美国抽水蓄能电站分析

［美国］V.科里塔诺夫

由于风能、太阳能等间歇性可再生资源的不断渗透，抽水蓄能(PSH)的作用也在发生着变化。在可再生能源发电和系统运行的失衡纠正中，其正从传统的日负荷转变为可响应短期变化的更为动态的运行。

美国能源部门(DOE)最近的一项研究正在评价全美先进PSH电站的作用和价值。这是由DOE能源效率和可再生能源办公室(EERE)下属的风水动力技术办公室负责的一个项目所资助的。该项研究由阿贡国家实验室牵头，参与研究的有西门子公司、能源典范公司、美华集团及美国国家可再生能源实验室(NREL)。

该项研究历时2年多，于2014年年初完成，发布的7份报告记载了所进行的模拟及主要分析结果。

研究的主要目的是:

(1)开发具有先进技术的精确仿真模型，以分析其提供各种电网服务的技术能力;

(2)评估在不同的市场结构和电力系统中可再生能源不同发电水平下，这些服务的价值。

具体的研究目标为:

(1)提高先进PSH电站模型在电力系统仿真模型中的代表性;

(2)量化先进PSH电站提供各种电网服务的技术能力;

(3)分析这些服务在不同的市场结构和可再生能源(风能和太阳能)不同发电水平下的价值;

(4)提供关于PSH电站给系统带来的利益和价值的全方位信息。

为了达到这些目标，项目组采用了多种计算机工具，包括PSS®E(工程电力系统模拟器)、FESTIV(用于整合可再生能源发电的能源调度工具)、CHEERS(传统的水电能源和环境系统)和PLEXOS®，用以模拟系统操作及PSH电站的贡献。该项分析意在捕捉PSH电站在不同时间尺度下的工况和操作特性——从若干分之一秒钟的动态响应到生产成本的年度模拟。模拟解决了宽范围电力系统的运行问题和时限。该技术方法主要由两部分组成:先进的技术模型;精细的发电成本和电力系统仿真。

1 先进的技术模型

先进技术模型的任务集中于针对PSH先进技术动态仿真模型的发展，如可调速度(AS)和三元装置，因为这些模型在美国还没得到应用。针对AS和三元PSH技术的动态模型在项目过程中是被作为供应商中立模型来开发并发布的。此外，它们被加入PSS®E动态模型库，并将被提供给所有PSS®E的用户。这些新模型可实现先进PSH机组基于各种系统扰动的动态响应的精确建模，对于新PSH项目中的传输互联研究是十分必要的。

2 发电成本模拟

对于生产成本和收入模型，项目组首先列出了PSH电站对系统的贡献和服务(如下所示)。为评估PSH各种服务和贡献的作用与价值，模拟了整个西部联盟(WI)、加利福尼亚州以及一个单独的平衡机构(萨克拉门托市政公用区，SMUD)的成产成本。分析调查了PSH电站在调控和竞争两种电力市场环境下的优势和价值，并针对可再生能源(RE)各种发电水平进行。

PSH的服务和贡献如下:

(1)惯性响应;

(2)调节器响应，频率响应，或一次调频;

(3)调频，调控备用容量，或二次调频;

(4)可提供弹性备用容量;

(5)可提供应急旋转备用容量;

(6)可提供应急非旋转备用容量;

(7)可提供置换/补充备用容量;

(8)负荷跟踪;

(9)负荷均衡/能源套利;

(10)发电能力;

(11)环境排放量减少;

(12)间歇性能源的整合;

(13)火电机组的热循环与出力减少;

(14)其他投资组合的影响;

(15)输电阻塞得以缓解;

(16)输电延迟;

(17)电压支撑;

(18)动态稳定性提高;

(19)黑启动能力;

(20)能源安全。

主要基于西部电力协调委员会对2022年的长期预测，对未来一年的系统运行进行了模拟。针对可再生能源两种水平的渗透对电力系统的运行进行了模拟:①基础可再生能源情形——对应于WI美国部分2022年可再生能源发电的14%;②强风可再生能源情形——对应于WI美国部分2022年可再生能源发电的33%。

分析采用了基于成本和市场的两种方法。基于成本的方法运用于整个WI和SMUD的模拟，而基于市场的方法(作为基于投标的电力市场)则被运用于加利福尼亚州的模拟。PLEXOS生产成本模拟针对3种情况进行:①没有任何PSH电站;②采用现有的固定速度(FS)的PSH电站;③采用现有的FS和额外AS的PSH电站。拟建的3个新PSH项目(鹰山、爱荷华山和天鹅湖北)被作为AS PSH的代表项目。

3 主要研究成果

3.1 节省发电成本

研究确认PSH电站可极大降低电力系统的运行成本。表1总结了2022年因PSH装机容量而节省的系统总发电成本，结果显示，系统中可再生能源资源的渗透率越高，发电成本便会越节省。

3.2 能源套利

采用基于市场的方法对2022年的加利福尼亚州系统进行了PLEXOS模拟，该方法可对基于年每小时电力的节点边际价格(LMP)的能源套利价值进行详细分析。模拟结果表明，当放弃过量的间歇性能源时，强风情形下间歇性能源(风能和太阳能)的高渗透率可保持平均节点边际价格较低并经常为负。由此，强风情形下PSH电站的抽水蓄能成本也比较低，因为抽水蓄能大部分由会被放弃的过量间歇性能源发电提供。因此，尽管平均节点边际价格较低，源自能源套利的抽水蓄能收益仍比系统中更高水平的间歇性能源发电要高，主要是因为白天较低的抽水成本和多泵发电循环。

3.3 旋转备用容量

FS与AS PSH电站的综合装机不足2022年整个WI系统装机的3%，基于此，研究发现PSH电站向系统提供了大量的备用容量。随着AS PSH电站的增加，其对WI和加利福尼亚州备用容量的贡献也显著增加。调控和灵活的备用容量增幅相当大，因为AS PSH电站也可以在抽水运行模式下提供这些服务。这些备用容量在电力系统灵活性较低时尤其必要，例如夜间。

表1 2022年因PSH装机容量而节省的生产成本

3.4 间歇性能源的整合

PSH电站提供了大量非常灵活的系统容量以抗衡风能和太阳能发电的间歇性和不确定性，从而使得间歇性可再生能源在电力系统中的渗透率更高。研究结果清楚表明了PSH电站在尽量利用风能方面的重要性，尤其是在强风情形下。例如，PLEXOS对WI在强风可再生能源情形下的模拟结果表明，PS与AS PSH电站将放弃的间歇性可再生能源的发电量减少了12675 GW·h，换句话说，如果没有PSH电站运行，总放弃量则约为22%。假设装机容量的利用率为30%，节省的12675 GW·h发电量相当于装机5000MW的风电的年均发电量。

3.5 减少火电机组的热循环

PSH电站容量的灵活性、出力迅速增加的特点及负载均衡运行为火电机组创建了一个更为平坦的净负荷曲线，使其能够在一个更稳定的模式下运行，因此减少了增加出力和频繁启闭的需要。PLEXOS对WI的模拟结果显示，2022年已有的FS和新的AS PSH电站可将火电机组起动次数和启动成本减少20%～30%。

由于其运行的灵活性及出力迅速增加的特点，PSH电站也减少了增加火电机组出力的需求。模拟结果显示，到2022年，WI和加利福尼亚州PSH电站可使火电机组总出力减少34%。

3.6 PSH对电力系统排放的影响

针对WI的模拟结果显示，在基础可再生能源情形下，二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)的排放会增加;而在强风可再生能源情形下，PSH电站的运行会减少整个系统的排放。这主要是由于可用于电站抽水的更多风能和PSH在尽量利用风能方面的影响，抵消了火电机组为提供额外的抽水能量而增加的排放。

针对加利福尼亚州的研究结果显示，在基础和强风可再生能源情形下，CO2和NOx排放都有所减少，而SO2的排放有所增加。加利福尼亚州和WI的结果不同是因为这两个电力系统的发电组合不同。

SMUD系统的减排最为显著。拟建的爱荷华山AS PSH电站可减少两种可再生能源情形下SMUD系统的污染物排放。

4 PSH的价值

历史上PSH电站的好处通常只涉及能源套利和提供应急备用容量，但该项研究表明PSH电站可为电力系统提供很多其他的好处。除了可将更多的风能和太阳能资源整合进系统和尽量利用间歇性可再生能源外，PSH电站还可降低整个系统的发电成本，为系统运行提供灵活多样的备用容量，减少火电机组的热循环与出力，缓解输电阻塞，提高系统运行的可靠性等。此外，因在系统中存在大量间歇性可再生能源，PSH电站往往对系统排放有一个积极的影响，因为很大一部分抽水蓄能是由风能和太阳能发电提供的。该项研究也表明，PSH电站的价值随着系统中间歇性可再生能源的不断渗透而会得到提升。