陳遠揚，李光輝，路建明，黃際元

(1.國網湖南省電力公司，湖南 長沙 410007；2.湖南大學，湖南 長沙 410082)

抽水蓄能機組參與湖南電網低谷調峰特性的研究分析

陳遠揚1，李光輝1，路建明1，黃際元2

(1.國網湖南省電力公司，湖南 長沙 410007；2.湖南大學，湖南 長沙 410082)

基于湖南電網負荷水平和調峰形勢，著重從電網豐水期及冬季枯水期典型負荷日的負荷特性、機組調峰性能、電源組成比例等方面，分析抽水蓄能機組參與電網調峰的必要性。根據抽蓄機組抽水工況并網流程及有功曲線特性，針對其對省網聯(lián)絡線功率調整可能會帶來的問題，從開機策略上為調度員用好抽蓄機組給出相應的建議。

抽水蓄能；調峰；峰谷差；功率調整；負荷特性

1 湖南電網峰谷差因素

近年來，隨著國民經濟的日益發(fā)展及用電結構的不斷調整變化，各區(qū)域 (省)網均不同程度面臨著峰谷差加大、調峰任務嚴峻的共性問題〔1〕。2014年湖南電網最大峰谷差已達1 144萬kW，同比增加17.43%，最大峰谷差率達55%，如圖1所示〔2〕。

電網峰谷差不斷加大，還與發(fā)電側以風力發(fā)電為代表的可再生清潔能源裝機比重持續(xù)攀升(2014年風電裝機容量如圖2所示)，而負荷側以高鐵負荷為代表的民用大用戶負荷相繼投運有關(典型日高鐵24 h負荷圖如圖3所示)。由圖2，3可得，上述電源、負荷的反調峰特性將進一步加劇調峰問題。

圖1 2009—2014年最大峰谷差及黑麋峰電廠利用小時數

圖2 2014年各月份湖南電網風電裝機容量和同比增長率圖

圖3 典型日24 h高鐵負荷圖

2015年湖南電網峰谷差預計將繼續(xù)保持10%左右的增幅，最大峰谷差將達到1 260萬kW。為應對電網峰谷差的持續(xù)增長，傳統(tǒng)調峰方式主要包括火電機組啟停調峰 (或深度調峰)、退減聯(lián)絡線低谷電量、充分挖掘小水電調峰潛力等多種手段，而合理運用抽水蓄能作為一種常規(guī)調峰手段，對極大優(yōu)化電網電源結構，解決負荷季節(jié)性不均衡問題，提高系統(tǒng)運行經濟性都起到了積極意義，其使用頻率日益加大〔3〕。

黑麋峰抽水蓄能電廠作為長株潭地區(qū)的可靠應急電源，安裝有4臺單機容量30萬kW的可逆式機組，總裝機容量120萬kW，并通過500 kV黑沙線接入500 kV沙坪變，自2009年6月投運以來，一直擔負著湖南電網的調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等任務。

2 豐枯水期典型負荷日調峰特性分析

2009—2014年年黑麋峰電廠利用小時如圖1所示。2014年，黑麋峰低谷抽水調峰開機次數達到343次，主要集中2個時段:2月份冬季大負荷枯水期以及5—8月豐水期，如圖4所示。

圖4 2014年峰谷差與低谷抽蓄機組臺數

分析圖4可得，日峰谷差超過9 000 MW的時段主要集中在冬季枯水大負荷時期 (2月份)，究其原因，2月初正值農歷春節(jié)期間，工業(yè)減產、商業(yè)歇業(yè)，外來務工返鄉(xiāng)，同時因天氣回冷，居民空調負荷較大，居民用電比重銳增，峰谷差達到全年最大，2月份黑麋峰低谷抽水機組為1.2臺次/日。而豐水期 (5—8月份)，湖南省四大流域相繼進入主汛期，水電方式較大，低谷出力達到4 000 MW以上，占總發(fā)電的59.6%。一方面無調節(jié)能力豐統(tǒng)調小水電低谷時段搶發(fā)電量，減少了低谷時段主網下網躉售電力電量；另一方面，為避免大型水庫棄水，部分調節(jié)能力不足的水電基荷 (或大方式)運行，低谷時段水電消納能力有限，兩方面也都造成豐水期盡管峰谷差不大，調峰也異常困難。綜上分析，低谷調峰階段使用抽水蓄能機組抽水調峰主要取決于水電比例及峰谷差。

一般而言，電網負荷平衡是根據系統(tǒng)的運行特性、增容決策、自然條件與社會影響等諸多因數，綜合考慮系統(tǒng)及電廠運行約束、備用容量約束，還要綜合考慮損耗、成本等經濟等因素后，在滿足一定精度要求的條件下，確定未來某特定時刻的負荷數據并相應安排機組方式，以達到發(fā)供電平衡，其中負荷是指電力需求量 (功率)或用電量。文中結合電網典型負荷日負荷特性水平、抽水機組調峰次數、電源開機等運行數據，著重從電網低谷電力平衡角度來討論調峰電源安排及黑麋峰開機因素等問題。

湖南省電源按調峰能力可劃分為火電機組群(有功用Pthe表示)、水電機組群 (包含網調直調和省調直調等一系列具有一定調節(jié)能力的機組，有功用Phyd表示)、中小電廠機組群 (風電、煤矸石、無調節(jié)能力徑流式小水電、生物質能電廠，有功用Pwin表示)、聯(lián)絡線 (有功用Ptie表示)、抽水蓄能機組 (有功用Ppum表示)5種。一般來說，火電機組能承擔50%電網基本調峰服務，水電機組啟停迅速且靈活，調峰深度 (考慮棄水調峰)可達到100%，調峰性能優(yōu)越，部分水電廠出力也受到間降水、上游來水等自然條件，以及生態(tài)供水、生活用水、防洪防汛等人為因素影響較大，屬于能量受限機組。中小電廠機組群中所包含的風電機組、生物質能、煤矸石機組和部分徑流式水電機組因其裝機容量較小，調節(jié)范圍較小，一般認為為不可調峰機組；根據節(jié)能發(fā)電調度的要求和考慮經濟效益最大化，調峰首先安排具有調節(jié)能力的水電和燃煤發(fā)電機組，然后再視系統(tǒng)需要安排其他機組 (如運用抽蓄機組抽水調峰)，必要時，可安排火電機組進行降出力深度調峰和小機組啟停調峰〔4〕。

考慮湖南電網日高峰、低谷時刻發(fā)供電平衡關系，日發(fā)電最大負荷Pmax、最小負荷Pmin可分別用式 (1)，(2)表示:

式中 α，β分別表示高峰、低谷時刻相應機組群在參與調峰調節(jié)度。

設ΔP為當日峰谷差，機組群調峰系數 η＝(α－β)，Pi_max則對應著機組群i日最大可發(fā)出力，同時考慮聯(lián)絡線送入Ptie以及中小電力機組群Pwin為日前計劃值不參與調整，故日高峰時刻αtie，αwin設定為1，即該類型機組群高峰均參與頂峰。結合式 (1)，(2)可得，

設Pmax為基值，將式 (3)標么化，則式 (3)可轉化為:

顯然，火電機組群在不進行啟停和深度調峰ηthe最大為0.5，即火機參與50%調峰。

分別選取豐水期和冬季枯水典型日負荷方式。豐水期典型方式:水電日電量1.7億kWh，最小出力7 200 MW，最大出力8 000 MW；火電維持最小開機方式，低谷最小出力1 640 MW，最大出力2 100 MW，聯(lián)絡線低谷出力500 MW，高峰出力1 350 MW；冬季枯水期典型方式:水電維持一定出力參與調峰，電量適當控制，水電高峰最大出力5 060 MW，低谷最低出力1 030 MW，聯(lián)絡線高峰出力2 220 MW，低谷出力1 580 MW。典型負荷期電源調峰度數據見表1〔5〕。

分析表1可知，豐水期間，火電機組在滿足火電機組最小開機方式的基礎上，為了滿足調峰需求，低谷時段減至50%，但高峰因水電方式較大，故火電機組群調峰系數遠低于0.5，并未充分挖掘火電機組調峰裕度；而水電及中小電力所占比例達到近60%，且無調節(jié)能力，聯(lián)絡線發(fā)揮著一定調峰性能，故在豐水期火電最小開機方式情況下，黑麋峰發(fā)揮了削峰填谷的至關重要的作用。

冬季枯水大負荷期，火電機組所占比例達60%以上，調峰系數達到0.43(考慮部分火電機組缺陷，無法達到理論值50%調峰)，水電調峰系數達到0.94(考慮部分水電機組下游生活、生態(tài)供水，低谷無法全停，接近理論值100%調峰)，但因所占比例過低，同時因峰谷差達到0.45以上，不得不依賴黑麋峰調峰，既能滿足高峰出力頂峰，又能滿足低谷抽水調峰〔6〕。

表1 典型負荷期電源調峰度

綜上所述，黑麋峰在豐水期水電大發(fā)期，因系統(tǒng)負荷低，主要承擔填谷作用；而在冬季枯水大負荷期間，因高峰負荷重，故既承擔削峰，又承擔填谷作用。

3 抽水蓄能機組抽水開機使用

黑麋峰電廠單機額定容量達300 MW，為目前湖南電網內單機容量最大的水電機組，且單臺機抽水工況穩(wěn)定運行只有300 MW一個值，機組抽水啟停將造成瞬間300 MW左右的負荷波動，對省網發(fā)供電平衡及省網間聯(lián)絡線造成較大影響。從下令機組抽水，到機組抽水工況并網接帶負荷，一般需要8～12 min不等，而這期間恰恰是系統(tǒng)下備用最為緊張的時刻，聯(lián)絡線有可能持續(xù)少用計劃，而瞬間接帶300 MW負荷，又極有可能使聯(lián)絡線瞬時超用計劃，這樣對每15 min進行聯(lián)絡線的ACE(Area Control Error)絕對值調節(jié)控制，顯然是不利的。在2014年7—12月間，因負荷低谷時段開停抽蓄機組造成省網ACE波動致考核達6次，占低谷調峰時段 (00:00～7:00)考核次數的28.6%。如何充分發(fā)揮抽水蓄能電站低谷調峰特性，減少聯(lián)絡線波動造成省網ACE考核已成為大電網平臺下抽水蓄能電站群調度運行亟待解決的理論和實踐難題〔7〕。

為盡可能減少因啟停抽蓄機組帶來的不利影響，要求調度運行人員盡量選擇合適的開機時段，基于系統(tǒng)負荷走勢預測的前提下，應留足 “上、下備用”空間，減少黑麋峰機組啟停對系統(tǒng)產生較大沖擊。

一般而言，抽水蓄能機組運行工況有發(fā)電(G)、抽水 (P)、發(fā)電調相 (CG)、抽水調相(CP)等4種工況；就發(fā)電工況而言，其運行原理與常規(guī)水電廠運行原理一致，文中不再贅述。抽水工況可以理解為發(fā)電方向的逆向過程，目前廣泛應用的啟動方式是以靜止變頻器 (SFC)啟動為主，背靠背 (BTB) 啟動為備用〔8－9〕。

3.1 靜止變頻器啟動方式 (SFC)

SFC變頻啟動即利用SFC變頻啟動裝置，將主變低壓側電源轉變?yōu)榱愕筋~定值的變頻電源，同步將機組拖動起來，優(yōu)點為成功率高，對系統(tǒng)沖擊小，可滿足抽蓄機組調峰過程中頻繁起動的要求〔10〕。采用SFC裝置啟動的基本步驟及耗時為:

1)啟動機組輔機系統(tǒng)，包括技術供水系統(tǒng)、供油系統(tǒng)，調速器、機組、主變準備就緒，此時機組處于靜止態(tài)，大約耗時27 s；

2)建立電氣軸，抽蓄機組M/G轉子勵磁，此時向系統(tǒng)吸引少量無功，建立磁場，大約耗時2 s；

3)壓水過程，迷宮環(huán)供水，高壓壓水補氣，大約耗時42 s；

4)SFC裝置拖動機組轉動上升，投入SFC裝置，變頻裝置向電機定子輸入頻率逐漸上升的三相交流電產生的旋轉磁場與已勵磁的轉子相互作用產生加速轉矩，使機組逐漸升速至額定轉速，大約耗時201 s；

5)機組檢定同期條件后抽水調相工況并網，同時切除變頻裝置，完成啟動過程，即抽水調相工況 (CP)，耗時67 s；

6)抽水調相轉抽水，包括轉輪充水過程、尾水管回水等過程，機組轉輪將在水中運轉攪水，機組將吸收一定的濺水功率60 MW左右，大約耗時127 s。

綜上所述，采用靜止變頻器啟動方式抽水工況并網，需要耗時460 s。

3.2 背靠背 (BTB)啟動方式

BTB啟動即讓2臺機組通過電氣聯(lián)系起來，其中1臺作發(fā)電機啟動，稱拖動機；另1臺作為抽水調相啟動，稱被拖動機。2臺機組都加上勵磁，同時啟動，即利用拖動機將被拖動機組同步地拖動起來。被拖動機并網后，拖動機立即斷開與被拖動機的電氣聯(lián)系，然后可轉發(fā)電、發(fā)電調相或停機。顯然，BTB不能解決抽水蓄能電廠最后1臺水泵機組啟動問題，同時因機組之間同步加速前的振蕩問題易造成啟動失敗，故一般作備用啟動方式〔11〕。采用BTB啟動的基本步驟及耗時為:

1)為拖動機組G和被拖動機組M同時啟動輔機，供水、供油正常至靜止態(tài)，大約耗時27 s；

2)為拖動電機G與被拖動機組M分別建立電氣軸，準備投入勵磁，大約耗時8 s；

3)拖動電機G開球閥和水輪機導葉，啟動調速器，帶動完成高壓壓水中的被拖動機組M，隨著轉速上升產生一定頻率電流供被拖動機組M定子三相電流建立旋轉磁場，與已勵磁的轉子相互作用產生加速轉矩，使被拖動機組M逐漸升速至額定轉速，并在滿足同期條件后并網成功，達到抽水調相工況運行，大約耗時470 s；

4)切除拖動機組G至停機穩(wěn)態(tài)。采用BTB方式啟動抽水工況并網，大約耗時505 s。

綜合分析2種啟動方式可知，機組抽水并網均須經過抽水調相工況這一過程。調相可以滿足系統(tǒng)無功需求，穩(wěn)定及調節(jié)電壓，改善電網品質，抽水啟動時，為減小有功消耗，減小機組振動，一般都先將機組啟動到抽水調相工況，然后再由抽水調相轉抽水。抽水調相工況下，機組從系統(tǒng)吸收有功不到10 MW同時從抽水調相轉到抽水工況時間約120 s，對于調度運行人員是一個更易于控制的穩(wěn)態(tài)，如圖5所示，黑麋峰電廠單臺機組調令至并網2種不同方式的時間曲線。若調度直接下令抽水工況并網，則至9 min時，機組抽水調相工況并網直接轉入抽水工況，此后約2 min機組從系統(tǒng)吸收300 MW有功；若調度令先轉抽水調相工況并網，則在9 min時，電廠運行人員將即時匯報機組已轉到抽水調相工況穩(wěn)態(tài)，吸收不高于10 MW有功，此時待調度調整省網其他電廠出力，預留充足“下備用”，再令其轉至抽水工況并網。

統(tǒng)計2014年4季度開機次數，采用 “先轉機組抽水調相工況并網”方式占總開機方式18.6%，造成省網聯(lián)絡線ACE考核率為0。

4 結語

本文首先以湖南電網為例，從電源側和負荷側分析了近年來調峰壓力不斷加大的原因后，接著基于電網豐水期及冬季枯水大負荷期兩段典型負荷日，從電源組成比例、調峰性能等方面分析電網負荷特性對使用抽水蓄能機組影響，進一步證實抽蓄機組在上述兩種典型負荷日內對電網削峰填谷不可替代的作用，然后根據對抽蓄機組抽水工況并網開機流程以及有功曲線分析，針對其可能對網省聯(lián)絡線功率調整造成的影響，從開機策略上為調度員用好抽蓄機組給出相應的建議。

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Research on characteristics of peak regulation in valley time with the participation of pumped storage units in Hunan power grid

CHEN Yuanyang1，LI Guanghui1，LU Jianming1，HUANG Jiyuan2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.Hunan University，Changsha 410082，China)

Based on load level and peak regulation situation of Hunan power grid，this paper analyzes the necessity of pumped storage units participating in the power grid peak regulation，emphatically from the aspects of load characteristics in dry and rainy seasons，units peak load regulation performance，constitution and ratio of power source，and so on.According to the grid connection process and power characteristic curve of pumped storage units，this paper gives the dispatcher suggestions on making good use of pumped storage units taking aim at its influences to the power fluctuation of tie lines between provinces.

pumped storage units；peak regulation；peak－valley difference；power adjustment；load characteristics

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.008

TM743

B

1008-0198(2015)04-0031-05

陳遠揚 (1987)，男，漢族，湖南衡陽人，碩士研究生，從事電網調度運行工作。

2015-06-16