基于系統運行模擬的抽水蓄能變速機組容量配比優化研究

馮君淑,衣傳寶，張富強,萬靜英，元 博，張晉芳

(1.國網能源研究院有限公司，北京102209；2.國網新源控股有限公司，北京100761)

隨著我國新能源和互聯電網的快速發展，電網運行特性發生較大改變，電網調節能力和抗擾動能力有所下降，電力系統穩定形態更加復雜[1]；在尚未形成適應高比例新能源接入的新一代電力系統[2]之前，需要像抽水蓄能機組一類的調節電源保障電力系統安全穩定運行。

近些年，抽水蓄能變速機組技術快速發展，在運行方面展現出了較為突出的優勢[3- 6]。日本是目前抽水蓄能變速機組應用臺數最多的國家，共有超過10座電站、17臺機組；除日本外，變速機組的應用集中于德國。我國已開工豐寧二期抽水蓄能電站等變速機組工程，對保障電網安全穩定運行與促進新能源消納等都具有重大意義[7]。國內對抽水蓄能變速機組的研究集中于變速機組技術及其優越特性，并在變速機組在電力系統中優化配置方面有所涉及。鑒于此，本文從系統運行模擬角度出發進行中長期抽水蓄能變速機組容量配比優化研究。首先構建含抽水蓄能變速機組的電力系統安全約束機組組合模型，建立變速機組容量配比優化模型，研究現有抽水蓄能規劃下的新建恒速機組與變速機組的最優容量比例。

1 抽水蓄能變速機組運行特性分析

抽水蓄能變速機組具有抽水工況可進行自動頻率控制、瞬時有功功率和無功功率的高速調節、發電工況時效率更高、交流勵磁裝置可代替SFC裝置實現自啟動以及更寬的水輪機運行范圍等優點[8]。從系統運行層面來看，優勢主要體現在以下3方面。

(1)抽水功率可調。連續變速抽水蓄能機組通過改變交流勵磁電流的頻率來調節機組轉速，可實現有功功率的調節，通過改變交流勵磁的相位達到快速調節有功功率的目的。這有利于抑制電網有功功率的波動。特別在抽水工況，有著調節機組入力的能力，這是常規蓄能機組無法比擬的[9]。

(2)運行效率提升。變速機組通過改變轉速能更好地分別適應發電和抽水兩種運行工況，使水輪機和水泵的運行效率普遍提高3%～10%左右[10]。在水輪機工況下，恒速水泵水輪機運行時，由于兩種工況的最高效率區不重合，由此易產生水輪機工況總是偏離最優運行區運行。可變速機組能在相應水頭和要求的出力下，通過控制導葉開度和轉速，使效率最高，使機組保持在最佳效率曲線上運行。在水泵工況下，可變速機組由于可以改變轉速，在相同的入力下，其效率要高于恒速機組。

(3)調節范圍加寬。變速機組轉子的轉速可改，能夠適應更寬的水頭(揚程)變幅和功率范圍。通過可變速運行，使機組效率比恒速運行大大提高，而且由于在最佳效率點運行，機組振動、空化等特性也獲得改善，部分負荷運行區域被拓寬，運行水頭范圍也擴大了。與恒速機組相比，變速機組發電調節范圍可由50%～100%擴大至40%～100%，抽水調節范圍可由僅能滿入力抽水擴大至60%～100%[11]。

2 抽水蓄能變速機組容量配比優化模型

本文定義抽水蓄能變速機組容量配比表示，對于給定的電源規劃方案，新建變速機組占所有新建抽水蓄能機組的比例。

2.1 含抽蓄變速機組的安全約束機組組合模型

2.1.1 目標函數

以運行模擬周期內系統運行成本最小為目標函數。系統運行成本包括火電機組的運行成本和啟停成本、CCGT機組的運行成本和模式轉換成本、水電機組和抽水蓄能機組的啟停成本。抽水蓄能恒速機組和變速機組認為啟停成本相同。風電和核電的運行成本較低，目標函數中暫不考慮。

(1)

2.1.2 約束條件

火電機組、CCGT機組、水電機組、核電機組、風電機組、抽水蓄能恒速機組的機組約束參照文獻[12]。

2.1.2.1 抽水蓄能變速機組

抽水蓄能變速機組的抽水功率可以連續變化，與恒速機組受同樣的庫容平衡和發電/抽水狀態約束之外[12]，容量約束與備用容量約束有所變化。

(1)容量約束

(2)

(3)

(2)備用容量約束。上備用：發電狀態可提供的上備用容量為發電功率上限與該時段發電功率的差值；通過發電/抽水間的快速轉換，抽水狀態可提供的上備用容量為抽水功率與發電功率上限之和。

(4)

(5)

2.1.2.2 光伏機組

實際調用的光伏電量約束

(6)

2.1.2.3 網絡安全約束

網絡安全約束為

(7)

式中，M為電網計算節點集合；pm(t)為t時刻節點m的注入功率；lm(t)為t時刻節點m的負荷功率；Pm-n為支路m-n的潮流上限；sm-n(t)為節點m的注入功率對支路m-n的靈敏度。

2.1.2.4 系統功率平衡

(8)

2.1.2.5 系統備用容量約束

(9)

式中，αPwi、βPpv分別為由于風電、光伏的接入而增加的上、下旋轉備用量，其中，α、β分別為風電、光伏的備用比例系數，一般與研究系統的風電和太陽能發電出力特性有關。下備用容量約束與上備用形式相同，不再詳述。

2.2 模型整體流程

基于機組組合的抽水蓄能變速機組容量配比優化模型整體流程如圖1所示。定義抽水蓄能變速機組帶來的系統運行效益為i臺新建變速抽蓄時的抽蓄相關費用Si與無新建變速抽蓄時的抽蓄相關費用S0之差，即系統運行成本增加值與抽蓄投資增加值之差。對抽水蓄能變速機組的容量配比進行優化，即需要求解在什么容量配比下抽水蓄能變速機組帶來的系統運行效益最大。

圖1 模型計算流程

2.3 求解方法

GridView是由美國ABB公司開發的電力行業高級應用軟件，可以模擬考慮輸電安全約束的電力系統運行，包含抽水蓄能變速機組的相關設置，能夠模擬求解上述含抽蓄變速機組的機組組合模型。

3 算例分析

利用上節構建的抽水蓄能變速機組容量配比優化模型，對我國西部某區域進行實證分析，研究區域2015年～2030年的電源裝機結構如表1所示。未來，研究區域新能源裝機占比超過50%，系統運行面臨巨大挑戰。2030年，研究區域共新增500萬kW抽水蓄能機組，假設單臺機組容量為30或35萬kW，共新增15臺抽水蓄能機組。

3.1 系統參數

安全約束機組組合模型按照研究區域實際節點及連接情況進行建模，線路及主要機組運行參數按照2016年實際。抽水蓄能變速機組投資成本參考河北豐寧抽水蓄能電站二期工程，單臺變速機組引起的投資增加為2.71億元[13]，平均單臺工程機組投資增加18.6%。未來，隨著抽水蓄能變速機組標準化設計、建設的推進，預計投資成本將會有所下降，本文取單臺變速機組引起投資增加2.5億元。根據前文介紹，抽水蓄能恒速機組和變速機組的運行參數如表2所示。

表1 2015年～2030年研究區域電源裝機機構 萬kW

表2 抽水蓄能機組運行參數

3.2 結果分析

經過生產模擬分析，研究區域新建抽水蓄能變速機組容量配比在33%左右時，系統運行效益最優，如圖2所示。西部研究區域負荷峰谷差較小，負荷較為平穩，因此利用抽蓄電站進行調峰填谷的需求不大；另外，2020年后，隨著電力市場逐步健全、各類價格機制更加靈活多樣，跨省跨區特高壓線路的運行投產，西部研究區域的新能源消納問題已經得到大幅度解決(2030年降至5%以下)，抽水蓄能機組主要應對短時新能源出力不確定性帶來的系統容量不足問題。

圖2 不同抽水蓄能變速機組容量配比下的系統運行效益

隨著抽水蓄能變速機組容量配比增加，新增抽蓄電站投資成比例上升。當抽水蓄能變速機組容量配比從0開始增長時，由于促進了新能源消納、降低棄能率，零邊際成本的新能源替代了一部分化石能源電量，引發燃料和運維成本的下降，帶來系統運行費用大幅減少。之后，當新能源棄能率幾乎為0后，比再上升時，抽蓄抽發損耗的“負”效益漸漸超過之前促進新能源消納累積的“正”效益，具體表現在，從變速機組容量配比超過50%開始，抽蓄變速機組帶來的系統運行費用的減小量開始下降。

4 結 語

抽水蓄能變速機組具有眾多技術上的優勢，對保障電力系統安全穩定、提高電網運行靈活性作用顯著。從電力系統運行層面來講，抽水蓄能變速機組的裝機容量存在最優配比，從而使考慮變速機組更高投資后的系統整體運行效益最大化。本文針對一個新能源裝機占比超過50%的區域進行研究，發現新建抽水蓄能變速機組容量配比在33%左右時，系統運行效益最優。未來，考慮到抽水蓄能變速機組的優越性能，應加強相關研究，推動我國自主技術創新，開展電站標準化設計工作，不斷降低變速機組投資成本。并針對不同區域電力發展規劃，深化抽水蓄能變速機組容量配比優化研究，與相關部門加強溝通，推動規劃方案的實施落地。