基于消纳型抽水蓄能电站的风电-抽水蓄能联合运行特性分析

郑许林，张雅楠，朱 瑛，臧海祥

（1.国网江苏省电力有限公司盐城供电分公司，江苏 盐城 224000；2.河海大学能源与电气学院，南京 211100）

0 引言

由于风力发电的不稳定性、不确定性与逆调峰特性[1]，再加上其并网设备具有低抗扰性、弱支撑性等局限[2]，风电集群（Wind Power Cluster，WPC）的接入对电力系统有功调度与控制提出了严峻挑战[3-9]，主要表现在：第一，由于风电功率不确定性强，依靠常规电源发电可靠性和负荷可预测性的传统有功调度模式已不再适用；第二，随着风电并网容量逐年扩大，电网调峰的负担只增不减，区域性弃风问题仍未得到有效改善；第三，我国现有产能结构仍是火电占主导，受爬坡速率、最小运行出力等安全约束限制，火电机组功率调节范围较小、调节速度缓慢，难以应对大规模WPC 并网的随机波动性[10]。储能装置作为一种柔性电力调节资源，凭借功率流动双向性与能量转移时空性等特性，能够有效减轻电网调峰负担，促进风电存储消纳[11-15]，已逐渐发展为解决风电消纳问题的一大主流技术。然而，其他储能技术如电化学储能、电磁储能尽管响应迅速，但因技术不成熟、成本高昂、存储容量有限，难以实现规模化推广，无法从根本上解决WPC 的消纳问题。相对来说，目前最成熟、最实用的储能方式即为抽水蓄能，不仅投资少、寿命长，而且容量大、清洁环保，成为目前大规模储能技术中的主流。经多年开发和示范工程的推广，配置抽水蓄能电站（Pumped Storage Power Station，PSPS）已被界定为能够辅助集群风电消纳和调度控制的最主要方式之一[16-19]。PSPS独有的调峰填谷功能可以在多时间维度下对有功功率进行动态调节，改善风电出力特性，在解决WPC消纳以及电网弃风等问题中发挥重要作用。

在集群式风电接入的背景下，当前PSPS主要应用于辅助电网调峰、调频，且都取得了可观的研究成果。然而，很少有立足于风电消纳本身，针对含WPC电力系统中WPC与PSPS的协调优化调度问题进行统筹研究，同时亦缺乏对用于消纳调度PSPS与用于电网调峰PSPS 的基本原理与运行特性进行对比分析等研究。为了使PSPS 有功调节功能得到最大程度的发挥，必须充分考虑WPC 的出力特性，进一步研究面向风电消纳的PSPS 运行和控制方式。为了便于分析，本文将面向风电消纳的PSPS简称为消纳型PSPS。

因此，本文将重点研究消纳型PSPS 的工作原理、调节特性，对其运行机制进行改进建模，在此基础上研究PSPS 提升风电消纳能力的机理，为风电-抽水蓄能（以下简称风-蓄）联合发电系统的协同优化调度提供理论依据。

1 消纳型PSPS的基本工作原理

与常规PSPS 结构相同，消纳型PSPS 一般由上下水库、引水系统、厂房、抽水蓄能机组（以下简称抽蓄机组）等部分组成[20-21]，其上下水库之间具有一定水位差。PSPS的功率吞吐、能量腾挪是建立在蓄水势能与电能相互转换的基础上的。通过电网调度运行管理，在风电多发且系统无法完全消纳时期，若下水库水量丰富，PSPS 等效于电网内的一个用户，利用水泵抽水将富余电能转化为上水库蓄水势能进行存储。当系统处于暂时性电力短缺阶段时，PSPS 相当于一个发电厂，开启发电模式，水流顺势而下，带动水轮机转动，将势能转为电能输送至电网，以弥补供给缺口（见图1）。现代PSPS主要机组形式为二机式，即水力机兼水轮机与水泵于一体，亦称为可逆式机组。出于风电消纳的目的，本文仅研究纯PSPS，厂房内只安装二机式抽蓄机组，并采用日调节方式（运行周期呈日循环规律）进行调度。

图1 消纳型PSPS运行原理图Fig.1 The diagram of the operation principle of accommodating-type PSPS

2 消纳型PSPS的调节特性及其建模

一般来说，二机式抽蓄机组包括停机、旋转备用、发电、发电调相、抽水、抽水调相6种典型运行工况。由于可逆式机组通常不会在调相工况下长期运行，故将抽蓄机组的运行模式简化为静止、发电和抽水状态，且3种运行工况对应6种转换路径，分别为静止→发电、静止→抽水、发电→静止、抽水→静止、发电→抽水以及抽水→发电，它们之间的模式切换如图2所示。模式1—4为正常运行状态，模式5—6 为紧急运行状态。PSPS 上水库有最大（最小）库容要求，因此所有运行模式都必须限制在库容允许范围内。

图2 二机式抽蓄机组运行模式切换示意图Fig.2 Schematic diagram of switching operation modes of binary-unit pumped storage unit

在消纳型PSPS参与有功调节时，抽蓄机组的技术指标主要有：功率调节范围、机组状态转换时间、日抽发电量平衡以及最大启停次数等。

2.1 功率调节范围

抽蓄机组的功率调节能力受制于自身结构特点及其运行状态，无法在额定出力范围内实现任意调节。主要原因在于抽蓄机组中水轮发电机组的输出功率设定了限值，以避免正常运行时出现高振动区域。当抽蓄机组处于发电状态时，其运行特性与常规的水电机组相同。当可逆机组处于抽水工况时，定速机组的抽水功率由于转速固定其调节范围较窄，如图3所示。但是，它可以在很短的一段时间内，通过转换到静止或发电工况使其出力快速且显著变化，从而实现对有功功率的调度控制。在停机状态下的抽水蓄能装置，其调节特性和抽水工况相似，虽然稳态出力为零，但可以利用运行状态的转移参与优化调度。

图3 定速抽蓄机组功率调节特性Fig.3 Power regulation characteristics of fixed-speed pumped-storage units

为简化建模过程，设置0-1 特征变量以表示消纳型PSPS 的3 种运行模式，分别对应发电、抽水、静止状态。当值等于1时，表明机组处于相应运行工况；值为0 则表示相反情况。由于PSPS在某一时刻只存在一种运行状态，站内有机组发电时，其余机组就不允许处于抽水工况，反之亦然。因此，PSPS 运行模式之间的互斥关系可以由式（1）表示：

当抽蓄电站处于发电状态时，PSPS总发电功率限制为：

2.2 机组状态转换时间

根据已建PSPS的正常运行情况，PSPS在发电、抽水以及静止三种工况之间的切换一般只需几分钟，可以实现快速灵活启停，并且抽蓄机组的可用率及启动成功率均较高。表1 显示了某180 MW 抽蓄机组在三种典型工况之间的转换时长，抽蓄机组仅用不到5 min就能完成从满载抽水到满载发电状态的转换。这为消纳型PSPS 的建设提供了可行性依据。

表1 消纳型PSPS运行状态切换等待时间Tab.1 Waiting time of operation state switching of accommodating-type PSPS

2.3 日抽发电量平衡

日调节PSPS 的水量应在一天内基本保持定值不变，上、下水库抽水量与发电耗水量需达到平衡或二者偏差在允许范围内，以避免由于水位失衡而对次日制订发电调度计划产生影响，这里用等式约束进行限制：

式中：ηg、ηp分别为PSPS 的发电、抽水效率，大型PSPS的综合效率ηh通常在75%～77%，ηg或ηp可利用ηh=ηg×ηp求得；T为一天的调度时段数。

2.4 最大启停次数

对最大启停次数进行约束主要有两点原因：一方面消纳型PSPS频繁启停，若不加限制极易对抽蓄机组造成损伤并导致金属疲劳；另一方面由于启停时水量损耗增加，导致效率降低，所以通常在为消纳型PSPS 制订抽发计划时设置单台机组每日启停次数限值：

式中：NP为PSPS内安装机组总数；MP表示考虑经济特性而设置的单台机组每日的最多启动次数。

相对于常规式PSPS，消纳型PSPS 的运行频率更高，要求可调节裕度更大，需严格限制上下水库容量，以避免越过限制水位。由于下库容量通常大于上库，且二者存在相关性，因此只需上水库满足约束即可：

式（7）为上水库的库容限制。其中，S0、Smin、Smax分别代表上水库水量的初值、最小值与最大值；εg、εp表示PSPS 抽水、发电运行时的平均电量-水量转换系数。式（8）则对相邻时段上水库的允许变动库容进行约束，St、St-1表示相邻时段的水库库容，ΔVmax表示库容允许变化上限。

3 抽蓄电站提升风电消纳能力机理分析

风力发电与用电负荷的峰谷特性均主要表现为日内尺度，而风电出力的逆调峰特性又是导致弃风频发的根源。为便于分析，将WPC输出功率看作“值为负的负荷”，定义“风电净负荷=原始负荷+WPC 输出功率”来描述风电调峰效应的影响，并标记为PNL，其表达式如式（9）所示：

式中：PL(t)表示t 时段内的原始负荷；PW(t)则指WPC在t时段的输出功率。

随着风电装机规模日益扩大，由于风力发电的不确定、不稳定特性，多源电力系统的可靠运行受到了显著影响，此外由于常规火电机组调峰频度增加，深度调峰（Deep Peak Shaving，DPS）现象时有发生，使得系统运行经济性与火电机组发电平稳性均有所降低。

当风电大发时，火电机组极易在DPS 状态下运行，既会增加煤耗影响整体经济效益和环境效益，又使得机组出力平稳性下降，影响系统稳定运行，因此需通过适量弃风来减少甚至避免火电机组DPS现象的出现，从而限制了风电消纳水平。另外，由于风电的逆调峰特性，其发电峰值往往位于午夜时段，对应该时期的负荷需求一般较少，亦会有部分风电不能被消纳而产生弃风。综上所述，当WPC单独运行时，受制于系统功率平衡约束以及火电机组运行限制，弃风现象时有发生，其中弃风功率PC(t)的计算公式可以用式（10）表示：

由于抽水蓄能与风力发电具有很强的时空互补性，消纳型PSPS 能够在弃风时段抽水用电，将被迫弃掉的风能以水势能的形式存储起来，然后在系统存在电力缺额时段再转换成稳定的电能输送到电网。另外，风电不确定性亦会增加可控发电机组备用容量的需求。消纳型PSPS 的接入有助于提高WPC 出力的可调可控性、增加风电并网比例、缩减其他机组的备用容量。

在WPC出力高发时段，将PSPS看作用电负荷，此时PSPS运行于抽水储能状态，风电净负荷的大小发生改变，其计算公式更改为：

式中：Pg(t)表示PSPS 在发电工况下输出功率。对比式（10）与（12）可知，在WPC与PSPS打捆发电后，若合理协调WPC-PSPS发电系统的联合出力，可以降为0，达到风电全额消纳的理想状态。而当WPC发电量较少且用户侧电力需求较大时，PSPS充当可控电源，切换至发电状态与WPC 共同出力，风蓄净负荷的数值则由式（13）计算得到。

从式（13）来看，处在发电工况的PSPS提供电力缺额补偿服务，P′NL( )t有所减少，既实现了调度计划精准跟踪，同时又能减轻火电机组发电负担。

4 数据分析

由于当前我国风电基地仍主要聚集在内陆，风电出力受气象条件影响显著，一天内白天风速小、夜间风速大，相对于日负荷曲线表现出较强的逆调峰特性。图4 为某区域一典型日24 时段的风电出力、用电负荷曲线，图中显示，日负荷曲线呈现“双峰”特性，用电高峰期分别在09：00—13：00 及19：00—22：00出现，负荷低谷则大致位于23：00—次日02：00时段。从图4可以看出，风电出力曲线与日负荷曲线匹配度较低，午夜负荷需求较少而风电出力相对处于较高水平，风电出力不足时期恰巧对应于“双峰”时期。另外，相较于实际负荷，WPC 接入后的风电净负荷峰谷差明显增大，使得常规火电机组的调峰任务加重，且部分火电机组被风电机组代替，电力系统自身的调峰能力不足以抵消风电逆调峰特性带来的冲击。再加上火电机组受最小技术出力等安全约束限制，不能在用电低谷时期持续降低出力以消纳富余风电，最终导致弃风。

图4 风电出力、用电负荷与风电净负荷曲线Fig.4 Curves of wind power output, power load and wind power net load after WPC connection

WPC 与PSPS 联合发电的协调运行模式切换过程如图5 所示。通过接入消纳型PSPS 合理优化电源侧结构，采用WPC+PSPS的联合调度模式，能够有效应对风电接入对电网的冲击和影响，降低WPC出力随机性，解决风电反调峰问题，在兼顾安全性与经济性的情况下实现风电的充分消纳，进而提高WPC与电网的运行协调性及稳定性，提升系统的运行综合效益。

图5 风-蓄联合发电系统的协调运行模式Fig.5 Coordinated operation modes of WPC-PSPS combined power generation system

5 结论

本文对面向风电消纳调度的PSPS的工作原理、调节特性进行研究，并对其运行机制进行改进建模，与常规式PSPS进行了有效区分，为消纳型PSPS的建设提供了可行性依据。通过对比配置消纳型PSPS前后负荷峰谷差与集群弃风量的变化结果，验证了PSPS 削峰填谷的有功调节作用及其对风电消纳能力的提升效果。结果表明，消纳型PSPS作为调峰电源，能有效减少因系统调节能力不足引起的电网弃风，提高风电利用率；消纳型PSPS 作为储能电源，能改善风电出力特性，增强WPC的可调可控性；消纳型PSPS 作为调度电源，可实现风蓄火多能互补，有利于提升调度计划追踪精度与维持系统有功实时平衡，在兼顾安全性与经济性的系统约束下最大化风电消纳水平。