抽水蓄能机组参与湖南电网低谷调峰特性的研究分析

陈远扬，李光辉，路建明，黄际元

(1.国网湖南省电力公司，湖南 长沙 410007；2.湖南大学，湖南 长沙 410082)

抽水蓄能机组参与湖南电网低谷调峰特性的研究分析

陈远扬1，李光辉1，路建明1，黄际元2

(1.国网湖南省电力公司，湖南 长沙 410007；2.湖南大学，湖南 长沙 410082)

基于湖南电网负荷水平和调峰形势，着重从电网丰水期及冬季枯水期典型负荷日的负荷特性、机组调峰性能、电源组成比例等方面，分析抽水蓄能机组参与电网调峰的必要性。根据抽蓄机组抽水工况并网流程及有功曲线特性，针对其对省网联络线功率调整可能会带来的问题，从开机策略上为调度员用好抽蓄机组给出相应的建议。

抽水蓄能；调峰；峰谷差；功率调整；负荷特性

1 湖南电网峰谷差因素

近年来，随着国民经济的日益发展及用电结构的不断调整变化，各区域 (省)网均不同程度面临着峰谷差加大、调峰任务严峻的共性问题〔1〕。2014年湖南电网最大峰谷差已达1 144万kW，同比增加17.43%，最大峰谷差率达55%，如图1所示〔2〕。

电网峰谷差不断加大，还与发电侧以风力发电为代表的可再生清洁能源装机比重持续攀升(2014年风电装机容量如图2所示)，而负荷侧以高铁负荷为代表的民用大用户负荷相继投运有关(典型日高铁24 h负荷图如图3所示)。由图2，3可得，上述电源、负荷的反调峰特性将进一步加剧调峰问题。

图1 2009—2014年最大峰谷差及黑麋峰电厂利用小时数

图2 2014年各月份湖南电网风电装机容量和同比增长率图

图3 典型日24 h高铁负荷图

2015年湖南电网峰谷差预计将继续保持10%左右的增幅，最大峰谷差将达到1 260万kW。为应对电网峰谷差的持续增长，传统调峰方式主要包括火电机组启停调峰 (或深度调峰)、退减联络线低谷电量、充分挖掘小水电调峰潜力等多种手段，而合理运用抽水蓄能作为一种常规调峰手段，对极大优化电网电源结构，解决负荷季节性不均衡问题，提高系统运行经济性都起到了积极意义，其使用频率日益加大〔3〕。

黑麋峰抽水蓄能电厂作为长株潭地区的可靠应急电源，安装有4台单机容量30万kW的可逆式机组，总装机容量120万kW，并通过500 kV黑沙线接入500 kV沙坪变，自2009年6月投运以来，一直担负着湖南电网的调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。

2 丰枯水期典型负荷日调峰特性分析

2009—2014年年黑麋峰电厂利用小时如图1所示。2014年，黑麋峰低谷抽水调峰开机次数达到343次，主要集中2个时段:2月份冬季大负荷枯水期以及5—8月丰水期，如图4所示。

图4 2014年峰谷差与低谷抽蓄机组台数

分析图4可得，日峰谷差超过9 000 MW的时段主要集中在冬季枯水大负荷时期 (2月份)，究其原因，2月初正值农历春节期间，工业减产、商业歇业，外来务工返乡，同时因天气回冷，居民空调负荷较大，居民用电比重锐增，峰谷差达到全年最大，2月份黑麋峰低谷抽水机组为1.2台次/日。而丰水期 (5—8月份)，湖南省四大流域相继进入主汛期，水电方式较大，低谷出力达到4 000 MW以上，占总发电的59.6%。一方面无调节能力丰统调小水电低谷时段抢发电量，减少了低谷时段主网下网趸售电力电量；另一方面，为避免大型水库弃水，部分调节能力不足的水电基荷 (或大方式)运行，低谷时段水电消纳能力有限，两方面也都造成丰水期尽管峰谷差不大，调峰也异常困难。综上分析，低谷调峰阶段使用抽水蓄能机组抽水调峰主要取决于水电比例及峰谷差。

一般而言，电网负荷平衡是根据系统的运行特性、增容决策、自然条件与社会影响等诸多因数，综合考虑系统及电厂运行约束、备用容量约束，还要综合考虑损耗、成本等经济等因素后，在满足一定精度要求的条件下，确定未来某特定时刻的负荷数据并相应安排机组方式，以达到发供电平衡，其中负荷是指电力需求量 (功率)或用电量。文中结合电网典型负荷日负荷特性水平、抽水机组调峰次数、电源开机等运行数据，着重从电网低谷电力平衡角度来讨论调峰电源安排及黑麋峰开机因素等问题。

湖南省电源按调峰能力可划分为火电机组群(有功用Pthe表示)、水电机组群 (包含网调直调和省调直调等一系列具有一定调节能力的机组，有功用Phyd表示)、中小电厂机组群 (风电、煤矸石、无调节能力径流式小水电、生物质能电厂，有功用Pwin表示)、联络线 (有功用Ptie表示)、抽水蓄能机组 (有功用Ppum表示)5种。一般来说，火电机组能承担50%电网基本调峰服务，水电机组启停迅速且灵活，调峰深度 (考虑弃水调峰)可达到100%，调峰性能优越，部分水电厂出力也受到间降水、上游来水等自然条件，以及生态供水、生活用水、防洪防汛等人为因素影响较大，属于能量受限机组。中小电厂机组群中所包含的风电机组、生物质能、煤矸石机组和部分径流式水电机组因其装机容量较小，调节范围较小，一般认为为不可调峰机组；根据节能发电调度的要求和考虑经济效益最大化，调峰首先安排具有调节能力的水电和燃煤发电机组，然后再视系统需要安排其他机组 (如运用抽蓄机组抽水调峰)，必要时，可安排火电机组进行降出力深度调峰和小机组启停调峰〔4〕。

考虑湖南电网日高峰、低谷时刻发供电平衡关系，日发电最大负荷Pmax、最小负荷Pmin可分别用式 (1)，(2)表示:

式中 α，β分别表示高峰、低谷时刻相应机组群在参与调峰调节度。

设ΔP为当日峰谷差，机组群调峰系数 η＝(α－β)，Pi_max则对应着机组群i日最大可发出力，同时考虑联络线送入Ptie以及中小电力机组群Pwin为日前计划值不参与调整，故日高峰时刻αtie，αwin设定为1，即该类型机组群高峰均参与顶峰。结合式 (1)，(2)可得，

设Pmax为基值，将式 (3)标么化，则式 (3)可转化为:

显然，火电机组群在不进行启停和深度调峰ηthe最大为0.5，即火机参与50%调峰。

分别选取丰水期和冬季枯水典型日负荷方式。丰水期典型方式:水电日电量1.7亿kWh，最小出力7 200 MW，最大出力8 000 MW；火电维持最小开机方式，低谷最小出力1 640 MW，最大出力2 100 MW，联络线低谷出力500 MW，高峰出力1 350 MW；冬季枯水期典型方式:水电维持一定出力参与调峰，电量适当控制，水电高峰最大出力5 060 MW，低谷最低出力1 030 MW，联络线高峰出力2 220 MW，低谷出力1 580 MW。典型负荷期电源调峰度数据见表1〔5〕。

分析表1可知，丰水期间，火电机组在满足火电机组最小开机方式的基础上，为了满足调峰需求，低谷时段减至50%，但高峰因水电方式较大，故火电机组群调峰系数远低于0.5，并未充分挖掘火电机组调峰裕度；而水电及中小电力所占比例达到近60%，且无调节能力，联络线发挥着一定调峰性能，故在丰水期火电最小开机方式情况下，黑麋峰发挥了削峰填谷的至关重要的作用。

冬季枯水大负荷期，火电机组所占比例达60%以上，调峰系数达到0.43(考虑部分火电机组缺陷，无法达到理论值50%调峰)，水电调峰系数达到0.94(考虑部分水电机组下游生活、生态供水，低谷无法全停，接近理论值100%调峰)，但因所占比例过低，同时因峰谷差达到0.45以上，不得不依赖黑麋峰调峰，既能满足高峰出力顶峰，又能满足低谷抽水调峰〔6〕。

表1 典型负荷期电源调峰度

综上所述，黑麋峰在丰水期水电大发期，因系统负荷低，主要承担填谷作用；而在冬季枯水大负荷期间，因高峰负荷重，故既承担削峰，又承担填谷作用。

3 抽水蓄能机组抽水开机使用

黑麋峰电厂单机额定容量达300 MW，为目前湖南电网内单机容量最大的水电机组，且单台机抽水工况稳定运行只有300 MW一个值，机组抽水启停将造成瞬间300 MW左右的负荷波动，对省网发供电平衡及省网间联络线造成较大影响。从下令机组抽水，到机组抽水工况并网接带负荷，一般需要8～12 min不等，而这期间恰恰是系统下备用最为紧张的时刻，联络线有可能持续少用计划，而瞬间接带300 MW负荷，又极有可能使联络线瞬时超用计划，这样对每15 min进行联络线的ACE(Area Control Error)绝对值调节控制，显然是不利的。在2014年7—12月间，因负荷低谷时段开停抽蓄机组造成省网ACE波动致考核达6次，占低谷调峰时段 (00:00～7:00)考核次数的28.6%。如何充分发挥抽水蓄能电站低谷调峰特性，减少联络线波动造成省网ACE考核已成为大电网平台下抽水蓄能电站群调度运行亟待解决的理论和实践难题〔7〕。

为尽可能减少因启停抽蓄机组带来的不利影响，要求调度运行人员尽量选择合适的开机时段，基于系统负荷走势预测的前提下，应留足 “上、下备用”空间，减少黑麋峰机组启停对系统产生较大冲击。

一般而言，抽水蓄能机组运行工况有发电(G)、抽水 (P)、发电调相 (CG)、抽水调相(CP)等4种工况；就发电工况而言，其运行原理与常规水电厂运行原理一致，文中不再赘述。抽水工况可以理解为发电方向的逆向过程，目前广泛应用的启动方式是以静止变频器 (SFC)启动为主，背靠背 (BTB) 启动为备用〔8－9〕。

3.1 静止变频器启动方式 (SFC)

SFC变频启动即利用SFC变频启动装置，将主变低压侧电源转变为零到额定值的变频电源，同步将机组拖动起来，优点为成功率高，对系统冲击小，可满足抽蓄机组调峰过程中频繁起动的要求〔10〕。采用SFC装置启动的基本步骤及耗时为:

1)启动机组辅机系统，包括技术供水系统、供油系统，调速器、机组、主变准备就绪，此时机组处于静止态，大约耗时27 s；

2)建立电气轴，抽蓄机组M/G转子励磁，此时向系统吸引少量无功，建立磁场，大约耗时2 s；

3)压水过程，迷宫环供水，高压压水补气，大约耗时42 s；

4)SFC装置拖动机组转动上升，投入SFC装置，变频装置向电机定子输入频率逐渐上升的三相交流电产生的旋转磁场与已励磁的转子相互作用产生加速转矩，使机组逐渐升速至额定转速，大约耗时201 s；

5)机组检定同期条件后抽水调相工况并网，同时切除变频装置，完成启动过程，即抽水调相工况 (CP)，耗时67 s；

6)抽水调相转抽水，包括转轮充水过程、尾水管回水等过程，机组转轮将在水中运转搅水，机组将吸收一定的溅水功率60 MW左右，大约耗时127 s。

综上所述，采用静止变频器启动方式抽水工况并网，需要耗时460 s。

3.2 背靠背 (BTB)启动方式

BTB启动即让2台机组通过电气联系起来，其中1台作发电机启动，称拖动机；另1台作为抽水调相启动，称被拖动机。2台机组都加上励磁，同时启动，即利用拖动机将被拖动机组同步地拖动起来。被拖动机并网后，拖动机立即断开与被拖动机的电气联系，然后可转发电、发电调相或停机。显然，BTB不能解决抽水蓄能电厂最后1台水泵机组启动问题，同时因机组之间同步加速前的振荡问题易造成启动失败，故一般作备用启动方式〔11〕。采用BTB启动的基本步骤及耗时为:

1)为拖动机组G和被拖动机组M同时启动辅机，供水、供油正常至静止态，大约耗时27 s；

2)为拖动电机G与被拖动机组M分别建立电气轴，准备投入励磁，大约耗时8 s；

3)拖动电机G开球阀和水轮机导叶，启动调速器，带动完成高压压水中的被拖动机组M，随着转速上升产生一定频率电流供被拖动机组M定子三相电流建立旋转磁场，与已励磁的转子相互作用产生加速转矩，使被拖动机组M逐渐升速至额定转速，并在满足同期条件后并网成功，达到抽水调相工况运行，大约耗时470 s；

4)切除拖动机组G至停机稳态。采用BTB方式启动抽水工况并网，大约耗时505 s。

综合分析2种启动方式可知，机组抽水并网均须经过抽水调相工况这一过程。调相可以满足系统无功需求，稳定及调节电压，改善电网品质，抽水启动时，为减小有功消耗，减小机组振动，一般都先将机组启动到抽水调相工况，然后再由抽水调相转抽水。抽水调相工况下，机组从系统吸收有功不到10 MW同时从抽水调相转到抽水工况时间约120 s，对于调度运行人员是一个更易于控制的稳态，如图5所示，黑麋峰电厂单台机组调令至并网2种不同方式的时间曲线。若调度直接下令抽水工况并网，则至9 min时，机组抽水调相工况并网直接转入抽水工况，此后约2 min机组从系统吸收300 MW有功；若调度令先转抽水调相工况并网，则在9 min时，电厂运行人员将即时汇报机组已转到抽水调相工况稳态，吸收不高于10 MW有功，此时待调度调整省网其他电厂出力，预留充足“下备用”，再令其转至抽水工况并网。

统计2014年4季度开机次数，采用 “先转机组抽水调相工况并网”方式占总开机方式18.6%，造成省网联络线ACE考核率为0。

4 结语

本文首先以湖南电网为例，从电源侧和负荷侧分析了近年来调峰压力不断加大的原因后，接着基于电网丰水期及冬季枯水大负荷期两段典型负荷日，从电源组成比例、调峰性能等方面分析电网负荷特性对使用抽水蓄能机组影响，进一步证实抽蓄机组在上述两种典型负荷日内对电网削峰填谷不可替代的作用，然后根据对抽蓄机组抽水工况并网开机流程以及有功曲线分析，针对其可能对网省联络线功率调整造成的影响，从开机策略上为调度员用好抽蓄机组给出相应的建议。

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Research on characteristics of peak regulation in valley time with the participation of pumped storage units in Hunan power grid

CHEN Yuanyang1，LI Guanghui1，LU Jianming1，HUANG Jiyuan2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.Hunan University，Changsha 410082，China)

Based on load level and peak regulation situation of Hunan power grid，this paper analyzes the necessity of pumped storage units participating in the power grid peak regulation，emphatically from the aspects of load characteristics in dry and rainy seasons，units peak load regulation performance，constitution and ratio of power source，and so on.According to the grid connection process and power characteristic curve of pumped storage units，this paper gives the dispatcher suggestions on making good use of pumped storage units taking aim at its influences to the power fluctuation of tie lines between provinces.

pumped storage units；peak regulation；peak－valley difference；power adjustment；load characteristics

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.008

TM743

B

1008-0198(2015)04-0031-05

陈远扬 (1987)，男，汉族，湖南衡阳人，硕士研究生，从事电网调度运行工作。

2015-06-16