［美國］V.科里塔諾夫

由于風能、太陽能等間歇性可再生資源的不斷滲透，抽水蓄能(PSH)的作用也在發(fā)生著變化。在可再生能源發(fā)電和系統(tǒng)運行的失衡糾正中，其正從傳統(tǒng)的日負荷轉(zhuǎn)變?yōu)榭身憫唐谧兓母鼮閯討B(tài)的運行。

美國能源部門(DOE)最近的一項研究正在評價全美先進PSH電站的作用和價值。這是由DOE能源效率和可再生能源辦公室(EERE)下屬的風水動力技術辦公室負責的一個項目所資助的。該項研究由阿貢國家實驗室牽頭，參與研究的有西門子公司、能源典范公司、美華集團及美國國家可再生能源實驗室(NREL)。

該項研究歷時2年多，于2014年年初完成，發(fā)布的7份報告記載了所進行的模擬及主要分析結果。

研究的主要目的是:

(1)開發(fā)具有先進技術的精確仿真模型，以分析其提供各種電網(wǎng)服務的技術能力;

(2)評估在不同的市場結構和電力系統(tǒng)中可再生能源不同發(fā)電水平下，這些服務的價值。

具體的研究目標為:

(1)提高先進PSH電站模型在電力系統(tǒng)仿真模型中的代表性;

(2)量化先進PSH電站提供各種電網(wǎng)服務的技術能力;

(3)分析這些服務在不同的市場結構和可再生能源(風能和太陽能)不同發(fā)電水平下的價值;

(4)提供關于PSH電站給系統(tǒng)帶來的利益和價值的全方位信息。

為了達到這些目標，項目組采用了多種計算機工具，包括PSS?E(工程電力系統(tǒng)模擬器)、FESTIV(用于整合可再生能源發(fā)電的能源調(diào)度工具)、CHEERS(傳統(tǒng)的水電能源和環(huán)境系統(tǒng))和PLEXOS?，用以模擬系統(tǒng)操作及PSH電站的貢獻。該項分析意在捕捉PSH電站在不同時間尺度下的工況和操作特性——從若干分之一秒鐘的動態(tài)響應到生產(chǎn)成本的年度模擬。模擬解決了寬范圍電力系統(tǒng)的運行問題和時限。該技術方法主要由兩部分組成:先進的技術模型;精細的發(fā)電成本和電力系統(tǒng)仿真。

1 先進的技術模型

先進技術模型的任務集中于針對PSH先進技術動態(tài)仿真模型的發(fā)展，如可調(diào)速度(AS)和三元裝置，因為這些模型在美國還沒得到應用。針對AS和三元PSH技術的動態(tài)模型在項目過程中是被作為供應商中立模型來開發(fā)并發(fā)布的。此外，它們被加入PSS?E動態(tài)模型庫，并將被提供給所有PSS?E的用戶。這些新模型可實現(xiàn)先進PSH機組基于各種系統(tǒng)擾動的動態(tài)響應的精確建模，對于新PSH項目中的傳輸互聯(lián)研究是十分必要的。

2 發(fā)電成本模擬

對于生產(chǎn)成本和收入模型，項目組首先列出了PSH電站對系統(tǒng)的貢獻和服務(如下所示)。為評估PSH各種服務和貢獻的作用與價值，模擬了整個西部聯(lián)盟(WI)、加利福尼亞州以及一個單獨的平衡機構(薩克拉門托市政公用區(qū)，SMUD)的成產(chǎn)成本。分析調(diào)查了PSH電站在調(diào)控和競爭兩種電力市場環(huán)境下的優(yōu)勢和價值，并針對可再生能源(RE)各種發(fā)電水平進行。

PSH的服務和貢獻如下:

(1)慣性響應;

(2)調(diào)節(jié)器響應，頻率響應，或一次調(diào)頻;

(3)調(diào)頻，調(diào)控備用容量，或二次調(diào)頻;

(4)可提供彈性備用容量;

(5)可提供應急旋轉(zhuǎn)備用容量;

(6)可提供應急非旋轉(zhuǎn)備用容量;

(7)可提供置換/補充備用容量;

(8)負荷跟蹤;

(9)負荷均衡/能源套利;

(10)發(fā)電能力;

(11)環(huán)境排放量減少;

(12)間歇性能源的整合;

(13)火電機組的熱循環(huán)與出力減少;

(14)其他投資組合的影響;

(15)輸電阻塞得以緩解;

(16)輸電延遲;

(17)電壓支撐;

(18)動態(tài)穩(wěn)定性提高;

(19)黑啟動能力;

(20)能源安全。

主要基于西部電力協(xié)調(diào)委員會對2022年的長期預測，對未來一年的系統(tǒng)運行進行了模擬。針對可再生能源兩種水平的滲透對電力系統(tǒng)的運行進行了模擬:①基礎可再生能源情形——對應于WI美國部分2022年可再生能源發(fā)電的14%;②強風可再生能源情形——對應于WI美國部分2022年可再生能源發(fā)電的33%。

分析采用了基于成本和市場的兩種方法?；诔杀镜姆椒ㄟ\用于整個WI和SMUD的模擬，而基于市場的方法(作為基于投標的電力市場)則被運用于加利福尼亞州的模擬。PLEXOS生產(chǎn)成本模擬針對3種情況進行:①沒有任何PSH電站;②采用現(xiàn)有的固定速度(FS)的PSH電站;③采用現(xiàn)有的FS和額外AS的PSH電站。擬建的3個新PSH項目(鷹山、愛荷華山和天鵝湖北)被作為AS PSH的代表項目。

3 主要研究成果

3.1 節(jié)省發(fā)電成本

研究確認PSH電站可極大降低電力系統(tǒng)的運行成本。表1總結了2022年因PSH裝機容量而節(jié)省的系統(tǒng)總發(fā)電成本，結果顯示，系統(tǒng)中可再生能源資源的滲透率越高，發(fā)電成本便會越節(jié)省。

3.2 能源套利

采用基于市場的方法對2022年的加利福尼亞州系統(tǒng)進行了PLEXOS模擬，該方法可對基于年每小時電力的節(jié)點邊際價格(LMP)的能源套利價值進行詳細分析。模擬結果表明，當放棄過量的間歇性能源時，強風情形下間歇性能源(風能和太陽能)的高滲透率可保持平均節(jié)點邊際價格較低并經(jīng)常為負。由此，強風情形下PSH電站的抽水蓄能成本也比較低，因為抽水蓄能大部分由會被放棄的過量間歇性能源發(fā)電提供。因此，盡管平均節(jié)點邊際價格較低，源自能源套利的抽水蓄能收益仍比系統(tǒng)中更高水平的間歇性能源發(fā)電要高，主要是因為白天較低的抽水成本和多泵發(fā)電循環(huán)。

3.3 旋轉(zhuǎn)備用容量

FS與AS PSH電站的綜合裝機不足2022年整個WI系統(tǒng)裝機的3%，基于此，研究發(fā)現(xiàn)PSH電站向系統(tǒng)提供了大量的備用容量。隨著AS PSH電站的增加，其對WI和加利福尼亞州備用容量的貢獻也顯著增加。調(diào)控和靈活的備用容量增幅相當大，因為AS PSH電站也可以在抽水運行模式下提供這些服務。這些備用容量在電力系統(tǒng)靈活性較低時尤其必要，例如夜間。

表1 2022年因PSH裝機容量而節(jié)省的生產(chǎn)成本

3.4 間歇性能源的整合

PSH電站提供了大量非常靈活的系統(tǒng)容量以抗衡風能和太陽能發(fā)電的間歇性和不確定性，從而使得間歇性可再生能源在電力系統(tǒng)中的滲透率更高。研究結果清楚表明了PSH電站在盡量利用風能方面的重要性，尤其是在強風情形下。例如，PLEXOS對WI在強風可再生能源情形下的模擬結果表明，PS與AS PSH電站將放棄的間歇性可再生能源的發(fā)電量減少了12675 GW·h，換句話說，如果沒有PSH電站運行，總放棄量則約為22%。假設裝機容量的利用率為30%，節(jié)省的12675 GW·h發(fā)電量相當于裝機5000MW的風電的年均發(fā)電量。

3.5 減少火電機組的熱循環(huán)

PSH電站容量的靈活性、出力迅速增加的特點及負載均衡運行為火電機組創(chuàng)建了一個更為平坦的凈負荷曲線，使其能夠在一個更穩(wěn)定的模式下運行，因此減少了增加出力和頻繁啟閉的需要。PLEXOS對WI的模擬結果顯示，2022年已有的FS和新的AS PSH電站可將火電機組起動次數(shù)和啟動成本減少20%～30%。

由于其運行的靈活性及出力迅速增加的特點，PSH電站也減少了增加火電機組出力的需求。模擬結果顯示，到2022年，WI和加利福尼亞州PSH電站可使火電機組總出力減少34%。

3.6 PSH對電力系統(tǒng)排放的影響

針對WI的模擬結果顯示，在基礎可再生能源情形下，二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)的排放會增加;而在強風可再生能源情形下，PSH電站的運行會減少整個系統(tǒng)的排放。這主要是由于可用于電站抽水的更多風能和PSH在盡量利用風能方面的影響，抵消了火電機組為提供額外的抽水能量而增加的排放。

針對加利福尼亞州的研究結果顯示，在基礎和強風可再生能源情形下，CO2和NOx排放都有所減少，而SO2的排放有所增加。加利福尼亞州和WI的結果不同是因為這兩個電力系統(tǒng)的發(fā)電組合不同。

SMUD系統(tǒng)的減排最為顯著。擬建的愛荷華山AS PSH電站可減少兩種可再生能源情形下SMUD系統(tǒng)的污染物排放。

4 PSH的價值

歷史上PSH電站的好處通常只涉及能源套利和提供應急備用容量，但該項研究表明PSH電站可為電力系統(tǒng)提供很多其他的好處。除了可將更多的風能和太陽能資源整合進系統(tǒng)和盡量利用間歇性可再生能源外，PSH電站還可降低整個系統(tǒng)的發(fā)電成本，為系統(tǒng)運行提供靈活多樣的備用容量，減少火電機組的熱循環(huán)與出力，緩解輸電阻塞，提高系統(tǒng)運行的可靠性等。此外，因在系統(tǒng)中存在大量間歇性可再生能源，PSH電站往往對系統(tǒng)排放有一個積極的影響，因為很大一部分抽水蓄能是由風能和太陽能發(fā)電提供的。該項研究也表明，PSH電站的價值隨著系統(tǒng)中間歇性可再生能源的不斷滲透而會得到提升。