抽水蓄能電站緊急事故備用功能研究

陳同法，張 毅，萬(wàn)正喜

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵電廠，北京市 102200；3.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江省安吉縣 3133021）

抽水蓄能電站緊急事故備用功能研究

陳同法1，張 毅2，萬(wàn)正喜3

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵電廠，北京市 102200；3.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江省安吉縣 3133021）

應(yīng)對(duì)緊急事故是抽水蓄能電站的重要功能，特別是在特高壓快速發(fā)展，電力系統(tǒng)發(fā)生重大變化的情況下，深入分析并充分發(fā)揮抽水蓄能的緊急事故應(yīng)對(duì)功能，具有十分重要的意義。本文對(duì)抽水蓄能電站緊急事故備用功能進(jìn)行較為系統(tǒng)的總結(jié)，并對(duì)近年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步進(jìn)行理論提升，為抽水蓄能的科學(xué)發(fā)展提供理論參考。

抽水蓄能；電站；緊急事故；備用

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)抽水蓄能技術(shù)必要性和經(jīng)濟(jì)可行性論證的基本著眼點(diǎn)是“調(diào)峰填谷”。隨著特高壓在我國(guó)快速發(fā)展，我國(guó)大部分地區(qū)的電網(wǎng)特點(diǎn)發(fā)生了較為顯著的變化，以“調(diào)峰填谷”作為基本著眼點(diǎn)不再符合我國(guó)大部分地區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)抽水蓄能的實(shí)際。相反，緊急事故應(yīng)對(duì)功能已經(jīng)成為我國(guó)大部分地區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)抽水蓄能的重要技術(shù)必要性指標(biāo)。

特別地，抽水蓄能泵工況緊急切機(jī)功能，可以在“秒級(jí)”提供大容量有功負(fù)荷，是維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的重要戰(zhàn)略性電源資源。

1 傳統(tǒng)“調(diào)峰填谷”理論的問(wèn)題

（1）我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展改變了傳統(tǒng)的抽水蓄能項(xiàng)目立項(xiàng)依據(jù)。

隨著特高壓直流輸電、新能源和核電裝機(jī)的快速發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，電網(wǎng)頻率特性呈惡化趨勢(shì)，大功率缺失情況下電網(wǎng)頻率失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)加大。華東、華中、華北等多直流饋入的受端電網(wǎng)，由于直流替代了大量常規(guī)機(jī)組，導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅下降，系統(tǒng)調(diào)頻容量大量減少，相同功率缺額造成的電網(wǎng)頻率跌幅加大，頻率特性惡化，低谷時(shí)段直流饋入功率較大時(shí)頻率穩(wěn)定問(wèn)題更為突出。新能源裝機(jī)的快速發(fā)展的“三北”地區(qū)，新能源出力占比增加，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和一次調(diào)頻容量呈下降趨勢(shì)，大功率缺失情況下，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定水平降低。

另外，近年來(lái)火電機(jī)組大規(guī)模開(kāi)展節(jié)能環(huán)保和增容改造，在機(jī)組效率提高的同時(shí)一次調(diào)頻能力下降，高參數(shù)滑壓機(jī)組更為明顯。電網(wǎng)大功率缺失情況下，頻率恢復(fù)較慢，甚至導(dǎo)致頻率失穩(wěn)。

大功率缺額情況下，電網(wǎng)頻率恢復(fù)過(guò)程可以分為四個(gè)階段：

階段1：故障后0～3s，一次調(diào)頻動(dòng)作前電網(wǎng)頻率迅速下跌。

階段2：故障后3～30s，一次調(diào)頻動(dòng)作，頻率下跌減緩，繼續(xù)下跌至最低點(diǎn)后逐漸回升。

階段3：故障30s后，二次調(diào)頻啟動(dòng)，電網(wǎng)頻率繼續(xù)恢復(fù)。

階段4：故障100s后，二次調(diào)頻繼續(xù)調(diào)整，抽蓄機(jī)組等快速電源啟動(dòng)，恢復(fù)并維持電網(wǎng)頻率。

特別地，在階段1，啟動(dòng)“抽水蓄能機(jī)組緊急頻率控制系統(tǒng)”，抽水蓄能機(jī)組抽水工況緊急切機(jī)，可以有效提升系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。緊急事故備用功能是有關(guān)地區(qū)建設(shè)抽水蓄能電站的主要原因。傳統(tǒng)理論只有“調(diào)峰填谷”一項(xiàng)定量決策指標(biāo)，不再符合這些地區(qū)立項(xiàng)抽水蓄能項(xiàng)目的實(shí)際。

（2）抽水蓄能項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)不實(shí)質(zhì)性考慮緊急事故備用功能效益，扭曲了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

抽水蓄能的“調(diào)峰填谷”功能有多種技術(shù)替代方案，因而抽水蓄能的這一功能僅是一項(xiàng)普通的技術(shù)功能。隨著我國(guó)抽水蓄能建設(shè)成本越來(lái)越高，抽水蓄能電站在系統(tǒng)中的裝機(jī)占比越來(lái)越大，在“調(diào)峰填谷”背景下，其經(jīng)濟(jì)性很不容易體現(xiàn)。相反，緊急事故應(yīng)對(duì)功能，特別是抽水工況下緊急切泵所提供的“秒級(jí)”應(yīng)對(duì)功能，十分重要而且在電力系統(tǒng)的眾多電源方案中沒(méi)有替代方案。因此，有必要將緊急事故應(yīng)對(duì)功能單獨(dú)作為抽水蓄能電站的開(kāi)發(fā)建設(shè)決策指標(biāo)。

（3）傳統(tǒng)理論不利用充分發(fā)揮抽水蓄能的緊急事故備用功能。

緊急事故備用功能是抽水蓄能機(jī)組的一項(xiàng)本質(zhì)功能。傳統(tǒng)的“調(diào)峰填谷”理論，對(duì)于抽水蓄能緊急事故備用功能的針對(duì)性不夠強(qiáng)，不利于在技術(shù)方案上指導(dǎo)其優(yōu)化提升這一功能并促進(jìn)該功能充分發(fā)揮。

2 抽水蓄能機(jī)組的緊急事故應(yīng)對(duì)功能特性

2.1 快速啟動(dòng)功能

抽水蓄能機(jī)組具備非常優(yōu)良的快速啟動(dòng)特性，可以3min實(shí)現(xiàn)從停機(jī)到發(fā)電滿載，從空載到發(fā)電滿載在1min內(nèi)，每一電站可以多臺(tái)機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)，可以為系統(tǒng)提供快速備用電源。以華東地區(qū)抽水蓄能電站（共約1000萬(wàn)kW）為例，這些電站能在緊急情況下為系統(tǒng)提供總計(jì)1000萬(wàn)kW的事故備用容量。在發(fā)生跨區(qū)輸電通道故障、大機(jī)組跳閘導(dǎo)致大功率后，部署系統(tǒng)級(jí)抽水蓄能機(jī)組快速啟動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，可以短時(shí)提供較大容量的備用支援，大幅縮短頻率越限或頻率偏移的時(shí)間。

2.2 可在抽水工況緊急切機(jī)減荷

抽水蓄能機(jī)組在抽水工況運(yùn)行時(shí)是電力系統(tǒng)的用戶(hù)。從系統(tǒng)有功平衡的角度講，在緊急情況下切除抽水機(jī)組這個(gè)用戶(hù)，就相當(dāng)于提供了相當(dāng)于抽水容量的發(fā)電容量。

抽水蓄能機(jī)組可單臺(tái)或多臺(tái)同時(shí)停機(jī)。抽水機(jī)組正常停機(jī)時(shí)，導(dǎo)葉逐漸關(guān)閉，30%負(fù)荷（或者高達(dá)50%）時(shí)，機(jī)組出口開(kāi)關(guān)分閘，抽水滿負(fù)荷至發(fā)電電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)解列時(shí)間約需15s，通過(guò)繼電保護(hù)、安控裝置（低周減載裝置）的設(shè)定，緊急情況下，可以通過(guò)頻率整定值啟動(dòng)緊急抽水停機(jī)，直接跳開(kāi)機(jī)組出口斷路器，切除系統(tǒng)負(fù)載，快速恢復(fù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 爬坡能力強(qiáng)

抽水蓄能機(jī)組的爬坡能力是指機(jī)組從穩(wěn)定發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)至機(jī)組發(fā)電滿載的出力增加速率，一般在3～5MW/s，與常規(guī)水電相當(dāng)，比火電機(jī)組每分鐘1%～3%大得多。

3 抽水蓄能機(jī)組應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)緊急事故的幾種情況

3.1 傳統(tǒng)電網(wǎng)的緊急事故備用

電力生產(chǎn)過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行的，發(fā)電和負(fù)荷及損耗之間必須時(shí)刻保持基本平衡。然而，電力系統(tǒng)不平衡、不穩(wěn)定的因素非常多，必需相應(yīng)規(guī)模的特殊電源予以應(yīng)對(duì)。

應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)緊急事故的傳統(tǒng)方式有兩種，一是預(yù)留常規(guī)火電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用容量，二是投入抽水蓄能或燃?xì)鈾C(jī)組等具有快速啟停、快速轉(zhuǎn)換、爬坡能力強(qiáng)的電源。

根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度規(guī)定，系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)備用容量應(yīng)為系統(tǒng)最高負(fù)荷的2%～5%，并不得少于系統(tǒng)中容量最大的單臺(tái)機(jī)組容量或最大單回線路輸送容量。

隨著用電需求的提升，對(duì)于電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。由于抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)速度快，可以在停機(jī)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)機(jī)組事故備用，減少了火電機(jī)組的調(diào)峰壓力，提高了火電機(jī)組的負(fù)荷率，更好地滿足了更高的電能質(zhì)量要求，抽水蓄能機(jī)組的緊急事故備用功能發(fā)揮了作用。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生大機(jī)組跳閘或者重載斷面故障后，可能造成潮流大范圍轉(zhuǎn)移，相關(guān)斷面穩(wěn)定限額下降，潮流大幅越限的情況。我國(guó)災(zāi)害天氣頻發(fā)，臺(tái)風(fēng)、凍雨、雷暴等極易造成電網(wǎng)多重故障，嚴(yán)重降低系統(tǒng)安全水平。調(diào)用合適落點(diǎn)抽水蓄能機(jī)組快速響應(yīng)，可以迅速控制相關(guān)斷面潮流至限額內(nèi)，防止連鎖故障，提高電網(wǎng)抵御多重惡劣故障的能力，有效提高系統(tǒng)安全水平。

3.2 特高壓電網(wǎng)的緊急事故備用

2009年1月，我國(guó)1000kV晉東南—南陽(yáng)—荊門(mén)特高壓交流正式投入商業(yè)運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展進(jìn)入特高壓電網(wǎng)新時(shí)期。有關(guān)規(guī)劃表明，到2017年我國(guó)將建成“四交五直”特高壓工程；到2019年建成“五交八直”特高壓工程；到2020年建成“三華”同步電網(wǎng)，形成東北、西北、西南三個(gè)送端電網(wǎng)和“三華”一個(gè)受端電網(wǎng)的四個(gè)同步電網(wǎng)格局。未來(lái)，隨著“一帶一路”和全球能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展，特高壓勢(shì)必成為我國(guó)乃至全球電網(wǎng)發(fā)展的重大趨勢(shì)，成為能源安全、高效、清潔發(fā)展的戰(zhàn)略方向。

以特高壓為骨干網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)，在電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電能特性等方面，明顯區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)。電網(wǎng)大功率缺失后，有功潮流將大范圍轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移功率與相關(guān)斷面正常輸送功率疊加，會(huì)造成主要斷面或局部設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)功角失穩(wěn)。電網(wǎng)大功率缺失對(duì)有功控制提出了更高要求。對(duì)于饋入特高壓直流的受端電網(wǎng)，大功率缺失后有功潮流轉(zhuǎn)移將沖擊電網(wǎng)的多級(jí)斷面：

第一級(jí)斷面：直流落點(diǎn)的交流送出通道，該斷面主要承擔(dān)直流落點(diǎn)的功率疏散，不存在功角穩(wěn)定和過(guò)載問(wèn)題。

第二級(jí)斷面：與直流落點(diǎn)第一級(jí)斷面相關(guān)聯(lián)的向負(fù)荷中心送電的其他交流通道。如直流閉鎖，可能導(dǎo)致該斷面過(guò)載，主要為熱穩(wěn)定問(wèn)題。

第三級(jí)斷面：主要為與直流受端電網(wǎng)相關(guān)聯(lián)的聯(lián)絡(luò)線斷面。如直流閉鎖，可能導(dǎo)致斷面過(guò)載甚至引發(fā)功角穩(wěn)定問(wèn)題。

在大功率缺額情況下電網(wǎng)頻率恢復(fù)過(guò)程的第一階段，啟動(dòng)“抽水蓄能機(jī)組緊急頻率控制系統(tǒng)”，抽水蓄能機(jī)組抽水工況緊急切機(jī)，可以有效提升系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

3.3 重大政治事件的電網(wǎng)安全

重大政治活動(dòng)事關(guān)國(guó)家政治生活全局，對(duì)電力可靠性的要求較常規(guī)經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活更高，且多表現(xiàn)出明顯異于日常規(guī)律的用電負(fù)荷特性。以2008年奧運(yùn)會(huì)為例，其間電視機(jī)負(fù)荷約為1750萬(wàn)臺(tái)，在開(kāi)幕式、閉幕式等特殊時(shí)段出現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷劇烈波動(dòng)，幅度約為100萬(wàn)kW。十三陵電廠快速跟蹤負(fù)荷，發(fā)電出力調(diào)峰幅度在10萬(wàn)～80萬(wàn)kW，成功地將電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在49.96～50.06Hz之間，保障了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 重大不可抗力事件

電力系統(tǒng)無(wú)論多么堅(jiān)強(qiáng)，在重大自然災(zāi)害面前都是十分脆弱的。基于此，系統(tǒng)每多一份發(fā)電容量?jī)?chǔ)備，在應(yīng)對(duì)災(zāi)難時(shí)就多一份從容。抽水蓄能機(jī)組巨大的容量功能，能有效支持電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)生活的穩(wěn)定。

日本是一個(gè)島國(guó)，有10家電力公司，其中東京電力公司所轄面積3.95萬(wàn)km2，區(qū)域人口4476萬(wàn)人，最大電力6430萬(wàn)kW，抽水蓄能電站9座，裝機(jī)容量為727.8萬(wàn)kW。2011年3月，日本受9級(jí)特大地震影響，福島第一核電站的放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏，最終1～6號(hào)機(jī)組全部永久廢棄。日本政府決定對(duì)全國(guó)核電進(jìn)行停機(jī)檢查。停機(jī)后，電力系統(tǒng)出現(xiàn)大額發(fā)電負(fù)荷缺口。這種情況下，抽水蓄能發(fā)揮容量功能，不計(jì)“抽四發(fā)三”的糾葛，抓住一切機(jī)會(huì)抽水、蓄能，在負(fù)荷高峰期間發(fā)電，大大緩解了電源缺口。

4 小結(jié)與建議

（1）緊急事故備用功能是抽水蓄能機(jī)組的一項(xiàng)重要功能，有必要進(jìn)行深刻的理論總結(jié)并將其單獨(dú)作為抽水蓄能項(xiàng)目的立項(xiàng)指標(biāo)。

（2）近年來(lái)我國(guó)電力工業(yè)快速發(fā)展，電網(wǎng)緊急事故呈現(xiàn)新的變化，對(duì)抽水蓄能的需求出現(xiàn)新的特征。這一問(wèn)題，需要我們審視、研究。

（3）深化抽水蓄能緊急事故應(yīng)對(duì)功能的研究，有助于豐富和發(fā)展抽水蓄能建設(shè)理論。由于“轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”的原因，特高壓直流受端電網(wǎng)的頻率特性在負(fù)荷低谷期間相對(duì)更加脆弱，該現(xiàn)象與抽水蓄能機(jī)組的抽水工況相吻合，十分有利于抽水蓄能機(jī)組抽水工況緊急事故備用功能的發(fā)揮。

（4）深化抽水蓄能緊急事故應(yīng)對(duì)功能的研究，有助于指導(dǎo)優(yōu)化抽水蓄能電站的技術(shù)方案，更加主動(dòng)地適應(yīng)抽水蓄能機(jī)組“緊急頻率控制系統(tǒng)”的要求。

（5）建議修編抽水蓄能電站選點(diǎn)規(guī)劃階段有關(guān)規(guī)程規(guī)范，將事故備用功能明確列為項(xiàng)目必要性評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)列裝機(jī)容量。

（6）建議修編關(guān)于抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的規(guī)程規(guī)范，賦予事故備用應(yīng)有的“效益”指標(biāo)，參與項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

（7）抽水蓄能電站事故備用工況可以減少其他發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用容量，整體性?xún)?yōu)化其他發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行區(qū)間，減少常規(guī)火電機(jī)組的空轉(zhuǎn)煤耗。該效益與電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行方式密切相關(guān)，建議進(jìn)一步深化研究。

[1] 陳同法，萬(wàn)正喜，閆磊，吳錚. 抽水蓄能機(jī)組的五類(lèi)調(diào)頻功能在電力系統(tǒng)調(diào)頻與緊急事故應(yīng)對(duì)中的作用分析 [J]. 水電與抽水蓄能，2015，1（3）：42-47.CHEN Tongfa，WAN Zhengxi，YAN Lei，WU Zheng.Research on Five kinds of Pumped-storage Unit’s Frequency Modulation Functions for Frequency Modulation and Emergency Response in Power Grid[J]. Hydropower and Pumped Storage，2015，1（3）：42-47.

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2017-05-10

2017-05-30

陳同法（1976—），男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：抽水蓄能發(fā)展理論。E-mail：tongfa-chen@sgxy.sgcc.com.cn

張 毅（1988—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站技術(shù)管理。E-mail：zhangyi09421@163.com

萬(wàn)正喜（1973—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：抽水蓄能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。E-mail：wzx0023@126.com

Research on Emergency Reserve Function of Pumped Storage Power Station

CHEN Tongfa1，ZHANG Yi2，WAN Zhengxi3
（1.State Grid Xinyuan Company Limited，Beijing 100761，China；2. Beijing Shisanling Pumped Storage Power Station，State Grid Xinyuan Company Limited，Xianju 102200，China；3. East China Tianhuangping Pump Storage Ltd.，Anji 313302，China）

The emergency accident is an important function of pumped storage power station. Especially in uhv fast development，has greatly changed under the condition of power system，the thorough analysis and give full play to the pumped storage emergency response function is of great significance. In this paper，the pumped storage power plant emergency standby function were summarized systematically， and the technical progress in recent years theory， provide theoretical reference for the scientific development of pumped storage.

power plant；emergency；standby

TM612

A學(xué)科代碼：470.4047

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.009