遼寧清原抽水蓄能電站基于不同需求最優運行策略研究

王曉涵

（遼寧省撫順市清原滿族自治縣水務局，遼寧 撫順 113300）

0 引言

抽水蓄能電站是一種儲能水電站，電站承擔任務復雜，運行工況多變，且調度運行方式不能依靠傳統的水電工程規則進行簡單處置。在電力系統負荷低谷時，抽水蓄能電站從下水庫抽至上水庫儲存，將電能轉化為水的勢能；在電力負荷高峰時，從上水庫放水到下水庫發電，對應過程稱為抽水工況和發電工況[1]。抽水蓄能電站作為電網綜合輔助管理工具，以水能轉換為載體，通過提供系統儲能服務和多工況調度運行，在電網中承擔調峰填谷、調頻、調相、備用、黑啟動等任務[2]，是電力系統中重要的穩壓器、調節器和存儲器。遼寧清原抽水蓄能電站針對發電調度運行需求提出相應的調度方式，在防治洪水、冰害和泥沙等方面全面系統地完善了電站服務功能。

1 工程概況

遼寧清原抽水蓄能電站位于遼寧省清原滿族自治縣，樞紐工程主要包括上下水庫、輸水系統、地面開關站及地下廠房系統。工程為I 等大（1）型工程，裝機容量1800 MW。電站上、下水庫為抽水蓄能電站專用水庫，無其他綜合利用要求。電站服務范圍為遼寧電網，主要承擔調峰填谷、調相調頻、事故備用和黑啟動任務。

2 清原電站運行管理方式

2.1 發電調度運行方式

電站為日調節抽水蓄能電站，在遼寧電網中主要承擔調峰、填谷、調頻、調相、緊急事故備用和黑啟動等任務。

1）調峰運行

根據遼寧電網預測2025 水平年負荷特性，遼寧電網冬季早高峰在7：00～11：00，晚高峰出現在17：00～22：00。晚高峰較集中、突出，持續時間為4 h～5 h，需要的調峰容量相對比較大，早高峰較平緩，這段時間系統需要的調峰容量較小。由此分析，遼寧電力系統用電高峰，主要在晚高峰。清原抽水蓄能電站有5 h 發電庫容完全可以滿足電網的調峰需求。

2）填谷運行

電站一般于23：00 開始抽水至6：00 結束，連續抽水歷時約7 h。

3）調頻運行

清原電站具有運行靈活、增減負荷響應及時的優點，在電網系統中可根據頻率變化跟蹤負荷運行，保證系統周波處于允許范圍，從而提升整個系統的供電質量。

4）調相運行

抽水蓄能電站具有調相功能，在不同工況下可通過改變勵磁電流調節系統無功出力彌補系統無功功率不足和消除無功過剩。在無功過剩時，電站可調相運行，吸收系統內無功，降低電壓，以保障電壓在正常范圍內，提高供電質量。

5）緊急事故備用

電站運行時遇電力系統故障，清原電站上、下游水庫在正常水位范圍內運行時，發電工況可利用未帶滿負荷機組發事故出力頂替停運機組；抽水工況可按需要以整臺機組退出水泵運行用以減輕電網負荷，發揮事故備用作用。

清原抽水蓄能電站上、下水庫留有一定的發電備用庫容，可供六臺機發電1 h 左右。因此，可以充分利用調節庫容水量承擔事故備用，事故備用完成后安排機組在系統負荷較低時抽水及時補充。

6）黑啟動運行方式

為維持機組性能保證長期安全穩定運行，清原抽水蓄能電站的黑啟動功能優先按照半黑啟動方式設計。根據選定的廠用電系統接線，由于柴油發電機接在10 kV IV 段母線，系統解列，該電源投入時，可通過合10 kV 母聯開關選擇任一臺機組在交流電源滿足的條件下進行正常啟動，并完成對系統充電。極端情況下，應急電源也無法正常投入時，考慮主機及其附屬系統的設計和制造要按無交流電源情況進行設計，如設置交直流高壓油頂起減載裝置等，此時完全通過直流系統（DC220 V）啟動機組，即在此極端情況下采用全黑啟動方式。

因此，清原抽水蓄能電站可采用半黑啟動和全黑啟動兩種方式確保本電站機組具備黑啟動和遠方遙起的能力。

2.2 配合風電能源運行方式

清原抽水蓄能電站建成后在遼寧電網中承擔調峰和填谷任務，從電站的屬性來看，配合風電運行，可一定程度減少棄風，但應受電網統一調度運行。

當負荷處于低谷時，風電出力突然增大，可根據電網對風電的消納能力，增大清原電站的抽水容量，以減少棄電量；如風電出力突然減小，可適當減小抽水容量，增加抽水時間，以滿足高峰時段的用電要求。

當負荷處于高峰時段，風電出力突然增大，可根據電網對風電的消納能力，減小清原電站的發電容量，適當增加發電時間；如風電出力突然減小，則應加大清原電站發電容量。

當清原電站處于停機狀態，風電出力突然增大時，可開機抽水減少棄風；如風電出力突然減小，可開機發電，平抑電力系統出力，滿足電網運行要求。

2.3 防洪調度運行方式

2.3.1 上水庫

上水庫由于集水面積較小，且具有較好的調蓄能力，因此不再設置專門的泄洪（放空）設施。同時，電站上水庫樞紐布置能夠滿足200 年一遇和2000 年一遇24 h 洪水存蓄要求。因此，上水庫樞紐布置完全能夠滿足自身防洪要求。從安全角度考慮，上水庫水位超過正常蓄水位725 m 后，應停止抽水運行。

2.3.2 下水庫

清原抽水蓄能電站下水庫應保證洪峰前的下泄流量不大于入庫流量，洪峰之后根據上、下水庫蓄水量情況，適當調整下泄流量，保證足夠的發電用水量，避免超泄。下水庫泄洪建筑物主要為溢洪道和泄洪排沙洞，下泄流量不超過壩址天然洪峰流量，下水庫的洪水調度方式如下：

洪水標準不超過200 年一遇時，考慮系統的調峰需要，電站正常發電。隨著洪水泄入下水庫，及時開閘嚴格控制下水庫水位，儲備蓄能電站正產發電對應的調節庫容。當天然來流量大于設計洪峰流量時，考慮電站停止發電，洪水通過溢洪道和泄洪排沙洞泄洪。

2.4 防冰凍運行方式

清原抽水蓄能電站地處北方寒冷地區，根據有關資料分析，上水庫多年平均氣溫為4.1℃，7 月份氣溫最高，多年平均為21.1℃，1 月份氣溫最低，多年平均為-16.7℃。在嚴寒地區，上水庫在距離進出水口較遠區域易形成密實的冰體覆蓋層，靠近進出水口區域受水位升降的作用，冰厚變薄，冰層破碎，形成浮冰、冰花和一定面積的無冰水域。冬季電站應保證每天開啟一定數量的機組，利用水流紊動阻止冰蓋形成。因此，應結合冰凍規律、抽水蓄能電站運行特點，在冰凍期指定行之有效的防冰凍調度運行方式。

保證每日至少有一天機組抽水、發電循環，夜間抽水6 h～8 h，次日早高峰或者晚高峰運行4 h～5 h，通過水流往復運動使水位完成消落和上充的交替變化，利用強紊動和不同水溫交換解決冰凍問題，使上、下水庫不形成整體冰蓋，使冰面不與壩體表面凍結在一起，冰面能夠跟隨水位運行整體作上下運動，不影響電站正常發電。

若遇到機組全部長期停機狀態，應組織專人進行冰情觀測巡視，記錄各處結冰情況，待機組重新發電之前進行針對性的破冰處理，特別是電站進、出水口處的破冰。

2.5 防排沙運行方式

susbed-2 模型為一維恒定平衡輸沙模式計算的非均勻性沙數學模型，通常用于計算和預測水庫及河道水沙和河床變形。采用《Susbed-2》模型計算清原下水庫的泥沙淤積量并預測庫中的泥沙淤積形態。

由計算結果可知：清原下水庫入庫懸移質沙量為1.306 萬t，推懸比取15%，推移質沙量為0.196 萬t，壩址泥沙總量為1.5 萬t。

從淤積計算成果看，壩址以上約2.5 km～3.9 km 范圍內的尖山子村是河流由南北折向東西方向的轉折處，地勢基本平坦，是水庫建成后泥沙淤積集中地區，另有少量推移質淤積在庫尾。建庫50 年后，死庫容損失1.36%，正常蓄水位以下庫容損失2.8%，調節庫容損失2.97%。下水庫進/出水口斷面距離下水庫壩址上游約460 m 估算其50 年淤沙高程為293.4 m。

綜上，清原抽水蓄能電站泥沙問題不嚴重，不設置攔砂壩，下水庫進出水口設置攔沙坎可滿足電站要求。

3 結論

（1）系統研究抽水蓄能電站發電調度運行方式，分析機組黑啟動過程及其關鍵要素提升電網事故應急響應能力，可更好地保障電網的安全運行。

（2）風能是一種隨機性、間歇性的能源，不能提供持續穩定的功率，發電穩定性和連續性較差。清原抽水蓄能電站具有調峰、填谷作用，可平抑風電不穩定的出力，降低風電出力的隨機性對電力系統的影響，減少棄風率。

（3）雖然抽蓄電站不承擔下游防洪任務，不需設防洪控制水位，但在洪水調度設計中應充分調查下游的安全泄量，考慮電站發電運行與下游安全，綜合經濟與可能性進行電站的泄洪設施規模及方式，擬定合適的洪水調度原則。

（4）抽水蓄能電站庫區冰清與常規水電站區別較大，尤其是電站運行條件和庫區冰清的相關性。系統研究寒冷地區抽水蓄能電站庫區冰清演變特征對防治病害具有重要意義。