抽水蓄能變速機組前期規(guī)劃策略初探

趙杰君，欒鳳奎,楊霄霄

(1.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京100024；2.國家電網(wǎng)有限公司，北京100031)

0 引 言

隨著電網(wǎng)中風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源的比例日漸增大，電網(wǎng)的穩(wěn)定運行變得更為困難。在電網(wǎng)運行中，抽水蓄能機組的加入，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起到了一定的保障作用。但目前國內(nèi)建成運行的抽水蓄能機組均為定速機組，定速機組在水泵工況運行時，不能調(diào)節(jié)輸入功率，在電網(wǎng)快速準確進行頻率調(diào)節(jié)方面反應(yīng)較慢。變速蓄能機組是常規(guī)定速蓄能機組發(fā)展到一定規(guī)模后的有益補充，應(yīng)用后可大幅提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平和調(diào)節(jié)能力，改善電網(wǎng)運行條件，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。目前，國外對于變速機組的研究及應(yīng)用均已成熟，國內(nèi)也已開始著手研究可變速機組的可行性及必要性，并已取得階段性成果，但對于可變速蓄能機組前期規(guī)劃策略并未進行系統(tǒng)研究。本文將從可變速蓄能機組的優(yōu)勢、不同電網(wǎng)的需求等方面對抽水蓄能可變速機組在前期規(guī)劃選址方面進行研究，以填補蓄能變速機組選址策略的空白。

1 抽水蓄能變速機組在電網(wǎng)中的優(yōu)勢

抽水蓄能變速機組在電網(wǎng)中的優(yōu)勢有：

(1)具有良好的穩(wěn)定性。與定速機組采用SFC泵工況啟動相比，變速機組采用交流勵磁系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動。由于機組啟動時，交流勵磁系統(tǒng)的輸出頻率逐漸變化，故能實現(xiàn)平滑啟動，能使其在最利于出力的轉(zhuǎn)速下運行。這樣，無論在抽水或發(fā)電工況均可減少對電網(wǎng)的沖擊，從根本上解決以往采用改變電機極數(shù)所帶來的技術(shù)上的麻煩以及諧波等對電機運行性能的影響。同時，變速機組具有一定程度的異步運行能力，即可通過直接用變頻器控制內(nèi)相位角更好地適應(yīng)電力系統(tǒng)擾動，比常規(guī)同步電機具有更好的穩(wěn)定運行性能。

(2)調(diào)節(jié)范圍更大。變速蓄能機組可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可配合電力系統(tǒng)頻率自動控制。根據(jù)大河內(nèi)電站可變機組與傳統(tǒng)蓄能機組的比較，傳統(tǒng)抽水蓄能機組在60%～100%范圍內(nèi)抽水時便不可調(diào)節(jié)，并且在60%以下范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時電力損耗較多；可變速機組發(fā)電時，調(diào)節(jié)范圍可由50%～100%擴大至30%～100%，且電力損耗比傳統(tǒng)定速抽水蓄能機組要少。

(3)調(diào)節(jié)性能更好。變速機組在響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速度方面明顯優(yōu)于定速機組。大河內(nèi)電站400 MW變速機組0.2 s內(nèi)可改變輸出功率32 MW或輸入功率80 MW，而北京十三陵蓄能電廠機組在AGC控制下的調(diào)節(jié)速率約為100 MW/min。從啟動時間來看，變速機組約為2.5 min，定速機組約為5 min。

(4)具有較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功和深度吸收系統(tǒng)無功的功能。據(jù)原蘇聯(lián)對南部聯(lián)合電力系統(tǒng)的研究表明，在750 kV電力系統(tǒng)中，變速機組深度吸收無功后可穩(wěn)定運行，并可顯著減少并聯(lián)電抗器的數(shù)量。變速機組無功調(diào)節(jié)是連續(xù)的，因此它還可以為各種運行狀態(tài)下高壓電網(wǎng)電壓水平的優(yōu)化創(chuàng)造條件，降低電網(wǎng)電能損耗。

2 抽水蓄能變速機組前期規(guī)劃策略

2.1 新能源集中區(qū)域

根據(jù)規(guī)劃，我國2020年非化石能源的比重將達到15%，將大力發(fā)展風(fēng)電、太陽能等清潔和可再生能源。中國風(fēng)能協(xié)會發(fā)布的《2016年中國風(fēng)電裝機容量簡報》指出，截止到2016年底，我國風(fēng)電裝機總?cè)萘窟_1.69億kW。風(fēng)能是一種隨機性、間歇性的能源，本身的特性決定了其發(fā)電穩(wěn)定性和連續(xù)性較差，這就給風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)實時平衡以及保持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)。

從提高資源利用率、減小風(fēng)電等新能源電源對系統(tǒng)的沖擊、提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性等方面考慮，需不斷提高抽水蓄能電站響應(yīng)速度和可調(diào)節(jié)范圍，以提高風(fēng)電等新能源電源和抽水蓄能電站的契合度。變速抽水蓄能機組具有自動跟蹤電網(wǎng)頻率變化和有功功率高速調(diào)節(jié)等優(yōu)越性，一方面，可根據(jù)風(fēng)電等新能源出力過程，更為靈活地跟蹤電網(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，可更好地跟蹤風(fēng)電等穩(wěn)定性差電源的出力過程，從而減小新能源電源對電網(wǎng)的沖擊。

日本小丸川抽水蓄能電站共安裝4臺機組，全部是可變速抽水蓄能機組，安裝的原因是將其作為預(yù)見可再生能源快速增長的風(fēng)險對沖措施。由此可見，當電力系統(tǒng)配有一定規(guī)模的可變速機組后，利用其響應(yīng)速度快的特點，可在全時段進行電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)控制，更有利于可再生能源項目投入電網(wǎng)運行，提高資源利用率。因此，在新能源集中區(qū)域配備一定的抽水蓄能變速機組有利于提高電網(wǎng)與可再生能源電源的契合度。

2.2 特高壓集中區(qū)域

根據(jù)規(guī)劃，到2020年建成“五縱四橫”特高壓“三華”同步電網(wǎng)。電力系統(tǒng)越來越趨于大容量、遠距離、超高壓，重負載等，使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和超高壓輸電線路的無功過剩等問題越來越突出。即，特高壓給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提出更高的要求。

變速機組采用交流勵磁發(fā)電機，能夠有效解決傳統(tǒng)抽水蓄能機組所存在的調(diào)速和水輪發(fā)電機變速運行等問題，從根本上消除諧波等對電機運行性能的影響，能更好地適應(yīng)送端電網(wǎng)對可靠性的需求。可以說，交流勵磁發(fā)電機具有良好的穩(wěn)定性及變速恒頻發(fā)電能力、獨立的有功與無功調(diào)節(jié)能力和較強的進相運行能力，應(yīng)用于抽水蓄能機組對解決特高壓輸電系統(tǒng)中由于充電無功過剩所引起的持續(xù)工頻過電壓及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題起到很好的幫助作用。

2.3 負荷中心區(qū)域

交流勵磁變速電機通過調(diào)節(jié)勵磁電流的幅度，可以調(diào)節(jié)機組發(fā)出或吸收無功分量，調(diào)整功率因數(shù)，特別是可以深吸無功穩(wěn)定運行。調(diào)節(jié)勵磁電流的相位，可以快速完成發(fā)電狀態(tài)的電磁調(diào)節(jié)過程，從而保證發(fā)電機電壓或無功的快速調(diào)節(jié)。有功、無功的獨立調(diào)節(jié)能力將顯著提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性。在負荷突變時，交流勵磁調(diào)速電機可以通過改變頻率的辦法來迅速改變轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子動能，釋放或吸收負荷，使電網(wǎng)的擾動比常規(guī)電機小，從而可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。其次，可變機組通過提高自身的調(diào)節(jié)性能，更有利地保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。再次，可變抽水蓄能機組的調(diào)節(jié)幅度更大，能夠更好地響應(yīng)電力系統(tǒng)功率變化要求。綜合以上分析可以看出，由于可變速抽蓄機組具有調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度較快等特點，以及調(diào)節(jié)幅度大、對電網(wǎng)擾動小等優(yōu)勢，有利于負荷中心的電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

綜合抽水蓄能變速機組在電網(wǎng)中具有反應(yīng)速度更快、調(diào)節(jié)性能更好、調(diào)節(jié)范圍更大等特點，并結(jié)合不同電網(wǎng)的需求發(fā)現(xiàn)，新能源集中區(qū)域、特高壓集中區(qū)域、負荷中心區(qū)域相較其他地區(qū)，更加需要配備一定數(shù)量的抽水蓄能變速機組。因此，在前期選址規(guī)劃時可重點考慮此三類區(qū)域。

3 典型案例分析

京津及冀北電網(wǎng)火電比重較大、電源結(jié)構(gòu)單一，網(wǎng)內(nèi)供熱機組裝機規(guī)模較大，冬季大容量燃煤火電機組被迫超常規(guī)高負荷運行。京津及冀北地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速，電力需求發(fā)展較快，外購電力、電量逐年增加。此外，河北地區(qū)尤其是張家口地區(qū)風(fēng)能資源豐富，作為我國風(fēng)電的千萬千瓦級風(fēng)電基地之一，張北地區(qū)的風(fēng)電裝機規(guī)模持續(xù)加大。由此可以看出，京津及冀北地區(qū)作為負荷高速發(fā)展區(qū)、新能源集中區(qū)以及特高壓受端的綜合區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)選取某個典型案例作為變速機組前期策略的研究對象較為合適。本次研究選取了該區(qū)域2009年抽水蓄能選點規(guī)劃時的尚義站點作為典型案例進行分析。

在對尚義電站展開研究時發(fā)現(xiàn)，規(guī)劃階段擬定的特征水位已充分利用了地形條件，唯一的限制是因為水頭變幅范圍的限制，上下水庫死水位偏高，以至于上水庫死庫容達到400萬m3以上，造成了庫容的浪費。若該電站使用可變速機組，可在正常蓄水位均不變的情況下，降低死水位，更加充分地利用庫容，同等滿發(fā)小時數(shù)下，該電站的裝機容量可提升至1 200 MW。

京津及冀北電網(wǎng)擔(dān)負著北京地區(qū)電力供應(yīng)的重大責(zé)任，也是我國特高壓主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的核心，同時也是我國的幾大千萬千瓦級風(fēng)電基地之一，因此，京津及冀北電網(wǎng)能否安全穩(wěn)定運行就顯得尤為重要。可變速抽蓄機組調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)幅度大，有利于促進京津及冀北電網(wǎng)堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)；另外，在負荷突變時，變速機組對電網(wǎng)的擾動比定速機組要小，能夠有效降低電站啟停對局部電網(wǎng)的沖擊性；同時還可促進風(fēng)電等新能源電源入網(wǎng)的穩(wěn)定及吸收，可以更好地與網(wǎng)內(nèi)其他電源相匹配；使用變速機組后，可使尚義電站的裝機容量由1 000 MW提升至1 200 MW，更為充分地發(fā)揮了蓄能電站的容量效益。

方案比較發(fā)現(xiàn)，定速機組和變速機組在工程地質(zhì)、工程建設(shè)征地和環(huán)境影響方面差別不大；兩種方案上下水庫的正常蓄水位相同，水工樞紐布置基本相同；變速機組較定速機組裝機容量變大，兩方案在廠道布置、機電設(shè)備、施工條件等方面有所差別。根據(jù)投資匡算成果，定速機組方案工程靜態(tài)投資488 091萬元，單位靜態(tài)投資4 881元/kW；變速機組方案工程靜態(tài)投資599 555萬元，單位靜態(tài)投資4 996元/kW。從單位千瓦投資上來看，變速機組投資稍高，但通過費用現(xiàn)值計算發(fā)現(xiàn)，定速、變速方案的費用現(xiàn)值分別為562 447萬、532 237萬元，變速方案較低，所以從系統(tǒng)經(jīng)濟性及長遠看，變速機組還是比較經(jīng)濟的。

綜上，在負荷集中地區(qū)、新能源集中區(qū)域以及特高壓的受端地區(qū)等亟需抽水蓄能這種調(diào)節(jié)性靈活機組的區(qū)域，有時因為利用水頭受限，定速機組的水頭變幅要求較為嚴格，使得在前期蓄能規(guī)劃選點時，電站的裝機規(guī)模過小或是電站不成立。變速機組與定速機組相比，在選址上最大的優(yōu)勢是水頭變幅范圍更為寬泛，在工程條件允許的情況下，水頭變幅范圍更大，電站成立的可能性更大，裝機規(guī)模也有一定提高，可以充分地發(fā)揮蓄能電站的容量效益，也可更為有效地保障系統(tǒng)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié) 論

變速機組具有調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)幅度大、調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)勢，可以較好地調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功和深度吸收系統(tǒng)無功，更好地契合電網(wǎng)中的各類發(fā)電電源，改善電網(wǎng)運行條件，保證電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性。在負荷集中區(qū)域、新能源集中區(qū)域以及特高壓受端區(qū)域，由于其特殊性對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定要求更高，更需要抽蓄變速機組的加入。因此，在抽水蓄能變速機組前期規(guī)劃選址時可重點考慮此三類區(qū)域。