(diào)節(jié)功能

1.1 蓄水容量改善電源環(huán)境

抽水蓄能電站能夠有效承載電力系統(tǒng)的工作容量和備用容量，具有極其特殊的作用和價(jià)值。具體來講，當(dāng)用電高峰期時(shí)，它可以與常規(guī)水電站以同樣的方式運(yùn)行，為居民和工業(yè)生產(chǎn)提供充足的電力。當(dāng)電力需求很小時(shí)，它可以轉(zhuǎn)換成用戶，用電來儲(chǔ)存能量，以避免浪費(fèi)電力。

從這個(gè)意義上說，抽水蓄能電站的建設(shè)可以降低其他電廠的裝機(jī)容量，改善供電結(jié)構(gòu)，優(yōu)化環(huán)境，為公眾提供清潔能源的同時(shí)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益。由于容量效應(yīng)，其他電站可以更穩(wěn)定地運(yùn)行，在電力需求大的情況下無需滿負(fù)荷運(yùn)行，大大降低了其他電站的運(yùn)行壓力。此外，抽水蓄能電站對(duì)防洪和灌溉有基本的功能補(bǔ)償，這是對(duì)中國能源結(jié)構(gòu)的良好調(diào)整。抽水蓄能電站具有建設(shè)周期相對(duì)較短、運(yùn)行成本低和操作簡單等優(yōu)勢，抽水蓄能電站建設(shè)可以減少對(duì)中國電力建設(shè)的其他投資，更好地發(fā)揮容量效益。

1.2 電能轉(zhuǎn)換提高經(jīng)濟(jì)效益

能量轉(zhuǎn)換效益，指的是通過抽水蓄能電站的運(yùn)行，利用用電峰谷的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了很好的轉(zhuǎn)化。在用電低谷的時(shí)，利用低價(jià)格的電能來抽水蓄能，在用電高峰時(shí)，將水能轉(zhuǎn)化為電能，此時(shí)的電能為高價(jià)格的電能。通過能量轉(zhuǎn)換的過程，抽水蓄能電站就實(shí)現(xiàn)了效益的轉(zhuǎn)換，取得了更好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，抽水蓄能電站能夠?qū)崿F(xiàn)電能的有效的控制和轉(zhuǎn)換，有助于根據(jù)波峰和波谷不同的電力需求進(jìn)行調(diào)整，更有助于實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站效益的有效性。

1.3 生態(tài)效益節(jié)約能源

作為國家項(xiàng)目，抽水蓄能電站建設(shè)將生態(tài)環(huán)境保護(hù)放在極其重要的位置。和常規(guī)電站相比，抽水蓄能電站生態(tài)效益極高。抽水蓄能電站的建設(shè)可以減少火電的建設(shè)，既可以節(jié)約煤炭資源，反映出更好的整體經(jīng)濟(jì)效益，還可以減少火力發(fā)電產(chǎn)生的煙塵排放對(duì)環(huán)境的危害，生態(tài)效益相對(duì)較高。抽水蓄能電站作為水電站系統(tǒng)峰值填充能力的電站，不僅進(jìn)一步提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，而且充分利用水資源，提高了電能的再利用效率。

抽水蓄能電站不僅在保護(hù)環(huán)境方面發(fā)揮了良好作用，而且在促進(jìn)資源再利用和能源再利用方面發(fā)揮了良好作用，為電網(wǎng)的穩(wěn)定性提供了有力保障。此外，抽水蓄能電站還可以為當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)做出一定的貢獻(xiàn)。總體來看，抽水蓄能電站對(duì)環(huán)境的影響較小，用最小的環(huán)境代價(jià)取得最大的經(jīng)濟(jì)效益，這也體現(xiàn)出其未來發(fā)展的廣闊前景，是值得推廣和建設(shè)的一種水電形式。

1.4 選址深山優(yōu)化山區(qū)道路

大型工程建設(shè)項(xiàng)目對(duì)道路運(yùn)輸和食宿條件有很大需求。我國絕大多數(shù)抽水蓄能電站位于地勢偏遠(yuǎn)的山區(qū)，這些山區(qū)往往經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，交通十分不便。由于許多偏遠(yuǎn)山區(qū)具有獨(dú)特的地形優(yōu)勢，通過抽水蓄能電站項(xiàng)目的建設(shè)，可以極大地改善工程建設(shè)項(xiàng)目所處的偏遠(yuǎn)山區(qū)極大的交通運(yùn)輸條件，不僅能夠打開偏遠(yuǎn)地區(qū)與外界交流的大門，而且為當(dāng)?shù)鼐用竦囊率匙⌒校峁┓浅１憷臈l件。在這一點(diǎn)上一般工程建設(shè)項(xiàng)目無法做到的，這是抽水蓄能發(fā)展建設(shè)方為社會(huì)帶來的一項(xiàng)重要的公共屬性。

2 抽水蓄能電站運(yùn)行的公共調(diào)節(jié)功能

抽水蓄能電站的建設(shè)不僅基于其開發(fā)過程帶來的好處，更重要的是，它在運(yùn)行中起著重要的公共職能。

2.1 調(diào)整能耗平衡日常用電量

由于常規(guī)發(fā)電廠以額定功率發(fā)電，資源消耗最低，運(yùn)行效率最高。對(duì)于火電站來講，在額定功率下發(fā)電，煤的燃燒是最充足的。如果火電站自行調(diào)節(jié)輸出電量，則必然會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)。

調(diào)峰效益，是指在用電高峰期，火力發(fā)電站在超負(fù)荷運(yùn)行的過程中，可以隨時(shí)啟動(dòng)抽水蓄能電站發(fā)電，從而提供持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，降低對(duì)火力發(fā)電站的電力需求，提升資源的使用效率，為居民用電提供了可靠保障，由此而產(chǎn)生的效益被稱為調(diào)峰效益[1]。這種特性源于抽水蓄能電站操作方便、反應(yīng)迅速這些優(yōu)勢。在調(diào)峰的同時(shí)，抽水蓄能電站也具有填谷效益。在用電低谷階段，抽水蓄能電站以抽水的形式消耗其他形式電廠生產(chǎn)的多余電力，并將電能轉(zhuǎn)換為水的勢能儲(chǔ)存起來。調(diào)峰填谷效應(yīng)是抽水蓄能機(jī)組的本質(zhì)功能[2]。

2.2 調(diào)整負(fù)荷快速反應(yīng)穩(wěn)定用電

對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)來說，當(dāng)電網(wǎng)用電負(fù)荷發(fā)生急劇變化時(shí)，在最短的時(shí)間內(nèi)抽水蓄能電站能夠?qū)﹄娋W(wǎng)負(fù)荷變化做出響應(yīng)，尤其在應(yīng)對(duì)高負(fù)荷的時(shí)候，它可以在極短的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行并發(fā)電，這是常規(guī)電站難以效仿的。這一特性在局部地區(qū)出現(xiàn)電站供電問題時(shí)效益更為顯著。抽水蓄能電站號(hào)稱電網(wǎng)的“警察”，能有效保障整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此，在一系列重大電網(wǎng)事故中，它可以在短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，從任何狀態(tài)到滿負(fù)荷發(fā)電，從而抑制事故的擴(kuò)大或系統(tǒng)的崩潰，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

2.3 調(diào)頻調(diào)相穩(wěn)定電網(wǎng)電壓

在電網(wǎng)運(yùn)行的過程當(dāng)中，如果無功功率不足，會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)，從而降低電壓，不同程度地影響電源的整體質(zhì)量，這將給整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來安全隱患。面對(duì)這種情況，常規(guī)的做法是借助調(diào)相機(jī)、補(bǔ)償電容器組等進(jìn)行一些調(diào)整，確保電力并保持電網(wǎng)的安全。

抽水蓄能電站綜合效率可以達(dá)到0.75～0.77，運(yùn)行效率較高且轉(zhuǎn)換工況非常靈活。抽水蓄能電站不但可以調(diào)頻調(diào)相運(yùn)行，還可以在調(diào)相與發(fā)電、抽水等功能之間進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換，所以從根源上來講，不需要常規(guī)調(diào)頻的各種裝置就可以完成相應(yīng)的工作。另外，這些裝置價(jià)格相對(duì)較高，從這一層面上來看，抽水蓄能電站不僅很好地節(jié)約了成本，而且體現(xiàn)出在調(diào)相效益方面的優(yōu)勢。

2.4 隨時(shí)待命保障供電服從指揮

通過隨時(shí)待命來保障供電服從指揮是抽水蓄能電站效益的最大體現(xiàn)，也是其動(dòng)態(tài)效益的重要組成部分。平時(shí)可視為水力發(fā)電機(jī)組，隨時(shí)旋轉(zhuǎn)備用，隨時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)電力事故。電力供應(yīng)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活中起著極其重要的作用。如果發(fā)生供電事故，影響巨大，經(jīng)濟(jì)損失不可估量。因此，在電網(wǎng)規(guī)劃中，滿足正常的電力需求是一項(xiàng)基本要求，更重要的是，必須預(yù)留足夠的備用電力作為電力事故后電網(wǎng)供電的準(zhǔn)備計(jì)劃。

3 “最后一根火柴”的終極保障

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，電力需求也在不斷增長，電網(wǎng)高負(fù)載運(yùn)行的時(shí)間越來越長，而受到各種因素的影響，電網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)一些問題，甚至?xí)绊懙街苓叺貐^(qū)的正常供電，最嚴(yán)重的還可能引起局部電力系統(tǒng)癱瘓。

黑啟動(dòng)，是指整個(gè)系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，系統(tǒng)全部停電（不排除孤立小電網(wǎng)仍維持運(yùn)行），處于全“黑”狀態(tài)，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)。抽水蓄能電站在建設(shè)初期就具備了這種功能，一旦出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，并能在最快的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)供電，保證電力的快速供應(yīng)，避免造成大規(guī)模的社會(huì)恐慌。“最后一根火柴”的終極保障是抽水蓄能電站重要功能的體現(xiàn)[3]。

抽水蓄能電站以其獨(dú)特的運(yùn)行模式和優(yōu)勢，可以在電站建設(shè)過程中改善電力環(huán)境，提高使用效率，節(jié)約能源等方面發(fā)揮作用。同時(shí)，抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中起著調(diào)頻、調(diào)相、待機(jī)和黑啟動(dòng)等動(dòng)態(tài)功能。因此，抽水蓄能電站已成為確保電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的工具和手段。