基于系統(tǒng)運行模擬的抽水蓄能變速機組容量配比優(yōu)化研究

馮君淑,衣傳寶，張富強,萬靜英，元 博，張晉芳

(1.國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京102209；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761)

隨著我國新能源和互聯(lián)電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)運行特性發(fā)生較大改變，電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力和抗擾動能力有所下降，電力系統(tǒng)穩(wěn)定形態(tài)更加復雜[1]；在尚未形成適應(yīng)高比例新能源接入的新一代電力系統(tǒng)[2]之前，需要像抽水蓄能機組一類的調(diào)節(jié)電源保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

近些年，抽水蓄能變速機組技術(shù)快速發(fā)展，在運行方面展現(xiàn)出了較為突出的優(yōu)勢[3- 6]。日本是目前抽水蓄能變速機組應(yīng)用臺數(shù)最多的國家，共有超過10座電站、17臺機組；除日本外，變速機組的應(yīng)用集中于德國。我國已開工豐寧二期抽水蓄能電站等變速機組工程，對保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行與促進新能源消納等都具有重大意義[7]。國內(nèi)對抽水蓄能變速機組的研究集中于變速機組技術(shù)及其優(yōu)越特性，并在變速機組在電力系統(tǒng)中優(yōu)化配置方面有所涉及。鑒于此，本文從系統(tǒng)運行模擬角度出發(fā)進行中長期抽水蓄能變速機組容量配比優(yōu)化研究。首先構(gòu)建含抽水蓄能變速機組的電力系統(tǒng)安全約束機組組合模型，建立變速機組容量配比優(yōu)化模型，研究現(xiàn)有抽水蓄能規(guī)劃下的新建恒速機組與變速機組的最優(yōu)容量比例。

1 抽水蓄能變速機組運行特性分析

抽水蓄能變速機組具有抽水工況可進行自動頻率控制、瞬時有功功率和無功功率的高速調(diào)節(jié)、發(fā)電工況時效率更高、交流勵磁裝置可代替SFC裝置實現(xiàn)自啟動以及更寬的水輪機運行范圍等優(yōu)點[8]。從系統(tǒng)運行層面來看，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3方面。

(1)抽水功率可調(diào)。連續(xù)變速抽水蓄能機組通過改變交流勵磁電流的頻率來調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)有功功率的調(diào)節(jié)，通過改變交流勵磁的相位達到快速調(diào)節(jié)有功功率的目的。這有利于抑制電網(wǎng)有功功率的波動。特別在抽水工況，有著調(diào)節(jié)機組入力的能力，這是常規(guī)蓄能機組無法比擬的[9]。

(2)運行效率提升。變速機組通過改變轉(zhuǎn)速能更好地分別適應(yīng)發(fā)電和抽水兩種運行工況，使水輪機和水泵的運行效率普遍提高3%～10%左右[10]。在水輪機工況下，恒速水泵水輪機運行時，由于兩種工況的最高效率區(qū)不重合，由此易產(chǎn)生水輪機工況總是偏離最優(yōu)運行區(qū)運行?？勺兯贆C組能在相應(yīng)水頭和要求的出力下，通過控制導葉開度和轉(zhuǎn)速，使效率最高，使機組保持在最佳效率曲線上運行。在水泵工況下，可變速機組由于可以改變轉(zhuǎn)速，在相同的入力下，其效率要高于恒速機組。

(3)調(diào)節(jié)范圍加寬。變速機組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可改，能夠適應(yīng)更寬的水頭(揚程)變幅和功率范圍。通過可變速運行，使機組效率比恒速運行大大提高，而且由于在最佳效率點運行，機組振動、空化等特性也獲得改善，部分負荷運行區(qū)域被拓寬，運行水頭范圍也擴大了。與恒速機組相比，變速機組發(fā)電調(diào)節(jié)范圍可由50%～100%擴大至40%～100%，抽水調(diào)節(jié)范圍可由僅能滿入力抽水擴大至60%～100%[11]。

2 抽水蓄能變速機組容量配比優(yōu)化模型

本文定義抽水蓄能變速機組容量配比表示，對于給定的電源規(guī)劃方案，新建變速機組占所有新建抽水蓄能機組的比例。

2.1 含抽蓄變速機組的安全約束機組組合模型

2.1.1 目標函數(shù)

以運行模擬周期內(nèi)系統(tǒng)運行成本最小為目標函數(shù)。系統(tǒng)運行成本包括火電機組的運行成本和啟停成本、CCGT機組的運行成本和模式轉(zhuǎn)換成本、水電機組和抽水蓄能機組的啟停成本。抽水蓄能恒速機組和變速機組認為啟停成本相同。風電和核電的運行成本較低，目標函數(shù)中暫不考慮。

(1)

2.1.2 約束條件

火電機組、CCGT機組、水電機組、核電機組、風電機組、抽水蓄能恒速機組的機組約束參照文獻[12]。

2.1.2.1 抽水蓄能變速機組

抽水蓄能變速機組的抽水功率可以連續(xù)變化，與恒速機組受同樣的庫容平衡和發(fā)電/抽水狀態(tài)約束之外[12]，容量約束與備用容量約束有所變化。

(1)容量約束

(2)

(3)

(2)備用容量約束。上備用：發(fā)電狀態(tài)可提供的上備用容量為發(fā)電功率上限與該時段發(fā)電功率的差值；通過發(fā)電/抽水間的快速轉(zhuǎn)換，抽水狀態(tài)可提供的上備用容量為抽水功率與發(fā)電功率上限之和。

(4)

(5)

2.1.2.2 光伏機組

實際調(diào)用的光伏電量約束

(6)

2.1.2.3 網(wǎng)絡(luò)安全約束

網(wǎng)絡(luò)安全約束為

(7)

式中，M為電網(wǎng)計算節(jié)點集合；pm(t)為t時刻節(jié)點m的注入功率；lm(t)為t時刻節(jié)點m的負荷功率；Pm-n為支路m-n的潮流上限；sm-n(t)為節(jié)點m的注入功率對支路m-n的靈敏度。

2.1.2.4 系統(tǒng)功率平衡

(8)

2.1.2.5 系統(tǒng)備用容量約束

(9)

式中，αPwi、βPpv分別為由于風電、光伏的接入而增加的上、下旋轉(zhuǎn)備用量，其中，α、β分別為風電、光伏的備用比例系數(shù)，一般與研究系統(tǒng)的風電和太陽能發(fā)電出力特性有關(guān)。下備用容量約束與上備用形式相同，不再詳述。

2.2 模型整體流程

基于機組組合的抽水蓄能變速機組容量配比優(yōu)化模型整體流程如圖1所示。定義抽水蓄能變速機組帶來的系統(tǒng)運行效益為i臺新建變速抽蓄時的抽蓄相關(guān)費用Si與無新建變速抽蓄時的抽蓄相關(guān)費用S0之差，即系統(tǒng)運行成本增加值與抽蓄投資增加值之差。對抽水蓄能變速機組的容量配比進行優(yōu)化，即需要求解在什么容量配比下抽水蓄能變速機組帶來的系統(tǒng)運行效益最大。

圖1 模型計算流程

2.3 求解方法

GridView是由美國ABB公司開發(fā)的電力行業(yè)高級應(yīng)用軟件，可以模擬考慮輸電安全約束的電力系統(tǒng)運行，包含抽水蓄能變速機組的相關(guān)設(shè)置，能夠模擬求解上述含抽蓄變速機組的機組組合模型。

3 算例分析

利用上節(jié)構(gòu)建的抽水蓄能變速機組容量配比優(yōu)化模型，對我國西部某區(qū)域進行實證分析，研究區(qū)域2015年～2030年的電源裝機結(jié)構(gòu)如表1所示。未來，研究區(qū)域新能源裝機占比超過50%，系統(tǒng)運行面臨巨大挑戰(zhàn)。2030年，研究區(qū)域共新增500萬kW抽水蓄能機組，假設(shè)單臺機組容量為30或35萬kW，共新增15臺抽水蓄能機組。

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

安全約束機組組合模型按照研究區(qū)域?qū)嶋H節(jié)點及連接情況進行建模，線路及主要機組運行參數(shù)按照2016年實際。抽水蓄能變速機組投資成本參考河北豐寧抽水蓄能電站二期工程，單臺變速機組引起的投資增加為2.71億元[13]，平均單臺工程機組投資增加18.6%。未來，隨著抽水蓄能變速機組標準化設(shè)計、建設(shè)的推進，預計投資成本將會有所下降，本文取單臺變速機組引起投資增加2.5億元。根據(jù)前文介紹，抽水蓄能恒速機組和變速機組的運行參數(shù)如表2所示。

表1 2015年～2030年研究區(qū)域電源裝機機構(gòu) 萬kW

表2 抽水蓄能機組運行參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)過生產(chǎn)模擬分析，研究區(qū)域新建抽水蓄能變速機組容量配比在33%左右時，系統(tǒng)運行效益最優(yōu)，如圖2所示。西部研究區(qū)域負荷峰谷差較小，負荷較為平穩(wěn)，因此利用抽蓄電站進行調(diào)峰填谷的需求不大；另外，2020年后，隨著電力市場逐步健全、各類價格機制更加靈活多樣，跨省跨區(qū)特高壓線路的運行投產(chǎn)，西部研究區(qū)域的新能源消納問題已經(jīng)得到大幅度解決(2030年降至5%以下)，抽水蓄能機組主要應(yīng)對短時新能源出力不確定性帶來的系統(tǒng)容量不足問題。

圖2 不同抽水蓄能變速機組容量配比下的系統(tǒng)運行效益

隨著抽水蓄能變速機組容量配比增加，新增抽蓄電站投資成比例上升。當抽水蓄能變速機組容量配比從0開始增長時，由于促進了新能源消納、降低棄能率，零邊際成本的新能源替代了一部分化石能源電量，引發(fā)燃料和運維成本的下降，帶來系統(tǒng)運行費用大幅減少。之后，當新能源棄能率幾乎為0后，比再上升時，抽蓄抽發(fā)損耗的“負”效益漸漸超過之前促進新能源消納累積的“正”效益，具體表現(xiàn)在，從變速機組容量配比超過50%開始，抽蓄變速機組帶來的系統(tǒng)運行費用的減小量開始下降。

4 結(jié) 語

抽水蓄能變速機組具有眾多技術(shù)上的優(yōu)勢，對保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、提高電網(wǎng)運行靈活性作用顯著。從電力系統(tǒng)運行層面來講，抽水蓄能變速機組的裝機容量存在最優(yōu)配比，從而使考慮變速機組更高投資后的系統(tǒng)整體運行效益最大化。本文針對一個新能源裝機占比超過50%的區(qū)域進行研究，發(fā)現(xiàn)新建抽水蓄能變速機組容量配比在33%左右時，系統(tǒng)運行效益最優(yōu)。未來，考慮到抽水蓄能變速機組的優(yōu)越性能，應(yīng)加強相關(guān)研究，推動我國自主技術(shù)創(chuàng)新，開展電站標準化設(shè)計工作，不斷降低變速機組投資成本。并針對不同區(qū)域電力發(fā)展規(guī)劃，深化抽水蓄能變速機組容量配比優(yōu)化研究，與相關(guān)部門加強溝通，推動規(guī)劃方案的實施落地。