基于運行數據的抽水蓄能電站服務電網能力評估

高 翔，李北晨，劉金躍，李宗華，安維中，陳雨生，孫 勇，王卓瑜

（1．保定易縣抽水蓄能有限公司，河北省保定市 074200；2．華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206；3．國網新源控股有限公司，北京市 100032）

0 引言

抽水蓄能是目前建造規模最大，技術水平最高，經濟成本較優的儲能電源[1][2]，其能夠快速改變運行工況、靈活調節出力大小，在系統中還兼具調峰、調頻、調相、緊急事故備用及黑啟動功能[3][4]，對保障電網安全穩定運行具有重要作用。中國是世界上抽水蓄能電站裝機規模最大的國家，目前國家電網有限公司在運抽水蓄能電站裝機容量2096萬kW[5]，并力爭在2025年經營區內抽水蓄能裝機容量達到5000萬kW[6]。隨著新能源發電比例的大幅提升，國家“碳達峰、碳中和”目標的推進，抽水蓄能電站將承擔起到更加重要的支撐作用。同時，隨著通信技術和數據采集技術的發展，抽水蓄能電站已能夠便捷地獲取海量運行數據，利用這些海量數據，實時量化抽水蓄能電站服務電網能力，能夠為抽水蓄能電站的運行、規劃提供理論依據。

目前抽水蓄能服務電網的各項作用已被廣泛認可[7]，但長久以來通常采用抽水蓄能電站抽水、發電利用小時數、發電量來衡量抽水蓄能電站的利用程度，這些指標忽略了抽水蓄能機組儲能備用的特性。也有文獻通過抽水蓄能投運后產生的經濟效益分析其服務能力，通常分為靜態[8]、動態[9]效益兩類，其中靜態效益主要指抽水蓄能電站在削峰填谷時降低負荷峰谷差產生的效益[10]，而動態效益主要指抽水蓄能電站由于其運行靈活的特點，為系統帶來的附加經濟效益，主要包括調頻、調相、事故備用和黑啟動等效益[11]。也有學者采用指標體系的形式，研究了抽水蓄能調峰、調頻等服務電網能力的貢獻率指標，但并用實際運行數據進行驗證[12]。綜上，目前對抽水蓄能電站服務電網能力評估的相關研究仍較為匱乏。

據此，本文首先定性分析抽水蓄能電站服務電網能力，隨后以租賃制抽水蓄能電站為研究對象，以抽水蓄能電站采集的海量運行數據為基礎，提出一種基于機組運行工況的抽水蓄能電站服務電網能力評估方法，研究成果能夠為全面評價抽水蓄能能力提供理論參考。

1 抽水蓄能電站服務電網能力分析

抽水蓄能電站的發展和應用已有百余年歷史，其服務電網的作用也逐漸被人們熟知。起初，人們單純將抽水蓄能電站作為單一的調峰電源參與系統運行，但隨著抽水蓄能的不斷建設和技術發展，已經廣泛參與了電力系統中的調頻、調相、事故備用和黑啟動等輔助服務。合理綜合量化其服務電網能力是提升抽水蓄能運行水平的基礎。

調峰填谷是抽水蓄能電站最基本的服務電網能力。由于抽水蓄能電站具有抽水和發電兩種運行工況，相較于常規火電機組30%～50%的調峰深度，抽水蓄能電站的調峰容量大致為其裝機容量的兩倍，優勢明顯。對于租賃制的抽水蓄能電站，其調峰填谷能力大小與其庫容和裝機容量相關。

抽水蓄能機組能夠參與系統的一次調頻和自動發電控制（AGC）。按電網調度規定，并網運行的抽水蓄能機組均主動響應系統頻率變化，且按調度指令提供AGC響應。由于一次調頻是并網機組必須提供的服務，大小由預先設定的發電機組調差系數決定，故本文只計及抽水蓄能機組AGC調頻能力。機組的調頻能力可依據機組AGC是否投運，以及機組可用的AGC的調節容量進行衡量。

抽水蓄能機組調相運行是指機組不發出有功功率，只發出無功功率的運行狀態，起到調節系統無功水平、維持系統電壓恒定的作用。抽水蓄能機組在調相工況下運行時可類比為無功補償設備，其調相能力的發揮程度主要取決于機組無功出力占額定調相容量的比例。

抽水蓄能機組具有快速啟動特性，在系統緊急事故中，能夠在短短幾分鐘內從空載到滿載發電，為系統提供大容量備用，還可在抽水工況下緊急切機并迅速滿發，極大地減小了系統的功率缺口，使系統能夠迅速恢復至安全穩定狀態。衡量抽水蓄能機組的緊急事故備用能力主要取決于其上水庫預留庫容量。

抽水蓄能機組是電力系統中優良且理想的黑啟動電源。衡量抽水蓄能機組的黑啟動能力主要取決于在電網黑啟動過程中，抽水蓄能機組能否按照電網黑啟動指令完成黑啟動任務，而與其在黑啟動過程中所發電量和運行時長等并無太大關系。

2 基于運行數據的抽水蓄能電站服務電網能力評估模型

抽水蓄能電站的服務電網能力包括調峰、調頻、調相、事故備用及黑啟動能力，因此其服務電網能力可表達為：

式中：NPSi,j、NFMi,j、NPMi,j、NBUi,j、NBSi,j——調峰、調頻、調相、事故備用及黑啟動能力；

εPSi,j、εFMi,j、εPMi,j、εBUi,j、εBSi,j——各項能力對應的權重。

2.1 抽蓄機組在不同工況下服務電網能力

在不同運行工況Bi,j時，抽蓄機組提供不同服務電網能力，具體如表1所示。

表1 抽水蓄能機組不同工況下服務電網能力Table 1 The ability of the unit to serve the power grid under different operating conditions

2.1.1 發電工況Bi,j=1

抽水蓄能機組運行在發電工況時可同時承擔調峰、調頻任務。當抽水蓄能機組有功功率Pi,j＜PNi，且AGC裝置投運，即Ci,j=1時，機組能全額參與系統調頻任務。當機組有功功率滿發，即Pi,j=PNi，或AGC裝置未投運，即Ci,j=0時，機組將不能發揮調頻能力，此時機組僅承擔調峰任務，不承擔調頻任務。

因此，機組調頻能力為：

式中：PNi——抽水蓄能機組額定有功功率。

機組調峰能力為：

式中：PAGCi——抽水蓄能AGC調節容量。

機組調峰調頻權重分別為：

2.1.2 發電調相工況Bi,j=2

機組運行在發電調相工況時僅承擔系統調相任務。機組調相能力取決于機組實際無功出力與額定調相容量的比值，即：

式中：QNgi——機組i發電調相工況的額定調相容量；

Qi,j——機組實際無功出力。

此時調相權重εPM設為1，其余權重均為零。

2.1.3 抽水工況Bi,j=3

抽水蓄能機組在抽水工況下的服務電網能力可類比發電工況，但需注意的是在一般情況下抽水蓄能機組在抽水工況為滿出力抽水，此時有功出力不可調節。故此工況下機組僅承擔調峰任務，不承擔調頻任務，且調峰能力全額發揮，即：

此工況下抽水蓄能僅發揮調峰能力，故僅將調峰權重εPS設為1，其余權重均設為零。

2.1.4 抽水調相工況Bi,j=4

與發電調相工況下原理相似，抽水調相工況下的機組只提供調相服務能力，即：

2.1.5 停機備用工況Bi,j=5

抽水蓄能機組在停機備用工況下運行時，機組既不抽水也不發電的，并不涉及水庫水位的變化，故抽水蓄能機組僅提供緊急事故備用能力，其大小取決于當前水庫的庫容Ej是否滿足緊急事故備用。緊急事故備用庫容EB為：

式中：KB——電網對抽水蓄能的緊急事故預留比例；

EN——抽水蓄能電站上水庫滿庫容；

ES——抽水蓄能電站上水庫死水位庫容。

則機組緊急事故備用能力為：

式中：EJ——時刻j的上水位庫容。

此工況下，緊急事故備用能力權重εBU=KB，其余各項能力的權重為零。

2.1.6 黑啟動工況Bi,j=7

在黑啟動工況，衡量黑啟動能力的關鍵是抽水蓄能機組是否按照電網指令成功進行黑啟動任務，即：

此工況下黑啟動能力權重εBS=1，其余各項能力權重均為零。

注：線路充電工況Bi,j=6、工況轉換Bi,j=8和退備工況Bi,j=9三種工況不提供服務電網能力，故該工況下抽水蓄能機組服務電網能力為0。

2.2 抽水蓄能電站在評價周期內的服務電網能力

抽水蓄能電站內第i機組第j時段服務電網能力為式（1），則整個抽水蓄能電站在i時段服務電網能力為：

整個抽水蓄能電站在第j時段服務電網能力為：

式中：M——抽水蓄能電站機組臺數。

若評價周期包含T個時段，整個電站在T個時段內的服務能力為：

2.3 評估流程

抽水蓄能電站服務電網能力評估流程如圖1所示。

圖1 抽水蓄能電站服務電網能力評估流程圖Figure 1 Evaluation flowchart

3 評估實例

本文以某實際抽水蓄能電站的運行數據為基礎進行仿真評估。該抽水蓄能電站共有4臺機組，各機組抽水工況額定有功出力為300MW，發電工況額定有功出力為306MW，抽水額定調相容量為170Mvar，發電額定調相容量為150Mvar，機組處于發電工況時AGC均投運且調節容量為153MW，上水庫庫容為485.1萬m3，上水庫死水位庫容為61萬m3，設置緊急事故預留比例為5%。某段時間內該電站各機組運行工況標識記錄如圖2所示，可知該段時間內各機組未運行于調相工況；各機組有功功率如圖3所示；電站上水庫庫容如圖4所示。

圖2 電站各機組運行工況Figure 2 Operating conditions of each unit of the power station

圖3 電站各機組有功功率Figure 3 Output of each unit of the power station

圖4 電站上水庫水位情況Figure 4 The water level of the upper reservoir of the power station

依據前文所述評估模型，計算抽水蓄能機組各時段服務電網能力如圖5所示。

圖5 抽水蓄能電站各機組服務電網能力Figure 5 The ability of each unit of the power station to serve the power grid

抽水蓄能電站各時段服務電網能力如圖6所示。

圖6 抽水蓄能電站服務電網能力Figure 6 The ability of the pumped storage power station to serve the power grid

評估周期內抽水蓄能電站各機組的服務電網能力如表2所示，可以得出，電站第2、3號機組調用較多，第1、4號機組調用較少。經計算得到整個抽水蓄能電站在評價周期內服務電網能力為49.3%，可見該抽水蓄能電站仍有較大利用空間。

表2 抽水蓄能機組的運行數據統計及服務電網能力Table 2 Operating data statistics of pumped storage units and the ability to serve power grid

可對比地，本文將該抽水蓄能電站各機組的抽發電小時數和抽發電量等數據列在表2中。可以看出，從單項指標看，機組運行時間越長，抽發電量越多，其服務電網能力數值也較高，但是綜合各項服務電網能力看，結果是有變化的，如4號機發電量11927.84MW·h，遠高于2號機，但是其服務電網能力小于2號機；3號機的等效抽水發電功率均小于2號機，但其服務電網能力卻比2號機高；4號機的累計運行小時數比1號機多16.96%，但是服務電網能力卻僅比其多8.4%。

此外，停機備用時抽水蓄能機組的服務電網能力與緊急事故預留比例相關，鑒于此，下文將研究緊急事故備用比例對電站服務電網能力的影響。根據圖4運行周期內上水庫水位情況，在不影響抽水蓄能正常運行計劃（上水庫水位始終保持于預留水位之上）的情況下，計算得到緊急事故備用比例最大可達5.9%，當超出這一范圍時，抽水蓄能電站運行中將有更長時間需要調用緊急事故預留庫容，即有更多時段不能全額發揮緊急事故備用能力，但電站的服務電網能力有所提升。具體結果如表3所示。

表3 不同緊急事故預留比例下抽水蓄能電站服務電網能力Table 3 The ability of pumped-storage power stations to serve the grid under different emergency reserve ratios

若不改變抽水蓄能電站的運行情況，按照最大利用水庫庫容對抽水蓄能電站進行調用，即使電站運行過程中最大水位達到理論最大庫容，在保證緊急事故備用比例全額發揮時，緊急事故預留比例可達到18.58%，此時抽水蓄能電站服務電網能力為56.13%，與原情況相比提升明顯。

可見本文所提模型的評估結果綜合反映了抽水蓄能電站作為儲能型電源的服務電網能力，此外，還可通過對上水庫庫容等運行數據的挖掘，為電網合理設置備用庫容預留比例提供參考。因此，本文所述評估模型能夠較好地反映抽水蓄能電站的利用程度與潛在利用空間，從而為合理安排抽水蓄能電站的運行與規劃提供參考。

4 結束語

本文開展了抽水蓄能電站服務電網能力的研究，首先分析了抽蓄電站各項服務電網能力和衡量標準，進而以實際運行數據為基礎，建立了抽蓄電站服務電網能力評估模型，最后通過實例評估了某抽水蓄能電站的服務電網能力。結果表明，本文所提模型能夠定量評估抽水蓄能電站服務電網能力，可以為合理安排抽水蓄能電站的運行方式提供參考。后續研究可以對抽水蓄能電站的調峰和調頻能力進行多種步長的評估，以更有效地衡量抽水蓄能電站的服務電網能力。