勒謝拉水電站的升級(jí)改造

[法國(guó)]　 N. 列斐伏爾

?

勒謝拉水電站的升級(jí)改造

[法國(guó)] N. 列斐伏爾

摘要：為減少碳排放，整合可再生能源，歐盟實(shí)施了一個(gè)eStorage項(xiàng)目，旨在致力于將現(xiàn)有的抽水蓄能電站中固定轉(zhuǎn)速機(jī)組改造為可變速的機(jī)組。以勒謝拉(Le Cheylas)工程為實(shí)例，研究在具體工程中需要解決的實(shí)際問(wèn)題，并論證其經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的可行性。對(duì)研究背景和目的、研究過(guò)程中遇到的一些技術(shù)挑戰(zhàn)及其解決方法和措施等情況作了介紹。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；機(jī)組改造；轉(zhuǎn)速；實(shí)例分析；勒謝拉水電站；法國(guó)

1概述

整合大量的可再生能源，同時(shí)減少碳足跡，即碳排放，將需要開(kāi)發(fā)大量的運(yùn)行靈活且無(wú)碳發(fā)電和儲(chǔ)蓄的設(shè)施。在過(guò)去的40 a中，全世界范圍內(nèi)已建成了大量的擁有大裝機(jī)容量(一般為1 000 MW以上和10 GW·h的儲(chǔ)蓄容量)的抽水蓄能電站。

幾乎所有的抽水蓄能電站裝配的都是固定轉(zhuǎn)速的機(jī)組。對(duì)該類(lèi)型機(jī)組的要求是：在抽水模式下，每臺(tái)機(jī)組均為一個(gè)固定的功率；此時(shí)，水泵是停運(yùn)或是滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)水輪機(jī)作泵運(yùn)行時(shí)，它要求其他類(lèi)型的發(fā)電站必須能靈活地保持在線。像奧地利這樣的國(guó)家，其水力發(fā)電占能源結(jié)構(gòu)比例的很大一部分，在保持機(jī)組發(fā)電模式中，部分抽水蓄能電站機(jī)組通常是提供頻率調(diào)節(jié)，而其他機(jī)組則處于抽水運(yùn)行模式。

這種運(yùn)行模式對(duì)循環(huán)效率有一個(gè)比較大的負(fù)面影響，即它是逐步導(dǎo)致使用部分間歇發(fā)電以使上游水庫(kù)中的水變熱。固定的運(yùn)行速度也限制了水力機(jī)組的能力，只有在水輪機(jī)模式運(yùn)行下，才能保持大水頭和流量變化范圍內(nèi)的高效率。

最近，歐洲為抽水蓄能電站研制出了變頻調(diào)速技術(shù)，該技術(shù)帶來(lái)了額外的靈活性，以提供必要的系統(tǒng)服務(wù)，使其成為這些水電站中的最佳解決方案。相對(duì)于普通的水電站，可變速機(jī)組的一個(gè)關(guān)鍵好處是無(wú)論是在抽水運(yùn)行模式還是在發(fā)電模式下，都能對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，而普通的機(jī)組只能在發(fā)電模式下進(jìn)行調(diào)節(jié)。雖然在歐洲一些新的可變速的抽水蓄能電站最近得到許可建設(shè)或是已在建設(shè)中(比如，林塔爾(Linthal)2015，裝機(jī)容量為1 000 MW；楠德蘭獅(Nant de Drance)，裝機(jī)容量為942 MW；新文達(dá)(Venda Nova)，裝機(jī)容量為800 MW)，但是歐洲目前還沒(méi)有關(guān)于將普通電站改造成可變速電站的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

這種轉(zhuǎn)換比建設(shè)新電站要復(fù)雜得多，因?yàn)樗枰c現(xiàn)有的水泵水輪機(jī)的相關(guān)參數(shù)相適應(yīng)。

2eStorage項(xiàng)目

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，在主要利益相關(guān)者(伊利亞-曹(Elia -TSO)、EDF電力公司、帝國(guó)理工學(xué)院(Imperial College)-學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、DNV GL工程咨詢(xún)和阿爾斯通(Alstom)-設(shè)備制造商)之間形成了一個(gè)財(cái)團(tuán)，在歐盟地區(qū)發(fā)揮整個(gè)能源價(jià)值鏈的作用。該財(cái)團(tuán)開(kāi)發(fā)了一個(gè)命名為eStorage的項(xiàng)目，且已由歐盟委員會(huì)通過(guò)FP7授予許可。

eStorage項(xiàng)目的開(kāi)展，旨在研制具有成本效益的解決方案，跨歐盟廣泛部署靈活且可靠的、規(guī)模達(dá)10億kW·h的可變速抽水蓄能電站；同時(shí)提高網(wǎng)格化管理系統(tǒng)，以改善能源管理和大規(guī)模地推進(jìn)可再生能源發(fā)電成本效益的整合，從而促進(jìn)2020年目標(biāo)的完成以及達(dá)成2050年歐洲能源政策愿景。

根據(jù)上述未來(lái)的歐洲系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn)，基于可再生能源的一大貢獻(xiàn)， 針對(duì)eStorage項(xiàng)目，已制定出以下具體的目標(biāo)。

(1) 對(duì)現(xiàn)有的勒謝拉抽水蓄能電站改造升級(jí)為可變速式的可行性開(kāi)展論證，內(nèi)容包括：在抽水運(yùn)行模式下的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，具有的新的調(diào)節(jié)能力，以及提高其整體效率和水輪機(jī)模式下的運(yùn)行效率，比如抽水模式。

(2) 尋找更接近實(shí)時(shí)的市場(chǎng)系統(tǒng)，增強(qiáng)和驗(yàn)證IT系統(tǒng)的功能，以論證新的能量?jī)?chǔ)蓄平衡能力。

(3) 在替代性的未來(lái)發(fā)展情景下，對(duì)歐盟進(jìn)行大規(guī)模試運(yùn)行的可變速抽水蓄能電站機(jī)組的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行量化。

(4) 提出對(duì)市場(chǎng)和監(jiān)管框架的修改，為能源儲(chǔ)存建立一個(gè)可行的商業(yè)模式，并使靈活的儲(chǔ)能技術(shù)在歐盟得到大力發(fā)展。

(5) 允許將歐洲75%的抽水蓄能電站機(jī)組(30 GW)升級(jí)為變速式電站，以便在抽水模式的靈活平衡中獲得額外的電力，著力開(kāi)發(fā)和研究技術(shù)解決方案。

本文的研究?jī)?nèi)容主要集中在eStorage項(xiàng)目的第一目標(biāo)，即將勒謝拉抽水蓄能電站機(jī)組升級(jí)改造為可變速式。

3勒謝拉抽水蓄能電站

勒謝拉抽水蓄能電站位于法國(guó)阿爾卑斯(Alps)地區(qū)，自1979年投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，一直由EDF運(yùn)營(yíng)。該電站的投運(yùn)具有以下2個(gè)目的。

(1) 發(fā)電。利用阿爾克(Arc)河從Longefan經(jīng)過(guò)長(zhǎng)20 km的隧道流入弗呂梅(Le Flumet)水庫(kù)的水來(lái)發(fā)電，年均發(fā)電量為550 GW·h。

(2) 儲(chǔ)能。在1 d中，通常是在晚上，將勒謝德水庫(kù)的水抽送至弗呂梅水庫(kù)。

該電站只有一個(gè)廠房，里面配備有2臺(tái)功率均為270 MVA的可逆式機(jī)組，且均為豎軸式。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的輸水系統(tǒng)將廠房和水庫(kù)連接起來(lái)。該工程擬通過(guò)eStorage項(xiàng)目將2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)換為變速式。未來(lái)的運(yùn)行仍將為2種運(yùn)行模式，但更具頻率響應(yīng)功能且效率也會(huì)有所提高。

在2010年，為了實(shí)施維修，1號(hào)機(jī)組被拆除。對(duì)拆除后的1號(hào)機(jī)組的所有主要部件組件(球形閥、水泵-水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)馬達(dá))均進(jìn)行了檢查維護(hù)。檢查結(jié)果表明，設(shè)備狀況良好，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的修護(hù)處理。已經(jīng)把原來(lái)設(shè)備的服務(wù)功能還原，在本次維修以后，1號(hào)機(jī)組仍將繼續(xù)在一個(gè)固定的旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)運(yùn)行。

在2010年，對(duì)2號(hào)機(jī)組進(jìn)行了同樣的檢查，檢查結(jié)果表明，其性能狀況良好。該機(jī)組可以選擇進(jìn)行類(lèi)似的維護(hù)操作，并能長(zhǎng)時(shí)間地繼續(xù)運(yùn)行，其性能和運(yùn)行水平與1號(hào)機(jī)組的相同，或是有可能被轉(zhuǎn)換為變速式。經(jīng)過(guò)研究，最終的選擇是將其轉(zhuǎn)換為變速式。

4技術(shù)問(wèn)題

4.1水力設(shè)計(jì)

為了充分利用抽水模式下的功率調(diào)節(jié)，水力設(shè)計(jì)必須允許增加水流量的變化。最初的設(shè)計(jì)是無(wú)法預(yù)見(jiàn)在這樣條件下的操作，所以必須重新進(jìn)行水力設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)是允許全揚(yáng)程范圍內(nèi)抽水模式下的功率變化為80 MW(即恒功率變化接近機(jī)組額定功率的30%，其較大的擴(kuò)展速度變化范圍為±7%)。泵和轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)代表了在變頻調(diào)速技術(shù)和升級(jí)改造之間所面臨的兩難選擇的挑戰(zhàn)。

該泵的設(shè)計(jì)是變速升級(jí)的關(guān)鍵部分。相比“傳統(tǒng)”的水泵水輪機(jī)升級(jí)改造，2個(gè)新的水力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將面臨設(shè)計(jì)條件的挑戰(zhàn)。泵站低功率的下限是根據(jù)一個(gè)不可能去操作而且也不穩(wěn)定的區(qū)域設(shè)定的(稱(chēng)為隆起區(qū))，而高功率上限則是根據(jù)汽蝕現(xiàn)象來(lái)確定的。

由于需要對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)部分進(jìn)行改造，且可以自由選擇旋轉(zhuǎn)速度，因此，從水力學(xué)的角度來(lái)看，選擇新的參考速度正好可以在汽蝕和峰值標(biāo)準(zhǔn)之間起到平衡的作用。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，需將現(xiàn)有的參考速度作為最佳的解決方案，以最大限度地提高作泵運(yùn)行的功率變化幅度。

出于成本以及其他一些原因的考慮，決定僅對(duì)非嵌入式的部分實(shí)施改造，即只對(duì)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉進(jìn)行升級(jí)改造。這些組件具有較高的水流速度，并且它們會(huì)帶來(lái)最佳效率/成本權(quán)衡，因此，選擇保留現(xiàn)有的通風(fēng)管道、座環(huán)和蝸殼。

一個(gè)額外的約束條件是水輪機(jī)必須仍然與現(xiàn)有的瞬變性能相匹配，特別是考慮到不會(huì)對(duì)另一臺(tái)機(jī)組實(shí)施升級(jí)改造，這就導(dǎo)致了更大的挑戰(zhàn)。雖然有這些約束，但是在水輪機(jī)模式下，效率的提高仍將高達(dá)幾百分之幾，這是根據(jù)進(jìn)行模型試驗(yàn)的結(jié)果而預(yù)測(cè)出來(lái)的。

4.2電氣設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有的機(jī)坑內(nèi)，在對(duì)一種新的雙饋異步電動(dòng)機(jī)(DFIM)進(jìn)行安裝時(shí)，需要對(duì)其安裝時(shí)的空間局限性給予特別的注意，比如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輔助接口等。新型變頻器的集成會(huì)直接影響到對(duì)空間的要求、冷卻系統(tǒng)和電力的供應(yīng)。因此，這也是工程項(xiàng)目前期要進(jìn)行核實(shí)的關(guān)鍵因素之一。

關(guān)于DFIM的技術(shù)，已在相當(dāng)多的文獻(xiàn)中均有討論。采用IGBT或IGCT電壓源逆變器時(shí)，首選的是交流變頻器，因?yàn)樗軐?duì)電網(wǎng)作出快速響應(yīng)。此外，由于逆變器不需要無(wú)功功率的電力電子裝置的交換，因此電機(jī)的體積會(huì)更小。特別是在對(duì)一座電站進(jìn)行升級(jí)改造，并將新的組件安裝到現(xiàn)有的土建工程中時(shí)，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。此外，沒(méi)有次諧波的注入，就不會(huì)產(chǎn)生次同步共振。DFIM技術(shù)在阿爾斯通公司所屬的所有變速抽水蓄能工程中都得到了采用。采用DFIM設(shè)計(jì)是因?yàn)樗鼘?duì)于所給定的約束能做出最好的權(quán)衡。

保留現(xiàn)有的定子被認(rèn)為是減少無(wú)功電源供應(yīng)。該頻率轉(zhuǎn)換器可提供部分無(wú)功功率。然而，在這樣的情況下，定子繞組需要與轉(zhuǎn)子繞組相兼容。在發(fā)電模式中，要求將一個(gè)功率因素從0.91減少到0.85，這樣就勢(shì)必需要對(duì)現(xiàn)有的定子進(jìn)行更換。

DFIM設(shè)計(jì)的另一個(gè)限制是在發(fā)電機(jī)機(jī)坑內(nèi)必須采用適合的定子和轉(zhuǎn)子。SM 坑的尺寸是限制DFTM最大輸出的一個(gè)因素。

DFIM繞線轉(zhuǎn)子的重量比凸極式同步發(fā)電機(jī)還要重23%，而且比其體積更大，這些都會(huì)影響到轉(zhuǎn)軸的性能。由于是圓柱形轉(zhuǎn)子且體積更大，重量也更大，因此，其利用率要低于同步發(fā)電機(jī)。

除了發(fā)電機(jī)，整個(gè)機(jī)組的電氣設(shè)備都必須重新設(shè)計(jì)：設(shè)備的某些部分可以重復(fù)使用，而其他的則需要更換，且新的設(shè)備必須要適應(yīng)廠房的條件。例如，同步轉(zhuǎn)子勵(lì)磁裝置必須予以拆除，而定子中的MV齒輪可以保留使用。

安裝在廠房里的大多數(shù)新設(shè)備都是為了能給DFTM轉(zhuǎn)子提供支持和服務(wù)。這些設(shè)備包括：

(1) 加在機(jī)組電力變壓器的MV側(cè)的加強(qiáng)型電源；

(2) 短路限流電抗器；

(3) MV斷路器；

(4) 特殊的VSI型變壓器；

(5) 諧波濾波器；

(6) 電壓源逆變器(VSI)；

(7) 從VSI到轉(zhuǎn)子環(huán)網(wǎng)柜的分相母線槽；

(8) 保護(hù)柜內(nèi)通過(guò)電流與電壓的轉(zhuǎn)子；

(9) 用于轉(zhuǎn)子電流和電壓測(cè)量頻率較低時(shí)，非常規(guī)電流互感器和電壓互感器。

需要注意的是，對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁所需設(shè)備最大的配置(VSI變壓器和VSI)大約為150 m2，可能很難在一些地下水電站廠房中找到這樣大的空間面積。因此，大型設(shè)備，比如抽頭變壓器或逆變器模塊，將被安放在電站的外面。

在定子側(cè)，需要放置更多的傳統(tǒng)設(shè)備裝置，主要包括：

(1) 分相母線槽(在現(xiàn)有的同步機(jī)組中可重復(fù)使用的部分)；

(2) 用于DFTM電機(jī)模式起動(dòng)或制動(dòng)的短路斷路器，并再生成制動(dòng)順序；

(3) 發(fā)電機(jī)斷路器(GCB)，根據(jù)其使用狀況和評(píng)估等級(jí)，也許可以考慮更換新的GCB；

(4) 相位反轉(zhuǎn)斷路器，是否需要繼續(xù)使用或更換，取決于它的狀態(tài)、老化程度和評(píng)估等級(jí)。

最后，同樣重要的是，機(jī)組功率變壓器應(yīng)予以更換以適應(yīng)更高的MVA評(píng)級(jí)。這種置換提供了一個(gè)提高定子電壓和電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件。

同步機(jī)組的一些重要特性，比如黑啟動(dòng)操作、分離網(wǎng)絡(luò)反饋或線路充電能力，也必須由變轉(zhuǎn)速機(jī)組來(lái)承擔(dān)。獲取黑啟動(dòng)操作并沒(méi)有為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁提供能量，由于低功率饋線，使VSI通電足以在定子一側(cè)產(chǎn)生電壓并形成定子電壓。

獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)或線路輸電容量，是同步機(jī)組所面臨的又一個(gè)挑戰(zhàn)。

4.3機(jī)械設(shè)計(jì)

水力學(xué)研究結(jié)果表明，對(duì)額定速度進(jìn)行修改不會(huì)有任何好處，同時(shí)考慮到機(jī)組最大額定功率的功率并沒(méi)有得到實(shí)質(zhì)性的修改，因此，機(jī)組軸線和軸承只是受到水輪機(jī)升級(jí)改造的影響。例如，計(jì)算的最大過(guò)流速度和新轉(zhuǎn)輪的水力負(fù)荷與現(xiàn)有的泵轉(zhuǎn)輪相比，并沒(méi)有反應(yīng)出任何顯著的變化。

與之相反的是，發(fā)動(dòng)機(jī)的升級(jí)換代對(duì)機(jī)床主軸線和軸承的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)有著很大的影響，比如：增加的徑向軸承跨度關(guān)系到轉(zhuǎn)子體積的增加，從而就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的重量大幅度的增加。軸線最重要的特征是自然彎曲頻率，只有重新布置機(jī)組位置才能克服這些困難。例如，發(fā)電機(jī)或者電動(dòng)機(jī)的徑向軸承受到離轉(zhuǎn)子最近位置向上的推力軸承的推力。

推力軸承部分需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，主要基于期望其具有更大的承載能力以支持主要來(lái)自DFIM轉(zhuǎn)子機(jī)組的軸向載荷。有限元計(jì)算結(jié)果表明，最好的做法是將推力軸承放置在水輪機(jī)的頂蓋上。在這種情況下，在水泵-水輪機(jī)頂蓋上，推力軸承支承錐的植入不會(huì)太困難，因?yàn)轫斏w和配電盤(pán)都將被更換成新的。實(shí)際上，這2個(gè)水輪機(jī)部件被更換對(duì)其實(shí)施更新改造會(huì)更有利，主要有以下幾個(gè)原因。

(1) 減少停機(jī)的時(shí)間。

(2) 修改頂蓋層的布置形式，這樣就可以避免更高的頻率激勵(lì)范圍，即從開(kāi)始到變速之間。

新的超重轉(zhuǎn)子要求對(duì)廠房的起重設(shè)備進(jìn)行更新改造。

5經(jīng)濟(jì)分析

關(guān)于對(duì)設(shè)備進(jìn)行更新改造的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)當(dāng)從2個(gè)不同的方面展開(kāi)分析。

(1) 直接關(guān)系到能源發(fā)電。由于水輪機(jī)效率的提高，每年的能源生產(chǎn)以及循環(huán)條件將增多。這兩者將導(dǎo)致產(chǎn)生能源市場(chǎng)的附加值。

(2) 另一個(gè)因素是額外的靈活性，在抽水模式下導(dǎo)致不同的負(fù)載，允許在非高峰期期間提供一些配套服務(wù)。雖然目前市場(chǎng)規(guī)則不承認(rèn)這些新服務(wù)的正確估值，但是在未來(lái)，預(yù)計(jì)將會(huì)在歐洲的間歇性可再生能源發(fā)展中增值。

母親熱淚盈眶地迎接她回來(lái)，吃飯途中母親說(shuō)：“去看看李光北吧，他可是為你坐的牢！”青瓷愣了一下反問(wèn)：“你……你說(shuō)的什么呀？”

5.1增強(qiáng)發(fā)電和循環(huán)機(jī)會(huì)

阿爾斯通公司已經(jīng)對(duì)安裝在發(fā)電機(jī)側(cè)的水輪機(jī)進(jìn)行了模型試驗(yàn)和仿真，以評(píng)估新設(shè)備的可預(yù)見(jiàn)效率。相比于原機(jī)組，在自由回轉(zhuǎn)模式中，全局效率增加了5.2%，在泵送模式中，增加了0.8%。

就發(fā)電量而言，更高的效率會(huì)產(chǎn)生2種效應(yīng)。

(1) 因?yàn)槊苛⒎矫椎牧髁繉?huì)產(chǎn)生比以前多5.2%的電量，所以通過(guò)流量來(lái)提高發(fā)電量?？紤]到勒謝拉抽水蓄能電站安裝有2臺(tái)機(jī)組，而設(shè)計(jì)流量比截流重要得多，相比1號(hào)機(jī)組而言，2號(hào)機(jī)組將優(yōu)先投入運(yùn)行。

(2) 因?yàn)樵黾恿搜h(huán)機(jī)會(huì)，發(fā)電量得以增加。考慮到2號(hào)機(jī)組的新性能，新的存儲(chǔ)效率估計(jì)為82%，而目前運(yùn)行的機(jī)組為72%。因此，市場(chǎng)價(jià)格的上漲使泵模式下的利潤(rùn)降低，這將導(dǎo)致更多的循環(huán)機(jī)會(huì)。

確定提高2號(hào)機(jī)組的生產(chǎn)效率所帶來(lái)的影響，在對(duì)勒謝拉抽水蓄能電站的運(yùn)行建模(在歷史流動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上)時(shí)，已經(jīng)考慮到了現(xiàn)在和將來(lái)的布置情況。正如所預(yù)期的，在現(xiàn)在的情況下，雖然2臺(tái)機(jī)組(表現(xiàn)相同的特征)運(yùn)行條件相似，但大約80%的水可以通過(guò)改造后的2號(hào)機(jī)組流入水輪機(jī)。在新的配置中，1號(hào)機(jī)組是專(zhuān)門(mén)用于高峰期運(yùn)行。這樣就導(dǎo)致每年會(huì)產(chǎn)生45 GW·h的額外的電量，相應(yīng)地也增加了8%的其他發(fā)電。

考慮到循環(huán)方面，每年抽水的持續(xù)時(shí)間不是一個(gè)物理值(比如根據(jù)可用的流量來(lái)發(fā)電)，但是是一個(gè)優(yōu)化的結(jié)果：循環(huán)機(jī)率數(shù)量的變化當(dāng)然是根據(jù)高峰期和非高峰期之間的市場(chǎng)價(jià)值及其全年的分布所得出的。因此，必須在不同的市場(chǎng)條件下實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，并證明在5%~10%之間增加的周期循環(huán)。

轉(zhuǎn)換的第2個(gè)重要方面反映在泵運(yùn)行模式下，將變速技術(shù)提供到不同的功率機(jī)組的可能性，這對(duì)固定轉(zhuǎn)速技術(shù)來(lái)說(shuō)是不可能實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)新功能要求輔助服務(wù)(一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)頻率儲(chǔ)備)是在泵運(yùn)行模式下提供的，與之相適應(yīng)的是低需求或高間歇性時(shí)期的可再生能源發(fā)電。

5.3歐洲電力系統(tǒng)增加的變異性

歐共體及其成員國(guó)推進(jìn)的能源政策為歐洲電力系統(tǒng)構(gòu)思了一個(gè)新的背景，其中，新的可再生能源的特征是具有巨大的發(fā)展。由于它們所依靠的資源在晝夜間和隨季節(jié)波動(dòng)，風(fēng)力和光伏發(fā)電是間歇性的。至于其在能源結(jié)構(gòu)中的比重卻仍不顯著，這種間歇性可以被系統(tǒng)吸收而沒(méi)有任何問(wèn)題：變異性和不確定性是所有電力系統(tǒng)常見(jiàn)的問(wèn)題。

然而，它們?cè)陔娏Y(jié)構(gòu)中的比重得到了增加，相比直到現(xiàn)在已知的，因?yàn)樽儺惙秶鏊诜秶?，就變異性而言，間歇性解決了新的問(wèn)題。例如，基于歐共體藍(lán)圖中對(duì)2050年的規(guī)劃，EDF R&D已經(jīng)模擬預(yù)測(cè)出了在2030年的日均生產(chǎn)量。在冬季期間，在歐洲范圍內(nèi)，平均可用電量為190 GW，但是考慮到不同氣候的變化因素，大約在60~275 GW之間。

關(guān)于間歇性的第2個(gè)問(wèn)題是這些產(chǎn)品的可預(yù)測(cè)性。盡管在過(guò)去幾年中取得了重要進(jìn)展，但氣象科學(xué)提供風(fēng)力和光伏發(fā)電輸出的預(yù)測(cè)不可能完全準(zhǔn)確，也非常不規(guī)范?？紤]到在歐盟27個(gè)裝機(jī)容量為650 GW規(guī)模的間歇性電量(到2050年，與歐盟未來(lái)的藍(lán)圖一致)，在預(yù)測(cè)和發(fā)電之間，僅有1%的變化就會(huì)導(dǎo)致超過(guò)6.5 GW電量的丟失，而且這些丟失的電量必須由電力系統(tǒng)補(bǔ)償。

如今，間歇性發(fā)電的波動(dòng)主要由現(xiàn)有的比較傳統(tǒng)的發(fā)電廠(化石燃料)進(jìn)行補(bǔ)給，這是在調(diào)節(jié)模式(部分負(fù)荷)下操作的。因此，不斷上升的間歇性反饋也會(huì)導(dǎo)致更高的平衡需求，對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)電廠(即比較高的部分負(fù)荷時(shí)間)而言，降低了它們的效率。

此外，在低需求或高RES-E發(fā)電期間，傳統(tǒng)發(fā)電廠不能總是停下來(lái)，考慮到靈活性與常規(guī)發(fā)電廠最小的技術(shù)輸出的需求，減少風(fēng)力或光伏發(fā)電，使能源市場(chǎng)價(jià)格削減。因此，在這些時(shí)期特別需要額外的靈活性，以使PSP與作泵運(yùn)行的一段時(shí)間相適應(yīng)。

5.4額外的靈活性

以目前的配置，勒謝拉抽水蓄能電站已經(jīng)能夠在水輪機(jī)模式下靈活地運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組的升級(jí)改造也不會(huì)改變這一靈活特性。在泵運(yùn)行模式下，升級(jí)改造將使它能夠?qū)㈩l率控制在±40 MW，且在需要靈活性期間會(huì)更加準(zhǔn)確。為了對(duì)這些新的服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，考慮到可能性(或者不可能性)，勒謝拉抽水蓄能電站的運(yùn)行已模型化以對(duì)蓄水量進(jìn)行調(diào)控。在法國(guó)，輔助服務(wù)目前的報(bào)酬是通過(guò)發(fā)電機(jī)和TSO(RTE)之間的雙邊合同來(lái)確定的，一個(gè)值并不代表實(shí)際成本。

因此，評(píng)估是根據(jù)運(yùn)行狀況和歷年的運(yùn)行條件進(jìn)行的。為了不同的狀況，已決定持續(xù)模擬3 a(即2010~2012年)。然后，對(duì)每天運(yùn)行的數(shù)學(xué)優(yōu)化框架配置檢索新的水輪機(jī)變速值。工具采用的是最高點(diǎn)，內(nèi)部的EDF操作工具能為法國(guó)所有的EDF機(jī)組的日常發(fā)電進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。在這項(xiàng)研究中，已對(duì)所有的勒謝拉抽水蓄能電站機(jī)組建模。

關(guān)于頻率控制的主要結(jié)果如下。

(1) 勒謝拉抽水蓄能電站的蓄水比頻率控制更多。其原發(fā)性和繼發(fā)性?xún)?chǔ)備值總和增加了57%。

(2) 從邏輯上講，這一增長(zhǎng)來(lái)自于2號(hào)機(jī)組的抽水時(shí)長(zhǎng)。

(3) 也來(lái)自新一代發(fā)電時(shí)期。以泵模式運(yùn)行輸送的能量越多，產(chǎn)生的電量也就越多。在產(chǎn)生這種附加能量時(shí)，即對(duì)頻率進(jìn)行了控制。

(4) 2號(hào)機(jī)組幾乎總是提供頻率控制，而不是作泵運(yùn)行，但對(duì)于用于作泵運(yùn)行時(shí)，2號(hào)機(jī)組則是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1號(hào)機(jī)組。

目前的價(jià)格是使用法國(guó)的RTE，以補(bǔ)償電力生產(chǎn)者配送頻率控制的電量：大約為17 C=/MW·h。合同定義的價(jià)格為3 a。RTE通過(guò)與電力生產(chǎn)者之間必須保留每30 min一個(gè)問(wèn)卷的強(qiáng)制性雙邊合同來(lái)安排二次頻率控制。

6結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)階段，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些技術(shù)方面存在的問(wèn)題，并提出了評(píng)估及其相應(yīng)的解決方案，以論證設(shè)想其升級(jí)改造的可行性；接下來(lái)將是建設(shè)階段。相應(yīng)地，機(jī)組不僅將從改進(jìn)的水力設(shè)計(jì)中受益，以實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)和充滿(mǎn)活力的性能，而且也將對(duì)機(jī)組進(jìn)行全部的更新改造以延長(zhǎng)其運(yùn)行壽命。這種類(lèi)型的升級(jí)改造是非常符合成本效益的，相比新建設(shè)的計(jì)劃，會(huì)便宜10倍左右，還可以在一個(gè)更短的時(shí)間內(nèi)完成(比建設(shè)一個(gè)新的工程快3倍左右的速度)。

此外，通過(guò)在抽水模式下發(fā)展存儲(chǔ)容量和靈活性，這種轉(zhuǎn)換可以作為解決方案的一部分，也是作為對(duì)歐洲電力結(jié)構(gòu)中的間歇性發(fā)電重要份額的整合。

雖然目前的市場(chǎng)設(shè)計(jì)不允許在它的真實(shí)的水平上給這些服務(wù)定價(jià)，但是，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始達(dá)成一個(gè)共識(shí)，就是必須要有有效的存儲(chǔ)能力。這些關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)應(yīng)該在未來(lái)能夠找到為更多的水泵水輪機(jī)實(shí)施轉(zhuǎn)換的方法。

(黃麗瑾譚麗華編譯)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：中圖法分類(lèi)號(hào)：TV743A

文章編號(hào)：1006-0081(2015)11-0012-05

收稿日期：2015-09-11