陳遠(yuǎn)揚(yáng)，李光輝，路建明，黃際元

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

抽水蓄能機(jī)組參與湖南電網(wǎng)低谷調(diào)峰特性的研究分析

陳遠(yuǎn)揚(yáng)1，李光輝1，路建明1，黃際元2

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

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

抽水蓄能；調(diào)峰；峰谷差；功率調(diào)整；負(fù)荷特性

1 湖南電網(wǎng)峰谷差因素

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展及用電結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整變化，各區(qū)域 (省)網(wǎng)均不同程度面臨著峰谷差加大、調(diào)峰任務(wù)嚴(yán)峻的共性問題〔1〕。2014年湖南電網(wǎng)最大峰谷差已達(dá)1 144萬kW，同比增加17.43%，最大峰谷差率達(dá)55%，如圖1所示〔2〕。

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

圖1 2009—2014年最大峰谷差及黑麋峰電廠利用小時(shí)數(shù)

圖2 2014年各月份湖南電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量和同比增長率圖

圖3 典型日24 h高鐵負(fù)荷圖

2015年湖南電網(wǎng)峰谷差預(yù)計(jì)將繼續(xù)保持10%左右的增幅，最大峰谷差將達(dá)到1 260萬kW。為應(yīng)對電網(wǎng)峰谷差的持續(xù)增長，傳統(tǒng)調(diào)峰方式主要包括火電機(jī)組啟停調(diào)峰 (或深度調(diào)峰)、退減聯(lián)絡(luò)線低谷電量、充分挖掘小水電調(diào)峰潛力等多種手段，而合理運(yùn)用抽水蓄能作為一種常規(guī)調(diào)峰手段，對極大優(yōu)化電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)，解決負(fù)荷季節(jié)性不均衡問題，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)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(yīng)急電源，安裝有4臺單機(jī)容量30萬kW的可逆式機(jī)組，總裝機(jī)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(yùn)以來，一直擔(dān)負(fù)著湖南電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等任務(wù)。

2 豐枯水期典型負(fù)荷日調(diào)峰特性分析

2009—2014年年黑麋峰電廠利用小時(shí)如圖1所示。2014年，黑麋峰低谷抽水調(diào)峰開機(jī)次數(shù)達(dá)到343次，主要集中2個時(shí)段:2月份冬季大負(fù)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(jī)組臺數(shù)

分析圖4可得，日峰谷差超過9 000 MW的時(shí)段主要集中在冬季枯水大負(fù)荷時(shí)期 (2月份)，究其原因，2月初正值農(nóng)歷春節(jié)期間，工業(yè)減產(chǎn)、商業(yè)歇業(yè)，外來務(wù)工返鄉(xiāng)，同時(shí)因天氣回冷，居民空調(diào)負(fù)荷較大，居民用電比重銳增，峰谷差達(dá)到全年最大，2月份黑麋峰低谷抽水機(jī)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(jìn)入主汛期，水電方式較大，低谷出力達(dá)到4 000 MW以上，占總發(fā)電的59.6%。一方面無調(diào)節(jié)能力豐統(tǒng)調(diào)小水電低谷時(shí)段搶發(fā)電量，減少了低谷時(shí)段主網(wǎng)下網(wǎng)躉售電力電量；另一方面，為避免大型水庫棄水，部分調(diào)節(jié)能力不足的水電基荷 (或大方式)運(yùn)行，低谷時(shí)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(diào)峰也異常困難。綜上分析，低谷調(diào)峰階段使用抽水蓄能機(jī)組抽水調(diào)峰主要取決于水電比例及峰谷差。

一般而言，電網(wǎng)負(fù)荷平衡是根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行特性、增容決策、自然條件與社會影響等諸多因數(shù)，綜合考慮系統(tǒng)及電廠運(yùn)行約束、備用容量約束，還要綜合考慮損耗、成本等經(jīng)濟(jì)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(shí)刻的負(fù)荷數(shù)據(jù)并相應(yīng)安排機(jī)組方式，以達(dá)到發(fā)供電平衡，其中負(fù)荷是指電力需求量 (功率)或用電量。文中結(jié)合電網(wǎng)典型負(fù)荷日負(fù)荷特性水平、抽水機(jī)組調(diào)峰次數(shù)、電源開機(jī)等運(yùn)行數(shù)據(jù)，著重從電網(wǎng)低谷電力平衡角度來討論調(diào)峰電源安排及黑麋峰開機(jī)因素等問題。

湖南省電源按調(diào)峰能力可劃分為火電機(jī)組群(有功用Pthe表示)、水電機(jī)組群 (包含網(wǎng)調(diào)直調(diào)和省調(diào)直調(diào)等一系列具有一定調(diào)節(jié)能力的機(jī)組，有功用Phyd表示)、中小電廠機(jī)組群 (風(fēng)電、煤矸石、無調(diào)節(jié)能力徑流式小水電、生物質(zhì)能電廠，有功用Pwin表示)、聯(lián)絡(luò)線 (有功用Ptie表示)、抽水蓄能機(jī)組 (有功用Ppum表示)5種。一般來說，火電機(jī)組能承擔(dān)50%電網(wǎng)基本調(diào)峰服務(wù)，水電機(jī)組啟停迅速且靈活，調(diào)峰深度 (考慮棄水調(diào)峰)可達(dá)到100%，調(diào)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(jī)組。中小電廠機(jī)組群中所包含的風(fēng)電機(jī)組、生物質(zhì)能、煤矸石機(jī)組和部分徑流式水電機(jī)組因其裝機(jī)容量較小，調(diào)節(jié)范圍較小，一般認(rèn)為為不可調(diào)峰機(jī)組；根據(jù)節(jié)能發(fā)電調(diào)度的要求和考慮經(jīng)濟(jì)效益最大化，調(diào)峰首先安排具有調(diào)節(jié)能力的水電和燃煤發(fā)電機(jī)組，然后再視系統(tǒng)需要安排其他機(jī)組 (如運(yùn)用抽蓄機(jī)組抽水調(diào)峰)，必要時(shí)，可安排火電機(jī)組進(jìn)行降出力深度調(diào)峰和小機(jī)組啟停調(diào)峰〔4〕。

考慮湖南電網(wǎng)日高峰、低谷時(shí)刻發(fā)供電平衡關(guān)系，日發(fā)電最大負(fù)荷Pmax、最小負(fù)荷Pmin可分別用式 (1)，(2)表示:

式中 α，β分別表示高峰、低谷時(shí)刻相應(yīng)機(jī)組群在參與調(diào)峰調(diào)節(jié)度。

設(shè)ΔP為當(dāng)日峰谷差，機(jī)組群調(diào)峰系數(shù) η＝(α－β)，Pi_max則對應(yīng)著機(jī)組群i日最大可發(fā)出力，同時(shí)考慮聯(lián)絡(luò)線送入Ptie以及中小電力機(jī)組群Pwin為日前計(jì)劃值不參與調(diào)整，故日高峰時(shí)刻αtie，αwin設(shè)定為1，即該類型機(jī)組群高峰均參與頂峰。結(jié)合式 (1)，(2)可得，

設(shè)Pmax為基值，將式 (3)標(biāo)么化，則式 (3)可轉(zhuǎn)化為:

顯然，火電機(jī)組群在不進(jìn)行啟停和深度調(diào)峰ηthe最大為0.5，即火機(jī)參與50%調(diào)峰。

分別選取豐水期和冬季枯水典型日負(fù)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(jī)方式，低谷最小出力1 640 MW，最大出力2 100 MW，聯(lián)絡(luò)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(diào)峰，電量適當(dāng)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(luò)線高峰出力2 220 MW，低谷出力1 580 MW。典型負(fù)荷期電源調(diào)峰度數(shù)據(jù)見表1〔5〕。

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

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

表1 典型負(fù)荷期電源調(diào)峰度

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

3 抽水蓄能機(jī)組抽水開機(jī)使用

黑麋峰電廠單機(jī)額定容量達(dá)300 MW，為目前湖南電網(wǎng)內(nèi)單機(jī)容量最大的水電機(jī)組，且單臺機(jī)抽水工況穩(wěn)定運(yùn)行只有300 MW一個值，機(jī)組抽水啟停將造成瞬間300 MW左右的負(fù)荷波動，對省網(wǎng)發(fā)供電平衡及省網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線造成較大影響。從下令機(jī)組抽水，到機(jī)組抽水工況并網(wǎng)接帶負(fù)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(shí)刻，聯(lián)絡(luò)線有可能持續(xù)少用計(jì)劃，而瞬間接帶300 MW負(fù)荷，又極有可能使聯(lián)絡(luò)線瞬時(shí)超用計(jì)劃，這樣對每15 min進(jìn)行聯(lián)絡(luò)線的ACE(Area Control Error)絕對值調(diào)節(jié)控制，顯然是不利的。在2014年7—12月間，因負(fù)荷低谷時(shí)段開停抽蓄機(jī)組造成省網(wǎng)ACE波動致考核達(dá)6次，占低谷調(diào)峰時(shí)段 (00:00～7:00)考核次數(shù)的28.6%。如何充分發(fā)揮抽水蓄能電站低谷調(diào)峰特性，減少聯(lián)絡(luò)線波動造成省網(wǎng)ACE考核已成為大電網(wǎng)平臺下抽水蓄能電站群調(diào)度運(yùn)行亟待解決的理論和實(shí)踐難題〔7〕。

為盡可能減少因啟停抽蓄機(jī)組帶來的不利影響，要求調(diào)度運(yùn)行人員盡量選擇合適的開機(jī)時(shí)段，基于系統(tǒng)負(fù)荷走勢預(yù)測的前提下，應(yīng)留足 “上、下備用”空間，減少黑麋峰機(jī)組啟停對系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊。

一般而言，抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況有發(fā)電(G)、抽水 (P)、發(fā)電調(diào)相 (CG)、抽水調(diào)相(CP)等4種工況；就發(fā)電工況而言，其運(yùn)行原理與常規(guī)水電廠運(yùn)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(yīng)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(cè)電源轉(zhuǎn)變?yōu)榱愕筋~定值的變頻電源，同步將機(jī)組拖動起來，優(yōu)點(diǎn)為成功率高，對系統(tǒng)沖擊小，可滿足抽蓄機(jī)組調(diào)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(shí)為:

1)啟動機(jī)組輔機(jī)系統(tǒng)，包括技術(shù)供水系統(tǒng)、供油系統(tǒng)，調(diào)速器、機(jī)組、主變準(zhǔn)備就緒，此時(shí)機(jī)組處于靜止態(tài)，大約耗時(shí)27 s；

2)建立電氣軸，抽蓄機(jī)組M/G轉(zhuǎn)子勵磁，此時(shí)向系統(tǒng)吸引少量無功，建立磁場，大約耗時(shí)2 s；

3)壓水過程，迷宮環(huán)供水，高壓壓水補(bǔ)氣，大約耗時(shí)42 s；

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

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

6)抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水，包括轉(zhuǎn)輪充水過程、尾水管回水等過程，機(jī)組轉(zhuǎn)輪將在水中運(yùn)轉(zhuǎn)攪水，機(jī)組將吸收一定的濺水功率60 MW左右，大約耗時(shí)127 s。

綜上所述，采用靜止變頻器啟動方式抽水工況并網(wǎng)，需要耗時(shí)460 s。

3.2 背靠背 (BTB)啟動方式

BTB啟動即讓2臺機(jī)組通過電氣聯(lián)系起來，其中1臺作發(fā)電機(jī)啟動，稱拖動機(jī)；另1臺作為抽水調(diào)相啟動，稱被拖動機(jī)。2臺機(jī)組都加上勵磁，同時(shí)啟動，即利用拖動機(jī)將被拖動機(jī)組同步地拖動起來。被拖動機(jī)并網(wǎng)后，拖動機(jī)立即斷開與被拖動機(jī)的電氣聯(lián)系，然后可轉(zhuǎn)發(fā)電、發(fā)電調(diào)相或停機(jī)。顯然，BTB不能解決抽水蓄能電廠最后1臺水泵機(jī)組啟動問題，同時(shí)因機(jī)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(shí)為:

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

2)為拖動電機(jī)G與被拖動機(jī)組M分別建立電氣軸，準(zhǔn)備投入勵磁，大約耗時(shí)8 s；

3)拖動電機(jī)G開球閥和水輪機(jī)導(dǎo)葉，啟動調(diào)速器，帶動完成高壓壓水中的被拖動機(jī)組M，隨著轉(zhuǎn)速上升產(chǎn)生一定頻率電流供被拖動機(jī)組M定子三相電流建立旋轉(zhuǎn)磁場，與已勵磁的轉(zhuǎn)子相互作用產(chǎn)生加速轉(zhuǎn)矩，使被拖動機(jī)組M逐漸升速至額定轉(zhuǎn)速，并在滿足同期條件后并網(wǎng)成功，達(dá)到抽水調(diào)相工況運(yùn)行，大約耗時(shí)470 s；

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

綜合分析2種啟動方式可知，機(jī)組抽水并網(wǎng)均須經(jīng)過抽水調(diào)相工況這一過程。調(diào)相可以滿足系統(tǒng)無功需求，穩(wěn)定及調(diào)節(jié)電壓，改善電網(wǎng)品質(zhì)，抽水啟動時(shí)，為減小有功消耗，減小機(jī)組振動，一般都先將機(jī)組啟動到抽水調(diào)相工況，然后再由抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水。抽水調(diào)相工況下，機(jī)組從系統(tǒng)吸收有功不到10 MW同時(shí)從抽水調(diào)相轉(zhuǎn)到抽水工況時(shí)間約120 s，對于調(diào)度運(yùn)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(jī)組調(diào)令至并網(wǎng)2種不同方式的時(shí)間曲線。若調(diào)度直接下令抽水工況并網(wǎng)，則至9 min時(shí)，機(jī)組抽水調(diào)相工況并網(wǎng)直接轉(zhuǎn)入抽水工況，此后約2 min機(jī)組從系統(tǒng)吸收300 MW有功；若調(diào)度令先轉(zhuǎn)抽水調(diào)相工況并網(wǎng)，則在9 min時(shí)，電廠運(yùn)行人員將即時(shí)匯報(bào)機(jī)組已轉(zhuǎn)到抽水調(diào)相工況穩(wěn)態(tài)，吸收不高于10 MW有功，此時(shí)待調(diào)度調(diào)整省網(wǎng)其他電廠出力，預(yù)留充足“下備用”，再令其轉(zhuǎn)至抽水工況并網(wǎng)。

統(tǒng)計(jì)2014年4季度開機(jī)次數(shù)，采用 “先轉(zhuǎn)機(jī)組抽水調(diào)相工況并網(wǎng)”方式占總開機(jī)方式18.6%，造成省網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線ACE考核率為0。

4 結(jié)語

本文首先以湖南電網(wǎng)為例，從電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)分析了近年來調(diào)峰壓力不斷加大的原因后，接著基于電網(wǎng)豐水期及冬季枯水大負(fù)荷期兩段典型負(fù)荷日，從電源組成比例、調(diào)峰性能等方面分析電網(wǎng)負(fù)荷特性對使用抽水蓄能機(jī)組影響，進(jìn)一步證實(shí)抽蓄機(jī)組在上述兩種典型負(fù)荷日內(nèi)對電網(wǎng)削峰填谷不可替代的作用，然后根據(jù)對抽蓄機(jī)組抽水工況并網(wǎng)開機(jī)流程以及有功曲線分析，針對其可能對網(wǎng)省聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)整造成的影響，從開機(jī)策略上為調(diào)度員用好抽蓄機(jī)組給出相應(yīng)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(yuǎn)揚(yáng) (1987)，男，漢族，湖南衡陽人，碩士研究生，從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工作。

2015-06-16