抽水蓄能變速機組前期規劃策略初探

趙杰君，欒鳳奎,楊霄霄

(1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024；2.國家電網有限公司，北京100031)

0 引 言

隨著電網中風電、光伏發電等間歇性可再生能源的比例日漸增大，電網的穩定運行變得更為困難。在電網運行中，抽水蓄能機組的加入，對電網的安全穩定運行起到了一定的保障作用。但目前國內建成運行的抽水蓄能機組均為定速機組，定速機組在水泵工況運行時，不能調節輸入功率，在電網快速準確進行頻率調節方面反應較慢。變速蓄能機組是常規定速蓄能機組發展到一定規模后的有益補充，應用后可大幅提高電網安全穩定水平和調節能力，改善電網運行條件，提高系統運行的經濟性。目前，國外對于變速機組的研究及應用均已成熟，國內也已開始著手研究可變速機組的可行性及必要性，并已取得階段性成果，但對于可變速蓄能機組前期規劃策略并未進行系統研究。本文將從可變速蓄能機組的優勢、不同電網的需求等方面對抽水蓄能可變速機組在前期規劃選址方面進行研究，以填補蓄能變速機組選址策略的空白。

1 抽水蓄能變速機組在電網中的優勢

抽水蓄能變速機組在電網中的優勢有：

(1)具有良好的穩定性。與定速機組采用SFC泵工況啟動相比，變速機組采用交流勵磁系統能夠實現自啟動。由于機組啟動時，交流勵磁系統的輸出頻率逐漸變化，故能實現平滑啟動，能使其在最利于出力的轉速下運行。這樣，無論在抽水或發電工況均可減少對電網的沖擊，從根本上解決以往采用改變電機極數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。同時，變速機組具有一定程度的異步運行能力，即可通過直接用變頻器控制內相位角更好地適應電力系統擾動，比常規同步電機具有更好的穩定運行性能。

(2)調節范圍更大。變速蓄能機組可在較大范圍內調節，可配合電力系統頻率自動控制。根據大河內電站可變機組與傳統蓄能機組的比較，傳統抽水蓄能機組在60%～100%范圍內抽水時便不可調節，并且在60%以下范圍內調節時電力損耗較多；可變速機組發電時，調節范圍可由50%～100%擴大至30%～100%，且電力損耗比傳統定速抽水蓄能機組要少。

(3)調節性能更好。變速機組在響應時間、調節速度方面明顯優于定速機組。大河內電站400 MW變速機組0.2 s內可改變輸出功率32 MW或輸入功率80 MW，而北京十三陵蓄能電廠機組在AGC控制下的調節速率約為100 MW/min。從啟動時間來看，變速機組約為2.5 min，定速機組約為5 min。

(4)具有較好的調節系統無功和深度吸收系統無功的功能。據原蘇聯對南部聯合電力系統的研究表明，在750 kV電力系統中，變速機組深度吸收無功后可穩定運行，并可顯著減少并聯電抗器的數量。變速機組無功調節是連續的，因此它還可以為各種運行狀態下高壓電網電壓水平的優化創造條件，降低電網電能損耗。

2 抽水蓄能變速機組前期規劃策略

2.1 新能源集中區域

根據規劃，我國2020年非化石能源的比重將達到15%，將大力發展風電、太陽能等清潔和可再生能源。中國風能協會發布的《2016年中國風電裝機容量簡報》指出，截止到2016年底，我國風電裝機總容量達1.69億kW。風能是一種隨機性、間歇性的能源，本身的特性決定了其發電穩定性和連續性較差，這就給風電并網后電力系統實時平衡以及保持電網安全穩定運行帶來了巨大挑戰。

從提高資源利用率、減小風電等新能源電源對系統的沖擊、提高電力系統運行的經濟性等方面考慮，需不斷提高抽水蓄能電站響應速度和可調節范圍，以提高風電等新能源電源和抽水蓄能電站的契合度。變速抽水蓄能機組具有自動跟蹤電網頻率變化和有功功率高速調節等優越性，一方面，可根據風電等新能源出力過程，更為靈活地跟蹤電網頻率，調節水泵輸入功率，在保證電網安全穩定運行的前提下提高新能源利用率；另一方面，電站調節速率提高，可更好地跟蹤風電等穩定性差電源的出力過程，從而減小新能源電源對電網的沖擊。

日本小丸川抽水蓄能電站共安裝4臺機組，全部是可變速抽水蓄能機組，安裝的原因是將其作為預見可再生能源快速增長的風險對沖措施。由此可見，當電力系統配有一定規模的可變速機組后，利用其響應速度快的特點，可在全時段進行電網功率調節控制，更有利于可再生能源項目投入電網運行，提高資源利用率。因此，在新能源集中區域配備一定的抽水蓄能變速機組有利于提高電網與可再生能源電源的契合度。

2.2 特高壓集中區域

根據規劃，到2020年建成“五縱四橫”特高壓“三華”同步電網。電力系統越來越趨于大容量、遠距離、超高壓，重負載等，使得電力系統的穩定和超高壓輸電線路的無功過剩等問題越來越突出。即，特高壓給電網安全穩定運行提出更高的要求。

變速機組采用交流勵磁發電機，能夠有效解決傳統抽水蓄能機組所存在的調速和水輪發電機變速運行等問題，從根本上消除諧波等對電機運行性能的影響，能更好地適應送端電網對可靠性的需求。可以說，交流勵磁發電機具有良好的穩定性及變速恒頻發電能力、獨立的有功與無功調節能力和較強的進相運行能力，應用于抽水蓄能機組對解決特高壓輸電系統中由于充電無功過剩所引起的持續工頻過電壓及電力系統穩定性問題起到很好的幫助作用。

2.3 負荷中心區域

交流勵磁變速電機通過調節勵磁電流的幅度，可以調節機組發出或吸收無功分量，調整功率因數，特別是可以深吸無功穩定運行。調節勵磁電流的相位，可以快速完成發電狀態的電磁調節過程，從而保證發電機電壓或無功的快速調節。有功、無功的獨立調節能力將顯著提高電力系統的靜態和暫態穩定性。在負荷突變時，交流勵磁調速電機可以通過改變頻率的辦法來迅速改變轉速，充分利用轉子動能，釋放或吸收負荷，使電網的擾動比常規電機小，從而可以提高電網的穩定性。其次，可變機組通過提高自身的調節性能，更有利地保障了電網安全穩定運行。再次，可變抽水蓄能機組的調節幅度更大，能夠更好地響應電力系統功率變化要求。綜合以上分析可以看出，由于可變速抽蓄機組具有調節速率和調節精度高、響應速度較快等特點，以及調節幅度大、對電網擾動小等優勢，有利于負荷中心的電網安全穩定運行。

綜合抽水蓄能變速機組在電網中具有反應速度更快、調節性能更好、調節范圍更大等特點，并結合不同電網的需求發現，新能源集中區域、特高壓集中區域、負荷中心區域相較其他地區，更加需要配備一定數量的抽水蓄能變速機組。因此，在前期選址規劃時可重點考慮此三類區域。

3 典型案例分析

京津及冀北電網火電比重較大、電源結構單一，網內供熱機組裝機規模較大，冬季大容量燃煤火電機組被迫超常規高負荷運行。京津及冀北地區經濟發展迅速，電力需求發展較快，外購電力、電量逐年增加。此外，河北地區尤其是張家口地區風能資源豐富，作為我國風電的千萬千瓦級風電基地之一，張北地區的風電裝機規模持續加大。由此可以看出，京津及冀北地區作為負荷高速發展區、新能源集中區以及特高壓受端的綜合區域，在此區域內選取某個典型案例作為變速機組前期策略的研究對象較為合適。本次研究選取了該區域2009年抽水蓄能選點規劃時的尚義站點作為典型案例進行分析。

在對尚義電站展開研究時發現，規劃階段擬定的特征水位已充分利用了地形條件，唯一的限制是因為水頭變幅范圍的限制，上下水庫死水位偏高，以至于上水庫死庫容達到400萬m3以上，造成了庫容的浪費。若該電站使用可變速機組，可在正常蓄水位均不變的情況下，降低死水位，更加充分地利用庫容，同等滿發小時數下，該電站的裝機容量可提升至1 200 MW。

京津及冀北電網擔負著北京地區電力供應的重大責任，也是我國特高壓主網架結構的核心，同時也是我國的幾大千萬千瓦級風電基地之一，因此，京津及冀北電網能否安全穩定運行就顯得尤為重要。可變速抽蓄機組調節精度高、響應速度快、調節幅度大，有利于促進京津及冀北電網堅強智能電網的建設；另外，在負荷突變時，變速機組對電網的擾動比定速機組要小，能夠有效降低電站啟停對局部電網的沖擊性；同時還可促進風電等新能源電源入網的穩定及吸收，可以更好地與網內其他電源相匹配；使用變速機組后，可使尚義電站的裝機容量由1 000 MW提升至1 200 MW，更為充分地發揮了蓄能電站的容量效益。

方案比較發現，定速機組和變速機組在工程地質、工程建設征地和環境影響方面差別不大；兩種方案上下水庫的正常蓄水位相同，水工樞紐布置基本相同；變速機組較定速機組裝機容量變大，兩方案在廠道布置、機電設備、施工條件等方面有所差別。根據投資匡算成果，定速機組方案工程靜態投資488 091萬元，單位靜態投資4 881元/kW；變速機組方案工程靜態投資599 555萬元，單位靜態投資4 996元/kW。從單位千瓦投資上來看，變速機組投資稍高，但通過費用現值計算發現，定速、變速方案的費用現值分別為562 447萬、532 237萬元，變速方案較低，所以從系統經濟性及長遠看，變速機組還是比較經濟的。

綜上，在負荷集中地區、新能源集中區域以及特高壓的受端地區等亟需抽水蓄能這種調節性靈活機組的區域，有時因為利用水頭受限，定速機組的水頭變幅要求較為嚴格，使得在前期蓄能規劃選點時，電站的裝機規模過小或是電站不成立。變速機組與定速機組相比，在選址上最大的優勢是水頭變幅范圍更為寬泛，在工程條件允許的情況下，水頭變幅范圍更大，電站成立的可能性更大，裝機規模也有一定提高，可以充分地發揮蓄能電站的容量效益，也可更為有效地保障系統電網的安全穩定運行。

4 結 論

變速機組具有調節精度高、響應速度快、調節幅度大、調節范圍廣等優勢，可以較好地調節系統無功和深度吸收系統無功，更好地契合電網中的各類發電電源，改善電網運行條件，保證電網運行的安全性和穩定性。在負荷集中區域、新能源集中區域以及特高壓受端區域，由于其特殊性對電網的安全穩定要求更高，更需要抽蓄變速機組的加入。因此，在抽水蓄能變速機組前期規劃選址時可重點考慮此三類區域。