新型電力系統(tǒng)下抽水蓄能電站容量效益分析

黃 浩

（中國電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300000）

工業(yè)時代加速了電力負(fù)荷的增長，發(fā)電廠的建設(shè)已成為潮流，而抽水蓄能電站作為眾多發(fā)電廠形式之一，其發(fā)展空間要大于傳統(tǒng)發(fā)電廠，抽水蓄能電站是一種特殊的能源轉(zhuǎn)換原理，它在電力網(wǎng)負(fù)荷較低的情況下使用較多的電能，將低水位的水從水輪發(fā)電機組輸送到山頂，然后將這部分電力從水輪發(fā)電機組輸送到山頂。

1 抽水蓄能發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)60～70 年代，我國開始進(jìn)行抽水蓄能電站試點建設(shè)，先后建成河北崗南、北京密云等幾座小型抽水蓄能電站。隨著國內(nèi)研究學(xué)者對大型抽水蓄能電站的研究，在80～90 年代，建成廣蓄及北京十三陵等大型抽水蓄能電站。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中的地位越發(fā)突出，在2009～2013 年期間，國家能源局規(guī)劃抽水蓄能電站站點59 個，總裝機容量達(dá)7485 萬kW。“十三五”期間，新增加抽水蓄能電站規(guī)劃站點22 個，規(guī)劃新增總裝機容量2970 萬kW。到2020 年底，我國抽水蓄能電站的總裝機規(guī)模已達(dá)3149 萬kW，而在建的抽水蓄能電站裝機容量總計達(dá)5243 萬kW，同時又進(jìn)一步規(guī)劃電站裝機容量16 億kW。2021 年我國抽水蓄能新增裝機管理規(guī)模達(dá)490 萬kW，新增校準(zhǔn)的裝機規(guī)模容量1370 萬kW。截至2021 年底，我國抽水蓄能電站正在建造及已運行的總計40 座，總裝機達(dá)3639 萬kW，在建抽水蓄能項目48 座，在建總裝機約達(dá)6153 萬kW，中長期規(guī)劃重點實施裝機達(dá)4.1 億kW，中國抽水蓄能在建和已建規(guī)模均位列世界之最。2 抽水蓄能電站建設(shè)的必要性分析2.1 抽水蓄能電站建設(shè)必要性認(rèn)識20 世紀(jì)末，我國投產(chǎn)運行了十三陵、天荒坪、廣州等一批早期的大型抽水蓄能電站，用以增加電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力。這一時期，對大型抽水蓄能電站建設(shè)必要性的分析主要在利用其調(diào)峰能力解決電力系統(tǒng)中調(diào)峰填谷等問題。另外，隨著“西電東送”“北電南送”等一系列國家戰(zhàn)略的實行，國內(nèi)大規(guī)模的核電、風(fēng)電機組迅速發(fā)展，事故風(fēng)險率變得越來越大，電力系統(tǒng)內(nèi)急需一定規(guī)模的緊急事故備用容量來提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。從功能上講，目前抽水蓄能主要承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、事故備用及其他輔助電網(wǎng)運行的功能。考慮到我們“兩碳”目標(biāo)的未來發(fā)展方向和一系列清潔能源戰(zhàn)略的實施，清潔能源將迅速增長，并在需要穩(wěn)定運行、風(fēng)能和太陽能可調(diào)節(jié)的新能源、核能和風(fēng)能方面占有越來越大的份額，這可能會給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來更大的困難，因此，關(guān)于未來加油站建設(shè)需要的論據(jù)應(yīng)遠(yuǎn)優(yōu)于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和安全方面。[1]

2 整體思路

世界許多國家的電力發(fā)展表明，在與大型火力發(fā)電廠、核電站等聯(lián)合運行時，泵電池可以有效地利用資源，并允許電氣系統(tǒng)以最佳狀態(tài)運行，以獲得最佳的電能質(zhì)量和最大的經(jīng)濟(jì)效益。從發(fā)達(dá)國家的角度來看，泵站通常占電網(wǎng)總裝機容量的10%至12%。隨著中國泵電站的快速發(fā)展，泵電站的合理配比問題已成為決定中國泵電站發(fā)展進(jìn)程的關(guān)鍵問題。由于泵電站具有獨特的靜態(tài)和動態(tài)功能，電網(wǎng)迫切需要其進(jìn)入電網(wǎng)，以確保其安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運行，因此在一些地區(qū)建設(shè)泵電站越多越好，盲目地建設(shè)一些當(dāng)?shù)氐男⌒捅秒娬?。因此，一些泵站不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，保持不活躍，導(dǎo)致一些資源浪費。因此，泵電站的合理配比問題已成為泵電站建設(shè)中必須首先解決的問題。抽水蓄能電站的容量效益是其自身的容量給電力系統(tǒng)安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)運行帶來的一種靜態(tài)效益。雖然抽水蓄能電站的投入運行給電力系統(tǒng)帶來的容量效益顯著，但是容量效益在電力系統(tǒng)的整個生產(chǎn)運行過程中難以直接體現(xiàn)。在新型電力系統(tǒng)背景下，火電機組、風(fēng)電機組、光伏機組、水電機組和抽水蓄能電站與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，保障本地負(fù)荷和外送功率的穩(wěn)定供應(yīng)，維持區(qū)域電力系統(tǒng)的電力電量平衡。[2]

3 風(fēng)電并網(wǎng)下的抽水蓄能魯棒最優(yōu)調(diào)頻控制策略

電力系統(tǒng)中頻率穩(wěn)定由有功平衡決定，當(dāng)負(fù)荷功率發(fā)生波動時，采用一次和二次調(diào)頻使系統(tǒng)頻率趨于穩(wěn)定。隨著大量新能源電源的不確定出力接入以及電網(wǎng)中本身存在的隨機性負(fù)荷波動，會給電力系統(tǒng)引入大量持續(xù)的快速功率波動，使得系統(tǒng)的有功功率供需不平衡，惡化系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，對電力系統(tǒng)的頻率控制提出了更高要求，電網(wǎng)亟須一種更為靈活且有效的調(diào)頻手段。抽水蓄能電站作為龐大的有功電源之一，其優(yōu)秀的調(diào)頻能力能更好地應(yīng)對電力系統(tǒng)外部短時和快速的擾動，而隨著大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，系統(tǒng)調(diào)頻需求不斷增加，抽水蓄能機組將在電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)中發(fā)揮出重要作用。然而目前抽水蓄能機組實現(xiàn)調(diào)頻主要采用比例-積分-微分（Proportionalintegral-derivative，PID）反饋控制，但由于PID 控制本身未考慮擾動源的特性，隨著風(fēng)電在電力系統(tǒng)中的比例上升，有功功率不平衡的加劇，抽水蓄能機組的PID 控制頻率調(diào)節(jié)性能會受到限制，不能保證其具有滿意的調(diào)節(jié)性能。魯棒控制常用于不確定系統(tǒng)的控制，已在電力系統(tǒng)調(diào)頻領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。魯棒控制針對被控系統(tǒng)中存在的有界參數(shù)不確定性或者有界擾動，有效維持系統(tǒng)穩(wěn)定。基于負(fù)荷頻率魯棒控制模型，運用果蠅算法對其比例和積分參數(shù)優(yōu)化，驗證了該方法在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中頻率控制的有效性；將魯棒控制應(yīng)用于微電網(wǎng)的負(fù)荷頻率控制上，運用智能算法優(yōu)化范數(shù)權(quán)重來設(shè)計出最優(yōu)魯棒控制器，減小了風(fēng)電功率擾動對系統(tǒng)頻率造成的偏差；在含風(fēng)電并網(wǎng)的電力系統(tǒng)框架下，對抽水蓄能電站運用魯棒控制方法，降低外部擾動對系統(tǒng)頻率產(chǎn)生的影響，仿真結(jié)果驗證了該魯棒控制方法對比傳統(tǒng)PID 控制調(diào)節(jié)的優(yōu)越性。但由于該研究僅考慮了在負(fù)荷不變的情況下，風(fēng)電出力波動對系統(tǒng)造成的頻率偏差，并在利用魯棒控制在解決這類不確定性問題時，其控制系統(tǒng)一般處在系統(tǒng)次優(yōu)狀態(tài)，此時整個系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度相對較低。因此，基于上述問題，對于該研究可以從控制策略上進(jìn)一步改進(jìn)。[3-4]

4 基于抽水蓄能的新型電力系統(tǒng)慣量優(yōu)化控制方法

為實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，風(fēng)電、光伏等可再生能源并網(wǎng)容量將逐步提高，但可再生能源并網(wǎng)容量提高會導(dǎo)致電網(wǎng)慣性水平下降以及穩(wěn)定性能惡化。在電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷時，同步機組退出運行會導(dǎo)致電網(wǎng)慣量水平降低；而新能源機組出力增大時，由于其不具備調(diào)頻能力，亦會導(dǎo)致電網(wǎng)維持頻率穩(wěn)定的安全問題更加突出。在電網(wǎng)的分層控制框架中，輔助控制通常通過集中式方法或分布式方法確定校正項。在集中控制框架中，所有分布式電源的信息都是在控制中心中收集和計算的。由于中心和分布式電源之間的通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，難以保證控制效率。分布式控制是從共識算法發(fā)展而來的，它提供了一種消除偏差的新方法。分布式控制僅使用鄰近信息而不是全局信息，并且比集中控制具有更好的可靠性和對通信故障的較低敏感性。電壓和頻率的收斂速度是微電網(wǎng)分布式控制的研究重點。研究人員提出了許多固定時間和有限時間控制算法來實現(xiàn)電網(wǎng)中分布式能源的快速收斂。不同于電壓、頻率等運行狀態(tài)，慣量是系統(tǒng)的估計值，算法難以直接控制。RoCoF 和頻率最低點是慣性的兩個關(guān)鍵指標(biāo)。大多數(shù)分布式控制方法可以通過快速消除偏差來降低頻率的最低點。抑制RoCoF 是慣性增強需要解決的剩余問題。變化率的控制在分布式控制中很少受到關(guān)注，但頻率偏差控制在電網(wǎng)系統(tǒng)中得到了廣泛的研究。例如，為了避免頻率快速跌落，研究了具有頻率偏差約束的一致性控制問題。電網(wǎng)作為一個多智能體系統(tǒng)，頻率偏差約束方法為電網(wǎng)慣性增強提供了可行的解決方案。[5]

5 面向電力抽水蓄能行業(yè)的智慧物聯(lián)體系技術(shù)

5.1 感知層

隨著信息技術(shù)的發(fā)展及企業(yè)不斷提升精益化管理水平的要求，目前感知層終端存在的主要問題包括終端覆蓋范圍有限，智能化水平不高、功能受限，大多數(shù)終端尚不具備邊緣數(shù)據(jù)交互與處理能力；終端設(shè)備應(yīng)用場景范圍廣，所涉及的通信技術(shù)多樣、協(xié)議復(fù)雜，終端設(shè)備數(shù)據(jù)模型、接口協(xié)議不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)跨專業(yè)協(xié)同共享存在壁壘；終端本地處理能力差，終端之間業(yè)務(wù)協(xié)同能力弱等。（1）測控類智能業(yè)務(wù)終端。主要包括抽蓄電廠監(jiān)控裝置、自動發(fā)電控制/自動電壓控制裝置（AGC/AVC 裝置）、調(diào)速裝置、勵磁裝置、測速裝置、振擺保護(hù)裝置等，完成對抽蓄電廠機組、開關(guān)站、公用和閘門等監(jiān)控對象的運行工況信息的測量與控制，將相應(yīng)的工況信息發(fā)送給計算機監(jiān)控系統(tǒng)，并接受監(jiān)控系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)指令，控制相應(yīng)的執(zhí)行元件調(diào)節(jié)水輪機組的運行情況，保證電站按照調(diào)控安全穩(wěn)定運行。（2）監(jiān)測類智能業(yè)務(wù)終端。包括智能數(shù)據(jù)采集裝置、一體化無線傳感采集終端及低功耗無線采集終端。按專業(yè)又可分為發(fā)電設(shè)備監(jiān)測終端、水情測報終端、大壩安全監(jiān)測終端等，主要用于對抽蓄電站機組設(shè)備狀態(tài)、水情、雨情、氣象及大壩安全監(jiān)測類傳感器的自動化采集，將數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式發(fā)送給相應(yīng)的機組在線監(jiān)測、水情測報、大壩安全監(jiān)測等軟件業(yè)務(wù)系統(tǒng)。[6]

5.2 平臺層

通過將物聯(lián)管理平臺（具備模型管理、連接管理、設(shè)備管理、消息處理、能力開放、應(yīng)用管理）與一體化管控平臺融合，形成物聯(lián)數(shù)據(jù)中心，使其具備標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)接入和業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入2 種能力，以支撐已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入和新建（改造）業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)接入，建成電站級數(shù)據(jù)中心滿足數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、共享共用的建設(shè)目標(biāo)。根據(jù)國網(wǎng)公司智慧物聯(lián)體系的要求，物聯(lián)管理平臺實現(xiàn)對各型邊緣物聯(lián)代理、采集終端等設(shè)備的統(tǒng)一在線管理和遠(yuǎn)程運維，應(yīng)具備6 大功能：模型管理、連接管理、設(shè)備管理、消息處理、能力開發(fā)和應(yīng)用管理。其中物聯(lián)管理平臺的“應(yīng)用管理”，包括應(yīng)用包及配置文件上傳、應(yīng)用上架發(fā)布、應(yīng)用狀態(tài)查詢及管理、應(yīng)用升級、容器和APP 下發(fā)安裝、應(yīng)用業(yè)務(wù)配置等。具體而言，即對邊緣物理代理中APP 的在線更新和遠(yuǎn)程運維。[7]

6 算例分析

6.1 參數(shù)設(shè)置

算例中的各項數(shù)據(jù)基于某省電力系統(tǒng)的實際裝機容量、實際本地負(fù)荷和實際省間外送電等數(shù)據(jù)，所采用數(shù)據(jù)的時間間隔為1h。其中電廠的最小功率為裝機容量的一半，抽水蓄能電站的數(shù)據(jù)是根據(jù)省內(nèi)抽水蓄能電站的實際設(shè)計參數(shù)得出的。典型兩天的初始功耗值為300 兆瓦，此泵站的最大功耗為2400 兆瓦，最大功耗為2400 兆瓦，最大功耗為7h。[8]

6.2 容量效益

作為典型的一天，將為電氣系統(tǒng)選擇冬季和夏季負(fù)荷谷中的最小日差，以計算消防系統(tǒng)容量在添加到電氣系統(tǒng)之前和之后的變化：（1）分析降低熱電偶安裝容量的好處，以模擬生產(chǎn)和運行兩種情況。當(dāng)抽水蓄能電站在典型的冬季日連接到電力系統(tǒng)時，與無抽水蓄能電站相比，增加泵站可以減少702MW 的安裝單元數(shù)量，并且在大部分時間內(nèi)可以顯著降低燃燒單元的性能，增加泵站可以減少約3764mwh 的總用電量，從而大大減少電力系統(tǒng)在典型的夏季日模擬生產(chǎn)和運行的碳排放量。當(dāng)抽水蓄能電站連接到電力系統(tǒng)時，與非抽水蓄能電站相比，新增抽水蓄能電站可以減少1544MW 的組合機組數(shù)量，而且大部分時間可以大大降低燃耗，單位總能耗約為7445mwh，與典型冬季相比，新增抽水蓄能電站對降低煤炭和碳排放的影響要大得多。（2）分析抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)運行中的容量和效率，不僅可以降低消防系統(tǒng)的安裝和性能，還可以顯著降低由于本地負(fù)載、出站性能以及新能源的波動而導(dǎo)致的能耗，這些事件更頻繁地發(fā)生在山谷中。

7 結(jié)語

針對電網(wǎng)慣性水平下降的問題，本文基于抽水蓄能機組提出一種新的分布式控制方法補償?shù)蛻T性電網(wǎng)的慣性。（1）分析了抽水蓄能機組調(diào)頻潛力，從水力系統(tǒng)出發(fā)，通過變速運行可以調(diào)節(jié)抽水蓄能機組的流量和揚程，在此基礎(chǔ)上得到了抽水蓄能的有功控制及有功-頻率耦合特性。（2）采用頻率變化和電壓變化來量化頻率和電壓慣性，通過具有約束變化率的分布式算法來增強電網(wǎng)慣性，提出了一種新的分布式控制方法補償?shù)蛻T性電網(wǎng)的慣性。