美國(guó)抽水蓄能電站分析

［美國(guó)］V.科里塔諾夫

由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性可再生資源的不斷滲透，抽水蓄能(PSH)的作用也在發(fā)生著變化。在可再生能源發(fā)電和系統(tǒng)運(yùn)行的失衡糾正中，其正從傳統(tǒng)的日負(fù)荷轉(zhuǎn)變?yōu)榭身憫?yīng)短期變化的更為動(dòng)態(tài)的運(yùn)行。

美國(guó)能源部門(mén)(DOE)最近的一項(xiàng)研究正在評(píng)價(jià)全美先進(jìn)PSH電站的作用和價(jià)值。這是由DOE能源效率和可再生能源辦公室(EERE)下屬的風(fēng)水動(dòng)力技術(shù)辦公室負(fù)責(zé)的一個(gè)項(xiàng)目所資助的。該項(xiàng)研究由阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭，參與研究的有西門(mén)子公司、能源典范公司、美華集團(tuán)及美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)。

該項(xiàng)研究歷時(shí)2年多，于2014年年初完成，發(fā)布的7份報(bào)告記載了所進(jìn)行的模擬及主要分析結(jié)果。

研究的主要目的是:

(1)開(kāi)發(fā)具有先進(jìn)技術(shù)的精確仿真模型，以分析其提供各種電網(wǎng)服務(wù)的技術(shù)能力;

(2)評(píng)估在不同的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)和電力系統(tǒng)中可再生能源不同發(fā)電水平下，這些服務(wù)的價(jià)值。

具體的研究目標(biāo)為:

(1)提高先進(jìn)PSH電站模型在電力系統(tǒng)仿真模型中的代表性;

(2)量化先進(jìn)PSH電站提供各種電網(wǎng)服務(wù)的技術(shù)能力;

(3)分析這些服務(wù)在不同的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)和可再生能源(風(fēng)能和太陽(yáng)能)不同發(fā)電水平下的價(jià)值;

(4)提供關(guān)于PSH電站給系統(tǒng)帶來(lái)的利益和價(jià)值的全方位信息。

為了達(dá)到這些目標(biāo)，項(xiàng)目組采用了多種計(jì)算機(jī)工具，包括PSS?E(工程電力系統(tǒng)模擬器)、FESTIV(用于整合可再生能源發(fā)電的能源調(diào)度工具)、CHEERS(傳統(tǒng)的水電能源和環(huán)境系統(tǒng))和PLEXOS?，用以模擬系統(tǒng)操作及PSH電站的貢獻(xiàn)。該項(xiàng)分析意在捕捉PSH電站在不同時(shí)間尺度下的工況和操作特性——從若干分之一秒鐘的動(dòng)態(tài)響應(yīng)到生產(chǎn)成本的年度模擬。模擬解決了寬范圍電力系統(tǒng)的運(yùn)行問(wèn)題和時(shí)限。該技術(shù)方法主要由兩部分組成:先進(jìn)的技術(shù)模型;精細(xì)的發(fā)電成本和電力系統(tǒng)仿真。

1 先進(jìn)的技術(shù)模型

先進(jìn)技術(shù)模型的任務(wù)集中于針對(duì)PSH先進(jìn)技術(shù)動(dòng)態(tài)仿真模型的發(fā)展，如可調(diào)速度(AS)和三元裝置，因?yàn)檫@些模型在美國(guó)還沒(méi)得到應(yīng)用。針對(duì)AS和三元PSH技術(shù)的動(dòng)態(tài)模型在項(xiàng)目過(guò)程中是被作為供應(yīng)商中立模型來(lái)開(kāi)發(fā)并發(fā)布的。此外，它們被加入PSS?E動(dòng)態(tài)模型庫(kù)，并將被提供給所有PSS?E的用戶。這些新模型可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)PSH機(jī)組基于各種系統(tǒng)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的精確建模，對(duì)于新PSH項(xiàng)目中的傳輸互聯(lián)研究是十分必要的。

2 發(fā)電成本模擬

對(duì)于生產(chǎn)成本和收入模型，項(xiàng)目組首先列出了PSH電站對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)和服務(wù)(如下所示)。為評(píng)估PSH各種服務(wù)和貢獻(xiàn)的作用與價(jià)值，模擬了整個(gè)西部聯(lián)盟(WI)、加利福尼亞州以及一個(gè)單獨(dú)的平衡機(jī)構(gòu)(薩克拉門(mén)托市政公用區(qū)，SMUD)的成產(chǎn)成本。分析調(diào)查了PSH電站在調(diào)控和競(jìng)爭(zhēng)兩種電力市場(chǎng)環(huán)境下的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值，并針對(duì)可再生能源(RE)各種發(fā)電水平進(jìn)行。

PSH的服務(wù)和貢獻(xiàn)如下:

(1)慣性響應(yīng);

(2)調(diào)節(jié)器響應(yīng)，頻率響應(yīng)，或一次調(diào)頻;

(3)調(diào)頻，調(diào)控備用容量，或二次調(diào)頻;

(4)可提供彈性備用容量;

(5)可提供應(yīng)急旋轉(zhuǎn)備用容量;

(6)可提供應(yīng)急非旋轉(zhuǎn)備用容量;

(7)可提供置換/補(bǔ)充備用容量;

(8)負(fù)荷跟蹤;

(9)負(fù)荷均衡/能源套利;

(10)發(fā)電能力;

(11)環(huán)境排放量減少;

(12)間歇性能源的整合;

(13)火電機(jī)組的熱循環(huán)與出力減少;

(14)其他投資組合的影響;

(15)輸電阻塞得以緩解;

(16)輸電延遲;

(17)電壓支撐;

(18)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性提高;

(19)黑啟動(dòng)能力;

(20)能源安全。

主要基于西部電力協(xié)調(diào)委員會(huì)對(duì)2022年的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，對(duì)未來(lái)一年的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行了模擬。針對(duì)可再生能源兩種水平的滲透對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了模擬:①基礎(chǔ)可再生能源情形——對(duì)應(yīng)于WI美國(guó)部分2022年可再生能源發(fā)電的14%;②強(qiáng)風(fēng)可再生能源情形——對(duì)應(yīng)于WI美國(guó)部分2022年可再生能源發(fā)電的33%。

分析采用了基于成本和市場(chǎng)的兩種方法。基于成本的方法運(yùn)用于整個(gè)WI和SMUD的模擬，而基于市場(chǎng)的方法(作為基于投標(biāo)的電力市場(chǎng))則被運(yùn)用于加利福尼亞州的模擬。PLEXOS生產(chǎn)成本模擬針對(duì)3種情況進(jìn)行:①?zèng)]有任何PSH電站;②采用現(xiàn)有的固定速度(FS)的PSH電站;③采用現(xiàn)有的FS和額外AS的PSH電站。擬建的3個(gè)新PSH項(xiàng)目(鷹山、愛(ài)荷華山和天鵝湖北)被作為AS PSH的代表項(xiàng)目。

3 主要研究成果

3.1 節(jié)省發(fā)電成本

研究確認(rèn)PSH電站可極大降低電力系統(tǒng)的運(yùn)行成本。表1總結(jié)了2022年因PSH裝機(jī)容量而節(jié)省的系統(tǒng)總發(fā)電成本，結(jié)果顯示，系統(tǒng)中可再生能源資源的滲透率越高，發(fā)電成本便會(huì)越節(jié)省。

3.2 能源套利

采用基于市場(chǎng)的方法對(duì)2022年的加利福尼亞州系統(tǒng)進(jìn)行了PLEXOS模擬，該方法可對(duì)基于年每小時(shí)電力的節(jié)點(diǎn)邊際價(jià)格(LMP)的能源套利價(jià)值進(jìn)行詳細(xì)分析。模擬結(jié)果表明，當(dāng)放棄過(guò)量的間歇性能源時(shí)，強(qiáng)風(fēng)情形下間歇性能源(風(fēng)能和太陽(yáng)能)的高滲透率可保持平均節(jié)點(diǎn)邊際價(jià)格較低并經(jīng)常為負(fù)。由此，強(qiáng)風(fēng)情形下PSH電站的抽水蓄能成本也比較低，因?yàn)槌樗钅艽蟛糠钟蓵?huì)被放棄的過(guò)量間歇性能源發(fā)電提供。因此，盡管平均節(jié)點(diǎn)邊際價(jià)格較低，源自能源套利的抽水蓄能收益仍比系統(tǒng)中更高水平的間歇性能源發(fā)電要高，主要是因?yàn)榘滋燧^低的抽水成本和多泵發(fā)電循環(huán)。

3.3 旋轉(zhuǎn)備用容量

FS與AS PSH電站的綜合裝機(jī)不足2022年整個(gè)WI系統(tǒng)裝機(jī)的3%，基于此，研究發(fā)現(xiàn)PSH電站向系統(tǒng)提供了大量的備用容量。隨著AS PSH電站的增加，其對(duì)WI和加利福尼亞州備用容量的貢獻(xiàn)也顯著增加。調(diào)控和靈活的備用容量增幅相當(dāng)大，因?yàn)锳S PSH電站也可以在抽水運(yùn)行模式下提供這些服務(wù)。這些備用容量在電力系統(tǒng)靈活性較低時(shí)尤其必要，例如夜間。

表1 2022年因PSH裝機(jī)容量而節(jié)省的生產(chǎn)成本

3.4 間歇性能源的整合

PSH電站提供了大量非常靈活的系統(tǒng)容量以抗衡風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的間歇性和不確定性，從而使得間歇性可再生能源在電力系統(tǒng)中的滲透率更高。研究結(jié)果清楚表明了PSH電站在盡量利用風(fēng)能方面的重要性，尤其是在強(qiáng)風(fēng)情形下。例如，PLEXOS對(duì)WI在強(qiáng)風(fēng)可再生能源情形下的模擬結(jié)果表明，PS與AS PSH電站將放棄的間歇性可再生能源的發(fā)電量減少了12675 GW·h，換句話說(shuō)，如果沒(méi)有PSH電站運(yùn)行，總放棄量則約為22%。假設(shè)裝機(jī)容量的利用率為30%，節(jié)省的12675 GW·h發(fā)電量相當(dāng)于裝機(jī)5000MW的風(fēng)電的年均發(fā)電量。

3.5 減少火電機(jī)組的熱循環(huán)

PSH電站容量的靈活性、出力迅速增加的特點(diǎn)及負(fù)載均衡運(yùn)行為火電機(jī)組創(chuàng)建了一個(gè)更為平坦的凈負(fù)荷曲線，使其能夠在一個(gè)更穩(wěn)定的模式下運(yùn)行，因此減少了增加出力和頻繁啟閉的需要。PLEXOS對(duì)WI的模擬結(jié)果顯示，2022年已有的FS和新的AS PSH電站可將火電機(jī)組起動(dòng)次數(shù)和啟動(dòng)成本減少20%～30%。

由于其運(yùn)行的靈活性及出力迅速增加的特點(diǎn)，PSH電站也減少了增加火電機(jī)組出力的需求。模擬結(jié)果顯示，到2022年，WI和加利福尼亞州PSH電站可使火電機(jī)組總出力減少34%。

3.6 PSH對(duì)電力系統(tǒng)排放的影響

針對(duì)WI的模擬結(jié)果顯示，在基礎(chǔ)可再生能源情形下，二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)的排放會(huì)增加;而在強(qiáng)風(fēng)可再生能源情形下，PSH電站的運(yùn)行會(huì)減少整個(gè)系統(tǒng)的排放。這主要是由于可用于電站抽水的更多風(fēng)能和PSH在盡量利用風(fēng)能方面的影響，抵消了火電機(jī)組為提供額外的抽水能量而增加的排放。

針對(duì)加利福尼亞州的研究結(jié)果顯示，在基礎(chǔ)和強(qiáng)風(fēng)可再生能源情形下，CO2和NOx排放都有所減少，而SO2的排放有所增加。加利福尼亞州和WI的結(jié)果不同是因?yàn)檫@兩個(gè)電力系統(tǒng)的發(fā)電組合不同。

SMUD系統(tǒng)的減排最為顯著。擬建的愛(ài)荷華山AS PSH電站可減少兩種可再生能源情形下SMUD系統(tǒng)的污染物排放。

4 PSH的價(jià)值

歷史上PSH電站的好處通常只涉及能源套利和提供應(yīng)急備用容量，但該項(xiàng)研究表明PSH電站可為電力系統(tǒng)提供很多其他的好處。除了可將更多的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源整合進(jìn)系統(tǒng)和盡量利用間歇性可再生能源外，PSH電站還可降低整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電成本，為系統(tǒng)運(yùn)行提供靈活多樣的備用容量，減少火電機(jī)組的熱循環(huán)與出力，緩解輸電阻塞，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性等。此外，因在系統(tǒng)中存在大量間歇性可再生能源，PSH電站往往對(duì)系統(tǒng)排放有一個(gè)積極的影響，因?yàn)楹艽笠徊糠殖樗钅苁怯娠L(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電提供的。該項(xiàng)研究也表明，PSH電站的價(jià)值隨著系統(tǒng)中間歇性可再生能源的不斷滲透而會(huì)得到提升。