抽水蓄能電站在電網中的保安功能與效益分析

曾德志 廣東能源集團(云浮)蓄能發電有限公司

隨著人民生活水平的提高，對電力系統的安全運行提出了更高的要求，人們的需求量也在不斷上升，但鑒于人們生活的作息規律和社會生產的需求，電網系統中往往會出現用電峰谷，因此，采取必要的調峰手段來保障電力的盈缺現象，給人們提供一個安全、穩定、節能的用電環境，建設適當比例的抽水蓄電站是必要的。抽水蓄能電站可以在很大程度上保證電網的安全，是電網防御的保安電源，對社會經濟的發展研究有著重大意義。

一、抽水蓄能電站的發展意義

(一)抽水蓄電站的含義及工作原理

抽水蓄能電站又稱為蓄能式水電站。是將電網中低負荷運行時產生的多余的電能轉化為勢能，即利用多余的電能將水抽至上水庫；在電網運營的高峰期將勢能在轉化為電能即在用電高峰期，將抽上來的水下放至下水庫從而產生電能的過程。抽水蓄能電站主要由上水庫、下水庫、疏水系統、地下廠房、地面開關站、和生產樓組成用電低谷期，富余的水電、風電、太陽能，核電通過變電站輸入抽水蓄能電站，電能驅動水輪機組，將下水庫的水抽至上水庫這一過程將電能儲存，綜合來說是將電網負荷低時產生的多余電能轉化為電網高峰期時的需求電能，完成電能與勢能的轉換，保證了設備的安全、穩定運行，還增大了能源的利用效率。

圖1-1 為抽水蓄能電站工作原理

(二)抽水蓄能電站在電網中的合理布局

人類社會的快速發展決定了對工業用地及用電需求量的增加，抽水蓄能電站，在我國起步較晚，因此帶來的經濟效益并不明顯，抽水蓄能電站在本質上是電網管理的工具之一，是作為其他電源的一種補充，并非越多越好，因此抽水蓄能電站的建設應從電力市場的需求出發，制定合理的發展規劃，合理的比重應當是因網而異、因時而異。

(三)抽水蓄能電站的發展意義

1.抽水蓄能電站啟停迅速、運行靈活，對電網的安全、穩定運行起著重要作用：它既是發電廠為發電系統提供峰荷電能，又為用戶消納低谷電能這種峰調模式在減小系統峰谷差時具有雙重作用，是異于其他發電廠的；此外，運行靈活，能對負荷的急劇變化做出快速反應，適合承擔系統調頻及快速跟蹤負荷。

2.抽水蓄能電站可以減少系統燃料的消耗，提高能源的利用效率，具備節能環保的經濟效益。

抽水蓄能技術優缺點：

優點 缺點1.技術成熟度高 1.能量密度低2.使用壽命長 2.地理限制3.自放電率低 3.投資成本高4.整體效率高 4.經濟性差,投資回報周期長5.與其他儲存技術相比，儲存成本極低

二、抽水蓄能電站的安保功能

(一)抽水蓄能電站的發展作用

抽水蓄能電站在低谷時利用電網多余的電力和電量抽水，然后在高峰時段利用低谷時所抽得水量進行發電，補充高峰期用電量，同時承載了調壓、調頻、調峰填谷、事故備用、黑啟動等眾多安保功能，大大價降低了風能、核能、太陽能的峰調負擔和峰調成本，緩解了調峰困難、資源浪費等情況的發生。與此同時抽水蓄能電站的適應能力強，操作靈活，發電速度快，是電網設備極好的事故備用電源。設計操作方便，能適應負荷的急劇變化，可以作為電網電壓的調相電源，同時具有很好的黑功能啟動功能，因此抽水蓄能電站是電網運行與戰略防御的保安電源，為維持電網安全、穩定的運行維護奠定了基礎。

1.調相。即所謂的電壓調節，將各地區的電壓控制在穩定、標準的范圍之內，如在節假日電網負荷低谷期相應的電壓會升高而又無法調節時可以開啟調相功能，保障電壓的正常穩定運行。

2.調頻。即對工作機組的工作頻率進行調整，頻率取決于運行機組承載負荷的能力特性和平衡情況。當機組的運行頻率較低時可進行發電增加系統機組出力；相反當運行頻率較高時可以電能轉化成勢能進行抽水從而增加系統的負荷。

3.調峰填谷。即在電網負荷較低時不發電，而是將水儲存在水庫上，待電網高峰期在轉化為電能，供人們使用。

4.黑啟動。即廠設備運轉進行中地區電網大面積停電的情況下，在外界能源的情況下可自行啟動程序運行來進行電網的恢復，滿足廠用電。

5.事故備用。是電力系統中備用容量的重要組成部分，在發電設備可能發生臨時性或永久性故障而影響供電，因此系統為了確保電力設施供電穩定及用戶設備的安全而設置了一定數量的事故備用電源。

(二)抽水蓄能電站保安電源的設計原則

當蓄能水電站出現停機時有可能與電力系統的廠用電外來電源失去聯系，致使啟動機組無法啟動恢復用電，情況嚴重時會影響大壩度汛安全、廠房可能被淹沒，危及人身設備安全，因此首要問題要先配置合適、可靠的其他電源作為事故保安電源，總體的設計原則有：

1.有相對的獨立性，即廠用電與保安電源不在一個電網系統中，要有備用電源系統，互不干擾。

2.可靠性高，要實現事故保安電源設備和配電故障幾率低，實現自動啟動、自動投入的成功率高。

3.維護工作量小，經濟效益好。

4.電能源質量有保障，即在事故發生的情況下保安電源能夠保證保安負荷狀態下的正常運行。在大功率電動機啟動狀態下的功率、頻率要滿足電廠用電規范的要求。

三、抽水蓄能電站的經濟效益分析

(一)抽水蓄能電站的經濟效益

抽水蓄能電站在電網系統運行中起著關鍵作用，不僅調整了峰谷還產生了較大的經濟效益，避免了資源浪費及超負荷運行對電網造成的沖擊，而抽水蓄能電站的經濟效益大致可分為：

1.靜態效益

靜態效益是指抽水蓄電站在電網中的節能作用。通過調峰谷期，將多余電量轉化儲存，既避免了浪費節約了能源，還可緩解用電高峰期電網緊張的問題。主要包括：

(1)容量效益：抽水蓄能電站的造價低于其他能源電站且工期短，建設抽水蓄能電站調峰，就可以減少其他供電容量，改善能源結構，減少投資。

(2)能量轉換效益：成本較低的低谷電能轉化為和相對較高的峰荷電能，提高了電網的運行速度和運轉效率。

(3)節能效益：根據我國的發展需求需建立起能循環、可持續的經濟體系和資源節約型、環境友好型社會。目前電力系統運行中存在的主要問題是能源結構上的不合理造成的供電矛盾而抽水蓄能電站的工作原理瞧好滿足了電力系統的需求，降低了燃料消耗，提高了經濟效益和環保效益。

(4)環保效益：抽水蓄能電站自身屬于清潔能源，基本不產生污染，但并非不會產生環境影響。主要是水庫淹沒耕地及移民問題，動植物的生態環境等。因此選址要有一定的規劃性，才能將抽水蓄能電站發展成綠色、環保的能源。

2.動態效益

圖3-1 為蓄電站動態效益圖

抽水蓄能電站的動態效益要體現在峰調效益、調頻效益、調壓調相效益以及備用效益等方面。

(1)調峰效益：水蓄能電站不僅可以頂峰發電還可以迎風發電即快速的跟蹤負荷變化。

(2)調頻效益：抽水蓄能機組可根據系統電網的穩定運行情況通過變速器增加或減少出力，從而調整系統機組的頻率變化，以適應系統保證平穩電力的輸出。

(3)調相效益：即調節電網的功率，來確保系統電壓的穩定，基于抽水蓄能機組結構上的優點可以方便地作調相運行，這樣不僅可以保持電網的穩定，而且可以減少電網的網損，不但在空閑時間內可以提供調相作用，在發電和抽水時也可以調相，抽水蓄能機組調相完成后，可以快速的轉化為電能或勢能。

(4)備用效益：蓄能機組適于承擔旋轉備用，對穩定系統的頻率和緩解事故起重要作用，分為負擔備用、事故備用和檢修備用。

(5)負荷跟隨效益：電網負荷總是在不斷變化，當負荷急劇變化時，抽水蓄能機組與其他類型的機組相比，其負荷跟隨快、爬坡能力強。

(6)保安功能效益：保安功能的發揮有利于我國新能源的開發與發展，受益者是電網和整個社會。風能、太陽能等新能源的運行受外界天氣的影響較大，給電網的運行增加了不確定因素，而抽水蓄能電站發揮的調頻功能有利于我國大力開發新能源，促進電力的可持續發展效益。

(二)抽水蓄能電站效益的研究

抽水蓄能電站可有效減少的調峰電源的投資，降低用戶的用電成本。給其他的電源帶來的經濟運行與節煤效益等，最終將部分轉化為降低用戶單位用電成本的效益；用戶的可靠性提高，停電損失減少；電網運行安全可靠性提高帶來經濟效益與政治效益，環保與旅游效益；充分利用資源，促進我國能源的可持續發展的效益。并由電網管理與運營帶來的降低市場改革與運營風險的經濟與社會效益。有利于“西電東送”與“西部大開發”“南北互供”全國大聯網政策的實施，給社會用戶帶來資源優化、可靠性提高的經濟效益。

(三)抽水蓄能電站在“碳中和”時期的戰略性發展

近年來伴隨全球工業化進程的推進，大量的碳排放使得全球溫室效應不斷凸顯，全球生態系統面臨嚴重的破壞，人類的健康也面臨著很大的威脅，因此實現“碳中和”戰略有著深遠的意義。“碳中和”的主要戰略能從根本上提升能源的安全性和環保性。能推動我國新型能源的源頭切換，降低對傳統能源的外部依賴。

為響應“碳中和”的戰略性要求粵西地區根據當地有力的地形環境、豐富的風力資源以及綿長的海岸線等準備建設風電等新能源，這樣不僅能達到合理利用能源的標準還可以減排節能，云浮蓄能發電有限公司作為新能源蓄電公司在電力建設、生產和經營、電量生產、電力及其附屬產品的和銷售等方面都有重要的意義，尤其是云浮水源山抽水蓄能電站的建設，上水庫位于水源山上，下水庫位于新興縣太平鎮水浪村東坑上下水庫同一水系，電站規劃總量1 200MW。抽水蓄能電站是目前技術最成熟的大規模儲能方式，它的投入運行可促進清潔能源的消納，保障電力運行的安全、實現碳達峰和碳中和的目標，推動新能源的快速發展。

四、結語

抽水蓄能電站作為新興的能源儲存結構，不但經濟、壽命長、容量大、適應能力強，而且在電網應用中產生的了很大的經濟效益，使得電網系統安全、穩定的運行，有效地減少了風、核電廠并網運行對電網的沖擊，對實現“碳中和”的發展具有戰略性意義，是一項既安全又經濟的技術措施，建設一定規模的抽水蓄能電站，對電力系統及社會的可持續發展的進行具有重要的意義。