抽水蓄能电站在电网中的保安功能与效益分析

曾德志 广东能源集团(云浮)蓄能发电有限公司

随着人民生活水平的提高，对电力系统的安全运行提出了更高的要求，人们的需求量也在不断上升，但鉴于人们生活的作息规律和社会生产的需求，电网系统中往往会出现用电峰谷，因此，采取必要的调峰手段来保障电力的盈缺现象，给人们提供一个安全、稳定、节能的用电环境，建设适当比例的抽水蓄电站是必要的。抽水蓄能电站可以在很大程度上保证电网的安全，是电网防御的保安电源，对社会经济的发展研究有着重大意义。

一、抽水蓄能电站的发展意义

(一)抽水蓄电站的含义及工作原理

抽水蓄能电站又称为蓄能式水电站。是将电网中低负荷运行时产生的多余的电能转化为势能，即利用多余的电能将水抽至上水库；在电网运营的高峰期将势能在转化为电能即在用电高峰期，将抽上来的水下放至下水库从而产生电能的过程。抽水蓄能电站主要由上水库、下水库、疏水系统、地下厂房、地面开关站、和生产楼组成用电低谷期，富余的水电、风电、太阳能，核电通过变电站输入抽水蓄能电站，电能驱动水轮机组，将下水库的水抽至上水库这一过程将电能储存，综合来说是将电网负荷低时产生的多余电能转化为电网高峰期时的需求电能，完成电能与势能的转换，保证了设备的安全、稳定运行，还增大了能源的利用效率。

图1-1 为抽水蓄能电站工作原理

(二)抽水蓄能电站在电网中的合理布局

人类社会的快速发展决定了对工业用地及用电需求量的增加，抽水蓄能电站，在我国起步较晚，因此带来的经济效益并不明显，抽水蓄能电站在本质上是电网管理的工具之一，是作为其他电源的一种补充，并非越多越好，因此抽水蓄能电站的建设应从电力市场的需求出发，制定合理的发展规划，合理的比重应当是因网而异、因时而异。

(三)抽水蓄能电站的发展意义

1.抽水蓄能电站启停迅速、运行灵活，对电网的安全、稳定运行起着重要作用：它既是发电厂为发电系统提供峰荷电能，又为用户消纳低谷电能这种峰调模式在减小系统峰谷差时具有双重作用，是异于其他发电厂的；此外，运行灵活，能对负荷的急剧变化做出快速反应，适合承担系统调频及快速跟踪负荷。

2.抽水蓄能电站可以减少系统燃料的消耗，提高能源的利用效率，具备节能环保的经济效益。

抽水蓄能技术优缺点：

优点 缺点1.技术成熟度高 1.能量密度低2.使用寿命长 2.地理限制3.自放电率低 3.投资成本高4.整体效率高 4.经济性差,投资回报周期长5.与其他储存技术相比，储存成本极低

二、抽水蓄能电站的安保功能

(一)抽水蓄能电站的发展作用

抽水蓄能电站在低谷时利用电网多余的电力和电量抽水，然后在高峰时段利用低谷时所抽得水量进行发电，补充高峰期用电量，同时承载了调压、调频、调峰填谷、事故备用、黑启动等众多安保功能，大大价降低了风能、核能、太阳能的峰调负担和峰调成本，缓解了调峰困难、资源浪费等情况的发生。与此同时抽水蓄能电站的适应能力强，操作灵活，发电速度快，是电网设备极好的事故备用电源。设计操作方便，能适应负荷的急剧变化，可以作为电网电压的调相电源，同时具有很好的黑功能启动功能，因此抽水蓄能电站是电网运行与战略防御的保安电源，为维持电网安全、稳定的运行维护奠定了基础。

1.调相。即所谓的电压调节，将各地区的电压控制在稳定、标准的范围之内，如在节假日电网负荷低谷期相应的电压会升高而又无法调节时可以开启调相功能，保障电压的正常稳定运行。

2.调频。即对工作机组的工作频率进行调整，频率取决于运行机组承载负荷的能力特性和平衡情况。当机组的运行频率较低时可进行发电增加系统机组出力；相反当运行频率较高时可以电能转化成势能进行抽水从而增加系统的负荷。

3.调峰填谷。即在电网负荷较低时不发电，而是将水储存在水库上，待电网高峰期在转化为电能，供人们使用。

4.黑启动。即厂设备运转进行中地区电网大面积停电的情况下，在外界能源的情况下可自行启动程序运行来进行电网的恢复，满足厂用电。

5.事故备用。是电力系统中备用容量的重要组成部分，在发电设备可能发生临时性或永久性故障而影响供电，因此系统为了确保电力设施供电稳定及用户设备的安全而设置了一定数量的事故备用电源。

(二)抽水蓄能电站保安电源的设计原则

当蓄能水电站出现停机时有可能与电力系统的厂用电外来电源失去联系，致使启动机组无法启动恢复用电，情况严重时会影响大坝度汛安全、厂房可能被淹沒，危及人身设备安全，因此首要问题要先配置合适、可靠的其他电源作为事故保安电源，总体的设计原则有：

1.有相对的独立性，即厂用电与保安电源不在一个电网系统中，要有备用电源系统，互不干扰。

2.可靠性高，要实现事故保安电源设备和配电故障几率低，实现自动启动、自动投入的成功率高。

3.维护工作量小，经济效益好。

4.电能源质量有保障，即在事故发生的情况下保安电源能够保证保安负荷状态下的正常运行。在大功率电动机启动状态下的功率、频率要满足电厂用电规范的要求。

三、抽水蓄能电站的经济效益分析

(一)抽水蓄能电站的经济效益

抽水蓄能电站在电网系统运行中起着关键作用，不仅调整了峰谷还产生了较大的经济效益，避免了资源浪费及超负荷运行对电网造成的冲击，而抽水蓄能电站的经济效益大致可分为：

1.静态效益

静态效益是指抽水蓄电站在电网中的节能作用。通过调峰谷期，将多余电量转化储存，既避免了浪费节约了能源，还可缓解用电高峰期电网紧张的问题。主要包括：

(1)容量效益：抽水蓄能电站的造价低于其他能源电站且工期短，建设抽水蓄能电站调峰，就可以减少其他供电容量，改善能源结构，减少投资。

(2)能量转换效益：成本较低的低谷电能转化为和相对较高的峰荷电能，提高了电网的运行速度和运转效率。

(3)节能效益：根据我国的发展需求需建立起能循环、可持续的经济体系和资源节约型、环境友好型社会。目前电力系统运行中存在的主要问题是能源结构上的不合理造成的供电矛盾而抽水蓄能电站的工作原理瞧好满足了电力系统的需求，降低了燃料消耗，提高了经济效益和环保效益。

(4)环保效益：抽水蓄能电站自身属于清洁能源，基本不产生污染，但并非不会产生环境影响。主要是水库淹没耕地及移民问题，动植物的生态环境等。因此选址要有一定的规划性，才能将抽水蓄能电站发展成绿色、环保的能源。

2.动态效益

图3-1 为蓄电站动态效益图

抽水蓄能电站的动态效益要体现在峰调效益、调频效益、调压调相效益以及备用效益等方面。

(1)调峰效益：水蓄能电站不仅可以顶峰发电还可以迎风发电即快速的跟踪负荷变化。

(2)调频效益：抽水蓄能机组可根据系统电网的稳定运行情况通过变速器增加或减少出力，从而调整系统机组的频率变化，以适应系统保证平稳电力的输出。

(3)调相效益：即调节电网的功率，来确保系统电压的稳定，基于抽水蓄能机组结构上的优点可以方便地作调相运行，这样不仅可以保持电网的稳定，而且可以减少电网的网损，不但在空闲时间内可以提供调相作用，在发电和抽水时也可以调相，抽水蓄能机组调相完成后，可以快速的转化为电能或势能。

(4)备用效益：蓄能机组适于承担旋转备用，对稳定系统的频率和缓解事故起重要作用，分为负担备用、事故备用和检修备用。

(5)负荷跟随效益：电网负荷总是在不断变化，当负荷急剧变化时，抽水蓄能机组与其他类型的机组相比，其负荷跟随快、爬坡能力强。

(6)保安功能效益：保安功能的发挥有利于我国新能源的开发与发展，受益者是电网和整个社会。风能、太阳能等新能源的运行受外界天气的影响较大，给电网的运行增加了不确定因素，而抽水蓄能电站发挥的调频功能有利于我国大力开发新能源，促进电力的可持续发展效益。

(二)抽水蓄能电站效益的研究

抽水蓄能电站可有效减少的调峰电源的投资，降低用户的用电成本。给其他的电源带来的经济运行与节煤效益等，最终将部分转化为降低用户单位用电成本的效益；用户的可靠性提高，停电损失减少；电网运行安全可靠性提高带来经济效益与政治效益，环保与旅游效益；充分利用资源，促进我国能源的可持续发展的效益。并由电网管理与运营带来的降低市场改革与运营风险的经济与社会效益。有利于“西电东送”与“西部大开发”“南北互供”全国大联网政策的实施，给社会用户带来资源优化、可靠性提高的经济效益。

(三)抽水蓄能电站在“碳中和”时期的战略性发展

近年来伴随全球工业化进程的推进，大量的碳排放使得全球温室效应不断凸显，全球生态系统面临严重的破坏，人类的健康也面临着很大的威胁，因此实现“碳中和”战略有着深远的意义。“碳中和”的主要战略能从根本上提升能源的安全性和环保性。能推动我国新型能源的源头切换，降低对传统能源的外部依赖。

为响应“碳中和”的战略性要求粤西地区根据当地有力的地形环境、丰富的风力资源以及绵长的海岸线等准备建设风电等新能源，这样不仅能达到合理利用能源的标准还可以减排节能，云浮蓄能发电有限公司作为新能源蓄电公司在电力建设、生产和经营、电量生产、电力及其附属产品的和销售等方面都有重要的意义，尤其是云浮水源山抽水蓄能电站的建设，上水库位于水源山上，下水库位于新兴县太平镇水浪村东坑上下水库同一水系，电站规划总量1 200MW。抽水蓄能电站是目前技术最成熟的大规模储能方式，它的投入运行可促进清洁能源的消纳，保障电力运行的安全、实现碳达峰和碳中和的目标，推动新能源的快速发展。

四、结语

抽水蓄能电站作为新兴的能源储存结构，不但经济、寿命长、容量大、适应能力强，而且在电网应用中产生的了很大的经济效益，使得电网系统安全、稳定的运行，有效地减少了风、核电厂并网运行对电网的冲击，对实现“碳中和”的发展具有战略性意义，是一项既安全又经济的技术措施，建设一定规模的抽水蓄能电站，对电力系统及社会的可持续发展的进行具有重要的意义。