王婷婷，趙杰君，王朝陽

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024)

我國電網(wǎng)對抽水蓄能電站變速機組的需求分析

王婷婷，趙杰君，王朝陽

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024)

變速抽水蓄能機組具有更好的穩(wěn)定性和變速恒頻發(fā)電能力、更優(yōu)的調(diào)節(jié)性能、更廣的調(diào)節(jié)范圍等優(yōu)勢。以變速抽水蓄能機組的優(yōu)勢為基礎，從未來電網(wǎng)的特點和需求出發(fā)，探索變速機組對電網(wǎng)建設、提高資源利用率以及電站自身運行等方面的積極影響，并參照國外已建變速機組的相關運行指標和我國電網(wǎng)調(diào)節(jié)性能補償相關規(guī)定，就我國變速機組在未來電網(wǎng)的經(jīng)濟性進行預判。

變速機組；抽水蓄能電站；調(diào)節(jié)性能；經(jīng)濟性

從20世紀60年代開始，國外水電行業(yè)就開始了變速抽水蓄能機組的研究及試驗工作，日本早在1990年就投產(chǎn)了首臺變速機組(矢木澤抽水蓄能電站)。截止目前，國際上已采用變速蓄能機組的電站約11座、20臺機組，在建約7座電站、17臺機組[1-3]，其中Kzaunogawa抽水蓄能電站額定水頭最高(714 m)，單機容量最大(460 MW)，相應機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為±4%；已建在建的大部分變速機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍在±4%～±7%之間，日本Takami抽水蓄能電站到達±10%，Yagisawa抽水蓄能電站轉(zhuǎn)速變幅在+4%～-13%之間?？梢哉f，從發(fā)達國家的產(chǎn)品研發(fā)和電站建設來看，變速蓄能機組的各項技術發(fā)展已日趨成熟，且在國際上也逐步形成較為成熟的變速機組的建設、運行和維護經(jīng)驗。尤其是歷經(jīng)20余年電網(wǎng)實際運行經(jīng)驗和效果的考驗，變速機組比定速機組能夠更好、更經(jīng)濟地服務于電網(wǎng)，因此電站蓄能機組從早期的定速+變速模式(日本矢木澤、德國Goldisthal等)發(fā)展到現(xiàn)階段的全變速模式(日本Kyogoku、瑞士Linthal和Nant de Drance SA、印度Tehri等)，從發(fā)達國家建設(日本、德國)發(fā)展到發(fā)達國家、發(fā)展中國家均建設的格局(瑞士、印度等)，從新建變速機組到定速向變速機組改造(日本奧多多良木蓄能定速機組更換為變速機組已開始建設實施)?？梢哉f，采用變速機組不僅是蓄能電站在技術上的發(fā)展，更是電網(wǎng)需求變化的產(chǎn)物。

然而，中國變速機組及其配套的變頻設備尚未引進技術建設的工程實例。隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對優(yōu)質(zhì)電網(wǎng)的需求日益顯著，尤其是在風電大規(guī)模地接入電網(wǎng)以后，從電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的角度考慮，大容量變速機組的應用變得日益迫切。為此，2014年11月國家發(fā)改委明確提出我國要積極推進可變機組的國產(chǎn)化，提高主輔設備的獨立成套設計和制造能力。本文將以未來電網(wǎng)的特點和需求為切入點，探索變速機組對電網(wǎng)的重要性及經(jīng)濟性。

1 變速機組的優(yōu)勢

變速抽水蓄能電站機組在電網(wǎng)運行和電站自身運行等方面的優(yōu)勢較為突出。從電網(wǎng)運行考慮，變速機組具有更好的穩(wěn)定性、更優(yōu)的調(diào)節(jié)性能、更廣的調(diào)節(jié)范圍、以及更強的調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功能[4、5]。

首先，變速機組啟動時交流勵磁系統(tǒng)的輸出頻率逐漸變化，不僅實現(xiàn)平滑啟動，更能使其在最利于出力的轉(zhuǎn)速下運行。這樣，無論在抽水或發(fā)電工況均可減少對電網(wǎng)的沖擊，從根本上解決以往采用改變電機極數(shù)所帶來的技術上的麻煩以及諧波等對電機運行性能的影響。據(jù)有關運行數(shù)據(jù)，日本Kzaunogawa變速機組水泵工況抽水運行與定速機組相比，系統(tǒng)頻率波動幅度減低43%。如圖1所示，日本關西電力公司結合Okawachi電站變速機組進行了相關實驗，在電力系統(tǒng)容量為11 000 MW系統(tǒng)中，當火電和水電的調(diào)頻容量為160 MW時，系統(tǒng)頻率控制在60 Hz±0.1 Hz之內(nèi)的比例是96.8%(見圖1a)；當火電和水電的調(diào)頻容量為80 MW、變速機組為80 MW時，系統(tǒng)頻率控制在60 Hz±0.1 Hz之內(nèi)的比例是99.7%，系統(tǒng)頻率保證率提高了2.9%，顯著說明變速機組對改善電網(wǎng)供電質(zhì)量的作用[6](見圖1b)。

圖1 可變機組與可變機組實驗對比

其次，變速機組可通過變頻調(diào)速的方式來調(diào)節(jié)水泵工況下入力，不僅能夠提高精準配合系統(tǒng)需求水平，配合電力系統(tǒng)頻率自動控制，尤其是提高低谷負荷時電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)質(zhì)量，并可免掉SFC水泵工況啟動裝置。據(jù)統(tǒng)計，日本、德國已建變速機組的轉(zhuǎn)速變化范圍約±4%～10%。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以改變，與傳統(tǒng)抽水蓄能機組相比，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%。在新能源電源大規(guī)模入網(wǎng)的背景下，從提高資源利用率、減小新能源電源對系統(tǒng)的沖擊、提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性等方面考慮，變速機組的優(yōu)勢將越來越明顯。

此外，變速機組在響應時間、調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)精度等方面的調(diào)節(jié)性能更好。根據(jù)現(xiàn)階段收集到的資料，變速機組在響應時間、調(diào)節(jié)速度方面明顯優(yōu)于定速機組。Okawachi抽水蓄能電站400 MW變速機組0.2 s內(nèi)可改變輸出功率32 MW或輸入功率80 MW，十三陵蓄能電廠機組在AGC控制下的調(diào)節(jié)速率約為100 MW/min。從啟動時間來看，變速機組約3 min，定速機組約5 min。同時，變速機組具有較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功和深度吸收系統(tǒng)無功的功能，并可通過自動頻率控制來提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。

從電站自身運行考慮，變速機組具有提高機組效率和穩(wěn)定性能、改善空化性能、改善功率調(diào)節(jié)范圍等優(yōu)勢；從抽水蓄能電站建設角度考慮，可通過增加站點水頭變幅來增加電站建設規(guī)模，提高電站經(jīng)濟效益。

2 變速機組在電網(wǎng)中的需求分析

2.1 有利于促進堅強智能電網(wǎng)的建設，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)越來越趨于大容量、遠距離、超高壓、重負載發(fā)展，電力系統(tǒng)的運行方式更為復雜，區(qū)域系統(tǒng)振蕩引發(fā)跨區(qū)域事故的可能性增加，為此，我國提出要建設堅強的智能電網(wǎng)，以提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能。而建設變速抽水蓄能機組將提高蓄能電站自身調(diào)節(jié)能力，進而助力堅強智能電網(wǎng)的建設。

首先，變速機組可為有效的解決負荷突變所引發(fā)的無功功率過剩、工頻過電壓等系統(tǒng)安全運行隱患。在負荷突變時，變速機組可以通過改變頻率的辦法來迅速改變轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子動能，釋放或吸收負荷，從根本上解決諧波等對電機運行性能的影響，更好的適應送、受端電網(wǎng)對可靠性的需求，從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

其次，變速機組不論在發(fā)電工況還是抽水工況，功率調(diào)節(jié)速度、調(diào)節(jié)精度和響應時間等方面均大幅提高，調(diào)節(jié)幅度更大，這樣對電網(wǎng)緊急事故的應急能力更快，更有利的保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，并能夠更好的響應電力系統(tǒng)功率變化要求。

2.2 是我國電力體制改革發(fā)展的必然選擇

為進一步深化電力體制改革，中國提出了具體任務，即“三放開，一獨立”，其中對于工商電價和非公益性發(fā)電計劃的同時放開，不僅僅使電廠在上網(wǎng)電價與利用小時數(shù)上獲得了雙重的解脫，更重要的是電廠面對的目標從電網(wǎng)部門和地方政府轉(zhuǎn)變?yōu)橄掠斡脩簦脩粼V求也從平衡轄區(qū)內(nèi)各電廠的經(jīng)濟利益轉(zhuǎn)變?yōu)楂@取優(yōu)質(zhì)可靠的電力。這種訴求的轉(zhuǎn)變，加之相對寬松的電力需求形勢，使得各電廠只有配備調(diào)節(jié)性能高的、運行靈活的高效機組，才能攀升利用小時數(shù)，進而帶來更大的利潤。

由此可見，抽水蓄能電站采用變速機組不僅是抽水蓄能電站與時俱進的發(fā)展產(chǎn)物，更是符合我國電力體制改革發(fā)展趨勢，勢必受到更多電廠、用戶的歡迎。

2.3 可有效降低電站啟停對局部電網(wǎng)的沖擊

隨著特高壓電網(wǎng)的建設，我國電力系統(tǒng)上層區(qū)域越來越大，各分網(wǎng)之間的聯(lián)系線也逐漸加強，幾十萬機組的啟停對整個電網(wǎng)的影響很小，但對局部小電網(wǎng)，即位于底層小區(qū)域電網(wǎng)的沖擊仍是較大的。1996年，河北省張家口地區(qū)的沙嶺子電廠一臺機組掉閘，繼而引起電網(wǎng)周波驟降，連帶造成其他機組乃至同地區(qū)的其他電廠(裝機容量為440 MW)全部掉閘，致使張家口地區(qū)的220 kV系統(tǒng)與華北主網(wǎng)之間發(fā)生較大振蕩。

定速機組在電力調(diào)節(jié)時單純依靠閥門，由于閥門有一定的機械慣性，快速調(diào)節(jié)時電力損失和機械振動相對較大，尤其是在深夜用電量小、變化速度過快時，機組存在無法連續(xù)運行的可能，對局部電網(wǎng)的安全運行存在隱患。而變速機組在水泵工況啟動時，交流勵磁系統(tǒng)的輸出頻率逐漸變化，故能實現(xiàn)平滑啟動，從而降低對局部電網(wǎng)的沖擊。此外，變速機組可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，尤其是能夠在泵工況下對輸入功率進行調(diào)節(jié)，在負荷突變時也可通過改變頻率的辦法來迅速改變轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子動能，釋放或吸收負荷，使電網(wǎng)的擾動比常規(guī)電機小，從而可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。據(jù)變速機組在日本東京電網(wǎng)運行情況來看，Okawachi電站482 MW水泵水輪機抽水工況下啟動時與定速機組相比，系統(tǒng)頻率波動幅度減低43%，這將有效減少機組啟動對局部電網(wǎng)的影響。

2.4 有利于提高與可再生能源電源的契合度

我國積極發(fā)展核電，大力發(fā)展風電、太陽能等清潔和可再生能源，預計2020年全國風電規(guī)模達到1.5億～2.0億kW。抽水蓄能電站建設采用變速機組，將有利于提高與可再生能源電源的契合度。

一方面，可根據(jù)風電等新能源出力過程，更為靈活的跟蹤電網(wǎng)頻率，調(diào)節(jié)水泵輸入功率，在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下提高新能源利用率；另一方面，電站調(diào)節(jié)速率提高，可更好的跟蹤風電等穩(wěn)定性差的出力過程，從而減小風電、太陽能等新能源電源對電網(wǎng)的沖擊。

據(jù)分析，52 262 MW京津及冀北電網(wǎng)，風電占比為總裝機規(guī)模的11.75%，如果安裝一臺300 MW變速抽水蓄能機組，則風電的上網(wǎng)容量率可以提高0.3%左右，相應年可增加風電發(fā)電量約0.27億kW·h。當然，電網(wǎng)中約80%的火電承擔了大量調(diào)峰任務，弱化了變速蓄能機組對電網(wǎng)的作用。

如考慮建設具備孤網(wǎng)性質(zhì)的柔性直流電網(wǎng)，送端9 300 MW的光伏、風電電源，配合1 500 MW的抽水蓄能電站，實現(xiàn)向受端穩(wěn)定送電3 000 MW的目的。經(jīng)分析，抽水蓄能電站采用變速機組配合運行后，新能源資源利用率率提高近3%，按單臺容量300 MW考慮，即使采用2臺變速機組、4臺定速機組方案，新能源電量增加5.6億kW·h。由此可見，變速機組在提高新能源資源利用率方面作用明顯。

2.5 可提高機組效率、延長機組使用壽命

變速機組的整體空化性較定速機組有所提高。機組可根據(jù)運行工況和水輪機特性調(diào)整轉(zhuǎn)速，使機組始終運行于最優(yōu)或較優(yōu)工況，故而可明顯改善水泵水輪機的水力性能，提高運行效率，減少震動、空蝕和泥沙磨損，延長機組檢修期，并可擴大運行水頭范圍和負荷范圍，提高機組穩(wěn)定性。從日本多個已建變速機組的運行資料來看，機組年平均效率可提高3%～5%，在合適的轉(zhuǎn)速下運行變速機組的磨損量可減少50%。根據(jù)河北豐寧抽水蓄能電站變速機組效率的分析計算，當機組變速范圍達到±7%時，水輪機工況加權平均效率從91.2%增加到了92.41%，升高1.21%。

3 變速機組在電網(wǎng)中的經(jīng)濟性分析

變速機組在電網(wǎng)中的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在其在電網(wǎng)中因調(diào)節(jié)性能提高所帶來的效益和較低的運行費用兩個方面。其中，效益主要體現(xiàn)在三個方面，即機組調(diào)節(jié)性能改善所帶來的AGC補償，機組效率提高所帶來的發(fā)電效益，以及提高可再生能源尤其是風資源的消納能力所帶來的效益。當然，中國抽水蓄能電站的現(xiàn)行的兩部制電價體制決定了此部分效益難以兌現(xiàn)，但根據(jù)中國現(xiàn)行的發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理辦法等進行經(jīng)濟預判，可一定程度上反映出變速抽水蓄能電站對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行及配合新能源電源儲能的等方面的經(jīng)濟優(yōu)勢。

3.1 電網(wǎng)效益分析

根據(jù)相關研究成果及諸多文獻資料，變速機組在調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、響應時間方面的調(diào)節(jié)性能均優(yōu)于定速機組。但礙于我國尚未建設大容量可連續(xù)變速的機組及其配套的變頻設備的工程實例，調(diào)節(jié)性能指標的相關資料很少，僅能以國外已建變速機組的相關指標作為借鑒。同時，為更好的與反映變速機組在我國電網(wǎng)中的經(jīng)濟性，結合京津及冀北電網(wǎng)發(fā)行的區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行及輔助服務管理相關規(guī)定和實施細則，可定量分析可變機組在電網(wǎng)中所產(chǎn)生的效益。

3.1.1 調(diào)節(jié)性能

從調(diào)節(jié)速率來看，有制造廠表明，變速機組水泵工況功率調(diào)節(jié)可達到200 MW/s；日本Okawachi抽水蓄能電站變速機組400 MW，水泵工況下輸入功率速度為400 MW/s，即每秒調(diào)節(jié)功率可達到機組額定功率[7]。而根據(jù)我國某抽水蓄能電站相關資料，其水泵工況下調(diào)節(jié)速率約為100 MW/60s，即變速機組的調(diào)節(jié)速率可達到定速機組的60～120倍。

從調(diào)節(jié)幅度來看，定速機組的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒定，故只能滿抽；根據(jù)已建工程統(tǒng)計成果，變速機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為±4%～±10%，如暫按定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍±7%考慮的話，水泵最大入力可增大6%～8%。

參照華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則，如果蓄能電站能夠參與調(diào)節(jié)性能補償，則300 MW單機容量的變速機組，僅水泵工況下因調(diào)節(jié)速率提高所帶來的補償應不少于1 200萬/a。

3.1.2 轉(zhuǎn)換效率提高

變速機組的綜合轉(zhuǎn)換效率能夠得到一定程度的提高，因此在相同蓄能量下，必然能夠轉(zhuǎn)換出更多的發(fā)電量，從而帶來更多的發(fā)電效益。

根據(jù)節(jié)能減排的能量轉(zhuǎn)換平衡分析，可變機組的電力轉(zhuǎn)換能量利用率較定速機組提高0.01%～0.03%。考慮京津及冀北電網(wǎng)豐寧蓄能電站安裝一臺300 MW變速機組，與定速機組相比因轉(zhuǎn)化效率提高而增加發(fā)電量約13.9萬kW·h/a。按照河北省標桿電價0.304 8元/(kW·h)(不含稅)考慮，電站每年可增加發(fā)電效益4.26萬元。當然，此部分發(fā)電效益也受到電網(wǎng)需求調(diào)度影響。

3.1.3 對于風電消納所產(chǎn)生的效益

變速機組可利用其響應速度快、水泵工況調(diào)節(jié)幅度可變等特點，促進電網(wǎng)對風電等新能源電源的消納吸收[8-10]。經(jīng)分析，京津及冀北電網(wǎng)如果安裝一臺300 MW變速抽水蓄能機組，則風電的上網(wǎng)容量率可提高0.3%左右，則年可增加風電發(fā)電量約0.27億kW·h。由此可見，在不考慮轉(zhuǎn)換效率提高所帶來的效益的前提下，通過與新源配合運行，變速機組每年由于機組性能提高等優(yōu)勢可獲取一定效益。

3.2 運行費用分析

變速機組整體空化性能優(yōu)于定速機組，加之其改善了水泵水輪機的水力性能，提高了運行效率和機組穩(wěn)定，減少了震動、空蝕和泥沙磨損，降低機組機械故障率，因此主機檢修周期可適當放寬。但是，由于變速機組的勵磁變頻裝置較大，相應的檢修內(nèi)容和費用會有所增加。

此外，根據(jù)世界上已建變速蓄能電站的實際運行情況來看，變速機組的運行小時數(shù)，尤其是抽水工況的運行小時數(shù)遠高于定速機組。日本Yagisawa抽水蓄能電站變速機組比定速機組運行時間多20%～30%[11]；日本Kzaunogawa電站變速機(4號機)的累積(14個月)運行小時數(shù)約是定速機組(1號機或2號機)的5倍；從德國Goldisthal電站兩臺變速機組和兩臺定速機組歷時10 a的運行情況來看，變速機組的運行時間是定速機組的1.25倍，而抽水工況下的運行時間是1.33倍。但運行小時數(shù)高并不意味著檢修費用增加，根據(jù)相關資料，日本Yagisawa抽水蓄能電站水泵水輪機的空蝕和易損件的磨損量相同或更少，尤其在合適的轉(zhuǎn)速下運行，變速機組的磨損量可減少50%；日本Shibara抽水蓄能電站變速機組振動的振幅也比定速機組減少一半[11]。

根據(jù)幾個已建抽水蓄能電站調(diào)研成果，變速機組的年平均效率可提高3%左右，運行小時數(shù)增加20%以上，但機組檢修周期與定速機組基本一致，運行費用也沒有增加。

3.3 經(jīng)濟性分析

經(jīng)分析，雖然可變機組的靜態(tài)投資比定速機組約高出20%～50%，但如果蓄能電站能夠納入電網(wǎng)調(diào)節(jié)性能補償，則變速機組由于機組性能提高等優(yōu)勢可獲取不少于3.4萬元/(a· MW)的效益。因此，變速抽水蓄能電站在電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行及配合新能源電源儲能等方面具有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢。

4 結論及建議

(1)變速抽水蓄能電站機組通過提高自身調(diào)節(jié)性能，不僅提高了機組自身的運行穩(wěn)定性、延長了機組使用壽命，還有利于促進堅強智能電網(wǎng)的建設，提高特高壓輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，并可有效降低電站機組啟停對局部電網(wǎng)的沖擊性，通過提高與可再生能源電源的契合度來提高資源利用率。

(2)盡管變速機組的靜態(tài)投資比定速機組約高出20%～50%，但抽水蓄能電站如能夠合理納入電網(wǎng)調(diào)節(jié)性能補償，每年由于機組性能提高等優(yōu)勢可獲取補償效益也是較為突出的。

(3)建議結合電網(wǎng)結構、需求，深入開展變速機組轉(zhuǎn)速范圍參數(shù)選取相關研究，以期為變速抽水蓄能更好的適應電網(wǎng)需求提供技術依據(jù)。

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(責任編輯 高 瑜)

Demand Analysis of Variable Speed Units of Pumped-storage Power Station in Power Grid of China

WANG Tingting, ZHAO Jiejun, WANG Chaoyang

(PowerChina Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

The variable speed pumped-storage unit has the advantages of good stability, variable-speed constant-frequency generating capacity, better regulating performance and wider adjustment range. Based on the advantages of variable speed pumped storage unit and the characteristics and demands of future power grid development, the effects of variable speed unit on power grid construction, resource utilization efficiency and power plant operation are explored. Based on the operation indicators and the provisions on China’s power grid regulation performance, the operation economy of variable speed pumped-storage unit in China’s power grid is also analyzed.

variable speed unit; pumped-storage power station; regulation performance; economy

2016-07-25

王婷婷(1978—)，女，山西太原人，高級工程師，主要從事動能經(jīng)濟、水資源綜合規(guī)劃等工作.

TV743

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0559-9342(2016)12-0107-04