我国电网对抽水蓄能电站变速机组的需求分析

王婷婷，赵杰君，王朝阳

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024)

我国电网对抽水蓄能电站变速机组的需求分析

王婷婷，赵杰君，王朝阳

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024)

变速抽水蓄能机组具有更好的稳定性和变速恒频发电能力、更优的调节性能、更广的调节范围等优势。以变速抽水蓄能机组的优势为基础，从未来电网的特点和需求出发，探索变速机组对电网建设、提高资源利用率以及电站自身运行等方面的积极影响，并参照国外已建变速机组的相关运行指标和我国电网调节性能补偿相关规定，就我国变速机组在未来电网的经济性进行预判。

变速机组；抽水蓄能电站；调节性能；经济性

从20世纪60年代开始，国外水电行业就开始了变速抽水蓄能机组的研究及试验工作，日本早在1990年就投产了首台变速机组(矢木泽抽水蓄能电站)。截止目前，国际上已采用变速蓄能机组的电站约11座、20台机组，在建约7座电站、17台机组[1-3]，其中Kzaunogawa抽水蓄能电站额定水头最高(714 m)，单机容量最大(460 MW)，相应机组转速调节范围为±4%；已建在建的大部分变速机组转速调节范围在±4%～±7%之间，日本Takami抽水蓄能电站到达±10%，Yagisawa抽水蓄能电站转速变幅在+4%～-13%之间。可以说，从发达国家的产品研发和电站建设来看，变速蓄能机组的各项技术发展已日趋成熟，且在国际上也逐步形成较为成熟的变速机组的建设、运行和维护经验。尤其是历经20余年电网实际运行经验和效果的考验，变速机组比定速机组能够更好、更经济地服务于电网，因此电站蓄能机组从早期的定速+变速模式(日本矢木泽、德国Goldisthal等)发展到现阶段的全变速模式(日本Kyogoku、瑞士Linthal和Nant de Drance SA、印度Tehri等)，从发达国家建设(日本、德国)发展到发达国家、发展中国家均建设的格局(瑞士、印度等)，从新建变速机组到定速向变速机组改造(日本奥多多良木蓄能定速机组更换为变速机组已开始建设实施)。可以说，采用变速机组不仅是蓄能电站在技术上的发展，更是电网需求变化的产物。

然而，中国变速机组及其配套的变频设备尚未引进技术建设的工程实例。随着中国经济的快速发展，对优质电网的需求日益显著，尤其是在风电大规模地接入电网以后，从电网安全稳定运行的角度考虑，大容量变速机组的应用变得日益迫切。为此，2014年11月国家发改委明确提出我国要积极推进可变机组的国产化，提高主辅设备的独立成套设计和制造能力。本文将以未来电网的特点和需求为切入点，探索变速机组对电网的重要性及经济性。

1 变速机组的优势

变速抽水蓄能电站机组在电网运行和电站自身运行等方面的优势较为突出。从电网运行考虑，变速机组具有更好的稳定性、更优的调节性能、更广的调节范围、以及更强的调节系统无功功能[4、5]。

首先，变速机组启动时交流励磁系统的输出频率逐渐变化，不仅实现平滑启动，更能使其在最利于出力的转速下运行。这样，无论在抽水或发电工况均可减少对电网的冲击，从根本上解决以往采用改变电机极数所带来的技术上的麻烦以及谐波等对电机运行性能的影响。据有关运行数据，日本Kzaunogawa变速机组水泵工况抽水运行与定速机组相比，系统频率波动幅度减低43%。如图1所示，日本关西电力公司结合Okawachi电站变速机组进行了相关实验，在电力系统容量为11 000 MW系统中，当火电和水电的调频容量为160 MW时，系统频率控制在60 Hz±0.1 Hz之内的比例是96.8%(见图1a)；当火电和水电的调频容量为80 MW、变速机组为80 MW时，系统频率控制在60 Hz±0.1 Hz之内的比例是99.7%，系统频率保证率提高了2.9%，显著说明变速机组对改善电网供电质量的作用[6](见图1b)。

图1 可变机组与可变机组实验对比

其次，变速机组可通过变频调速的方式来调节水泵工况下入力，不仅能够提高精准配合系统需求水平，配合电力系统频率自动控制，尤其是提高低谷负荷时电网频率调节质量，并可免掉SFC水泵工况启动装置。据统计，日本、德国已建变速机组的转速变化范围约±4%～10%。由于转子的转速可以改变，与传统抽水蓄能机组相比，变速机组发电调节范围可由50%～100%扩大至40%～100%，抽水调节范围可由仅能满入力抽水扩大至60%～100%。在新能源电源大规模入网的背景下，从提高资源利用率、减小新能源电源对系统的冲击、提高电力系统运行的经济性等方面考虑，变速机组的优势将越来越明显。

此外，变速机组在响应时间、调节速度和调节精度等方面的调节性能更好。根据现阶段收集到的资料，变速机组在响应时间、调节速度方面明显优于定速机组。Okawachi抽水蓄能电站400 MW变速机组0.2 s内可改变输出功率32 MW或输入功率80 MW，十三陵蓄能电厂机组在AGC控制下的调节速率约为100 MW/min。从启动时间来看，变速机组约3 min，定速机组约5 min。同时，变速机组具有较好的调节系统无功和深度吸收系统无功的功能，并可通过自动频率控制来提高电网供电质量。

从电站自身运行考虑，变速机组具有提高机组效率和稳定性能、改善空化性能、改善功率调节范围等优势；从抽水蓄能电站建设角度考虑，可通过增加站点水头变幅来增加电站建设规模，提高电站经济效益。

2 变速机组在电网中的需求分析

2.1 有利于促进坚强智能电网的建设，提高电网安全稳定性

随着现代电力系统越来越趋于大容量、远距离、超高压、重负载发展，电力系统的运行方式更为复杂，区域系统振荡引发跨区域事故的可能性增加，为此，我国提出要建设坚强的智能电网，以提高电力系统的安全稳定性能。而建设变速抽水蓄能机组将提高蓄能电站自身调节能力，进而助力坚强智能电网的建设。

首先，变速机组可为有效的解决负荷突变所引发的无功功率过剩、工频过电压等系统安全运行隐患。在负荷突变时，变速机组可以通过改变频率的办法来迅速改变转速，充分利用转子动能，释放或吸收负荷，从根本上解决谐波等对电机运行性能的影响，更好的适应送、受端电网对可靠性的需求，从而提高电网的稳定性。

其次，变速机组不论在发电工况还是抽水工况，功率调节速度、调节精度和响应时间等方面均大幅提高，调节幅度更大，这样对电网紧急事故的应急能力更快，更有利的保障电网安全稳定运行，并能够更好的响应电力系统功率变化要求。

2.2 是我国电力体制改革发展的必然选择

为进一步深化电力体制改革，中国提出了具体任务，即“三放开，一独立”，其中对于工商电价和非公益性发电计划的同时放开，不仅仅使电厂在上网电价与利用小时数上获得了双重的解脱，更重要的是电厂面对的目标从电网部门和地方政府转变为下游用户，用户诉求也从平衡辖区内各电厂的经济利益转变为获取优质可靠的电力。这种诉求的转变，加之相对宽松的电力需求形势，使得各电厂只有配备调节性能高的、运行灵活的高效机组，才能攀升利用小时数，进而带来更大的利润。

由此可见，抽水蓄能电站采用变速机组不仅是抽水蓄能电站与时俱进的发展产物，更是符合我国电力体制改革发展趋势，势必受到更多电厂、用户的欢迎。

2.3 可有效降低电站启停对局部电网的冲击

随着特高压电网的建设，我国电力系统上层区域越来越大，各分网之间的联系线也逐渐加强，几十万机组的启停对整个电网的影响很小，但对局部小电网，即位于底层小区域电网的冲击仍是较大的。1996年，河北省张家口地区的沙岭子电厂一台机组掉闸，继而引起电网周波骤降，连带造成其他机组乃至同地区的其他电厂(装机容量为440 MW)全部掉闸，致使张家口地区的220 kV系统与华北主网之间发生较大振荡。

定速机组在电力调节时单纯依靠阀门，由于阀门有一定的机械惯性，快速调节时电力损失和机械振动相对较大，尤其是在深夜用电量小、变化速度过快时，机组存在无法连续运行的可能，对局部电网的安全运行存在隐患。而变速机组在水泵工况启动时，交流励磁系统的输出频率逐渐变化，故能实现平滑启动，从而降低对局部电网的冲击。此外，变速机组可在较大范围内调节，尤其是能够在泵工况下对输入功率进行调节，在负荷突变时也可通过改变频率的办法来迅速改变转速，充分利用转子动能，释放或吸收负荷，使电网的扰动比常规电机小，从而可以提高电网的稳定性。据变速机组在日本东京电网运行情况来看，Okawachi电站482 MW水泵水轮机抽水工况下启动时与定速机组相比，系统频率波动幅度减低43%，这将有效减少机组启动对局部电网的影响。

2.4 有利于提高与可再生能源电源的契合度

我国积极发展核电，大力发展风电、太阳能等清洁和可再生能源，预计2020年全国风电规模达到1.5亿～2.0亿kW。抽水蓄能电站建设采用变速机组，将有利于提高与可再生能源电源的契合度。

一方面，可根据风电等新能源出力过程，更为灵活的跟踪电网频率，调节水泵输入功率，在保证电网安全稳定运行的前提下提高新能源利用率；另一方面，电站调节速率提高，可更好的跟踪风电等稳定性差的出力过程，从而减小风电、太阳能等新能源电源对电网的冲击。

据分析，52 262 MW京津及冀北电网，风电占比为总装机规模的11.75%，如果安装一台300 MW变速抽水蓄能机组，则风电的上网容量率可以提高0.3%左右，相应年可增加风电发电量约0.27亿kW·h。当然，电网中约80%的火电承担了大量调峰任务，弱化了变速蓄能机组对电网的作用。

如考虑建设具备孤网性质的柔性直流电网，送端9 300 MW的光伏、风电电源，配合1 500 MW的抽水蓄能电站，实现向受端稳定送电3 000 MW的目的。经分析，抽水蓄能电站采用变速机组配合运行后，新能源资源利用率率提高近3%，按单台容量300 MW考虑，即使采用2台变速机组、4台定速机组方案，新能源电量增加5.6亿kW·h。由此可见，变速机组在提高新能源资源利用率方面作用明显。

2.5 可提高机组效率、延长机组使用寿命

变速机组的整体空化性较定速机组有所提高。机组可根据运行工况和水轮机特性调整转速，使机组始终运行于最优或较优工况，故而可明显改善水泵水轮机的水力性能，提高运行效率，减少震动、空蚀和泥沙磨损，延长机组检修期，并可扩大运行水头范围和负荷范围，提高机组稳定性。从日本多个已建变速机组的运行资料来看，机组年平均效率可提高3%～5%，在合适的转速下运行变速机组的磨损量可减少50%。根据河北丰宁抽水蓄能电站变速机组效率的分析计算，当机组变速范围达到±7%时，水轮机工况加权平均效率从91.2%增加到了92.41%，升高1.21%。

3 变速机组在电网中的经济性分析

变速机组在电网中的经济性主要体现在其在电网中因调节性能提高所带来的效益和较低的运行费用两个方面。其中，效益主要体现在三个方面，即机组调节性能改善所带来的AGC补偿，机组效率提高所带来的发电效益，以及提高可再生能源尤其是风资源的消纳能力所带来的效益。当然，中国抽水蓄能电站的现行的两部制电价体制决定了此部分效益难以兑现，但根据中国现行的发电厂并网运行管理办法等进行经济预判，可一定程度上反映出变速抽水蓄能电站对电网安全稳定运行及配合新能源电源储能的等方面的经济优势。

3.1 电网效益分析

根据相关研究成果及诸多文献资料，变速机组在调节速率、调节精度、响应时间方面的调节性能均优于定速机组。但碍于我国尚未建设大容量可连续变速的机组及其配套的变频设备的工程实例，调节性能指标的相关资料很少，仅能以国外已建变速机组的相关指标作为借鉴。同时，为更好的与反映变速机组在我国电网中的经济性，结合京津及冀北电网发行的区域发电厂并网运行及辅助服务管理相关规定和实施细则，可定量分析可变机组在电网中所产生的效益。

3.1.1 调节性能

从调节速率来看，有制造厂表明，变速机组水泵工况功率调节可达到200 MW/s；日本Okawachi抽水蓄能电站变速机组400 MW，水泵工况下输入功率速度为400 MW/s，即每秒调节功率可达到机组额定功率[7]。而根据我国某抽水蓄能电站相关资料，其水泵工况下调节速率约为100 MW/60s，即变速机组的调节速率可达到定速机组的60～120倍。

从调节幅度来看，定速机组的转子的转速恒定，故只能满抽；根据已建工程统计成果，变速机组转速调节范围为±4%～±10%，如暂按定转速调节范围±7%考虑的话，水泵最大入力可增大6%～8%。

参照华北区域发电厂并网运行管理实施细则，如果蓄能电站能够参与调节性能补偿，则300 MW单机容量的变速机组，仅水泵工况下因调节速率提高所带来的补偿应不少于1 200万/a。

3.1.2 转换效率提高

变速机组的综合转换效率能够得到一定程度的提高，因此在相同蓄能量下，必然能够转换出更多的发电量，从而带来更多的发电效益。

根据节能减排的能量转换平衡分析，可变机组的电力转换能量利用率较定速机组提高0.01%～0.03%。考虑京津及冀北电网丰宁蓄能电站安装一台300 MW变速机组，与定速机组相比因转化效率提高而增加发电量约13.9万kW·h/a。按照河北省标杆电价0.304 8元/(kW·h)(不含税)考虑，电站每年可增加发电效益4.26万元。当然，此部分发电效益也受到电网需求调度影响。

3.1.3 对于风电消纳所产生的效益

变速机组可利用其响应速度快、水泵工况调节幅度可变等特点，促进电网对风电等新能源电源的消纳吸收[8-10]。经分析，京津及冀北电网如果安装一台300 MW变速抽水蓄能机组，则风电的上网容量率可提高0.3%左右，则年可增加风电发电量约0.27亿kW·h。由此可见，在不考虑转换效率提高所带来的效益的前提下，通过与新源配合运行，变速机组每年由于机组性能提高等优势可获取一定效益。

3.2 运行费用分析

变速机组整体空化性能优于定速机组，加之其改善了水泵水轮机的水力性能，提高了运行效率和机组稳定，减少了震动、空蚀和泥沙磨损，降低机组机械故障率，因此主机检修周期可适当放宽。但是，由于变速机组的励磁变频装置较大，相应的检修内容和费用会有所增加。

此外，根据世界上已建变速蓄能电站的实际运行情况来看，变速机组的运行小时数，尤其是抽水工况的运行小时数远高于定速机组。日本Yagisawa抽水蓄能电站变速机组比定速机组运行时间多20%～30%[11]；日本Kzaunogawa电站变速机(4号机)的累积(14个月)运行小时数约是定速机组(1号机或2号机)的5倍；从德国Goldisthal电站两台变速机组和两台定速机组历时10 a的运行情况来看，变速机组的运行时间是定速机组的1.25倍，而抽水工况下的运行时间是1.33倍。但运行小时数高并不意味着检修费用增加，根据相关资料，日本Yagisawa抽水蓄能电站水泵水轮机的空蚀和易损件的磨损量相同或更少，尤其在合适的转速下运行，变速机组的磨损量可减少50%；日本Shibara抽水蓄能电站变速机组振动的振幅也比定速机组减少一半[11]。

根据几个已建抽水蓄能电站调研成果，变速机组的年平均效率可提高3%左右，运行小时数增加20%以上，但机组检修周期与定速机组基本一致，运行费用也没有增加。

3.3 经济性分析

经分析，虽然可变机组的静态投资比定速机组约高出20%～50%，但如果蓄能电站能够纳入电网调节性能补偿，则变速机组由于机组性能提高等优势可获取不少于3.4万元/(a· MW)的效益。因此，变速抽水蓄能电站在电网安全稳定运行及配合新能源电源储能等方面具有一定的经济优势。

4 结论及建议

(1)变速抽水蓄能电站机组通过提高自身调节性能，不仅提高了机组自身的运行稳定性、延长了机组使用寿命，还有利于促进坚强智能电网的建设，提高特高压输电系统的安全稳定性，并可有效降低电站机组启停对局部电网的冲击性，通过提高与可再生能源电源的契合度来提高资源利用率。

(2)尽管变速机组的静态投资比定速机组约高出20%～50%，但抽水蓄能电站如能够合理纳入电网调节性能补偿，每年由于机组性能提高等优势可获取补偿效益也是较为突出的。

(3)建议结合电网结构、需求，深入开展变速机组转速范围参数选取相关研究，以期为变速抽水蓄能更好的适应电网需求提供技术依据。

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(责任编辑 高 瑜)

Demand Analysis of Variable Speed Units of Pumped-storage Power Station in Power Grid of China

WANG Tingting, ZHAO Jiejun, WANG Chaoyang

(PowerChina Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

The variable speed pumped-storage unit has the advantages of good stability, variable-speed constant-frequency generating capacity, better regulating performance and wider adjustment range. Based on the advantages of variable speed pumped storage unit and the characteristics and demands of future power grid development, the effects of variable speed unit on power grid construction, resource utilization efficiency and power plant operation are explored. Based on the operation indicators and the provisions on China’s power grid regulation performance, the operation economy of variable speed pumped-storage unit in China’s power grid is also analyzed.

variable speed unit; pumped-storage power station; regulation performance; economy

2016-07-25

王婷婷(1978—)，女，山西太原人，高级工程师，主要从事动能经济、水资源综合规划等工作.

TV743

A

0559-9342(2016)12-0107-04