抽水蓄能电站在电网运行中的地位与作用

庞 伟，王 帆

（1.华北电力大学，北京市 102206; 2.国家电网公司华北分部，北京市 100053）

抽水蓄能电站在电网运行中的地位与作用

庞 伟1，王 帆2

（1.华北电力大学，北京市 102206; 2.国家电网公司华北分部，北京市 100053）

本文通过分析抽水蓄能电站的特点，从保障电网安全稳定运行、保证电能质量、促进电力系统节能等方面详细论述了抽水蓄能电站在电网运行中的地位与作用，并对抽水蓄能的发展前景作了展望。

抽水蓄能；电网；事故处理；新能源

0 引言

随着我国国民经济和社会的发展,电力负荷快速增长,电网规模不断扩大，社会对电力安全可靠供应的要求越来越高，电网运行的难度和压力也越来越大。抽水蓄能电站因其良好的机组性能，调峰填谷的独特运行特性,在保障电网安全稳定运行、保证电能质量、促进电力系统节能等方面发挥着不可替代的作用,随着电网的发展，特别是在特高压智能电网和新能源大规模接入的背景下，抽水蓄能电站的地位将越来越重要。

1 抽水蓄能电站的发展现状

20世50年代是世界抽水蓄能电站发展的起步阶段。1960年，全世界抽水蓄能电站总装机容量350万kW，仅占世界总装机容量的0.62%，预计至2005年，全世界抽水蓄能电站总容量达到11788万kW。

我国的抽水蓄能电站发展起步较晚，20世纪90年代才进入快速发展期，兴建了广州抽蓄一期、北京十三陵、浙江天荒坪等一批大型抽水蓄能电站，之后陆续开工建设了一批抽水蓄能电站。截至2013年底，全国抽水蓄能电站投产容量已达2154.5万kW。根据规划，至2020年，我国抽水蓄能电站装机容量将达到7000万kW。

2 抽水蓄能电站的特点

抽水蓄能电站在电网运行中的作用，是由其自身的特点决定的。抽水蓄能电站主要有以下3个特点：

（1）机组启停速度快，运行可靠。抽水蓄能电站从满载抽水至满载发电仅需要360s，而在紧急情况下，最低仅需要220s。根据调度运行的经验，以北京十三陵抽水蓄能机组为例，从调度下令机组由停机状态开机发电，至发电机并网带100%出力，一般时间均在4min以内，这是常规火电机组无法相比的。绝大多数火电机组的调节速率约为每分钟变化额定容量的2%，在电网发生较为紧急的事故，如功率缺额或者元件过热稳极限时，抽水蓄能机组的作用可以说是立竿见影。

抽水蓄能机组非常可靠。仍以北京十三陵抽水蓄能机组为例，日均机组启停为5～6次，年启停次数在2000次左右，几乎没有发生过机组未及时并网的情况。相比之下，常规火电机组由于受煤质、气温、辅机缺陷等因素影响，常常出现增减出力不及时，甚至锅炉灭火等现象，给电网安全带来不确定因素。

可以说，抽水蓄能电站是电网运行的“快速反应部队”，且“招之即来，来之能战”，是保证电网安全的可靠后盾。

（2）装机容量占比很小。根据2005年的数据，世界上抽水蓄能电站装机占比最大的国家是日本，为10.7%，我国仅为1.2%。以华北电网为例，抽水蓄能总装机容量520万kW，分别为：十三陵电厂，4×20万kW；西龙池电厂，4×30万kW；呼和浩特抽水蓄能电厂，4×30万kW；张河湾电厂，4×25万kW；泰山抽水蓄能电厂，4×25万kW。截至2015年6月底，华北电网统调装机容量27528万kW，其中火电装机容量22932万kW，风电装机容量3386万kW，光伏装机容量524万kW，抽水蓄能装机占比仅为1.9%。国内几个主要区域电网的抽水蓄能装机占比情况大抵如此。因此，抽水蓄能电站只能在电网发生事故或频率调整等情况下使用，不能解决电网结构性缺电的问题。

（3）发电能力只与蓄水池容量有关，不受季节等因素影响。与常规水电机组不同，抽水蓄能机组一般依托水库、湖泊等地形，将小部分存水抽到上部蓄水池来发电，不利用江河的径流发电，因此不受丰水期和枯水期的影响，上池的水量一年四季均有保障。因此，任何季节任何时段都能保证稳定的发电能力。

由于抽水蓄能电站的上池大多为人工开挖，受地形等客观因素制约，容量相对较小，不能支持长时间持续发电。以北京十三陵电厂为例，若所有机组满发，从最高发电水位至发电死水位，仅需6～7h。因此，抽水蓄能机组的运用不能够随意，只有在电网需要的时候才可以使用。

3 抽水蓄能电站的作用

3.1 保障电网安全稳定运行

抽水蓄能机组作为电网性能最优良的事故备用容量，是调度员事故处理的有效手段，其作用在华北电网这样以火电机组占绝对比例的电网中尤其突出，在多次重大复杂的事故中担当了重要的角色。2015年6月，华北电网发生一起线路多重事故，由于线下有山火，某重要送出断面的同名500kV三回线路在11min内相继掉闸，安全自动装置动作切机，线路潮流发生大规模转移，事故造成系统频率下降0.06Hz，该断面中其他500kV线路重载。值班调度员紧急降低送端机组出力，同时下令开启北京十三陵电厂机组发电，在短短的十几分钟内，4台机组发电带满负荷，稳住了电网的频率，同时有效控制了断面潮流，防止了电网发生次生事故的风险。与此事故类似，2008年8月，华北网另一重要送电断面的500kV三回线路由于微气候影响，短时间内相继掉闸，值班调度员紧急降低送端机组出力，同时下令开启北京十三陵电厂机组发电，最终圆满地处理了该事故。十三陵电厂自1995年投运以来，经历了无数次的大小事故，在相当一部分事故中发挥了重要作用。

抽水蓄能电站总是“临危受命”，并且每次都出色地完成了任务。可以说，电网的安全稳定运行，抽水蓄能电站功不可没。

3.2 保证电能质量

抽水蓄能电站在保证电能质量方面的作用，体现在以下三点：

第一，减轻或抵消负荷波动的影响。电网中有很多冲击负荷，如电气化铁路、高耗能企业等。这些负荷的投入和退出都是随机的，而且容量很大，电气化铁路的冲击一般可以达到数万千瓦，成规模的高耗能生产线，冲击甚至能够达到20万kW以上，相当于一台普通发电机的容量。这些冲击负荷在整个社会总用电负荷较平稳的时段对频率的影响还不明显，在总用电负荷大幅度变化的时段，冲击负荷叠加上其他社会用电波动，影响就比较大了。在这样的时段内，电网调度往往会开启抽水蓄能机组，当本网的区域控制偏差（Area Control Error）超范围时，及时调整抽水蓄能机组出力将其控制在合格范围内。

第二，是良好的调峰电源。在各类型的电源中，抽水蓄能机组的性能是最优良的。火电机组的调峰能力大约为50%，如果再进行深度调峰，会影响机组的燃烧稳定，增加煤耗等；核电机组的原理以及运行工况，决定了核电机组最经济的运行方式为带基荷运行，不参与调峰。风电等新能源的随机性，决定了其无调峰能力。抽水蓄能机组在发电与抽水工况间转换，调峰能力为额定容量的200%，调峰主力的角色自然由抽水蓄能电站来担当。

第三，调整电网电压。抽水蓄能机组运行在调相工况时，可以根据电网实际调整无功出力，保证电压水平符合电压曲线的要求。特别在春节等大的节假日，用电负荷急剧下降时，抽水蓄能机组调相运行对系统的电压稳定发挥了巨大作用。

3.3 提升常规机组的经济性

抽水蓄能电站能够提升常规机组的经济性，集中体现在其调峰作用中。火电、核电等传统电源，都有其最佳的经济运行曲线，在不同的运行工况下，能耗有较大差距。火电机组的在50%负荷率以上运行时，能耗较低，当进入50%以下深度调峰时，煤耗显著增加，同时会降低设备的寿命，而且火电机组深度调峰的范围裕度很小，一般只能下调至40%额定功率，既浪费了一次能源，又起不到显著的调峰效果。以30万kW机组为例，一台机组由50%深度调峰至40%，功率下降只有3万kW，相对的，1台20万kW的抽水蓄能机组调峰，相当于7台30万kW火电机组深度调峰的效果。抽水蓄能机组的显著调峰作用，避免了大量常规机组深度调峰造成的资源浪费，对整个电力系统，对国家都有重要的意义。

3.4 提高电网吸纳新能源的能力，促进节能减排

抽水蓄能电站能够显著提升电网吸纳新能源的能力。我国的风电资源在2000年之后开始陆续大规模开发，发展非常迅速。华北电网的风电发展在2007年后呈井喷态势，根据上文的数据，当前风电装机已突破了10%，达12.3%，比例比较高，专家认为一般应控制在10%以内。风电出力具有随机性和显著的反调峰特性，给电网的运行、调峰造成很大压力。抽水蓄能机组性能优良，可以随时应对风电出力的波动，维持系统的频率稳定；在电网负荷低估时段，抽水蓄能机组抽水运行，为电网吸纳风电功率创造条件；在风电集中汇集地区，抽水蓄能机组与风电机组互补运行，即“风火打捆”，不论是风电送出还是就地消纳的方式，均提高了运行的灵活性。电网吸纳新能源的能力，是由电网的规模决定的，但电网规模是社会的经济发展程度决定的，不以电网公司、发电公司的意志为转移，抽水蓄能机组的合理运用，突破了电网规模的限制，是消纳新能源的有效手段，对促进节能减排，保护环境有重要的意义。

3.5 提供黑启动电源

抽水蓄能机组启动迅速，调整性能优良，在不依靠外界电源的情况下可以实现自启动，并通过输电线路给其他的电厂提供启动电源，从而逐步恢复电网的运行方式。当电网发生崩溃或大面积停电事故时，抽水蓄能电站是电网恢复供电的“星星之火”。

4 存在的问题和展望

当前人们在对抽水蓄能电站的认识、管理、运行等方面还存在一些问题。

首先，对抽水系能电站对系统安全性、经济性的作用缺乏客观评价。电力系统的运行，是先有安全，才有效益。抽水蓄能电站的装机比例小，平时发电时间也短，只有在电网发生事故的时候才直观体现出其价值，除了电网调度部门，其他人对抽水蓄能电站的安全作用没有深入的认识。实际上，每次重大事故的正确处理，避免的经济损失数以亿计，国外的数次大停电均说明了这一点，因此，安全才是最大的经济效益。另一方面，抽水蓄能电站在调峰和吸纳新能源方面的作用，有效地减少了一次能源的浪费，促进了节能减排，带来了相当显著的经济效益和社会效益，这一点还没有被提升到应有的高度。

其次，政策上缺乏激励机制。当前的市场经济条件下，经济效益是各方追逐的目标。目前的政策，虽然对调峰调压等辅助服务有一定的补偿，但力度还比较小。抽水蓄能电站“抽水四度电，发电三度电”的特性，决定了其不可能通过发电量来获得经济效益，但调峰调压的效益又不明显，所以抽水蓄能电站几乎没有什么经济效益可言。当前抽水蓄能电站基本由电网公司投资建设，发电公司等没什么积极性。今后应该合理增加抽水蓄能电厂的补偿力度，同时本着“谁投资，谁受益”的原则，把抽水蓄能机组和风电吸纳结合起来，这样就能极大地调动发电公司等各方的积极性，加快抽水蓄能机组的建设。

虽然存在上述问题，但抽水蓄能电站今后仍有良好的发展前景。主要体现在以下两个方面：

第一，电源结构的调整需要发展抽水蓄能电站。当前国家大力开发风电、光伏等新能源，电网规模相对稳定，从系统的安全性和经济性考虑，需要配置相应比例的抽水蓄能电站。

第二，建设特高压智能电网需要发展抽水蓄能电站。当前国家电网公司大力建设特高压电网，主要为了实现跨区资源的优化配置，相当一部分风电功率通过特高压线路送出，为了在风电汇集地区实现风电火电互补运行，以及应对大规模潮流转移的电网事故，需要加快建设抽水蓄能电站。

综上所述，随着社会的进步，电力系统的不断发展，抽水蓄能电站未来会有更良好的发展前景，在电网中的地位将越来越高，发挥越来越重要的作用。

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[4] 王楠. 我国抽水蓄能电站发展现状与前景分析[J]. 电力技术经济，2008 20（2）： 18-20.

庞 伟（1980—），男，本科，高级工程师，研究方向：电网运行管理。E-mail: pw19801220@163.com

王 帆（1987—），男，硕士，工程师，研究方向：电网运行管理。

The Position and Function of the Pumped Storage Power Station in Power Grid Operation

PANG Wei1，WANG Fan2
（1. North China Electric Power University，Beijing 102206,China; 2. North China Branch of State grid，Beijing 100053,China）

The article analyzed the characters of the pumped storage power station. Then，discussed the position and function of pumped storage power station in detail by the purposes of stabilizing operation of power grid，ensuring power quality and improving grid system energy saving. Finally，prospected the future of the developing of pumped storage.

pumped storage; power grid; accident treatment;new energy