抽水蓄能電站的作用和效益

張 娜 靳亞東 董化宏

北京十三陵抽水蓄能電站（下水庫進出水口）

抽水蓄能電站的作用

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中調(diào)峰填谷、緊急事故備用、調(diào)頻、調(diào)相等作用以及靜態(tài)效益、動態(tài)效益和技術經(jīng)濟上的優(yōu)越性，使其在電網(wǎng)中越來越不可缺少。

抽水蓄能電站作為一種特殊的電源，具有兩大特性：一方面，它既是發(fā)電廠，又是用戶，其調(diào)峰填谷功能是其他任何類型發(fā)電廠所不具備的；另一方面，它的機組啟動迅速，運行靈活、可靠，對負荷的急劇變化可以做出快速反應，除調(diào)峰填谷外，還適合承擔調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等任務。抽水蓄能電站在電網(wǎng)中調(diào)峰填谷、緊急事故備用、調(diào)頻、調(diào)相等作用以及靜態(tài)效益、動態(tài)效益和技術經(jīng)濟上的優(yōu)越性，使其在電網(wǎng)中越來越不可缺少。盡管抽水蓄能電站在我國發(fā)電總裝機中占的比重較小，但作為電力系統(tǒng)越來越重要的組成部分，在各自的電力系統(tǒng)中均發(fā)揮了重要的作用。

各種電站運行特性比較表

十三陵抽水蓄能電站中控室

瑯琊山抽水蓄能電站地下廠房發(fā)電機層

安徽滁州瑯琊山抽水蓄能電站下水庫與工作區(qū)攝影/王家國/CFP

調(diào)峰填谷抽水蓄能電站在用電高峰期間發(fā)電，在用電低谷期間抽水填谷，可以改善燃煤火電機組和核電機組的運行條件，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行。在十三陵抽水蓄能電站運行中，由于擔當調(diào)峰發(fā)電、抽水填谷等任務，降低了電網(wǎng)的峰谷差率，減輕了燃煤火電調(diào)峰機組的調(diào)峰任務，不但為電力系統(tǒng)節(jié)約了固定運行費用和燃料費用，而且對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行起到了十分重要的作用。廣州抽水蓄能電站調(diào)峰填谷作用也保證了核電穩(wěn)定運行，大亞灣核電機組投入商業(yè)運行后，分別向廣東和香港兩個電網(wǎng)供電，由于兩個電網(wǎng)都有抽水蓄能電站容量供調(diào)度使用，為核電創(chuàng)造了良好的運行環(huán)境，保證了穩(wěn)定運行。廣蓄一期年平均吸收低谷電14.05億kWh，調(diào)峰發(fā)電10.08億kWh。2000年1～6月，廣蓄電廠調(diào)峰發(fā)電日均最大出力占電網(wǎng)最高負荷的9.84%。

調(diào)頻和快速跟蹤負荷為保證穩(wěn)定運行，電網(wǎng)需要具備隨時調(diào)整發(fā)電出力的能力，以適應用戶負荷的變化。電網(wǎng)的周波應按照國家規(guī)定的頻率要求，控制在50±0.2Hz。為此，電網(wǎng)所選擇的調(diào)頻機組必須快速靈敏，以便隨負荷瞬時變化而調(diào)整出力。由于抽水蓄能電站機組具有迅速而靈敏的開、停機性能，且特別適宜于調(diào)整出力，所以能很好地滿足電網(wǎng)負荷急劇變化的要求。如京津唐電網(wǎng)在興建抽水蓄能電站后，其調(diào)頻任務由原來的燃煤火電機組承擔改為由抽水蓄能電站機組承擔，目前電網(wǎng)第一、第二調(diào)頻廠分別為十三陵電站、潘家口電站，電網(wǎng)周波合格率每年均接近100%，對電網(wǎng)調(diào)頻發(fā)揮了很大的作用。

緊急事故備用在電網(wǎng)發(fā)生故障和負荷快速增長時，要求有發(fā)電站能起緊急事故備用和負荷調(diào)整的作用，由于抽水蓄能電站快速靈活的運行特點，很容易實現(xiàn)這一功能。廣東電網(wǎng)目前火電機組最大單機容量達660MW，核電單機容量900MW，西南省份經(jīng)500kV天～廣線路供電約800MW，廣東電網(wǎng)還與香港電網(wǎng)相聯(lián)，無論火電站、核電站跳機或西電解列等事故均對電網(wǎng)安全影響巨大，而抽水蓄能電站的快速啟動，對防止電網(wǎng)事故擴大，恢復正常供電起著顯著作用，廣州抽水蓄能電站自投入運行以來，平均每年緊急啟動16.5次。華東電網(wǎng)是我國的受端電網(wǎng)之一，主要接受西部電力和三峽電力，而輸電通道發(fā)生事故在所難免，這就對受端電網(wǎng)產(chǎn)生巨大沖擊，嚴重影響華東電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。自從天荒坪抽水蓄能電站首臺機組投產(chǎn)以來，已經(jīng)快速啟動多次，保證了電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。如2003年4～5月三峽龍政直流先后三次跳閘，需緊急啟動事故備用，由于天荒坪電站機組的快速啟動投入，使電網(wǎng)頻率在短時間內(nèi)迅速恢復到正常范圍內(nèi)，避免了較大事故的發(fā)生。1999年3月12日～17日，首都出現(xiàn)連續(xù)十多天的大霧陰雨天氣，使北京供電線路造成霧閃、線路閃絡掉閘等事故不斷出現(xiàn)，此時十三陵抽水蓄能電站作出快速反應，開機48次，發(fā)電1948萬kWh，緊急啟動成功率100%。

調(diào)相電力系統(tǒng)無功電力不足，會造成電力系統(tǒng)電壓下降，影響電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和安全可靠運行，因此在電力平衡中，除進行有功平衡外，還要進行無功平衡。當系統(tǒng)無功不足時，需有發(fā)電站及時提供無功功率，抽水蓄能電站能很好地提供相應的服務。廣州抽水蓄能電站自投產(chǎn)運行以來，1994～1997年共發(fā)無功21878萬kvarh，吸收無功72928萬kvarh。從1998年至今，特別是2002年底南方電網(wǎng)公司成立以來，調(diào)相運行需求進一步加大，在2003年春節(jié)期間，廣州抽水蓄能電站共啟動調(diào)相69次，運行時間111.6h，為廣東電網(wǎng)平衡無功、穩(wěn)定電壓發(fā)揮了重要作用。十三陵抽水蓄能電站調(diào)相容量在發(fā)電工況時為154Mvar，在抽水工況時為100Mvar，為穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，利用蓄能機組作純調(diào)相工況運行耗有功較多（旋轉調(diào)相）特點，更多是在發(fā)電或抽水工況下以吸、發(fā)無功的運行方式調(diào)相。

作系統(tǒng)特殊負荷由于抽水蓄能電站機組既可作為電源又可作為負荷，因此對電網(wǎng)調(diào)度組織功率特別方便簡易，如大功率核電、火電機組調(diào)試期間甩負荷實驗、滿負荷振動實驗，都需要有蓄能機組配合，實際上大亞灣電站900MW機組、沙角C廠660MW煤電機組甩負荷試驗時都由廣蓄機組水泵運行作為負荷，一旦它們甩負荷，廣蓄機組就低周切機和自動關機，使核電、沙角C廠試驗得以順利進行。

保證特殊用電要求抽水蓄能電站還肩負著保證電網(wǎng)特殊用電的任務。如京津唐電網(wǎng)運行的火電機組容量日趨增加且單機容量也較多為200MW以上，一旦出現(xiàn)甩機，抽水蓄能電站可在數(shù)秒內(nèi)使出力增至最大，以確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，提高重要用戶的供電可靠性。在近年的重要節(jié)日和重大會議召開期間，十三陵蓄能電廠對于保證首都用電起到了重要作用。在1997年迎香港回歸期間，當電網(wǎng)處于高峰負荷時，兩臺機組作抽水工況運行，在電網(wǎng)中當作負荷使用，其目的是一旦電網(wǎng)出現(xiàn)事故、系統(tǒng)頻率過低時，機組可在數(shù)秒內(nèi)與電網(wǎng)解列，相當于短時內(nèi)切除系統(tǒng)負荷218MW；必要時，還可在3分鐘內(nèi)起動發(fā)電，帶滿負荷200MW，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。采用這種運行方式，使十三陵蓄能電廠的800MW裝機可提供相當于1200MW的緊急事故備用容量。

黑啟動隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性會因局部的問題波及鄰近區(qū)域而引起重大系統(tǒng)事故，而黑啟動已成為事故后系統(tǒng)恢復正常運行的重要措施之一。提供黑啟動服務的關鍵是啟動電源，即具有黑啟動能力的機組，抽水蓄能電站可在無外界幫助的情況下，迅速自啟動，并通過輸電線路輸送啟動功率帶動其他機組，從而使電力系統(tǒng)在最短時間內(nèi)恢復供電能力。1999年，十三陵抽水蓄能電站進行了黑啟動功能的試驗，試驗獲得了成功，表明十三陵抽水蓄能電站可滿足系統(tǒng)黑啟動的要求，具有在廠用電失去情況下自啟動機組進行生產(chǎn)自救及向無電壓電網(wǎng)輸電的可能。十三陵抽水蓄能電站為電力系統(tǒng)提供有效的黑啟動服務，成為保證電力系統(tǒng)安全運行的重要措施之一。

抽水蓄能電站的效益

靜態(tài)效益

抽水蓄能電站可以減少火電機組參與調(diào)峰的啟停或升降出力次數(shù)，提高發(fā)電利用小時數(shù)，降低燃煤消耗，可通過競爭降低火電上網(wǎng)電價，再通過電網(wǎng)傳輸給用戶，使用戶的購電價也有下降的可能。

容量效益在電力系統(tǒng)負荷出現(xiàn)高峰時，抽水蓄能電站可以像常規(guī)水電站一樣發(fā)電，承擔系統(tǒng)的高峰負荷，起到調(diào)峰作用，從而可以有效的替代電力系統(tǒng)其他電站的裝機容量，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟效益成為容量效益。

電量效益（節(jié)煤效益）在經(jīng)濟調(diào)度下，低谷電由系統(tǒng)中煤耗最低的基荷機組發(fā)出，而高峰電由系統(tǒng)中煤耗高的調(diào)峰機組發(fā)出。抽水蓄能電站的作用就是用高效、低煤耗機組發(fā)出的電，來替代低效高煤耗機組發(fā)出的電，其實質(zhì)是以煤換煤。在滿足同樣用戶電力需求的情況下，抽水蓄能電站所節(jié)省的煤耗為低效調(diào)峰機組與高效機組的耗煤之差。

動態(tài)效益

抽水蓄能電站特別適宜在電力系統(tǒng)中承擔調(diào)頻、調(diào)相、旋轉備用和事故備用等“動態(tài)”任務，滿足系統(tǒng)運行上的需要。

與靜態(tài)效益相對應，抽水蓄能電站更重要的是動態(tài)效益。抽水蓄能電站由于啟停迅速，運行靈活，出力變速快、變幅大，跟蹤負荷能力強，因而特別適宜在電力系統(tǒng)中承擔調(diào)頻、調(diào)相、旋轉備用和事故備用等“動態(tài)”任務，滿足系統(tǒng)運行上的需要。動態(tài)效益體現(xiàn)在電力系統(tǒng)運行，根據(jù)電力系統(tǒng)負荷特性、電源和電網(wǎng)結構，確定抽水蓄能電站的合理運行方式，保障為用戶提供高質(zhì)量電力服務，最終使發(fā)電企業(yè)、廣大電力用戶和全社會受益。

調(diào)頻效益抽水蓄能電站由于啟停快，工況轉換迅速，機組出力變化范圍大，能隨時而迅速地調(diào)整出力，適應負荷的波動，跟蹤負荷變化，保持頻率和電網(wǎng)運行穩(wěn)定。這種由于抽水蓄能機組的快速響應，實時出力較小的負荷與發(fā)電功率的不匹配，保持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，由此而取得的效益即為調(diào)頻效益。

事故備用效益電力系統(tǒng)中突發(fā)停電事故，抽水蓄能電站能夠快速啟動，迅速轉移工況，在發(fā)電工況下，可利用抽水蓄能機組運行的空閑容量；在水泵工況下，可停止抽水或切泵轉換工況；在靜態(tài)條件下，亦可緊急啟動，從而達到短時應急事故備用的目的。抽水蓄能電站可承擔電力系統(tǒng)的事故備用，提高供電可靠性，減少停電損失，由此取得的效益即事故備用效益。

調(diào)相效益抽水蓄能機組在空閑時可作調(diào)相運行，在發(fā)電或抽水的同時，也可供給電力系統(tǒng)無功出力，減少設置專門的調(diào)相機，由此取得的效益即為調(diào)相效益。

黑啟動效益當系統(tǒng)發(fā)生大面積停電的重大事故時，若無任何黑啟動措施，則會使停電時間延長，造成國民經(jīng)濟重大損失。黑啟動是電力系統(tǒng)安全運行的重要措施之一，其目標是在短時間內(nèi)使系統(tǒng)恢復帶負荷能力。抽水蓄能電站可在無外界幫助的情況下，迅速自啟動，并通過輸電線路輸送啟動功率帶動其他機組，從而使電力系統(tǒng)在最短時間內(nèi)恢復供電能力。