龐 偉，王 帆

（1.華北電力大學(xué)，北京市 102206; 2.國家電網(wǎng)公司華北分部，北京市 100053）

抽水蓄能電站在電網(wǎng)運(yùn)行中的地位與作用

龐 偉1，王 帆2

（1.華北電力大學(xué)，北京市 102206; 2.國家電網(wǎng)公司華北分部，北京市 100053）

本文通過分析抽水蓄能電站的特點(diǎn)，從保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、保證電能質(zhì)量、促進(jìn)電力系統(tǒng)節(jié)能等方面詳細(xì)論述了抽水蓄能電站在電網(wǎng)運(yùn)行中的地位與作用，并對抽水蓄能的發(fā)展前景作了展望。

抽水蓄能；電網(wǎng)；事故處理；新能源

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,電力負(fù)荷快速增長,電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，社會(huì)對電力安全可靠供應(yīng)的要求越來越高，電網(wǎng)運(yùn)行的難度和壓力也越來越大。抽水蓄能電站因其良好的機(jī)組性能，調(diào)峰填谷的獨(dú)特運(yùn)行特性,在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、保證電能質(zhì)量、促進(jìn)電力系統(tǒng)節(jié)能等方面發(fā)揮著不可替代的作用,隨著電網(wǎng)的發(fā)展，特別是在特高壓智能電網(wǎng)和新能源大規(guī)模接入的背景下，抽水蓄能電站的地位將越來越重要。

1 抽水蓄能電站的發(fā)展現(xiàn)狀

20世50年代是世界抽水蓄能電站發(fā)展的起步階段。1960年，全世界抽水蓄能電站總裝機(jī)容量350萬kW，僅占世界總裝機(jī)容量的0.62%，預(yù)計(jì)至2005年，全世界抽水蓄能電站總?cè)萘窟_(dá)到11788萬kW。

我國的抽水蓄能電站發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)90年代才進(jìn)入快速發(fā)展期，興建了廣州抽蓄一期、北京十三陵、浙江天荒坪等一批大型抽水蓄能電站，之后陸續(xù)開工建設(shè)了一批抽水蓄能電站。截至2013年底，全國抽水蓄能電站投產(chǎn)容量已達(dá)2154.5萬kW。根據(jù)規(guī)劃，至2020年，我國抽水蓄能電站裝機(jī)容量將達(dá)到7000萬kW。

2 抽水蓄能電站的特點(diǎn)

抽水蓄能電站在電網(wǎng)運(yùn)行中的作用，是由其自身的特點(diǎn)決定的。抽水蓄能電站主要有以下3個(gè)特點(diǎn)：

（1）機(jī)組啟停速度快，運(yùn)行可靠。抽水蓄能電站從滿載抽水至滿載發(fā)電僅需要360s，而在緊急情況下，最低僅需要220s。根據(jù)調(diào)度運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，以北京十三陵抽水蓄能機(jī)組為例，從調(diào)度下令機(jī)組由停機(jī)狀態(tài)開機(jī)發(fā)電，至發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶100%出力，一般時(shí)間均在4min以內(nèi)，這是常規(guī)火電機(jī)組無法相比的。絕大多數(shù)火電機(jī)組的調(diào)節(jié)速率約為每分鐘變化額定容量的2%，在電網(wǎng)發(fā)生較為緊急的事故，如功率缺額或者元件過熱穩(wěn)極限時(shí)，抽水蓄能機(jī)組的作用可以說是立竿見影。

抽水蓄能機(jī)組非常可靠。仍以北京十三陵抽水蓄能機(jī)組為例，日均機(jī)組啟停為5～6次，年啟停次數(shù)在2000次左右，幾乎沒有發(fā)生過機(jī)組未及時(shí)并網(wǎng)的情況。相比之下，常規(guī)火電機(jī)組由于受煤質(zhì)、氣溫、輔機(jī)缺陷等因素影響，常常出現(xiàn)增減出力不及時(shí)，甚至鍋爐滅火等現(xiàn)象，給電網(wǎng)安全帶來不確定因素。

可以說，抽水蓄能電站是電網(wǎng)運(yùn)行的“快速反應(yīng)部隊(duì)”，且“招之即來，來之能戰(zhàn)”，是保證電網(wǎng)安全的可靠后盾。

（2）裝機(jī)容量占比很小。根據(jù)2005年的數(shù)據(jù)，世界上抽水蓄能電站裝機(jī)占比最大的國家是日本，為10.7%，我國僅為1.2%。以華北電網(wǎng)為例，抽水蓄能總裝機(jī)容量520萬kW，分別為：十三陵電廠，4×20萬kW；西龍池電廠，4×30萬kW；呼和浩特抽水蓄能電廠，4×30萬kW；張河灣電廠，4×25萬kW；泰山抽水蓄能電廠，4×25萬kW。截至2015年6月底，華北電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量27528萬kW，其中火電裝機(jī)容量22932萬kW，風(fēng)電裝機(jī)容量3386萬kW，光伏裝機(jī)容量524萬kW，抽水蓄能裝機(jī)占比僅為1.9%。國內(nèi)幾個(gè)主要區(qū)域電網(wǎng)的抽水蓄能裝機(jī)占比情況大抵如此。因此，抽水蓄能電站只能在電網(wǎng)發(fā)生事故或頻率調(diào)整等情況下使用，不能解決電網(wǎng)結(jié)構(gòu)性缺電的問題。

（3）發(fā)電能力只與蓄水池容量有關(guān)，不受季節(jié)等因素影響。與常規(guī)水電機(jī)組不同，抽水蓄能機(jī)組一般依托水庫、湖泊等地形，將小部分存水抽到上部蓄水池來發(fā)電，不利用江河的徑流發(fā)電，因此不受豐水期和枯水期的影響，上池的水量一年四季均有保障。因此，任何季節(jié)任何時(shí)段都能保證穩(wěn)定的發(fā)電能力。

由于抽水蓄能電站的上池大多為人工開挖，受地形等客觀因素制約，容量相對較小，不能支持長時(shí)間持續(xù)發(fā)電。以北京十三陵電廠為例，若所有機(jī)組滿發(fā)，從最高發(fā)電水位至發(fā)電死水位，僅需6～7h。因此，抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)用不能夠隨意，只有在電網(wǎng)需要的時(shí)候才可以使用。

3 抽水蓄能電站的作用

3.1 保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行

抽水蓄能機(jī)組作為電網(wǎng)性能最優(yōu)良的事故備用容量，是調(diào)度員事故處理的有效手段，其作用在華北電網(wǎng)這樣以火電機(jī)組占絕對比例的電網(wǎng)中尤其突出，在多次重大復(fù)雜的事故中擔(dān)當(dāng)了重要的角色。2015年6月，華北電網(wǎng)發(fā)生一起線路多重事故，由于線下有山火，某重要送出斷面的同名500kV三回線路在11min內(nèi)相繼掉閘，安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切機(jī)，線路潮流發(fā)生大規(guī)模轉(zhuǎn)移，事故造成系統(tǒng)頻率下降0.06Hz，該斷面中其他500kV線路重載。值班調(diào)度員緊急降低送端機(jī)組出力，同時(shí)下令開啟北京十三陵電廠機(jī)組發(fā)電，在短短的十幾分鐘內(nèi)，4臺(tái)機(jī)組發(fā)電帶滿負(fù)荷，穩(wěn)住了電網(wǎng)的頻率，同時(shí)有效控制了斷面潮流，防止了電網(wǎng)發(fā)生次生事故的風(fēng)險(xiǎn)。與此事故類似，2008年8月，華北網(wǎng)另一重要送電斷面的500kV三回線路由于微氣候影響，短時(shí)間內(nèi)相繼掉閘，值班調(diào)度員緊急降低送端機(jī)組出力，同時(shí)下令開啟北京十三陵電廠機(jī)組發(fā)電，最終圓滿地處理了該事故。十三陵電廠自1995年投運(yùn)以來，經(jīng)歷了無數(shù)次的大小事故，在相當(dāng)一部分事故中發(fā)揮了重要作用。

抽水蓄能電站總是“臨危受命”，并且每次都出色地完成了任務(wù)?？梢哉f，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，抽水蓄能電站功不可沒。

3.2 保證電能質(zhì)量

抽水蓄能電站在保證電能質(zhì)量方面的作用，體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：

第一，減輕或抵消負(fù)荷波動(dòng)的影響。電網(wǎng)中有很多沖擊負(fù)荷，如電氣化鐵路、高耗能企業(yè)等。這些負(fù)荷的投入和退出都是隨機(jī)的，而且容量很大，電氣化鐵路的沖擊一般可以達(dá)到數(shù)萬千瓦，成規(guī)模的高耗能生產(chǎn)線，沖擊甚至能夠達(dá)到20萬kW以上，相當(dāng)于一臺(tái)普通發(fā)電機(jī)的容量。這些沖擊負(fù)荷在整個(gè)社會(huì)總用電負(fù)荷較平穩(wěn)的時(shí)段對頻率的影響還不明顯，在總用電負(fù)荷大幅度變化的時(shí)段，沖擊負(fù)荷疊加上其他社會(huì)用電波動(dòng)，影響就比較大了。在這樣的時(shí)段內(nèi)，電網(wǎng)調(diào)度往往會(huì)開啟抽水蓄能機(jī)組，當(dāng)本網(wǎng)的區(qū)域控制偏差（Area Control Error）超范圍時(shí)，及時(shí)調(diào)整抽水蓄能機(jī)組出力將其控制在合格范圍內(nèi)。

第二，是良好的調(diào)峰電源。在各類型的電源中，抽水蓄能機(jī)組的性能是最優(yōu)良的。火電機(jī)組的調(diào)峰能力大約為50%，如果再進(jìn)行深度調(diào)峰，會(huì)影響機(jī)組的燃燒穩(wěn)定，增加煤耗等；核電機(jī)組的原理以及運(yùn)行工況，決定了核電機(jī)組最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式為帶基荷運(yùn)行，不參與調(diào)峰。風(fēng)電等新能源的隨機(jī)性，決定了其無調(diào)峰能力。抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電與抽水工況間轉(zhuǎn)換，調(diào)峰能力為額定容量的200%，調(diào)峰主力的角色自然由抽水蓄能電站來擔(dān)當(dāng)。

第三，調(diào)整電網(wǎng)電壓。抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行在調(diào)相工況時(shí)，可以根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際調(diào)整無功出力，保證電壓水平符合電壓曲線的要求。特別在春節(jié)等大的節(jié)假日，用電負(fù)荷急劇下降時(shí)，抽水蓄能機(jī)組調(diào)相運(yùn)行對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定發(fā)揮了巨大作用。

3.3 提升常規(guī)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性

抽水蓄能電站能夠提升常規(guī)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，集中體現(xiàn)在其調(diào)峰作用中?；痣姟⒑穗姷葌鹘y(tǒng)電源，都有其最佳的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行曲線，在不同的運(yùn)行工況下，能耗有較大差距?；痣姍C(jī)組的在50%負(fù)荷率以上運(yùn)行時(shí)，能耗較低，當(dāng)進(jìn)入50%以下深度調(diào)峰時(shí)，煤耗顯著增加，同時(shí)會(huì)降低設(shè)備的壽命，而且火電機(jī)組深度調(diào)峰的范圍裕度很小，一般只能下調(diào)至40%額定功率，既浪費(fèi)了一次能源，又起不到顯著的調(diào)峰效果。以30萬kW機(jī)組為例，一臺(tái)機(jī)組由50%深度調(diào)峰至40%，功率下降只有3萬kW，相對的，1臺(tái)20萬kW的抽水蓄能機(jī)組調(diào)峰，相當(dāng)于7臺(tái)30萬kW火電機(jī)組深度調(diào)峰的效果。抽水蓄能機(jī)組的顯著調(diào)峰作用，避免了大量常規(guī)機(jī)組深度調(diào)峰造成的資源浪費(fèi)，對整個(gè)電力系統(tǒng)，對國家都有重要的意義。

3.4 提高電網(wǎng)吸納新能源的能力，促進(jìn)節(jié)能減排

抽水蓄能電站能夠顯著提升電網(wǎng)吸納新能源的能力。我國的風(fēng)電資源在2000年之后開始陸續(xù)大規(guī)模開發(fā)，發(fā)展非常迅速。華北電網(wǎng)的風(fēng)電發(fā)展在2007年后呈井噴態(tài)勢，根據(jù)上文的數(shù)據(jù)，當(dāng)前風(fēng)電裝機(jī)已突破了10%，達(dá)12.3%，比例比較高，專家認(rèn)為一般應(yīng)控制在10%以內(nèi)。風(fēng)電出力具有隨機(jī)性和顯著的反調(diào)峰特性，給電網(wǎng)的運(yùn)行、調(diào)峰造成很大壓力。抽水蓄能機(jī)組性能優(yōu)良，可以隨時(shí)應(yīng)對風(fēng)電出力的波動(dòng)，維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定；在電網(wǎng)負(fù)荷低估時(shí)段，抽水蓄能機(jī)組抽水運(yùn)行，為電網(wǎng)吸納風(fēng)電功率創(chuàng)造條件；在風(fēng)電集中匯集地區(qū)，抽水蓄能機(jī)組與風(fēng)電機(jī)組互補(bǔ)運(yùn)行，即“風(fēng)火打捆”，不論是風(fēng)電送出還是就地消納的方式，均提高了運(yùn)行的靈活性。電網(wǎng)吸納新能源的能力，是由電網(wǎng)的規(guī)模決定的，但電網(wǎng)規(guī)模是社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度決定的，不以電網(wǎng)公司、發(fā)電公司的意志為轉(zhuǎn)移，抽水蓄能機(jī)組的合理運(yùn)用，突破了電網(wǎng)規(guī)模的限制，是消納新能源的有效手段，對促進(jìn)節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境有重要的意義。

3.5 提供黑啟動(dòng)電源

抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)迅速，調(diào)整性能優(yōu)良，在不依靠外界電源的情況下可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，并通過輸電線路給其他的電廠提供啟動(dòng)電源，從而逐步恢復(fù)電網(wǎng)的運(yùn)行方式。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生崩潰或大面積停電事故時(shí)，抽水蓄能電站是電網(wǎng)恢復(fù)供電的“星星之火”。

4 存在的問題和展望

當(dāng)前人們在對抽水蓄能電站的認(rèn)識、管理、運(yùn)行等方面還存在一些問題。

首先，對抽水系能電站對系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性的作用缺乏客觀評價(jià)。電力系統(tǒng)的運(yùn)行，是先有安全，才有效益。抽水蓄能電站的裝機(jī)比例小，平時(shí)發(fā)電時(shí)間也短，只有在電網(wǎng)發(fā)生事故的時(shí)候才直觀體現(xiàn)出其價(jià)值，除了電網(wǎng)調(diào)度部門，其他人對抽水蓄能電站的安全作用沒有深入的認(rèn)識。實(shí)際上，每次重大事故的正確處理，避免的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以億計(jì)，國外的數(shù)次大停電均說明了這一點(diǎn)，因此，安全才是最大的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，抽水蓄能電站在調(diào)峰和吸納新能源方面的作用，有效地減少了一次能源的浪費(fèi)，促進(jìn)了節(jié)能減排，帶來了相當(dāng)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，這一點(diǎn)還沒有被提升到應(yīng)有的高度。

其次，政策上缺乏激勵(lì)機(jī)制。當(dāng)前的市場經(jīng)濟(jì)條件下，經(jīng)濟(jì)效益是各方追逐的目標(biāo)。目前的政策，雖然對調(diào)峰調(diào)壓等輔助服務(wù)有一定的補(bǔ)償，但力度還比較小。抽水蓄能電站“抽水四度電，發(fā)電三度電”的特性，決定了其不可能通過發(fā)電量來獲得經(jīng)濟(jì)效益，但調(diào)峰調(diào)壓的效益又不明顯，所以抽水蓄能電站幾乎沒有什么經(jīng)濟(jì)效益可言。當(dāng)前抽水蓄能電站基本由電網(wǎng)公司投資建設(shè)，發(fā)電公司等沒什么積極性。今后應(yīng)該合理增加抽水蓄能電廠的補(bǔ)償力度，同時(shí)本著“誰投資，誰受益”的原則，把抽水蓄能機(jī)組和風(fēng)電吸納結(jié)合起來，這樣就能極大地調(diào)動(dòng)發(fā)電公司等各方的積極性，加快抽水蓄能機(jī)組的建設(shè)。

雖然存在上述問題，但抽水蓄能電站今后仍有良好的發(fā)展前景。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

第一，電源結(jié)構(gòu)的調(diào)整需要發(fā)展抽水蓄能電站。當(dāng)前國家大力開發(fā)風(fēng)電、光伏等新能源，電網(wǎng)規(guī)模相對穩(wěn)定，從系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，需要配置相應(yīng)比例的抽水蓄能電站。

第二，建設(shè)特高壓智能電網(wǎng)需要發(fā)展抽水蓄能電站。當(dāng)前國家電網(wǎng)公司大力建設(shè)特高壓電網(wǎng)，主要為了實(shí)現(xiàn)跨區(qū)資源的優(yōu)化配置，相當(dāng)一部分風(fēng)電功率通過特高壓線路送出，為了在風(fēng)電匯集地區(qū)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電火電互補(bǔ)運(yùn)行，以及應(yīng)對大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移的電網(wǎng)事故，需要加快建設(shè)抽水蓄能電站。

綜上所述，隨著社會(huì)的進(jìn)步，電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，抽水蓄能電站未來會(huì)有更良好的發(fā)展前景，在電網(wǎng)中的地位將越來越高，發(fā)揮越來越重要的作用。

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龐 偉（1980—），男，本科，高級工程師，研究方向：電網(wǎng)運(yùn)行管理。E-mail: pw19801220@163.com

王 帆（1987—），男，碩士，工程師，研究方向：電網(wǎng)運(yùn)行管理。

The Position and Function of the Pumped Storage Power Station in Power Grid Operation

PANG Wei1，WANG Fan2
（1. North China Electric Power University，Beijing 102206,China; 2. North China Branch of State grid，Beijing 100053,China）

The article analyzed the characters of the pumped storage power station. Then，discussed the position and function of pumped storage power station in detail by the purposes of stabilizing operation of power grid，ensuring power quality and improving grid system energy saving. Finally，prospected the future of the developing of pumped storage.

pumped storage; power grid; accident treatment;new energy