棄風(fēng)、調(diào)停火電還是開發(fā)抽水蓄能？
——抽水蓄能電站低谷調(diào)峰性能研究

陳同法，張 毅，王德敏

（1. 國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2. 國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵電廠，北京市 102200）

棄風(fēng)、調(diào)?；痣娺€是開發(fā)抽水蓄能？
——抽水蓄能電站低谷調(diào)峰性能研究

陳同法1，張 毅2，王德敏1

（1. 國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2. 國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵電廠，北京市 102200）

抽水蓄能機(jī)組能夠承擔(dān)抽水和發(fā)電等多種運行任務(wù)，而且不同運行工況間啟停轉(zhuǎn)換靈活。抽水蓄能機(jī)組的這一技術(shù)特性，使其成為優(yōu)良的調(diào)峰電源，在優(yōu)化系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)風(fēng)電等清潔可再生能源大規(guī)模開發(fā)方面發(fā)揮著十分重要的作用。本文從客觀分析電力系統(tǒng)運行規(guī)律入手，通過建立較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型，具體說明抽水蓄能機(jī)組的低谷調(diào)峰原理、價值，以及棄風(fēng)、調(diào)停火電機(jī)組和建設(shè)運行抽水蓄能之間的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對比關(guān)系，旨在為豐富抽水蓄能發(fā)展理論、科學(xué)決策抽水蓄能電站運行方式提供理論支撐。

抽水蓄能；低谷調(diào)峰；性能；新能源

0 引言

抽水蓄能電站作為優(yōu)良的調(diào)峰電源，對于優(yōu)化系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)風(fēng)電等清潔可再生能源具有十分重要的意義。本文從深入分析系統(tǒng)運行規(guī)律入手，通過建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型，具體說明抽水蓄能機(jī)組的低谷調(diào)峰原理、價值，以及棄風(fēng)、調(diào)?；痣姍C(jī)組和開發(fā)抽水蓄能之間的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)關(guān)系。

1 系統(tǒng)低谷調(diào)峰問題分析

1.1 問題的由來

1.1.1 電力系統(tǒng)的特性

電力系統(tǒng)是指由發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路和用電設(shè)備組成的統(tǒng)一整體，可簡化為電源（發(fā)電負(fù)荷）、電網(wǎng)和電力用戶（用電負(fù)荷）三部分。

有功平衡是電力系統(tǒng)正常運行所必須遵循的規(guī)律。因為電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用是同時進(jìn)行的，所以從整體上講，發(fā)電有功必須隨用電負(fù)荷的變化及時調(diào)整。

1.1.2 用電負(fù)荷的峰谷特性

不同的用電設(shè)備呈現(xiàn)不同的負(fù)荷特性，但是總體上呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的規(guī)律。根據(jù)分析周期的不同，用電負(fù)荷分別呈現(xiàn)典型的日內(nèi)負(fù)荷變化規(guī)律、周內(nèi)負(fù)荷變化規(guī)律和年內(nèi)負(fù)荷變化規(guī)律。以京津唐電網(wǎng)為例，系統(tǒng)典型日負(fù)荷曲線見圖1。

1.1.3 發(fā)電設(shè)備的低谷調(diào)峰特性

就對電源（發(fā)電負(fù)荷）的需求而言，電力系統(tǒng)在峰、谷時刻分別呈現(xiàn)完全不同的需求特性。其中，系統(tǒng)高峰時段的核心需求是可發(fā)電容量，系統(tǒng)低谷時段的核心需求是發(fā)電設(shè)備盡量降低發(fā)電出力水平即低谷調(diào)峰能力。

圖1 電力系統(tǒng)日負(fù)荷變化曲線示意圖Fig. 1 Power system daily load change curve diagram

因一次能源類型不同，發(fā)電設(shè)備可分為常規(guī)燃煤火電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、水電機(jī)組、核電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、太陽能機(jī)組等類型。不同類型機(jī)組的低谷調(diào)峰性能有較大差異。其中，燃?xì)鈾C(jī)組可通過啟/停進(jìn)行調(diào)峰，具有良好的調(diào)峰性能。燃煤火電機(jī)組，在當(dāng)前技術(shù)條件下，通?？山地?fù)荷至50%，即約有50%的調(diào)峰能力。抽水蓄能機(jī)組可通過啟/停調(diào)峰，調(diào)峰能力十分突出。核電機(jī)組在技術(shù)上具有一定的調(diào)峰能力，但是為降低事故發(fā)生概率一般維持固定出力，不參與調(diào)峰。風(fēng)電機(jī)組的出力受風(fēng)源制約，一般系統(tǒng)用電高峰期間出力較小，系統(tǒng)用電低谷期間出力較大，呈現(xiàn)典型的“反調(diào)峰”特點，必須有相應(yīng)的其他電源配合運行，以解決其出力與用電需求在時間上不匹配的矛盾。

電力系統(tǒng)的負(fù)荷波動分為年度增長、月度波動、周內(nèi)波動和日內(nèi)波動幾種情況。其中又以日內(nèi)波動最為關(guān)鍵。一般來說，系統(tǒng)的日最低負(fù)荷通常不低于其最大負(fù)荷的60%，而常規(guī)火電機(jī)組的出力最低可以降至其發(fā)電容量的50%左右。因此，對于只有常規(guī)火電機(jī)組的電力系統(tǒng)來說，低谷調(diào)峰沒有太大的困難。當(dāng)前，我國大部分區(qū)域的電力系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的低谷調(diào)峰困難，是因為系統(tǒng)中有大量的不能參與正常調(diào)峰的電源類型，如核電、風(fēng)電、以熱定電的供熱機(jī)組等。受限于其技術(shù)特性，系統(tǒng)低谷期間，這些類型的電源就像“針子戶”，不能按照系統(tǒng)的需求降低出力比例，從而導(dǎo)致調(diào)停風(fēng)電機(jī)組乃至常規(guī)火電機(jī)組。

高峰容量需求和低谷調(diào)峰需求，是兩個不同性質(zhì)的問題?；谖覈壳按蟛糠值貐^(qū)的系統(tǒng)狀況，當(dāng)前乃至今后較長一段時期，低谷調(diào)峰能力是問題的主要方面。

2 電力系統(tǒng)調(diào)峰容量關(guān)系

峰、谷兩個典型時間點的發(fā)電容量平衡，是系統(tǒng)容量平衡的關(guān)鍵?？梢哉J(rèn)為，只要解決了峰、谷兩個極端的容量平衡，就可以保證全過程的有功平衡。峰、谷兩個極端情況的負(fù)荷關(guān)系見圖2。

圖2中及其有關(guān)符號含義如下：

a—系統(tǒng)低谷期間風(fēng)電出力，MW；

b—系統(tǒng)高峰期間風(fēng)電出力，MW；

d—系統(tǒng)高峰期間，抽水蓄能發(fā)電功率，MW；

d'—系統(tǒng)低谷期間，抽水蓄能抽水功率，一般可視為d=d'；

k—系統(tǒng)高峰期間，常規(guī)火電機(jī)組的開機(jī)容量，MW；

ktt—因低谷調(diào)峰需要，系統(tǒng)調(diào)停的常規(guī)火電機(jī)組的容量，MW；

圖2 系統(tǒng)負(fù)荷示意圖Fig. 2 System load diagram

k'—系統(tǒng)低谷期間，正常調(diào)峰電源開機(jī)容量，MW，k'=k-ktt；

q—燃?xì)鈾C(jī)組的容量，低谷期間，可停機(jī)調(diào)峰，MW；

Pmax—系統(tǒng)最高負(fù)荷，MW；

Pmin—系統(tǒng)最低負(fù)荷，MW；

β—系統(tǒng)最低負(fù)荷系數(shù)，β=Pmin/Pmax，一般β≈60%；

η—常規(guī)火電機(jī)組可承受的最低負(fù)荷率，當(dāng)前技術(shù)條件下，一般η≈50%。

為簡化問題的分析過程，暫忽略旋轉(zhuǎn)備用容量，不影響問題的基本結(jié)論。

根據(jù)圖2，有：

一般來說，風(fēng)電在高峰期間不貢獻(xiàn)可靠的開機(jī)容量，取b=0。進(jìn)一步取d=d'，k'=k-ktt，η=0.5，β=0.6，代入式（1），可得：

式（2）左側(cè)為低谷調(diào)峰資源，右側(cè)為系統(tǒng)調(diào)峰需求。從中可以看出：棄風(fēng)、調(diào)停燃?xì)鈾C(jī)組、調(diào)停常規(guī)火電機(jī)組與抽水蓄能機(jī)組共同構(gòu)成低谷調(diào)峰資源。一般情況下它們可以相互替代，互為補充。

各種電源的低谷調(diào)峰貢獻(xiàn)效率不同。對于容量為a的棄風(fēng)需求，可作如下選擇：要么ktt=2a，要么q=2a，要么d=0.67a，即對于容量為a的低谷調(diào)峰缺口，要么棄風(fēng)a，要么停常規(guī)火電機(jī)組2a，要么停燃?xì)鈾C(jī)組2a，要么運行抽水蓄能機(jī)組0.67a。

也就是說，棄風(fēng)、調(diào)停/重啟常規(guī)火電，或運行抽水蓄能，技術(shù)上不存在明顯的制約，僅看技術(shù)指標(biāo)還不能就三者的合理性做出判斷。判斷三種技術(shù)方案何者更合理，需要進(jìn)一步作經(jīng)濟(jì)分析。

3 棄風(fēng)、調(diào)?；痣娕c開發(fā)抽水蓄能等不同電源方案的經(jīng)濟(jì)關(guān)系

棄風(fēng)、調(diào)?；痣娕c建設(shè)/運行抽水蓄能的成本關(guān)系兩兩不同。為便于分析比較起見，本文以棄風(fēng)與避免棄風(fēng)100萬kW為例，以“年”為分析時段，將各種技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)代價進(jìn)行折算。

3.1 棄風(fēng)

棄風(fēng)的代價是放棄發(fā)電的電費損失，主要與電價、棄風(fēng)小時數(shù)以及棄風(fēng)事件的年度發(fā)生概率有關(guān)。

風(fēng)電的電價比較復(fù)雜。從國民經(jīng)濟(jì)評價的角度，忽略電價補貼，按電站所在地火電標(biāo)桿電價（以0.4元/kWh為例）計算，可得有關(guān)棄風(fēng)損失（見表1）。

表1 電力系統(tǒng)棄風(fēng)導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失示意表Tab.1 The economic loss caused by the abandonment of wind power system

3.2 調(diào)停常規(guī)火電機(jī)組

常規(guī)火電機(jī)組的調(diào)停/重啟成本大約為100萬元/100萬kW（因機(jī)組類型、啟動方式而略有差異），因“次”發(fā)生，與每年的調(diào)停/重啟總次數(shù)有關(guān)，詳見表2。

3.3 建設(shè)運行抽水蓄能電站

抽水蓄能電站的運行成本，主要取決于電站建設(shè)、運行成本（含抽/發(fā)損耗）。抽發(fā)損耗按“4度換3度”的標(biāo)準(zhǔn)折算，并取近年來平均建設(shè)運營成本，抽水蓄能電站的年度費用數(shù)值見表3。

表2 電力系統(tǒng)調(diào)停常規(guī)火電機(jī)組導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失示意表Tab.2 Power systems mediate the economic loss of the conventional coal-fired units

表3 電力系統(tǒng)建設(shè)運行抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)成本示意表Tab. 3 Power system builds the economic cost of pumping storage power station

綜合考慮棄風(fēng)、調(diào)?；痣姍C(jī)組和建設(shè)運行抽水蓄能機(jī)組的事件發(fā)生概率，從上述三個表中的對應(yīng)數(shù)據(jù)格選取最小值，得到表4。

表4 棄風(fēng)、調(diào)?；痣姍C(jī)組與建設(shè)運行抽水蓄能機(jī)組三種電源方案最小成本對比匯總表Tab.4 The minimum cost comparison of the three sources of power solutions for the pumping unit and the construction of the pumped storage units

從表4可以看出，黃色區(qū)域為棄風(fēng)合理區(qū)，綠色區(qū)域為調(diào)?；痣姍C(jī)組合理區(qū)，橙色區(qū)域為建設(shè)抽水蓄能合理區(qū)。更為通俗的說明為：

如每天的棄風(fēng)時段較小，或者雖然每次棄風(fēng)時段較長但每年發(fā)生該種棄風(fēng)事件的天數(shù)較少，則棄風(fēng)較調(diào)停常規(guī)火電機(jī)組或建設(shè)抽水蓄能的損失更小；如每次棄風(fēng)時段較長但年度發(fā)生概率較低，則調(diào)停/重啟常規(guī)火電機(jī)組損失更??；如每次棄風(fēng)時段較長時且年度發(fā)生概率較高，則建設(shè)抽水蓄能更為經(jīng)濟(jì)。

隨著電力系統(tǒng)有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案不斷變化，表4最經(jīng)濟(jì)方案的變動趨勢為：當(dāng)棄風(fēng)的單位價值（標(biāo)桿電價）降低時，黃/橙區(qū)域交界線、黃/綠區(qū)域交界線均背離黃色區(qū)域移動，黃色區(qū)域擴(kuò)大；當(dāng)抽水蓄能造價水平提高時，黃/橙區(qū)域交界線、綠/橙交界線均往橙色區(qū)域移動，橙色區(qū)域縮小；當(dāng)常規(guī)火電機(jī)組重啟動成本降低時，黃/綠交界線、橙/綠交界線均背離綠色區(qū)域移動，綠色區(qū)域擴(kuò)大。簡而言之，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步對上表的影響趨勢是：黃色區(qū)域擴(kuò)大，綠色區(qū)域擴(kuò)大，橙色區(qū)域縮小。

上述各表的數(shù)據(jù)是示意性的。具體數(shù)值，應(yīng)據(jù)實從嚴(yán)論證、確定。

上述表格是以承擔(dān)配合風(fēng)電等清潔可再生能源為主要功能的抽水蓄能電站投資建設(shè)的決策模型。超出上述范圍建設(shè)的抽水蓄能，很容易導(dǎo)致產(chǎn)能剩，產(chǎn)生“泡沫”。

上述表格不是以承擔(dān)配合風(fēng)電等清潔可再生能源為主要功能的抽水蓄能電站運行方式的決策模型。對于已經(jīng)投運的抽水蓄能電站，其建設(shè)成本已成為沉沒成本，變動成本相對比較小，應(yīng)當(dāng)在所有棄風(fēng)時段或有調(diào)停常規(guī)火電機(jī)組的情況下發(fā)揮抽水填谷功能。

每日棄風(fēng)時長以及棄風(fēng)事件年度發(fā)生概率，跟風(fēng)電本身的資源稟賦與系統(tǒng)低谷時段的負(fù)荷特性關(guān)系有關(guān)，主要取決于系統(tǒng)負(fù)荷低谷與風(fēng)電出力在時間上重合的部分。對風(fēng)電出力特性的分析研究以及系統(tǒng)負(fù)荷特性的預(yù)測分析，抽水蓄能投資決策的重要基礎(chǔ)，需要提前啟動并切實加強對這項工作的研究。

4 小結(jié)

（1）就調(diào)峰問題而言，高峰、低谷兩個典型時間點的發(fā)電調(diào)整能力，是電力系統(tǒng)容量平衡的關(guān)鍵?？梢哉J(rèn)為，只要解決了這兩種極端情況的有功容量平衡，就可以保證日內(nèi)全過程的有功平衡。峰、谷兩個時間點，又以低谷調(diào)峰為問題的主要方面。

（2）針對電力系統(tǒng)的低谷調(diào)峰需求，棄風(fēng)、調(diào)停常規(guī)火電機(jī)組、建設(shè)運行抽水蓄能等不同電源方案的技術(shù)價值相當(dāng)。為了滿足相同的調(diào)峰需求（設(shè)為a），要么棄風(fēng)a，要么停火電2a，要么停燃?xì)鈾C(jī)組2a，要么運行抽水蓄能機(jī)組0.67a。如果要做出科學(xué)的投資決策，需要進(jìn)一步比較不同電源方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

（3）文章提供了棄風(fēng)、調(diào)停常規(guī)火電機(jī)組、建設(shè)運行抽水蓄能等各種電源方案的經(jīng)濟(jì)性計算模型，并提供了示意數(shù)據(jù)，并就發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。

（4）以調(diào)峰填谷功能為主的抽水蓄能電站的能量指標(biāo)（電站裝機(jī)容量和機(jī)組利用小時數(shù)）確定原則，應(yīng)以抽水需求為導(dǎo)向，而不是傳統(tǒng)的發(fā)電需求。

（5）抽水蓄能電站在調(diào)峰填谷中的作用，表現(xiàn)為避免常規(guī)火電機(jī)組停機(jī)/重啟調(diào)峰，而不是傳統(tǒng)意義上的降低常規(guī)火電機(jī)組低谷時段發(fā)電煤耗。

（6）抽水蓄能投資決策，應(yīng)當(dāng)高度重視常規(guī)火電機(jī)組技術(shù)進(jìn)步，特別是低谷調(diào)峰能力的改善和停機(jī)重啟技術(shù)方案和經(jīng)濟(jì)性的變化。

（7）傳統(tǒng)理論低估了抽水蓄能機(jī)組的調(diào)峰能力。抽水蓄能機(jī)組的調(diào)峰能力（避免常規(guī)火電機(jī)組停機(jī)調(diào)峰的能力）是300%，而不是傳統(tǒng)意義上的200%。

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2017-05-01

2017-05-30

陳同法（1976—），男，教授級高級工程師，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

王德敏（1979—），男，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站工程經(jīng)濟(jì)等，E-mail：demin-wang@sgxy.sgcc.com.cn

Abandon the wind, mediation thermal power or develop pumped storage?——Research on Peak Performance of Pumped Storage Power Station

CHEN Tongfa1，ZHANG Yi2，WANG Demin1
（1.State Grid Xinyuan Company Limited，Beijing 100761，China；2. Beijing Shisanling Pumped Storage Power Station，State Grid Xinyuan Company Limited，Xianju 102200，China）

Pumped storage units have various operation modes such as pumping and power generation， and the switching between different operating conditions is flexible. The technology characteristics of pumped storage unit， making it a good load power supply， the optimization of system power supply structure， promote clean renewable energy sources such as wind power large-scale development plays a very important role. This article obtains from the power system operation rule， through the establishment of a rigorous mathematical model， specify regulating principle， the low value of pumped storage unit， and abandon the wind， mediation thermal power unit and the development relations between the technical and economic comparison of pumped storage

pumped storage；low load；performance；new energy

TM612

A學(xué)科代碼：470.4047

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.010