水力儲(chǔ)能耦合燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷特性研究

彭遠(yuǎn)超，楊 承，馬曉茜

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

燃?xì)廨啓C(jī)作為重要的調(diào)峰/調(diào)頻電源，對(duì)促進(jìn)新能源發(fā)電的消納能力及火電機(jī)組的調(diào)峰能力起著重要的作用[1-2]。為應(yīng)對(duì)電網(wǎng)深度調(diào)峰需求，如何進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)峰范圍成為目前迫切需要解決的問(wèn)題。儲(chǔ)能是提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的重要手段[3]，在調(diào)峰電源側(cè)布置儲(chǔ)能（功）系統(tǒng)（如壓縮空氣儲(chǔ)能、水力儲(chǔ)能、蓄電池等），可以提高發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰性能、運(yùn)行靈活性以及經(jīng)濟(jì)性[4]。

水力儲(chǔ)能機(jī)組作為調(diào)峰電源具有啟停迅速、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)[5]，目前較大型的抽水蓄能機(jī)組主要用于與核電機(jī)組聯(lián)合供電[6]。為提高抽水蓄能電站的運(yùn)行靈活性，LI Jingyan等[7]提出了一種響應(yīng)速度更快，調(diào)節(jié)范圍更廣，穩(wěn)定性更好的新型抽水蓄能電站。嚴(yán)健儒[8]對(duì)小型抽水蓄能系統(tǒng)水泵水輪機(jī)的關(guān)鍵水力部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果顯示，優(yōu)化后的水泵水輪機(jī)效率比優(yōu)化前高0.89%。

隨著水力儲(chǔ)能技術(shù)的不斷改進(jìn)，有不少學(xué)者就水力儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源消納的促進(jìn)作用進(jìn)行了研究。為應(yīng)對(duì)風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電間歇性及不確定性的特點(diǎn)，LIU Benxi等[9]基于水電補(bǔ)償風(fēng)能和太陽(yáng)能波動(dòng)的原理，建立了1個(gè)為期1天的削峰模型以最小化剩余負(fù)荷的峰谷差。潘文霞等[10]建立了風(fēng)-水電聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行的最優(yōu)效益模型，證明風(fēng)電場(chǎng)在配置水力儲(chǔ)能系統(tǒng)后，可以提高風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效益，減小風(fēng)電場(chǎng)有功功率輸出的波動(dòng)。李星等[11]利用灰狼算法優(yōu)化水輪機(jī)PID控制，提高了風(fēng)水協(xié)同輸出的平穩(wěn)性。

在火力發(fā)電中，盛建倫[12]提出一種具有更高經(jīng)濟(jì)性能的電力生產(chǎn)方式—火力抽水-蓄能發(fā)電，該系統(tǒng)具有更高的安全性及深度的調(diào)峰能力。J.Hoffer[13]提出了1個(gè)模型和2種算法，用于計(jì)算火力發(fā)電廠的額外抽水發(fā)電量和熱力系統(tǒng)中抽水蓄能電站的排放能量。GE Shuaishuai[14]用結(jié)構(gòu)路徑分析方法研究了廢棄煤礦系統(tǒng)的地下抽水蓄能電站對(duì)碳排放的影響，結(jié)果表明，隨著可再生能源電力需求的不斷增加，碳排放量將大大減少。

水力儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但鮮有學(xué)者研究其對(duì)調(diào)峰機(jī)組運(yùn)行效率的促進(jìn)作用。為提高水力儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源發(fā)電和火力發(fā)電中的調(diào)峰靈活性，本文提出一種海上水力儲(chǔ)能耦合燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，研究耦合系統(tǒng)的負(fù)荷特性，分析儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能及調(diào)峰范圍的促進(jìn)作用，并對(duì)比分析水力儲(chǔ)能系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)與常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組進(jìn)行的調(diào)峰深度與運(yùn)行效率，研究階躍負(fù)荷下的耦合系統(tǒng)效率指標(biāo)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

海上水力儲(chǔ)能耦合燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由單軸燃?xì)廨啓C(jī)和水力儲(chǔ)能系統(tǒng)2部分構(gòu)成。燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)、燃燒室、透平、發(fā)電機(jī)1構(gòu)成。透平排氣用來(lái)拖動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)組，向用戶側(cè)供冷，溫季時(shí)冷量用于冷卻壓氣機(jī)進(jìn)氣，提高燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)峰能力，此部分暫不列入本文分析。水力儲(chǔ)能系統(tǒng)采用源側(cè)儲(chǔ)能，由靜態(tài)變頻器（static frequency converter，SFC）、水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)及儲(chǔ)水球等部件組成。

圖1 水力儲(chǔ)能耦合燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure sketch of the hydraulic energy storage coupled gas turbine system

儲(chǔ)釋能過(guò)程分為水泵工況和水輪機(jī)工況。

1）水泵工況 外界負(fù)荷處于谷期，燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率富余，這部分電能通過(guò)水力儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存起來(lái)。水泵水輪機(jī)在燃?xì)廨啓C(jī)剩余負(fù)荷的作用下將海水從儲(chǔ)水球抽至海平面，從而將電能以海水勢(shì)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)。

2）水輪機(jī)工況 外界負(fù)荷處于峰期，燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率不足以彌補(bǔ)負(fù)荷差。海水流經(jīng)水泵水輪機(jī)進(jìn)入儲(chǔ)水球，利用水位落差推動(dòng)水泵水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)做功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。

1.2 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2.1 水力儲(chǔ)能系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1）儲(chǔ)能率 儲(chǔ)能率Kp表示1個(gè)儲(chǔ)釋能周期內(nèi)，儲(chǔ)水球累計(jì)儲(chǔ)存能量與水泵輸入功之比。

2）釋能率 釋能率Kt表示1個(gè)儲(chǔ)釋能周期內(nèi)，儲(chǔ)水球累計(jì)釋放功與水輪機(jī)輸入功之比。

3）儲(chǔ)釋能效率 儲(chǔ)釋能效率Kes表示1個(gè)儲(chǔ)釋能周期內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功與輸入功之比。

式中：Pes(t)、P1(t)、P2(t)、P3(t)分別表示t時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入功率、存儲(chǔ)功率、水輪機(jī)輸入功率及儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率，kW；xes、x1、x2、x3表示狀態(tài)函數(shù)，0或1。

1.2.2 耦合系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)能量守恒定律，系統(tǒng)能量平衡方程可由下式表示：

式中，Qf,LHV、Qf,s、Qa、Wuser、Wes、∑L分別表示天然氣燃料低位熱值、燃料顯熱、壓氣機(jī)入口空氣攜熱、用戶側(cè)負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入功及系統(tǒng)各部分熱損失總和，kJ/kg。

根據(jù)電約束條件，谷荷時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)供電量為用戶側(cè)調(diào)峰負(fù)荷與水力儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入電量之和（式(7)）；峰荷時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)供電量與水力儲(chǔ)能裝置供電量之和為用戶側(cè)調(diào)峰負(fù)荷（式(8)）。

式中：Wgt、Wv、Wp分別表示燃?xì)廨啓C(jī)輸出功、谷荷時(shí)外界總負(fù)荷及峰荷時(shí)外界總負(fù)荷，kJ；Pgt表示燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置輸出功率（發(fā)電機(jī)端功率），kW；ηp、ηt、ηg2分別表示水泵效率、水輪機(jī)效率與儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電機(jī)效率；s、x表示狀態(tài)函數(shù)，0或1。

評(píng)價(jià)耦合系統(tǒng)靈活性的指標(biāo)還有耦合系統(tǒng)能源綜合利用效率等。耦合系統(tǒng)能源綜合利用效率為1個(gè)儲(chǔ)釋能周期內(nèi)的系統(tǒng)能源綜合利用效率，可由式(9)表示。

式中，ηe為整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置（到發(fā)電機(jī)端）發(fā)電熱效率。

2 耦合系統(tǒng)變工況性能建模

耦合系統(tǒng)建模計(jì)算作以下假設(shè)：1）假設(shè)外界典型負(fù)荷保持穩(wěn)定；2）不考慮電力傳遞過(guò)程中的電路損耗；3）不考慮海面水位波動(dòng)、潮汐、暗涌等對(duì)水力儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響；4）假設(shè)儲(chǔ)水球內(nèi)氣體壓力始終與外界大氣壓相等；5）不考慮儲(chǔ)水球內(nèi)水位變化對(duì)水輪機(jī)出功的影響。

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)裝置由壓氣機(jī)、燃燒室、透平等部件構(gòu)成。燃?xì)廨啓C(jī)模型由GT Pro及Thermoflow商業(yè)軟件模型建立，其熱力計(jì)算模型如下：

2.2 水泵水輪機(jī)

2.2.1 水泵

水泵工況下，水泵采用變速調(diào)節(jié)[15]。泵在變速運(yùn)行時(shí)特性曲線由式(16)表示，管路特性曲線由式(17)表示。

式中：ω為轉(zhuǎn)速比；ni、n0為泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速，r/min；Qi、Q0為實(shí)際流量和額定轉(zhuǎn)速下流量，kg/s；Hi、H0為實(shí)際揚(yáng)程和額定轉(zhuǎn)速下?lián)P程，m；a1、a2、a3為常數(shù)；Hz為實(shí)際裝置揚(yáng)程，m；Hs為最小靜揚(yáng)程，m；r為常數(shù)；Pe、P為泵有效功率和軸功率，kW；ηp為泵效率；g為重力加速度。

2.2.2 水輪機(jī)

在水輪機(jī)工況下，水輪機(jī)需要適應(yīng)外界負(fù)荷的變化來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量，從而改變發(fā)電機(jī)的出功，并將機(jī)組轉(zhuǎn)速維持在規(guī)定范圍內(nèi)。水輪機(jī)的有效出力由式(22)表示。

式中：u為海水流速，m/s；Nt為水輪機(jī)有效出力，kW；γ為水的重度，為9 810 N/m3；r為水輪機(jī)葉片半徑，m；Ht為海平面距水泵水輪機(jī)入口的有效揚(yáng)程，m；Qt為海水流量，m3/s；ηt為水輪機(jī)效率。

2.3 儲(chǔ)水球容積計(jì)算

儲(chǔ)水球最大可儲(chǔ)存電能由儲(chǔ)水球容積及儲(chǔ)水球安裝深度確定，儲(chǔ)水球容積大小根據(jù)儲(chǔ)釋能周期內(nèi)的進(jìn)出流量計(jì)算：

式中：Wmax為儲(chǔ)水球最大可儲(chǔ)存電能，kJ；ρ為海水密度，kg/m3；H為儲(chǔ)水球安裝深度，m；V為儲(chǔ)水球容積，m3；G1(t)、G2(t)分別表示t時(shí)刻進(jìn)、出儲(chǔ)能系統(tǒng)的水泵水輪機(jī)流量，m3/s；y1、y2表示狀態(tài)函數(shù)，0或1。

已有關(guān)于小微企業(yè)信貸約束的研究大多關(guān)注影響小微企業(yè)信貸可獲得性的經(jīng)濟(jì)因素，未將信任納入研究范疇，其應(yīng)用的潛力和前景缺乏應(yīng)有的關(guān)注。本文選取銀行信任的視角，從信貸可獲得性、貸款成本和抵押要求三個(gè)維度，利用廣義結(jié)構(gòu)方程模型(general SEM)實(shí)證分析銀行信任對(duì)小微企業(yè)信貸約束的影響。本文余下部分的安排如下：第二部分是文獻(xiàn)回顧，第三部分是研究假設(shè)與數(shù)據(jù)來(lái)源，第四部分是實(shí)證結(jié)果及分析，最后是結(jié)論與啟示。

3 調(diào)峰靈活性分析

3.1 燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

本文采用GE10型小型燃?xì)廨啓C(jī)[16]，燃?xì)廨啓C(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。燃?xì)廨啓C(jī)最小技術(shù)出力為30%[17]，調(diào)峰深度為70%。

3.2 水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行特性

水泵水輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。圖2為儲(chǔ)能系統(tǒng)排水蓄能時(shí)水泵工作特性曲線。圖2中，A點(diǎn)為額定工況下的水泵工作點(diǎn)，B點(diǎn)為實(shí)際轉(zhuǎn)速下的水泵工作點(diǎn)，B點(diǎn)的相對(duì)流量為0.96，揚(yáng)程為290 m。

儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)釋能過(guò)程中的損失包括水泵水輪機(jī)機(jī)械損失、管道摩擦損失、管道進(jìn)出口動(dòng)能損失以及散熱損失等。其中，動(dòng)能損失與散熱損失較小，本文忽略不計(jì)。在額定進(jìn)、排海水流量下，水泵水輪機(jī)運(yùn)行效率隨揚(yáng)程的變化如圖3所示。

表1 GE10型燃?xì)廨啓C(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Main design parameters of GE10 gas turbine

表2 混流式水泵水輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Main design parameters of Francis pump turbine

圖2 水泵工作特性曲線Fig.2 The pump operating characteristic curves

圖3 水泵水輪機(jī)效率隨揚(yáng)程的變化Fig.3 The variations of pump turbine efficiency with the head

由圖3可知，隨著揚(yáng)程的增大，水泵效率與水輪機(jī)效率均先增大后減小，且分別在揚(yáng)程為235 m與255 m時(shí)達(dá)到峰值90.79%、88.94%。

進(jìn)、排海水額定流量下，儲(chǔ)能系統(tǒng)在1個(gè)儲(chǔ)釋能周期內(nèi)的儲(chǔ)釋能效率隨揚(yáng)程的變化如圖4所示。由圖4可知，儲(chǔ)釋能效率隨著揚(yáng)程的增大先增大后減小，揚(yáng)程為245 m時(shí)達(dá)到最佳儲(chǔ)釋能效率72.88%。可見(jiàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)宜安裝在海平面下245 m處左右。

圖4 儲(chǔ)釋能效率隨揚(yáng)程的變化Fig.4 The variation of storage and release efficiency with the head

3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)變工況性能

圖5 與圖6分別為水泵水輪機(jī)在水泵工況和水輪機(jī)工況下的運(yùn)行特性曲線。由圖5可知：隨著水泵相對(duì)排水流量的增加，水泵相對(duì)效率先增大后減小，水泵相對(duì)排水流量為1時(shí)達(dá)到最大值；水泵相對(duì)輸入功率呈冪函數(shù)上升，當(dāng)水泵相對(duì)排水流量超過(guò)1.1時(shí)會(huì)導(dǎo)致水泵工作效率過(guò)低。水輪機(jī)的輸出功取決于進(jìn)水流量和揚(yáng)程的大小。

圖5 水泵運(yùn)行特性曲線Fig.5 The pump operating characteristic curves

圖6 水輪機(jī)運(yùn)行特性曲線Fig.6 The turbine operating characteristic curves

由圖6可知，初始揚(yáng)程一定時(shí)，水輪機(jī)相對(duì)輸出功率與相對(duì)進(jìn)水流量呈正比，水輪機(jī)相對(duì)效率絕對(duì)值隨相對(duì)進(jìn)水流量的變化較小，相對(duì)進(jìn)水流量為1.077時(shí)相對(duì)效率達(dá)到最大。

儲(chǔ)釋能效率隨儲(chǔ)能系統(tǒng)相對(duì)輸入功率的變化如圖7所示。由圖7可知：隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)相對(duì)輸入功率的增大，儲(chǔ)能系統(tǒng)相對(duì)輸出功率逐漸增大，且增大趨勢(shì)漸緩；儲(chǔ)釋能效率先增大后減小，相對(duì)輸入功率為48.17%時(shí)達(dá)到最佳儲(chǔ)釋能效率65.84%。

圖7 不同相對(duì)輸入功率下儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行特性曲線Fig.7 The operating characteristic curves of the energy storage system at different input power

計(jì)算得到，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大技術(shù)出力可達(dá)7 030 kW。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行于設(shè)計(jì)工況時(shí)，耦合系統(tǒng)達(dá)到最大技術(shù)出力18 280 kW；燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行于最小負(fù)荷且儲(chǔ)能系統(tǒng)出功為0時(shí)，耦合系統(tǒng)達(dá)到最小技術(shù)出力3 375 kW。因此，該耦合系統(tǒng)的調(diào)峰深度達(dá)到81.54%，相比基準(zhǔn)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組增長(zhǎng)了11.54%。

3.4 水力儲(chǔ)能耦合燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)變工況性能

為便于比較耦合系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，需對(duì)耦合系統(tǒng)的變工況性能作進(jìn)一步分析。水力儲(chǔ)能耦合燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的儲(chǔ)釋能特性曲線如圖8所示，圖中外界相對(duì)負(fù)荷指燃?xì)廨啓C(jī)供向用戶側(cè)負(fù)荷與燃?xì)廨啓C(jī)滿載負(fù)荷之比。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行于設(shè)計(jì)工況，水泵水輪機(jī)進(jìn)水流量與排水流量在同一外界相對(duì)負(fù)荷下相等。由圖8可知：外界相對(duì)負(fù)荷相等時(shí)，耦合系統(tǒng)的運(yùn)行效率明顯高于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)；隨著外界相對(duì)負(fù)荷的增大，系統(tǒng)輸出功率與系統(tǒng)總效率值均先增大后減小，外界相對(duì)負(fù)荷為0.52時(shí)達(dá)到峰值9 336.98 kW和25.98%。

圖8 水力儲(chǔ)能耦合燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)儲(chǔ)釋能特性曲線Fig.8 The energy storage and release characteristic curves of the hydraulic energy storage coupled gas turbine system

另外，水泵變頻運(yùn)行下，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入負(fù)荷不得低于5 287.5 kW。低于此值時(shí)，水泵水輪機(jī)會(huì)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，造成水泵水輪機(jī)效率過(guò)低，嚴(yán)重影響水泵水輪機(jī)的使用壽命。

4 源、儲(chǔ)、荷耦合特性

4.1 需求側(cè)電負(fù)荷分布

為了研究水力儲(chǔ)能耦合燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)與外界負(fù)荷的適應(yīng)性及源、儲(chǔ)、荷耦合特性，引入一種外界典型逐時(shí)電負(fù)荷分布函數(shù)—延時(shí)階躍函數(shù)[18]，其表現(xiàn)形式如下：

式中：Pd為外界逐時(shí)電負(fù)荷；γ為峰谷比；Pv為谷荷；ε為單位階躍函數(shù)；t為時(shí)間變量，t∈[1,24]；tv,c為1天內(nèi)谷荷積累時(shí)間。

外界逐時(shí)電負(fù)荷分布如圖9所示，其負(fù)荷分布在數(shù)值上具有平均意義。圖9中：Pp為峰荷，Pp=γPv；Pgt為燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)功率，需要根據(jù)外界負(fù)荷及源、儲(chǔ)側(cè)系統(tǒng)特性確定。假設(shè)Pv=3 000 kW。

圖9 外界電負(fù)荷的延時(shí)階躍函數(shù)分布Fig.9 The distribution of delay-step function of the external electric load

4.2 源側(cè)負(fù)荷特性受負(fù)荷分布特征參數(shù)的影響

4.2.1 燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)功率

燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)功率隨峰谷比及谷荷頻率的變化如圖10所示。由圖10可知，谷荷頻率越低，或者峰谷比越大，燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)功率越大。圖10中給出燃?xì)廨啓C(jī)最小設(shè)計(jì)功率為7 553.57 kW，燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)功率低于此值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入功率低于水泵喘振臨界功率5 287.5 kW，水泵水輪機(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。

圖10 燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)功率隨峰谷比及谷荷頻率的變化Fig.10 Variations of the design power of gas turbine with peak-valley ratio and valley-load frequency

4.2.2 儲(chǔ)釋能效率與耦合系統(tǒng)日平均效率

圖11 與圖12分別給出儲(chǔ)釋能效率和耦合系統(tǒng)日平均效率隨峰谷比及谷荷頻率的變化。由圖11可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)釋能效率隨著峰谷比的降低和谷荷頻率的增大逐漸增大。這是因?yàn)榉骞缺冉档突蚬群深l率增大時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行功率更貼近谷荷，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入負(fù)荷降低，儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)釋能效率增大。

由圖12可知，耦合系統(tǒng)日平均效率隨峰谷比的減小逐漸增大，谷荷頻率越大，峰谷比對(duì)系統(tǒng)日平均效率的影響越大。這是因?yàn)榉骞缺葴p小，儲(chǔ)/釋能總量減小，儲(chǔ)釋能效率增大，所以系統(tǒng)日平均效率增大。

圖11 儲(chǔ)釋能效率隨峰谷比及谷荷頻率的變化Fig.11 Changes of the energy storage and release efficiency with peak-valley ratio and valley-load frequency

圖12 耦合系統(tǒng)日平均效率隨峰谷比及谷荷頻率的變化Fig.12 Changes of the daily average efficiency of the coupling system with peak-valley ratio and valley-load frequency

圖12 中，谷荷頻率為0.375與0.500兩條曲線存在交點(diǎn)。這是因?yàn)樵诓坏陀谌細(xì)廨啓C(jī)最小設(shè)計(jì)功率范圍內(nèi)，同一峰谷比下，谷荷頻率增大時(shí)儲(chǔ)釋能效率增大，儲(chǔ)/釋能總量同步變化，當(dāng)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)日平均效率會(huì)相等。

4.2.3 耦合系統(tǒng)相對(duì)增效

為比較典型外界負(fù)荷下耦合系統(tǒng)與常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，對(duì)兩者的日平均效率差值（相對(duì)增效）進(jìn)行分析，結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，耦合系統(tǒng)具有明顯的相對(duì)增效。峰谷比越小，谷荷頻率越大，相對(duì)增效越高，且谷荷頻率變化對(duì)相對(duì)增效的影響尤為明顯。峰谷比為4.0，谷荷頻率為0.5時(shí)，該系統(tǒng)相對(duì)增效高達(dá)14.9%。

圖13 系統(tǒng)相對(duì)增效隨峰谷比及谷荷頻率的變化Fig.13 Changes of the relative efficiency of the system with peak-valley ratio and valley-load frequency

5 結(jié) 論

1）海上水力儲(chǔ)能耦合燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)在給定進(jìn)排水流量下，水泵水輪機(jī)效率隨揚(yáng)程的增加先增大后減小，水泵水輪機(jī)入口安裝在海平面下245 m處左右時(shí)其效率達(dá)到最大值72.88%。

2）隨著進(jìn)排水流量的增大，水輪機(jī)相對(duì)效率變化較小，水泵效率先增大后減小。水泵軸功率與水輪機(jī)發(fā)電功率均隨著流量的增大而增大。耦合系統(tǒng)的調(diào)峰深度達(dá)到81.54%，相比基準(zhǔn)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組增長(zhǎng)11.54%。

3）為避免水泵水輪機(jī)發(fā)生喘振現(xiàn)象，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入負(fù)荷不低于5 287.5 kW。外界相對(duì)負(fù)荷相等時(shí)，耦合系統(tǒng)的運(yùn)行效率要顯著高于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)。隨著外界相對(duì)負(fù)荷的增加，系統(tǒng)輸出功率與系統(tǒng)總效率均先增加后減小，外界相對(duì)負(fù)荷為0.52時(shí)系統(tǒng)輸出功率與系統(tǒng)總效率達(dá)到峰值9 336.98 kW、25.98%。

4）外界延時(shí)階躍負(fù)荷下，耦合系統(tǒng)源、儲(chǔ)、荷耦合特性受負(fù)荷側(cè)峰谷比及谷荷頻率影響。耦合系統(tǒng)日平均效率明顯高于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)，相對(duì)增效隨峰谷比的減小或谷荷頻率的增大逐漸增大。