抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的保安功能與效益分析

曾德志 廣東能源集團(tuán)(云浮)蓄能發(fā)電有限公司

隨著人民生活水平的提高，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提出了更高的要求，人們的需求量也在不斷上升，但鑒于人們生活的作息規(guī)律和社會生產(chǎn)的需求，電網(wǎng)系統(tǒng)中往往會出現(xiàn)用電峰谷，因此，采取必要的調(diào)峰手段來保障電力的盈缺現(xiàn)象，給人們提供一個(gè)安全、穩(wěn)定、節(jié)能的用電環(huán)境，建設(shè)適當(dāng)比例的抽水蓄電站是必要的。抽水蓄能電站可以在很大程度上保證電網(wǎng)的安全，是電網(wǎng)防御的保安電源，對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展研究有著重大意義。

一、抽水蓄能電站的發(fā)展意義

(一)抽水蓄電站的含義及工作原理

抽水蓄能電站又稱為蓄能式水電站。是將電網(wǎng)中低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的多余的電能轉(zhuǎn)化為勢能，即利用多余的電能將水抽至上水庫；在電網(wǎng)運(yùn)營的高峰期將勢能在轉(zhuǎn)化為電能即在用電高峰期，將抽上來的水下放至下水庫從而產(chǎn)生電能的過程。抽水蓄能電站主要由上水庫、下水庫、疏水系統(tǒng)、地下廠房、地面開關(guān)站、和生產(chǎn)樓組成用電低谷期，富余的水電、風(fēng)電、太陽能，核電通過變電站輸入抽水蓄能電站，電能驅(qū)動水輪機(jī)組，將下水庫的水抽至上水庫這一過程將電能儲存，綜合來說是將電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)產(chǎn)生的多余電能轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)高峰期時(shí)的需求電能，完成電能與勢能的轉(zhuǎn)換，保證了設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，還增大了能源的利用效率。

圖1-1 為抽水蓄能電站工作原理

(二)抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的合理布局

人類社會的快速發(fā)展決定了對工業(yè)用地及用電需求量的增加，抽水蓄能電站，在我國起步較晚，因此帶來的經(jīng)濟(jì)效益并不明顯，抽水蓄能電站在本質(zhì)上是電網(wǎng)管理的工具之一，是作為其他電源的一種補(bǔ)充，并非越多越好，因此抽水蓄能電站的建設(shè)應(yīng)從電力市場的需求出發(fā)，制定合理的發(fā)展規(guī)劃，合理的比重應(yīng)當(dāng)是因網(wǎng)而異、因時(shí)而異。

(三)抽水蓄能電站的發(fā)展意義

1.抽水蓄能電站啟停迅速、運(yùn)行靈活，對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用：它既是發(fā)電廠為發(fā)電系統(tǒng)提供峰荷電能，又為用戶消納低谷電能這種峰調(diào)模式在減小系統(tǒng)峰谷差時(shí)具有雙重作用，是異于其他發(fā)電廠的；此外，運(yùn)行靈活，能對負(fù)荷的急劇變化做出快速反應(yīng)，適合承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)頻及快速跟蹤負(fù)荷。

2.抽水蓄能電站可以減少系統(tǒng)燃料的消耗，提高能源的利用效率，具備節(jié)能環(huán)保的經(jīng)濟(jì)效益。

抽水蓄能技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)1.技術(shù)成熟度高 1.能量密度低2.使用壽命長 2.地理限制3.自放電率低 3.投資成本高4.整體效率高 4.經(jīng)濟(jì)性差,投資回報(bào)周期長5.與其他儲存技術(shù)相比，儲存成本極低

二、抽水蓄能電站的安保功能

(一)抽水蓄能電站的發(fā)展作用

抽水蓄能電站在低谷時(shí)利用電網(wǎng)多余的電力和電量抽水，然后在高峰時(shí)段利用低谷時(shí)所抽得水量進(jìn)行發(fā)電，補(bǔ)充高峰期用電量，同時(shí)承載了調(diào)壓、調(diào)頻、調(diào)峰填谷、事故備用、黑啟動等眾多安保功能，大大價(jià)降低了風(fēng)能、核能、太陽能的峰調(diào)負(fù)擔(dān)和峰調(diào)成本，緩解了調(diào)峰困難、資源浪費(fèi)等情況的發(fā)生。與此同時(shí)抽水蓄能電站的適應(yīng)能力強(qiáng)，操作靈活，發(fā)電速度快，是電網(wǎng)設(shè)備極好的事故備用電源。設(shè)計(jì)操作方便，能適應(yīng)負(fù)荷的急劇變化，可以作為電網(wǎng)電壓的調(diào)相電源，同時(shí)具有很好的黑功能啟動功能，因此抽水蓄能電站是電網(wǎng)運(yùn)行與戰(zhàn)略防御的保安電源，為維持電網(wǎng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行維護(hù)奠定了基礎(chǔ)。

1.調(diào)相。即所謂的電壓調(diào)節(jié)，將各地區(qū)的電壓控制在穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)的范圍之內(nèi)，如在節(jié)假日電網(wǎng)負(fù)荷低谷期相應(yīng)的電壓會升高而又無法調(diào)節(jié)時(shí)可以開啟調(diào)相功能，保障電壓的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

2.調(diào)頻。即對工作機(jī)組的工作頻率進(jìn)行調(diào)整，頻率取決于運(yùn)行機(jī)組承載負(fù)荷的能力特性和平衡情況。當(dāng)機(jī)組的運(yùn)行頻率較低時(shí)可進(jìn)行發(fā)電增加系統(tǒng)機(jī)組出力；相反當(dāng)運(yùn)行頻率較高時(shí)可以電能轉(zhuǎn)化成勢能進(jìn)行抽水從而增加系統(tǒng)的負(fù)荷。

3.調(diào)峰填谷。即在電網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)不發(fā)電，而是將水儲存在水庫上，待電網(wǎng)高峰期在轉(zhuǎn)化為電能，供人們使用。

4.黑啟動。即廠設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行中地區(qū)電網(wǎng)大面積停電的情況下，在外界能源的情況下可自行啟動程序運(yùn)行來進(jìn)行電網(wǎng)的恢復(fù)，滿足廠用電。

5.事故備用。是電力系統(tǒng)中備用容量的重要組成部分，在發(fā)電設(shè)備可能發(fā)生臨時(shí)性或永久性故障而影響供電，因此系統(tǒng)為了確保電力設(shè)施供電穩(wěn)定及用戶設(shè)備的安全而設(shè)置了一定數(shù)量的事故備用電源。

(二)抽水蓄能電站保安電源的設(shè)計(jì)原則

當(dāng)蓄能水電站出現(xiàn)停機(jī)時(shí)有可能與電力系統(tǒng)的廠用電外來電源失去聯(lián)系，致使啟動機(jī)組無法啟動恢復(fù)用電，情況嚴(yán)重時(shí)會影響大壩度汛安全、廠房可能被淹沒，危及人身設(shè)備安全，因此首要問題要先配置合適、可靠的其他電源作為事故保安電源，總體的設(shè)計(jì)原則有：

1.有相對的獨(dú)立性，即廠用電與保安電源不在一個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中，要有備用電源系統(tǒng)，互不干擾。

2.可靠性高，要實(shí)現(xiàn)事故保安電源設(shè)備和配電故障幾率低，實(shí)現(xiàn)自動啟動、自動投入的成功率高。

3.維護(hù)工作量小，經(jīng)濟(jì)效益好。

4.電能源質(zhì)量有保障，即在事故發(fā)生的情況下保安電源能夠保證保安負(fù)荷狀態(tài)下的正常運(yùn)行。在大功率電動機(jī)啟動狀態(tài)下的功率、頻率要滿足電廠用電規(guī)范的要求。

三、抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益分析

(一)抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益

抽水蓄能電站在電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中起著關(guān)鍵作用，不僅調(diào)整了峰谷還產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益，避免了資源浪費(fèi)及超負(fù)荷運(yùn)行對電網(wǎng)造成的沖擊，而抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益大致可分為：

1.靜態(tài)效益

靜態(tài)效益是指抽水蓄電站在電網(wǎng)中的節(jié)能作用。通過調(diào)峰谷期，將多余電量轉(zhuǎn)化儲存，既避免了浪費(fèi)節(jié)約了能源，還可緩解用電高峰期電網(wǎng)緊張的問題。主要包括：

(1)容量效益：抽水蓄能電站的造價(jià)低于其他能源電站且工期短，建設(shè)抽水蓄能電站調(diào)峰，就可以減少其他供電容量，改善能源結(jié)構(gòu)，減少投資。

(2)能量轉(zhuǎn)換效益：成本較低的低谷電能轉(zhuǎn)化為和相對較高的峰荷電能，提高了電網(wǎng)的運(yùn)行速度和運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

(3)節(jié)能效益：根據(jù)我國的發(fā)展需求需建立起能循環(huán)、可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)體系和資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。目前電力系統(tǒng)運(yùn)行中存在的主要問題是能源結(jié)構(gòu)上的不合理造成的供電矛盾而抽水蓄能電站的工作原理瞧好滿足了電力系統(tǒng)的需求，降低了燃料消耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

(4)環(huán)保效益：抽水蓄能電站自身屬于清潔能源，基本不產(chǎn)生污染，但并非不會產(chǎn)生環(huán)境影響。主要是水庫淹沒耕地及移民問題，動植物的生態(tài)環(huán)境等。因此選址要有一定的規(guī)劃性，才能將抽水蓄能電站發(fā)展成綠色、環(huán)保的能源。

2.動態(tài)效益

圖3-1 為蓄電站動態(tài)效益圖

抽水蓄能電站的動態(tài)效益要體現(xiàn)在峰調(diào)效益、調(diào)頻效益、調(diào)壓調(diào)相效益以及備用效益等方面。

(1)調(diào)峰效益：水蓄能電站不僅可以頂峰發(fā)電還可以迎風(fēng)發(fā)電即快速的跟蹤負(fù)荷變化。

(2)調(diào)頻效益：抽水蓄能機(jī)組可根據(jù)系統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行情況通過變速器增加或減少出力，從而調(diào)整系統(tǒng)機(jī)組的頻率變化，以適應(yīng)系統(tǒng)保證平穩(wěn)電力的輸出。

(3)調(diào)相效益：即調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率，來確保系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，基于抽水蓄能機(jī)組結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)可以方便地作調(diào)相運(yùn)行，這樣不僅可以保持電網(wǎng)的穩(wěn)定，而且可以減少電網(wǎng)的網(wǎng)損，不但在空閑時(shí)間內(nèi)可以提供調(diào)相作用，在發(fā)電和抽水時(shí)也可以調(diào)相，抽水蓄能機(jī)組調(diào)相完成后，可以快速的轉(zhuǎn)化為電能或勢能。

(4)備用效益：蓄能機(jī)組適于承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用，對穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率和緩解事故起重要作用，分為負(fù)擔(dān)備用、事故備用和檢修備用。

(5)負(fù)荷跟隨效益：電網(wǎng)負(fù)荷總是在不斷變化，當(dāng)負(fù)荷急劇變化時(shí)，抽水蓄能機(jī)組與其他類型的機(jī)組相比，其負(fù)荷跟隨快、爬坡能力強(qiáng)。

(6)保安功能效益：保安功能的發(fā)揮有利于我國新能源的開發(fā)與發(fā)展，受益者是電網(wǎng)和整個(gè)社會。風(fēng)能、太陽能等新能源的運(yùn)行受外界天氣的影響較大，給電網(wǎng)的運(yùn)行增加了不確定因素，而抽水蓄能電站發(fā)揮的調(diào)頻功能有利于我國大力開發(fā)新能源，促進(jìn)電力的可持續(xù)發(fā)展效益。

(二)抽水蓄能電站效益的研究

抽水蓄能電站可有效減少的調(diào)峰電源的投資，降低用戶的用電成本。給其他的電源帶來的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與節(jié)煤效益等，最終將部分轉(zhuǎn)化為降低用戶單位用電成本的效益；用戶的可靠性提高，停電損失減少；電網(wǎng)運(yùn)行安全可靠性提高帶來經(jīng)濟(jì)效益與政治效益，環(huán)保與旅游效益；充分利用資源，促進(jìn)我國能源的可持續(xù)發(fā)展的效益。并由電網(wǎng)管理與運(yùn)營帶來的降低市場改革與運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)濟(jì)與社會效益。有利于“西電東送”與“西部大開發(fā)”“南北互供”全國大聯(lián)網(wǎng)政策的實(shí)施，給社會用戶帶來資源優(yōu)化、可靠性提高的經(jīng)濟(jì)效益。

(三)抽水蓄能電站在“碳中和”時(shí)期的戰(zhàn)略性發(fā)展

近年來伴隨全球工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，大量的碳排放使得全球溫室效應(yīng)不斷凸顯，全球生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的破壞，人類的健康也面臨著很大的威脅，因此實(shí)現(xiàn)“碳中和”戰(zhàn)略有著深遠(yuǎn)的意義?！疤贾泻汀钡闹饕獞?zhàn)略能從根本上提升能源的安全性和環(huán)保性。能推動我國新型能源的源頭切換，降低對傳統(tǒng)能源的外部依賴。

為響應(yīng)“碳中和”的戰(zhàn)略性要求粵西地區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)赜辛Φ牡匦苇h(huán)境、豐富的風(fēng)力資源以及綿長的海岸線等準(zhǔn)備建設(shè)風(fēng)電等新能源，這樣不僅能達(dá)到合理利用能源的標(biāo)準(zhǔn)還可以減排節(jié)能，云浮蓄能發(fā)電有限公司作為新能源蓄電公司在電力建設(shè)、生產(chǎn)和經(jīng)營、電量生產(chǎn)、電力及其附屬產(chǎn)品的和銷售等方面都有重要的意義，尤其是云浮水源山抽水蓄能電站的建設(shè)，上水庫位于水源山上，下水庫位于新興縣太平鎮(zhèn)水浪村東坑上下水庫同一水系，電站規(guī)劃總量1 200MW。抽水蓄能電站是目前技術(shù)最成熟的大規(guī)模儲能方式，它的投入運(yùn)行可促進(jìn)清潔能源的消納，保障電力運(yùn)行的安全、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)，推動新能源的快速發(fā)展。

四、結(jié)語

抽水蓄能電站作為新興的能源儲存結(jié)構(gòu)，不但經(jīng)濟(jì)、壽命長、容量大、適應(yīng)能力強(qiáng)，而且在電網(wǎng)應(yīng)用中產(chǎn)生的了很大的經(jīng)濟(jì)效益，使得電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，有效地減少了風(fēng)、核電廠并網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)的沖擊，對實(shí)現(xiàn)“碳中和”的發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義，是一項(xiàng)既安全又經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施，建設(shè)一定規(guī)模的抽水蓄能電站，對電力系統(tǒng)及社會的可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)行具有重要的意義。