基于系统运行模拟的抽水蓄能变速机组容量配比优化研究

冯君淑,衣传宝，张富强,万静英，元 博，张晋芳

(1.国网能源研究院有限公司，北京102209；2.国网新源控股有限公司，北京100761)

随着我国新能源和互联电网的快速发展，电网运行特性发生较大改变，电网调节能力和抗扰动能力有所下降，电力系统稳定形态更加复杂[1]；在尚未形成适应高比例新能源接入的新一代电力系统[2]之前，需要像抽水蓄能机组一类的调节电源保障电力系统安全稳定运行。

近些年，抽水蓄能变速机组技术快速发展，在运行方面展现出了较为突出的优势[3- 6]。日本是目前抽水蓄能变速机组应用台数最多的国家，共有超过10座电站、17台机组；除日本外，变速机组的应用集中于德国。我国已开工丰宁二期抽水蓄能电站等变速机组工程，对保障电网安全稳定运行与促进新能源消纳等都具有重大意义[7]。国内对抽水蓄能变速机组的研究集中于变速机组技术及其优越特性，并在变速机组在电力系统中优化配置方面有所涉及。鉴于此，本文从系统运行模拟角度出发进行中长期抽水蓄能变速机组容量配比优化研究。首先构建含抽水蓄能变速机组的电力系统安全约束机组组合模型，建立变速机组容量配比优化模型，研究现有抽水蓄能规划下的新建恒速机组与变速机组的最优容量比例。

1 抽水蓄能变速机组运行特性分析

抽水蓄能变速机组具有抽水工况可进行自动频率控制、瞬时有功功率和无功功率的高速调节、发电工况时效率更高、交流励磁装置可代替SFC装置实现自启动以及更宽的水轮机运行范围等优点[8]。从系统运行层面来看，优势主要体现在以下3方面。

(1)抽水功率可调。连续变速抽水蓄能机组通过改变交流励磁电流的频率来调节机组转速，可实现有功功率的调节，通过改变交流励磁的相位达到快速调节有功功率的目的。这有利于抑制电网有功功率的波动。特别在抽水工况，有着调节机组入力的能力，这是常规蓄能机组无法比拟的[9]。

(2)运行效率提升。变速机组通过改变转速能更好地分别适应发电和抽水两种运行工况，使水轮机和水泵的运行效率普遍提高3%～10%左右[10]。在水轮机工况下，恒速水泵水轮机运行时，由于两种工况的最高效率区不重合，由此易产生水轮机工况总是偏离最优运行区运行。可变速机组能在相应水头和要求的出力下，通过控制导叶开度和转速，使效率最高，使机组保持在最佳效率曲线上运行。在水泵工况下，可变速机组由于可以改变转速，在相同的入力下，其效率要高于恒速机组。

(3)调节范围加宽。变速机组转子的转速可改，能够适应更宽的水头(扬程)变幅和功率范围。通过可变速运行，使机组效率比恒速运行大大提高，而且由于在最佳效率点运行，机组振动、空化等特性也获得改善，部分负荷运行区域被拓宽，运行水头范围也扩大了。与恒速机组相比，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%[11]。

2 抽水蓄能变速机组容量配比优化模型

本文定义抽水蓄能变速机组容量配比表示，对于给定的电源规划方案，新建变速机组占所有新建抽水蓄能机组的比例。

2.1 含抽蓄变速机组的安全约束机组组合模型

2.1.1 目标函数

以运行模拟周期内系统运行成本最小为目标函数。系统运行成本包括火电机组的运行成本和启停成本、CCGT机组的运行成本和模式转换成本、水电机组和抽水蓄能机组的启停成本。抽水蓄能恒速机组和变速机组认为启停成本相同。风电和核电的运行成本较低，目标函数中暂不考虑。

(1)

2.1.2 约束条件

火电机组、CCGT机组、水电机组、核电机组、风电机组、抽水蓄能恒速机组的机组约束参照文献[12]。

2.1.2.1 抽水蓄能变速机组

抽水蓄能变速机组的抽水功率可以连续变化，与恒速机组受同样的库容平衡和发电/抽水状态约束之外[12]，容量约束与备用容量约束有所变化。

(1)容量约束

(2)

(3)

(2)备用容量约束。上备用：发电状态可提供的上备用容量为发电功率上限与该时段发电功率的差值；通过发电/抽水间的快速转换，抽水状态可提供的上备用容量为抽水功率与发电功率上限之和。

(4)

(5)

2.1.2.2 光伏机组

实际调用的光伏电量约束

(6)

2.1.2.3 网络安全约束

网络安全约束为

(7)

式中，M为电网计算节点集合；pm(t)为t时刻节点m的注入功率；lm(t)为t时刻节点m的负荷功率；Pm-n为支路m-n的潮流上限；sm-n(t)为节点m的注入功率对支路m-n的灵敏度。

2.1.2.4 系统功率平衡

(8)

2.1.2.5 系统备用容量约束

(9)

式中，αPwi、βPpv分别为由于风电、光伏的接入而增加的上、下旋转备用量，其中，α、β分别为风电、光伏的备用比例系数，一般与研究系统的风电和太阳能发电出力特性有关。下备用容量约束与上备用形式相同，不再详述。

2.2 模型整体流程

基于机组组合的抽水蓄能变速机组容量配比优化模型整体流程如图1所示。定义抽水蓄能变速机组带来的系统运行效益为i台新建变速抽蓄时的抽蓄相关费用Si与无新建变速抽蓄时的抽蓄相关费用S0之差，即系统运行成本增加值与抽蓄投资增加值之差。对抽水蓄能变速机组的容量配比进行优化，即需要求解在什么容量配比下抽水蓄能变速机组带来的系统运行效益最大。

图1 模型计算流程

2.3 求解方法

GridView是由美国ABB公司开发的电力行业高级应用软件，可以模拟考虑输电安全约束的电力系统运行，包含抽水蓄能变速机组的相关设置，能够模拟求解上述含抽蓄变速机组的机组组合模型。

3 算例分析

利用上节构建的抽水蓄能变速机组容量配比优化模型，对我国西部某区域进行实证分析，研究区域2015年～2030年的电源装机结构如表1所示。未来，研究区域新能源装机占比超过50%，系统运行面临巨大挑战。2030年，研究区域共新增500万kW抽水蓄能机组，假设单台机组容量为30或35万kW，共新增15台抽水蓄能机组。

3.1 系统参数

安全约束机组组合模型按照研究区域实际节点及连接情况进行建模，线路及主要机组运行参数按照2016年实际。抽水蓄能变速机组投资成本参考河北丰宁抽水蓄能电站二期工程，单台变速机组引起的投资增加为2.71亿元[13]，平均单台工程机组投资增加18.6%。未来，随着抽水蓄能变速机组标准化设计、建设的推进，预计投资成本将会有所下降，本文取单台变速机组引起投资增加2.5亿元。根据前文介绍，抽水蓄能恒速机组和变速机组的运行参数如表2所示。

表1 2015年～2030年研究区域电源装机机构 万kW

表2 抽水蓄能机组运行参数

3.2 结果分析

经过生产模拟分析，研究区域新建抽水蓄能变速机组容量配比在33%左右时，系统运行效益最优，如图2所示。西部研究区域负荷峰谷差较小，负荷较为平稳，因此利用抽蓄电站进行调峰填谷的需求不大；另外，2020年后，随着电力市场逐步健全、各类价格机制更加灵活多样，跨省跨区特高压线路的运行投产，西部研究区域的新能源消纳问题已经得到大幅度解决(2030年降至5%以下)，抽水蓄能机组主要应对短时新能源出力不确定性带来的系统容量不足问题。

图2 不同抽水蓄能变速机组容量配比下的系统运行效益

随着抽水蓄能变速机组容量配比增加，新增抽蓄电站投资成比例上升。当抽水蓄能变速机组容量配比从0开始增长时，由于促进了新能源消纳、降低弃能率，零边际成本的新能源替代了一部分化石能源电量，引发燃料和运维成本的下降，带来系统运行费用大幅减少。之后，当新能源弃能率几乎为0后，比再上升时，抽蓄抽发损耗的“负”效益渐渐超过之前促进新能源消纳累积的“正”效益，具体表现在，从变速机组容量配比超过50%开始，抽蓄变速机组带来的系统运行费用的减小量开始下降。

4 结 语

抽水蓄能变速机组具有众多技术上的优势，对保障电力系统安全稳定、提高电网运行灵活性作用显著。从电力系统运行层面来讲，抽水蓄能变速机组的装机容量存在最优配比，从而使考虑变速机组更高投资后的系统整体运行效益最大化。本文针对一个新能源装机占比超过50%的区域进行研究，发现新建抽水蓄能变速机组容量配比在33%左右时，系统运行效益最优。未来，考虑到抽水蓄能变速机组的优越性能，应加强相关研究，推动我国自主技术创新，开展电站标准化设计工作，不断降低变速机组投资成本。并针对不同区域电力发展规划，深化抽水蓄能变速机组容量配比优化研究，与相关部门加强沟通，推动规划方案的实施落地。