基于调度及运行数据的抽水蓄能电站运行效能量化评价方法

2016-08-26宋旭峰高沁胡志平

中国科技博览 2016年17期

宋旭峰++高沁++胡志平

[摘要]随着抽水蓄能电站的发展，对其运行效能进行科学、系统、全面的量化评价，有着重要的研究价值和实际意义。基于抽水蓄能电站在电网中的各种功能，本文提出了一种基于调度及电网数据的抽水蓄能电站运行效能量化评价方法，通过对其静态效益、动态效益和环境效益三个方面进行量化评价，并且考虑电站所处区域电网的调度及运行数据，从而更深入的认识和了解抽水蓄能电站在电网中发挥的作用及其功能定位。

[关键词]抽水蓄能电站；运行效能；量化评价指标；调度及运行数据

中图分类号：TV743 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0207-02

0 引言

抽水蓄能电站具有启停灵活、反应快速等特点，能够为系统提供调峰填谷、紧急事故备用、调频调相、黑启动等功能，可以有效的提高电力系统的稳定性和可靠性，从而在世界各国电力系统中发展迅速。一直以来，世界各国都针对抽水蓄能电站展开了深入的、广泛的研究工作[1]。然而，对于抽水蓄能电站运行效能的研究大部分集中在动态效益方面，一方面是对于动态效益的划分[3]，由于与静态效益存在一定的关联或重叠，因此难以进行一个准确合理的划分；另一方面是抽水蓄能电站的量化评价方法，如今已经出现了如等效替代法、随机生产模拟法等多种方法，然而都存在着一定的局限性，至今没有一个全面和公认的成果。

基于此，本文在传统抽水蓄能电站运行效能评价指标的基础上，对其静态、动态效益进行详细划分，并加入了环境效益指标，完善了抽水蓄能电站运行效能的量化评价指标。此外，本文提出了一种基于调度管理及电网运行数据的抽水蓄能电站量化评价方法，可以提高量化评价计算的准确性，对其在电网中发挥的作用和功能定位进行客观评价分析。

1 抽水蓄能电站运行效能量化指标

抽水蓄能电站在电网中的主要作用集中在：1）通过削峰填谷来平滑负荷曲线；2）通过承担各种动态任务保障电网安全稳定运行；3）通过减少其他电源的运行以减少污染物的排放。本文采用静态效益、动态效益和环境效益三个指标对抽水蓄能电站运行效能进行量化评价，其中静态效益包括容量效益和电量效益；动态效益包括调频、调相、事故备用和黑启动等效益；环境效益包括因减少二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放量产生的折算效益。

1.1 静态效益

抽水蓄能电站的静态效益表现在电站在电力系统中所发挥的静态功能。其静态效益主要由以下两个部分组成：1）因抽水蓄能建设减少的其他电源的容量投资费用带来的容量效益；2）因抽水蓄能电站替代常规机组进行调峰填谷任务所节约燃料消耗带来的节煤效益，即电量效益。

（1）容量效益

抽水蓄能电站可以承担调峰填谷的双重任务，投运后可改变电网的电源结构，从而减少火电装机容量。由于抽水蓄能电站设备相对简单，工程量较少，建设周期较短，运行费用较低，因此其单位造价一般要低于常规水电、火电和核电等。

（2）电量效益

抽水蓄能电站的电量效益基于能量转换，即将电网的谷荷电能转换为峰荷电能，主要分为调峰、填谷两个过程。

1）调峰效益

调峰火电机组在非调峰时期以压负荷运行，当抽水蓄能电站承担系统的调峰任务，可以使部分调峰火电机组运行在高效基荷位置，改善火电机组的运行条件，从而降低燃料消耗燃耗和厂用电率，节约系统的运行成本。

2）填谷效益

填谷火电机组在谷荷时需要压负荷运行，而抽水蓄能电站可以利用火电机组发出的电能作为抽水电源，使腰荷转变成基荷，从而保证部分火电机组在额定负荷下高效率运行，提高机组设备利用率，降低厂用电率和燃耗率。

1.2 动态效益

抽水蓄能电站的经济效益主要体现在其动态效益上，即承担系统中的调频调相、事故备用和黑启动等动态任务所取得的效益。本文选取调频、调相、事故备用和黑启动四个指标对抽水蓄能电站的动态效益进行量化评价。

（1）调频效益

一方面，为了维持系统的频率稳定，要求有一定的旋转备用机组，即机组处于非额定运行工况。另一方面，为了保持系统发供电之间时刻平衡，系统提供的出力变化速率必须大于负荷变化速率，即只能通过压负荷运行机组的增荷功能。因此抽水蓄能电站的调频效益可以分为负荷备用效益和负荷跟踪效益两个部分。

（2）调相效益

电力系统的无功不足或过剩，都会导致系统电压的波动，直接威胁着电网的供电质量和安全稳定运行，因此系统中需要设置相应的无功调节装置以维持无功平衡。抽水蓄能机组不但可以在空闲时进行调相，在发电、抽水的同时也可以供给或吸收无功功率，尤其在抽水工况下，可以长时间进相运行。

（3）事故备用效益

为了减少事故停电，提高系统运行的可靠性，要求系统中可靠性较高的发供电设备提供一定的事故备用容量。抽水蓄能机组可以方便地处于旋转备用状态，承担系统事故备用任务，是电力系统最理想的短时间事故备用电源。抽水蓄能电站承担电力系统的事故备用，一方面可以减少或避免备用火电机组压负荷运行来节省系统煤耗，另一方面可以减少或避免火电机组的变出力运行来节约系统运行费用。

（4）黑启动效益

作为黑启动电源，首先需要实现电站机组的黑启动，迅速恢复自身的厂用电，形成孤立运行的小系统，然后实现向电网内的线路和其他电站机组送电，逐步恢复电网的供电。抽水蓄能机组结构简单，没有复杂的辅机系统，且厂用电较少，机组的启动速度快，是电网中最理想的黑启动电源之一，大型的抽水蓄能电站一般作为区域系统的黑启动主电源。

1.3 环境效益

一直以来，对于抽水蓄能电站运行效能的量化评价，大部分研究工作都集中在其静态效益和动态效益方面，而忽略了其在减少环境污染方面的作用。抽水蓄能电站的环境效益主要体现在：通过替代部分火电机组承担相应的系统运行任务，从而减少系统中火电机组的煤耗，减少二氧化碳、硫化物、氮氧化物、粉尘及一氧化碳等污染物的排放。因此本文选取减少二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物的排放量来量化评价抽水蓄能电站的环境效益。

（1）减少二氧化碳排放量

二氧化碳作为最主要的一种温室气体，对气候和环境都造成了重大的影响，而二氧化碳主要来源于化石燃料的燃烧，与能源的生产于利用密切相关。根据国家发展改革委员会提供的相关数据可知，工业锅炉每燃烧一吨标准煤，就会产生2620千克的二氧化碳。因此抽水蓄能电站的投入运行在减少燃煤的同时，可以尽可能减少二氧化碳的排放量。

（2）减少二氧化硫的排放量

二氧化硫是大气中主要污染物之一，是衡量大气是否遭到污染的重要标志。很长一段时间以来，二氧化硫造成的酸雨、酸雾，不仅严重影响人体健康，对植被、土壤、水质等都产生极大的危害，而火电燃煤是我国二氧化硫排放的主要来源。因此抽水蓄能电站的投入运行在减少燃煤的同时，可以极大减少二氧化硫的排放量。

（3）减少氮氧化物的排放量

随着我国经济的持续高速发展，能源消耗日益增加，大气中氮氧化物的排放量也迅速增长。与二氧化硫相似，氮氧化物引发的环境问题己给人体健康和生态环境构成巨大威胁，而燃煤烟气中的氮氧化物是主要的氮氧化物排放源之一。因此抽水蓄能电站的投入运行在减少燃煤的同时，也可以减少氮氧化物的排放量。

2 基于调度及电网数据的抽水蓄能电站运行效能量化评价方法

传统的抽水蓄能电站运行效能量化评价方法主要基于电站的运行数据，而忽略了电站所处电网本身的特性、调度管理以及电网运行数据等因素的影响，这会对评价结果造成重大的偏差。基于此，本文提出了一种基于调度及电网数据的抽水蓄能电站运行效能量化评价方法，在传统评价方法的基础上，充分考虑电站所处的电网结构、电源和负荷特性，加入调度管理以及电网运行数据，从而提高评价结果的准确性。主要可以概括为以下几个方面：

（1）为了更精确的量化评价抽水蓄能电站的运行效能，采用电站所处的相关调度机构提供的区域电网的日负荷曲线来确定日负荷划分情况，可以准确区分抽水蓄能电站所承担的系统任务。日负荷划分示意图如图1所示。其中，电网负荷的分布主要以日平均负荷和日最小负荷为划分标准，平均负荷以上称为峰荷，最小负荷以下称为基荷，中间负荷称为腰荷。

（2）在传统的等效替代法量化评价方法中，忽略了区域电网的特点，导致电网的调度运行安排与实际情况有着较大的差异。首先，根据实际电网的调度管理安排，对于抽水蓄能电站所处电网的电源特性和负荷特性进行分析，从而得到电网在执行调峰、调频、事故备用等任务情况下不同种类机组的参与比例以及不同容量机组的参与比例；其次，求解机组在执行系统各项任务情况下的等效耗量特性参数，然后通过二次函数拟合，得到机组的等效耗量特性曲线；最后，分别对各项效益进行量化评价计算。

（3）对于抽水蓄能电站的环境效益，目前主要采用排污费对环境效益进行统一折算，而排污费受到企业管理水平、各地区经济发展水平以及能源政策等多重因素的影响，因此难以用来进行准确的量化评价。然而将环境效益统一折算入电站的静态效益和动态效益，即在其效益量化评价模型中采用环保煤的标煤价格进行计算则可以极大提高评价的准确性。

综上，本文算法的主要步骤可以归纳如下：

1）初始化。输入抽水蓄能电站的相关数据，如电站装机容量、平均水头、建设投资、日负荷数据、检修备用情况等等；以及电站所处区域电网的相关数据，如电网的装机容量情况、电网的负荷特性、电网的调度管理安排等。

2）根据抽水蓄能电站的具体运行数据，结合区域电网提供的日负荷曲线，对抽水蓄能电站所承担各项系统任务进行详细划分。

3）结合调度管理及电网运行数据，计算抽水蓄能电站执行在各项任务情况下，替代方案中的各类机组的参与比例；

4）对抽水蓄能电站的各项效益分别进行量化计算，最后输出量化评价结果，并对其进行研究分析。

3 结论

1）基于抽水蓄能电站在电网中发挥的各类功能，对其运行效能进行了准确、详细的划分；

2）在传统抽水蓄能电站量化评价方法的基础上，引入调度管理及电网运行数据，从而更加精确的对电站的运行效能进行量化评价；

3）通过对抽水蓄能电站的量化评价结果分析，明确电站在电网中的主要作用，从而进行功能定位。

参考文献

[1] 高苏杰，娄素华.抽水蓄能电站综合效益评估综述[J].水电自动化与大坝监测，2008，32（1）：11-15.

[2] 郭东浦.抽水蓄能电站静态效益计算[J].东北水利水电，1993（4）：23-27.