基于調(diào)度及運行數(shù)據(jù)的抽水蓄能電站運行效能量化評價方法

宋旭峰++高沁++胡志平

[摘 要]隨著抽水蓄能電站的發(fā)展，對其運行效能進行科學(xué)、系統(tǒng)、全面的量化評價，有著重要的研究價值和實際意義?；诔樗钅茈娬驹陔娋W(wǎng)中的各種功能，本文提出了一種基于調(diào)度及電網(wǎng)數(shù)據(jù)的抽水蓄能電站運行效能量化評價方法，通過對其靜態(tài)效益、動態(tài)效益和環(huán)境效益三個方面進行量化評價，并且考慮電站所處區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)度及運行數(shù)據(jù)，從而更深入的認識和了解抽水蓄能電站在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用及其功能定位。

[關(guān)鍵詞]抽水蓄能電站；運行效能；量化評價指標；調(diào)度及運行數(shù)據(jù)

中圖分類號：TV743 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0207-02

0 引言

抽水蓄能電站具有啟停靈活、反應(yīng)快速等特點，能夠為系統(tǒng)提供調(diào)峰填谷、緊急事故備用、調(diào)頻調(diào)相、黑啟動等功能，可以有效的提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而在世界各國電力系統(tǒng)中發(fā)展迅速。一直以來，世界各國都針對抽水蓄能電站展開了深入的、廣泛的研究工作[1]。然而，對于抽水蓄能電站運行效能的研究大部分集中在動態(tài)效益方面，一方面是對于動態(tài)效益的劃分[3]，由于與靜態(tài)效益存在一定的關(guān)聯(lián)或重疊，因此難以進行一個準確合理的劃分；另一方面是抽水蓄能電站的量化評價方法，如今已經(jīng)出現(xiàn)了如等效替代法、隨機生產(chǎn)模擬法等多種方法，然而都存在著一定的局限性，至今沒有一個全面和公認的成果。

基于此，本文在傳統(tǒng)抽水蓄能電站運行效能評價指標的基礎(chǔ)上，對其靜態(tài)、動態(tài)效益進行詳細劃分，并加入了環(huán)境效益指標，完善了抽水蓄能電站運行效能的量化評價指標。此外，本文提出了一種基于調(diào)度管理及電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的抽水蓄能電站量化評價方法，可以提高量化評價計算的準確性，對其在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用和功能定位進行客觀評價分析。

1 抽水蓄能電站運行效能量化指標

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的主要作用集中在：1）通過削峰填谷來平滑負荷曲線；2）通過承擔(dān)各種動態(tài)任務(wù)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行；3）通過減少其他電源的運行以減少污染物的排放。本文采用靜態(tài)效益、動態(tài)效益和環(huán)境效益三個指標對抽水蓄能電站運行效能進行量化評價，其中靜態(tài)效益包括容量效益和電量效益；動態(tài)效益包括調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和黑啟動等效益；環(huán)境效益包括因減少二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放量產(chǎn)生的折算效益。

1.1 靜態(tài)效益

抽水蓄能電站的靜態(tài)效益表現(xiàn)在電站在電力系統(tǒng)中所發(fā)揮的靜態(tài)功能。其靜態(tài)效益主要由以下兩個部分組成：1）因抽水蓄能建設(shè)減少的其他電源的容量投資費用帶來的容量效益；2）因抽水蓄能電站替代常規(guī)機組進行調(diào)峰填谷任務(wù)所節(jié)約燃料消耗帶來的節(jié)煤效益，即電量效益。

（1）容量效益

抽水蓄能電站可以承擔(dān)調(diào)峰填谷的雙重任務(wù)，投運后可改變電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)，從而減少火電裝機容量。由于抽水蓄能電站設(shè)備相對簡單，工程量較少，建設(shè)周期較短，運行費用較低，因此其單位造價一般要低于常規(guī)水電、火電和核電等。

（2）電量效益

抽水蓄能電站的電量效益基于能量轉(zhuǎn)換，即將電網(wǎng)的谷荷電能轉(zhuǎn)換為峰荷電能，主要分為調(diào)峰、填谷兩個過程。

1）調(diào)峰效益

調(diào)峰火電機組在非調(diào)峰時期以壓負荷運行，當抽水蓄能電站承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)峰任務(wù)，可以使部分調(diào)峰火電機組運行在高效基荷位置，改善火電機組的運行條件，從而降低燃料消耗燃耗和廠用電率，節(jié)約系統(tǒng)的運行成本。

2）填谷效益

填谷火電機組在谷荷時需要壓負荷運行，而抽水蓄能電站可以利用火電機組發(fā)出的電能作為抽水電源，使腰荷轉(zhuǎn)變成基荷，從而保證部分火電機組在額定負荷下高效率運行，提高機組設(shè)備利用率，降低廠用電率和燃耗率。

1.2 動態(tài)效益

抽水蓄能電站的經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在其動態(tài)效益上，即承擔(dān)系統(tǒng)中的調(diào)頻調(diào)相、事故備用和黑啟動等動態(tài)任務(wù)所取得的效益。本文選取調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和黑啟動四個指標對抽水蓄能電站的動態(tài)效益進行量化評價。

（1）調(diào)頻效益

一方面，為了維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，要求有一定的旋轉(zhuǎn)備用機組，即機組處于非額定運行工況。另一方面，為了保持系統(tǒng)發(fā)供電之間時刻平衡，系統(tǒng)提供的出力變化速率必須大于負荷變化速率，即只能通過壓負荷運行機組的增荷功能。因此抽水蓄能電站的調(diào)頻效益可以分為負荷備用效益和負荷跟蹤效益兩個部分。

（2）調(diào)相效益

電力系統(tǒng)的無功不足或過剩，都會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的波動，直接威脅著電網(wǎng)的供電質(zhì)量和安全穩(wěn)定運行，因此系統(tǒng)中需要設(shè)置相應(yīng)的無功調(diào)節(jié)裝置以維持無功平衡。抽水蓄能機組不但可以在空閑時進行調(diào)相，在發(fā)電、抽水的同時也可以供給或吸收無功功率，尤其在抽水工況下，可以長時間進相運行。

（3）事故備用效益

為了減少事故停電，提高系統(tǒng)運行的可靠性，要求系統(tǒng)中可靠性較高的發(fā)供電設(shè)備提供一定的事故備用容量。抽水蓄能機組可以方便地處于旋轉(zhuǎn)備用狀態(tài)，承擔(dān)系統(tǒng)事故備用任務(wù)，是電力系統(tǒng)最理想的短時間事故備用電源。抽水蓄能電站承擔(dān)電力系統(tǒng)的事故備用，一方面可以減少或避免備用火電機組壓負荷運行來節(jié)省系統(tǒng)煤耗，另一方面可以減少或避免火電機組的變出力運行來節(jié)約系統(tǒng)運行費用。

（4）黑啟動效益

作為黑啟動電源，首先需要實現(xiàn)電站機組的黑啟動，迅速恢復(fù)自身的廠用電，形成孤立運行的小系統(tǒng)，然后實現(xiàn)向電網(wǎng)內(nèi)的線路和其他電站機組送電，逐步恢復(fù)電網(wǎng)的供電。抽水蓄能機組結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的輔機系統(tǒng)，且廠用電較少，機組的啟動速度快，是電網(wǎng)中最理想的黑啟動電源之一，大型的抽水蓄能電站一般作為區(qū)域系統(tǒng)的黑啟動主電源。

1.3 環(huán)境效益

一直以來，對于抽水蓄能電站運行效能的量化評價，大部分研究工作都集中在其靜態(tài)效益和動態(tài)效益方面，而忽略了其在減少環(huán)境污染方面的作用。抽水蓄能電站的環(huán)境效益主要體現(xiàn)在：通過替代部分火電機組承擔(dān)相應(yīng)的系統(tǒng)運行任務(wù)，從而減少系統(tǒng)中火電機組的煤耗，減少二氧化碳、硫化物、氮氧化物、粉塵及一氧化碳等污染物的排放。因此本文選取減少二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物的排放量來量化評價抽水蓄能電站的環(huán)境效益。

（1）減少二氧化碳排放量

二氧化碳作為最主要的一種溫室氣體，對氣候和環(huán)境都造成了重大的影響，而二氧化碳主要來源于化石燃料的燃燒，與能源的生產(chǎn)于利用密切相關(guān)。根據(jù)國家發(fā)展改革委員會提供的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，工業(yè)鍋爐每燃燒一噸標準煤，就會產(chǎn)生2620千克的二氧化碳。因此抽水蓄能電站的投入運行在減少燃煤的同時，可以盡可能減少二氧化碳的排放量。

（2）減少二氧化硫的排放量

二氧化硫是大氣中主要污染物之一，是衡量大氣是否遭到污染的重要標志。很長一段時間以來，二氧化硫造成的酸雨、酸霧，不僅嚴重影響人體健康，對植被、土壤、水質(zhì)等都產(chǎn)生極大的危害，而火電燃煤是我國二氧化硫排放的主要來源。因此抽水蓄能電站的投入運行在減少燃煤的同時，可以極大減少二氧化硫的排放量。

（3）減少氮氧化物的排放量

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，能源消耗日益增加，大氣中氮氧化物的排放量也迅速增長。與二氧化硫相似，氮氧化物引發(fā)的環(huán)境問題己給人體健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成巨大威脅，而燃煤煙氣中的氮氧化物是主要的氮氧化物排放源之一。因此抽水蓄能電站的投入運行在減少燃煤的同時，也可以減少氮氧化物的排放量。

2 基于調(diào)度及電網(wǎng)數(shù)據(jù)的抽水蓄能電站運行效能量化評價方法

傳統(tǒng)的抽水蓄能電站運行效能量化評價方法主要基于電站的運行數(shù)據(jù)，而忽略了電站所處電網(wǎng)本身的特性、調(diào)度管理以及電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)等因素的影響，這會對評價結(jié)果造成重大的偏差。基于此，本文提出了一種基于調(diào)度及電網(wǎng)數(shù)據(jù)的抽水蓄能電站運行效能量化評價方法，在傳統(tǒng)評價方法的基礎(chǔ)上，充分考慮電站所處的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電源和負荷特性，加入調(diào)度管理以及電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，從而提高評價結(jié)果的準確性。主要可以概括為以下幾個方面：

（1）為了更精確的量化評價抽水蓄能電站的運行效能，采用電站所處的相關(guān)調(diào)度機構(gòu)提供的區(qū)域電網(wǎng)的日負荷曲線來確定日負荷劃分情況，可以準確區(qū)分抽水蓄能電站所承擔(dān)的系統(tǒng)任務(wù)。日負荷劃分示意圖如圖1所示。其中，電網(wǎng)負荷的分布主要以日平均負荷和日最小負荷為劃分標準，平均負荷以上稱為峰荷，最小負荷以下稱為基荷，中間負荷稱為腰荷。

（2）在傳統(tǒng)的等效替代法量化評價方法中，忽略了區(qū)域電網(wǎng)的特點，導(dǎo)致電網(wǎng)的調(diào)度運行安排與實際情況有著較大的差異。首先，根據(jù)實際電網(wǎng)的調(diào)度管理安排，對于抽水蓄能電站所處電網(wǎng)的電源特性和負荷特性進行分析，從而得到電網(wǎng)在執(zhí)行調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等任務(wù)情況下不同種類機組的參與比例以及不同容量機組的參與比例；其次，求解機組在執(zhí)行系統(tǒng)各項任務(wù)情況下的等效耗量特性參數(shù)，然后通過二次函數(shù)擬合，得到機組的等效耗量特性曲線；最后，分別對各項效益進行量化評價計算。

（3）對于抽水蓄能電站的環(huán)境效益，目前主要采用排污費對環(huán)境效益進行統(tǒng)一折算，而排污費受到企業(yè)管理水平、各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平以及能源政策等多重因素的影響，因此難以用來進行準確的量化評價。然而將環(huán)境效益統(tǒng)一折算入電站的靜態(tài)效益和動態(tài)效益，即在其效益量化評價模型中采用環(huán)保煤的標煤價格進行計算則可以極大提高評價的準確性。

綜上，本文算法的主要步驟可以歸納如下：

1）初始化。輸入抽水蓄能電站的相關(guān)數(shù)據(jù)，如電站裝機容量、平均水頭、建設(shè)投資、日負荷數(shù)據(jù)、檢修備用情況等等；以及電站所處區(qū)域電網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如電網(wǎng)的裝機容量情況、電網(wǎng)的負荷特性、電網(wǎng)的調(diào)度管理安排等。

2）根據(jù)抽水蓄能電站的具體運行數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)提供的日負荷曲線，對抽水蓄能電站所承擔(dān)各項系統(tǒng)任務(wù)進行詳細劃分。

3）結(jié)合調(diào)度管理及電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，計算抽水蓄能電站執(zhí)行在各項任務(wù)情況下，替代方案中的各類機組的參與比例；

4）對抽水蓄能電站的各項效益分別進行量化計算，最后輸出量化評價結(jié)果，并對其進行研究分析。

3 結(jié)論

1）基于抽水蓄能電站在電網(wǎng)中發(fā)揮的各類功能，對其運行效能進行了準確、詳細的劃分；

2）在傳統(tǒng)抽水蓄能電站量化評價方法的基礎(chǔ)上，引入調(diào)度管理及電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，從而更加精確的對電站的運行效能進行量化評價；

3）通過對抽水蓄能電站的量化評價結(jié)果分析，明確電站在電網(wǎng)中的主要作用，從而進行功能定位。

參考文獻

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