王斌，蘇適，邵武，周偉，楊雋，楊家全（.玉溪供電局，云南玉溪　65399；.　云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明　6507）

抽水蓄能電站節(jié)能效益綜合分析系統(tǒng)＊

王斌1，蘇適2，邵武1，周偉1，楊雋1，楊家全2
（1.玉溪供電局，云南玉溪653199；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明650217）

摘要：抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷和促進(jìn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的作用，以一定的能源消耗為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能降耗、電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、用戶(hù)供電質(zhì)量的提高等效益。本文對(duì)抽水蓄能電站所產(chǎn)生節(jié)能減排效益進(jìn)行了定量評(píng)估，細(xì)化計(jì)算了抽水蓄能電站的靜態(tài)效益和動(dòng)態(tài)效益，對(duì)照系統(tǒng)抽水蓄能電站是否運(yùn)行的情況下的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，分析抽水蓄能的容量效益、移峰填谷效益、動(dòng)態(tài)效益等多項(xiàng)能效指標(biāo)，將各類(lèi)效益計(jì)算模型封裝制作成軟件，形成用戶(hù)友好型交互界面。本文開(kāi)發(fā)的抽水蓄能電站節(jié)能效益綜合分析系統(tǒng)，可根據(jù)輸入的實(shí)際抽水蓄能電站參數(shù)計(jì)算當(dāng)前工作模式的節(jié)能減排效益，操作便捷，具有良好的可讀性。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能；調(diào)峰填谷；節(jié)能效益；定量評(píng)估

本文引用格式：王斌，蘇適，邵武，等．抽水蓄能電站節(jié)能效益綜合分析系統(tǒng)[J]．新型工業(yè)化，2015，5（7）：8-17

Citation:WANGBin,SUShi,SHAOWu,etal.AComprehensiveSystemforEnergyConservationBenefits AnalysisinPumpedStoragePowerStation[J].TheJournalofNewIndustrialization,2015,5（7）:8-17.

0　引言

進(jìn)入21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展期以來(lái)，我國(guó)已成為世界上最大的能源消費(fèi)大國(guó)之一[1]，我國(guó)的電力負(fù)荷急劇增長(zhǎng)，電網(wǎng)的峰谷差越來(lái)越大，這都給電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性帶來(lái)不可忽視的潛在威脅[2-4]。南方電網(wǎng)作為世界上較復(fù)雜的電網(wǎng)，強(qiáng)直弱交特性明顯，負(fù)荷峰谷差大，隨著西電東送的步伐進(jìn)一步增大以及可再生能源發(fā)電的發(fā)展，在豐水期負(fù)荷高峰以及春節(jié)等調(diào)峰困難時(shí)期，電網(wǎng)安全可靠供電的壓力將越來(lái)越大[5-7]。因此，在南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)大力發(fā)展作為電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)器的抽水蓄能電站，對(duì)保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有顯著的意義[8]。

抽水蓄能電站對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的作用主要有如下兩點(diǎn)[9，10]：一是通過(guò)減小電網(wǎng)峰谷差，改善系統(tǒng)調(diào)峰能力；二是提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。我國(guó)抽水蓄能機(jī)組建設(shè)起步晚，關(guān)于抽水蓄能的效益分析、經(jīng)營(yíng)模式一直在研究中，已投產(chǎn)的電站的經(jīng)營(yíng)管理模式也處在摸索階段，現(xiàn)存的電網(wǎng)統(tǒng)一經(jīng)營(yíng)、容量租賃等經(jīng)營(yíng)方式都不完美。在“廠網(wǎng)分開(kāi)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”新形式下，抽水蓄能與大型火力發(fā)電公司共同聯(lián)合運(yùn)營(yíng)的方式被提出[11-13]。

抽水蓄能電站的經(jīng)營(yíng)模式與其收益的評(píng)價(jià)有關(guān)，其關(guān)鍵在于對(duì)電站的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)效益進(jìn)行定量評(píng)估。目前相關(guān)大部分研究都是考慮將抽水蓄能放到一個(gè)大電力系統(tǒng)中考慮，難以具體計(jì)算出每個(gè)受益者的受益量[14-17]。

基于以上事實(shí)，本文考慮建立一個(gè)抽水蓄能電站和一個(gè)火力發(fā)電廠聯(lián)合運(yùn)行的模型，從靜態(tài)效益和動(dòng)態(tài)效益兩個(gè)方面，通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)有無(wú)抽蓄情況下的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，分析抽水蓄能電站的節(jié)能減排效益，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)綜合節(jié)能減排效益分析系統(tǒng)軟件，用于計(jì)算抽水蓄能電站當(dāng)前工況下的節(jié)能減排效益。

軟件以JAVA語(yǔ)言為基礎(chǔ)，并結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過(guò)接口調(diào)用Matlab程序，滿(mǎn)足調(diào)峰調(diào)頻對(duì)多因素影響下抽水蓄能電站效益的計(jì)算，計(jì)算模型具有良好的可讀性、易維護(hù)性，交互界面設(shè)計(jì)符合用戶(hù)友好原則。

1　抽水蓄能電站節(jié)能減排效益分析

1.1靜態(tài)效益分析

靜態(tài)效益重點(diǎn)從容量效益和移峰填谷效益兩方面進(jìn)行分析。其中，容量效益是指由抽水蓄能電站代替部分火電用作電力系統(tǒng)的工作和備用容量，以減少火電裝機(jī)從而降低了系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用；移峰填谷效益是指抽蓄投運(yùn)后，其調(diào)峰作用及對(duì)火電運(yùn)行條件的改善而對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的節(jié)煤效益與抽水發(fā)電過(guò)程中的損耗增加兩者間的差值。

本文采用“有無(wú)對(duì)比法”，對(duì)有抽水蓄能情況和無(wú)抽水蓄能時(shí)的全網(wǎng)消耗標(biāo)煤進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)抽水蓄能電站的容量效益和移峰填谷效益進(jìn)行測(cè)算。

1.1.1容量效益分析

容量效益采用“等效替代法”計(jì)算，用抽水蓄能機(jī)組等效替代火電機(jī)組，容量效益為替代方案與初擬方案間投資運(yùn)行費(fèi)用的差額。

容量效益計(jì)算公式如下：

上述式（1）～（3）中，ηcap為抽水蓄能機(jī)組總效益，ηcap（inv）為抽水蓄能機(jī)組投資效益，ηcap（ope）為抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行效益，Qpsc為抽水蓄能機(jī)組容量，λcrr為容量替代率，ξtpi為火電機(jī)組單位（kW）投資，為抽蓄單位（kW）投資，為火電固定運(yùn)行費(fèi)率，為抽蓄定運(yùn)行費(fèi)率。

圖1　容量效益趨勢(shì)圖Fig.1　The　capacity　benefit　trend　chart

容量效益計(jì)算按照南網(wǎng)抽水蓄能裝機(jī)容量從4200MW增加到12080MW時(shí)，節(jié)省的電源建設(shè)投資和固定運(yùn)行費(fèi)用趨勢(shì)如圖1所示，圖1橫坐標(biāo)為抽水蓄能裝機(jī)容量（MW），縱坐標(biāo)為費(fèi)用（億元）。由圖1可以看出節(jié)省的固定運(yùn)行費(fèi)用、投資與蓄能機(jī)組裝機(jī)容量呈線性關(guān)系。隨著抽蓄容量的增加，所帶來(lái)投資效益和固定運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約效益都會(huì)增大。

1.1.2移峰填谷效益分析

抽水蓄能電站的移峰填谷作用，指抽蓄在用電負(fù)荷低谷時(shí)段將熱力機(jī)組發(fā)出的超出負(fù)荷的剩余電能通過(guò)抽水轉(zhuǎn)化為水位能儲(chǔ)存起來(lái)，在用電負(fù)荷高峰期再將儲(chǔ)存的水位能釋放轉(zhuǎn)化為電能用以分擔(dān)熱力機(jī)組的頂峰壓力，簡(jiǎn)而言之就是將高峰期的負(fù)荷移放到低谷期，使火電出力能夠盡量保持平穩(wěn)，既減輕了高峰期火電機(jī)組的壓力，也避免了低谷期火電因降出力造成的效率降低。因此移峰填谷產(chǎn)生的效益是雙重的。

移峰填谷能效分析是基于電站實(shí)際的上網(wǎng)電量和下網(wǎng)電量，即電站實(shí)際能效為上網(wǎng)電量與下網(wǎng)電量的比值。首先，通過(guò)下網(wǎng)電量提供的電能進(jìn)行抽水，將下庫(kù)水能抽到上庫(kù)蓄能待發(fā)電；然后，利用上庫(kù)的水能進(jìn)行發(fā)電，在扣除水能損耗、能量轉(zhuǎn)換損失和綜合廠用電損失后，產(chǎn)生的電量即為上網(wǎng)電量。

考慮到抽水蓄能電站本身有一部分的電量消耗是固定不變的，因此，當(dāng)?shù)凸绕诔樗钅茈娬驹黾影l(fā)電時(shí)，其下網(wǎng)電量不僅僅是抽水電量，還包括一部分是一直需要消耗的電量，高峰期抽水蓄能電站發(fā)電時(shí)，其減少的系統(tǒng)中的高能耗電廠的發(fā)電量，也不僅僅是此時(shí)的上網(wǎng)電量，而是抽水蓄能電站的上網(wǎng)電量+原先的用電量，因此在考慮抽水蓄能電站移峰填谷效益時(shí)，抽水蓄能電站能效研究應(yīng)從“動(dòng)態(tài)”的角度進(jìn)行考慮。

所謂動(dòng)態(tài)能效是指抽水蓄能電站在跟隨電網(wǎng)負(fù)荷變化進(jìn)行移峰填谷時(shí)，抽水蓄能電站對(duì)增加的低谷發(fā)電量的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率，具體來(lái)說(shuō)，就是說(shuō)讓系統(tǒng)增加的單位低谷期發(fā)電量Qg，最終能在高峰期少發(fā)的發(fā)電量Qf。

因此，在進(jìn)行抽水蓄能電站移峰填谷效益計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用電站的動(dòng)態(tài)能效。其效益為抽水蓄能機(jī)組不工作和工作兩種情況下全網(wǎng)火電機(jī)組消耗標(biāo)煤的差值，其中抽水蓄能約束條件：

其中，s為抽水蓄能機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)的時(shí)刻點(diǎn)集合，Pp.s為在發(fā)電負(fù)荷點(diǎn)所有抽蓄機(jī)組的總出力；t為抽水蓄能機(jī)組處于抽水狀態(tài)的時(shí)刻點(diǎn)集合，Pp.t為在抽水負(fù)荷點(diǎn)所有抽蓄機(jī)組的總出力，η為抽水蓄能電站動(dòng)態(tài)能效。

抽水蓄能電站動(dòng)態(tài)能效所要研究就是當(dāng)抽水蓄能機(jī)組跟隨負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)峰填谷時(shí)，電站實(shí)際的動(dòng)態(tài)能效水平。一般認(rèn)為，抽水蓄能電站在實(shí)現(xiàn)移峰填谷效益時(shí)，是利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷期抽水用4度電換取電網(wǎng)負(fù)荷高峰期發(fā)出3度電，即綜合效率為75%左右，其中能量損失占25%左右。

1.2動(dòng)態(tài)效益分析

目前，抽水蓄能動(dòng)態(tài)效益的定量評(píng)估一般采用分項(xiàng)求和的方法，其主要思想是將抽蓄容量按功能進(jìn)行分類(lèi)，各類(lèi)容量分別定量化計(jì)算動(dòng)態(tài)效益，再累加求和得到總的動(dòng)態(tài)效益。動(dòng)態(tài)效益中最主要的是事故備用效益和調(diào)頻效益。

事故備用動(dòng)態(tài)效益是指以抽水蓄能電站的部分裝機(jī)容量代替部分火電作為系統(tǒng)的事故備用容量，從而減少火電的規(guī)劃容量或運(yùn)行時(shí)的開(kāi)機(jī)容量，由此帶來(lái)的節(jié)省投資和煤耗的效益。事故備用效益的算法流程如圖2所示。

調(diào)頻效益分為負(fù)荷備用效益和負(fù)荷跟蹤效益。根據(jù)美國(guó)電科院Prof.A.Ferreir的研究成果，負(fù)荷備用效益與跟蹤效益相當(dāng)。因此，本文僅考慮負(fù)荷備用效益，負(fù)荷備用效益的兩倍即為調(diào)頻效益。

火電運(yùn)行時(shí)需要留出部分機(jī)組作為旋轉(zhuǎn)備用，以維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，這部分機(jī)組不能滿(mǎn)出力運(yùn)行，因此運(yùn)行效率較低。而抽水蓄能具有快速啟停、出力變化范圍大等特點(diǎn)，在系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)能迅速地調(diào)整出力，代替旋轉(zhuǎn)備用的火電機(jī)組起保持頻率穩(wěn)定的作用，獲得的效益即為負(fù)荷備用效益。負(fù)荷備用效益評(píng)估和事故備用效益評(píng)估類(lèi)似，僅故障模擬轉(zhuǎn)換為擾動(dòng)模擬，發(fā)電機(jī)組出力、抽水蓄能機(jī)組出力等同等于事故備用取值，具體流程不作贅述。

1.3抽水蓄能機(jī)組不工作情況下負(fù)荷最優(yōu)分配模型

負(fù)荷最優(yōu)分配目標(biāo)函數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足96個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的火電機(jī)組總煤耗最小，即：

式中，F(xiàn)1為火電機(jī)組典型日的總煤耗，nh為根據(jù)機(jī)組組合確定了火電機(jī)組的開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，phki為第k臺(tái)火電機(jī)組在第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的實(shí)際出力，gk為第k臺(tái)機(jī)組的煤耗曲線函數(shù)。式（5）應(yīng)滿(mǎn)足的約束條件包括有功約束、水量約束、火電出力約束和水電出力約束，如下所示。

b）水量約束：

式中，phki意義同上psji為相應(yīng)的第j臺(tái)水電機(jī)組在第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的實(shí)際出力，為火電機(jī)組在第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的總出力，nh為水電機(jī)組的開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，PL1、PL2、…、PL96為典型日96個(gè)時(shí)刻點(diǎn)去無(wú)調(diào)節(jié)水電廠出力、核電出力以及強(qiáng)迫出力后的實(shí)際負(fù)荷。

b）水量約束：

其中，除變量W外，其他變量含義如前述，W為典型日水電機(jī)組總水量。

c）火電出力約束：

其中，phkmin為第k臺(tái)火電機(jī)組的最小出力，phkmax為第k臺(tái)火電機(jī)組的最大出力。

d）水電出力約束：

其中，psjmin為第j臺(tái)水電機(jī)組的最小出力，psjmax為第j臺(tái)水電機(jī)組的最大出力。

1.4抽水蓄能機(jī)組工作情況下負(fù)荷最優(yōu)分配模型

抽水蓄能機(jī)組工作時(shí)，還應(yīng)考慮機(jī)組工作情況下的負(fù)荷最優(yōu)分配，即滿(mǎn)足有功功率在火電廠和有功調(diào)節(jié)水電廠的可調(diào)功率之和在抽水蓄能水電廠之間的最優(yōu)分配，其負(fù)荷分配最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)為：

上式的含義在于負(fù)荷分配最優(yōu)的目標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足96個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的火電機(jī)組總煤耗最小，式中，F(xiàn)2為火電機(jī)組典型日的總煤耗，nh為根據(jù)機(jī)組組合確定了的火電機(jī)組的開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，pki為第k臺(tái)火電機(jī)組在第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的實(shí)際出力，gk為第k臺(tái)機(jī)組的煤耗曲線函數(shù)。該目標(biāo)函數(shù)的約束條件如下：

a）有功約束：

式中，phki為第k臺(tái)火電機(jī)組在第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的實(shí)際出力，為火電機(jī)組在第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的總出力，psji第j臺(tái)水電機(jī)組在第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的實(shí)際出力，為水電機(jī)組在第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的總出力，ns為水電機(jī)組的開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，pcri為第r臺(tái)抽蓄機(jī)組在第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的實(shí)際出力，為抽蓄機(jī)組在第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的總出力，nc為抽蓄機(jī)組的開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，PL1，PL2，…，PL96為典型日96個(gè)時(shí)刻點(diǎn)除去無(wú)調(diào)節(jié)水電廠出力、核電出力以及強(qiáng)迫出力后的實(shí)際負(fù)荷。

b）水電約束條件、c）火電出力約束條件和d）水電出力約束條件分別同式（7）、式（8）和式（9）。

e）抽水蓄能約束條件為：

式中，s為抽水蓄能機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)的時(shí)刻點(diǎn)集合，Pp.s為在發(fā)電負(fù)荷點(diǎn)所有抽蓄機(jī)組的總出力，t為抽水蓄能機(jī)組處于抽水狀態(tài)的時(shí)刻點(diǎn)集合，Pp.t為在抽水負(fù)荷點(diǎn)所有抽蓄機(jī)組的總出力，η為抽水蓄能電站效率。

f）抽水蓄能出力約束條件為：

式中，s為抽水蓄能機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)的時(shí)刻點(diǎn)，t為抽水蓄能機(jī)組處于抽水時(shí)刻狀態(tài)的時(shí)刻點(diǎn)，Pp.rmax為第r臺(tái)抽蓄機(jī)組的最大出力，Pp.rs為第r臺(tái)抽蓄機(jī)組在s時(shí)刻點(diǎn)的出力，Pp.rt為第r臺(tái)抽蓄機(jī)組在t時(shí)刻點(diǎn)的出力。

1.5移峰填谷效益計(jì)算模型

移峰填谷效益為抽蓄不工作與抽蓄工作情況下全網(wǎng)火電機(jī)組消耗標(biāo)煤的差值，即：

2　抽水蓄能電站節(jié)能減排效益模型

抽水蓄能的節(jié)能減排靜態(tài)效益主要分析容量效益、移峰填谷效益、抽蓄對(duì)新能源效益和抽蓄下庫(kù)小水電節(jié)能減排效益。1.1.1節(jié)中已分析過(guò)容量效益模型，下面重點(diǎn)討論其余幾個(gè)效益的影響因素。

2.1移峰填谷效益影響因素分析

影響移峰填谷效益的因素主要有抽蓄的裝機(jī)容量、全網(wǎng)的用電量、峰谷系數(shù)。

2.1.1裝機(jī)容量影響分析

裝機(jī)容量對(duì)抽蓄效益的影響，以豐水期典型日負(fù)荷曲線為分析基礎(chǔ)，典型日負(fù)荷曲線最大負(fù)荷117343.75MW，最小負(fù)荷78552.09MW，峰谷差率0.331，日用電量23.76億kWh。在裝機(jī)容量從1200MW開(kāi)始每增加600MW容量的情況下，有無(wú)抽蓄消耗標(biāo)煤的對(duì)比如圖3所示，節(jié)煤效益隨抽蓄裝機(jī)容量變化趨勢(shì)如圖4所示。圖3和圖4中橫坐標(biāo)均為裝機(jī)容量（MW），圖3縱坐標(biāo)為全網(wǎng)消耗標(biāo)煤煤耗（噸），圖4縱坐標(biāo)為節(jié)約標(biāo)煤（噸）。

由圖3和圖4可知，節(jié)煤效益隨抽蓄容量變化結(jié)果可以得到隨著抽水蓄能裝機(jī)容量的增加，抽蓄節(jié)約的標(biāo)煤是增加的，且增長(zhǎng)趨勢(shì)是從快到緩變化的。

2.1.2全網(wǎng)用電量影響分析

電力系統(tǒng)最大負(fù)荷的變化情況可以用年最大負(fù)荷曲線表示，年最大負(fù)荷曲線由從年初到年末逐日（或旬或月）的最大負(fù)荷組成。如果一年四季中每季取一個(gè)典型的日負(fù)荷曲線，由年最大負(fù)荷曲線可以

圖3　有無(wú)抽蓄消耗標(biāo)煤對(duì)比圖Fig.3　The　standard　coal　consumption　comparison　chart　in case　of　whether　having　pumped　storage

圖4　節(jié)煤效益隨抽蓄裝機(jī)容量變化趨勢(shì)圖Fig.4　The　changing　trend　diagram　of　coal　saving　benefits according　to　the　capacity　of　the　pumped　storage　unit

圖5　節(jié)煤效益隨典型日電量變化趨勢(shì)圖Fig.5　The　changing　trend　diagram　of　coal　saving　benefits according　to　the　electric　energy　of　typical　days

圖6　節(jié)煤效益隨峰谷差率變化趨勢(shì)圖Fig.6　The　changing　trend　diagram　of　coal　saving　benefits according　to　the　peak-valley　difference

節(jié)煤效益隨典型日電量變化趨勢(shì)如圖5所示。從圖5可以看出：在用電量為基準(zhǔn)用電量的0.825倍之前時(shí)，節(jié)煤效益隨日用電量的增長(zhǎng)而下降，這是由于日用電量較小時(shí)火電開(kāi)機(jī)機(jī)組為容量600MW及以上容量的機(jī)組，抽蓄工作時(shí)電量增長(zhǎng)帶來(lái)煤耗增加的增長(zhǎng)率小于由高峰負(fù)荷較高微增率替換低谷負(fù)荷較小微增率帶來(lái)的節(jié)煤增長(zhǎng)率，此時(shí)存在節(jié)煤效益，但卻是隨著用電量的增長(zhǎng)而減少的；在0.825～0.955倍區(qū)間時(shí)主要增開(kāi)300MW的機(jī)組，此時(shí)高微增率負(fù)荷點(diǎn)替換低微增率負(fù)荷點(diǎn)帶來(lái)的節(jié)煤率增大，此時(shí)隨著電量增長(zhǎng)效益增加，用電量為基準(zhǔn)用電量的0.955倍到1.075倍之間時(shí)，增開(kāi)300MW機(jī)組的最低出力較小，此時(shí)效益略減。用電量為基準(zhǔn)用電量的1.075倍到1.2倍之間時(shí)，增開(kāi)300MW以下機(jī)組，替換效益增加，此時(shí)隨著電量增長(zhǎng)，節(jié)煤效益增大。

2.1.3峰谷系數(shù)影響分析

電力系統(tǒng)日最大與最小負(fù)荷之差即為峰谷差。影響負(fù)荷峰谷差數(shù)值的主要因素有負(fù)荷組成、季節(jié)變化和節(jié)假日等。不同峰谷差率對(duì)應(yīng)的抽蓄節(jié)煤效益趨勢(shì)如上圖6所示，其中橫坐標(biāo)為峰谷差率，縱坐標(biāo)為節(jié)約標(biāo)煤（噸）。由圖6可以看出：隨著峰谷差率的增大，抽蓄的節(jié)煤效益也隨之增長(zhǎng)。這是由于在日用電量不變的情況下，峰谷差率增大，最大負(fù)荷變大，最小負(fù)荷變??；由于調(diào)峰主要由火電機(jī)組承擔(dān)，因此火電的出力曲線也會(huì)跟隨負(fù)荷曲線變化，火電機(jī)組的最大出力變大，最小出力變?。粚?duì)應(yīng)火電最大出力時(shí)段附近的煤耗微增率增大，對(duì)火電最小時(shí)段附近的煤耗微增率減小，因此，抽蓄進(jìn)行移峰填谷的效益增加。

2.2抽蓄情況下的新能源效益分析

由于風(fēng)力發(fā)電具有不確定性，容易出現(xiàn)因當(dāng)?shù)刎?fù)荷與風(fēng)力發(fā)電量不匹配導(dǎo)致電量無(wú)法消納的問(wèn)題，在跨區(qū)域線路網(wǎng)架不成熟的情況下，剩余電量無(wú)法被輸送出去，造成比較嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象；抽水蓄能為風(fēng)電消納提供了一條有效的解決路徑，通過(guò)其與風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)合運(yùn)行，可提高風(fēng)電的利用率，有效減少棄風(fēng)電量。

棄風(fēng)電量一般發(fā)生在負(fù)荷低谷期間，考慮減少風(fēng)電的棄風(fēng)電量所帶來(lái)的效益分兩種邊界情況進(jìn)行探討，一類(lèi)是抽水蓄能機(jī)組沒(méi)有富余容量，另一類(lèi)是抽水蓄能機(jī)組有足夠的富余容量；實(shí)際減少風(fēng)電棄風(fēng)電量帶來(lái)的效益應(yīng)該位于這兩類(lèi)情況帶來(lái)的效益之間。

抽水蓄能機(jī)組沒(méi)有富余容量的情況下，在負(fù)荷低谷時(shí)，本文將棄風(fēng)電量利用起來(lái)，就能減少煤耗較高的火電機(jī)組在負(fù)荷低谷時(shí)的發(fā)電量。通過(guò)減少風(fēng)電廠棄風(fēng)電量而帶來(lái)的節(jié)煤效益計(jì)算公式為：

抽水蓄能機(jī)組有足夠的富余容量的情況下，負(fù)荷低谷時(shí)充分利用起抽水蓄能機(jī)組的富余容量，并將棄風(fēng)電量利用起來(lái)，火電機(jī)組的發(fā)電量不變；高峰負(fù)荷時(shí)，由抽水蓄能機(jī)組蓄能儲(chǔ)存起來(lái)的能量到達(dá)高峰負(fù)荷發(fā)電，使得在高峰負(fù)荷時(shí)火電機(jī)組的發(fā)電量減少，減少的發(fā)電量為棄風(fēng)電量乘以抽蓄的循環(huán)效率，此時(shí)，所替代的機(jī)組仍為高峰負(fù)荷時(shí)單位煤耗較大的機(jī)組。通過(guò)減少風(fēng)電廠棄風(fēng)量而帶來(lái)的節(jié)煤效益為：

圖7　減少棄風(fēng)電量對(duì)應(yīng)節(jié)煤效益Fig.7　The　corresponding　coal　saving　benefits　in　reducing　the abandonment　capacity　of　wind　power

上圖7為上述兩種情況對(duì)應(yīng)的節(jié)煤效益，其中，橫坐標(biāo)為年份，縱坐標(biāo)為節(jié)煤效益（億元）。從圖7可以看出，減小棄風(fēng)電量和相應(yīng)節(jié)煤效益的實(shí)際值在紅色和藍(lán)色曲線之間。據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出抽水蓄能挽救棄風(fēng)電量的節(jié)煤效益與棄風(fēng)電量成正相關(guān)的關(guān)系。

2.3抽水蓄能電站下庫(kù)小水電節(jié)能減排效益

抽水蓄能電站為了使電站水頭始終處于某額定值附近，需要對(duì)上下庫(kù)水位進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，即在豐水期對(duì)下庫(kù)進(jìn)行泄洪排水。為了能充分利用下庫(kù)排放的余水，在下庫(kù)建立下庫(kù)壩小水電站，不僅可以由其進(jìn)行發(fā)電，帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益，還可以實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)功能，產(chǎn)生黑啟動(dòng)效益。

如下表1為廣蓄下庫(kù)小水電的節(jié)能減排效益，根據(jù)表中的計(jì)算結(jié)果可知，廣蓄下庫(kù)小水電每年帶來(lái)的節(jié)能減排效益可觀，如2013年，下庫(kù)小水電總發(fā)電量可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤耗456.26噸，節(jié)約成本410637.6元，減少CO2排放1137.47噸，效益顯著。

表1　廣蓄下庫(kù)小水電節(jié)能減排效益分析Tab.1　The　energy-saving　and　emission　reduction　benefits　analysis　of　small　hydropower　in　wide　storage　pool

2.4節(jié)能減排靜態(tài)總效益模型

抽水蓄能的節(jié)能減排靜態(tài)效益主要由容量效益、移峰填谷效益、挽救棄風(fēng)電量帶來(lái)的節(jié)能減排效益和小水電節(jié)能減排效益構(gòu)成：

3　抽水蓄能電站節(jié)能效益綜合分析軟件開(kāi)發(fā)

抽水蓄能電站節(jié)能效益綜合分析軟件主要功能是計(jì)算抽水蓄能電站節(jié)能減排靜態(tài)總效益，根據(jù)實(shí)際的抽水蓄能電站的裝機(jī)容量、全網(wǎng)用電量、峰谷系數(shù)、風(fēng)電裝機(jī)容量、抽蓄下庫(kù)小水電裝機(jī)容量等因素來(lái)計(jì)算抽水蓄能電站在當(dāng)前工作模式的節(jié)能減排效益。

該軟件以Java語(yǔ)言編制而成，并采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。軟件通過(guò)Java與Matlab的接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Matlab算法的調(diào)用，從而將Java良好的界面設(shè)計(jì)功能和Matlab強(qiáng)大的計(jì)算能力結(jié)合起來(lái)。如下圖8為軟件主界面，第一次使用需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)初始化，將MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

數(shù)據(jù)庫(kù)初始化成功后，即可進(jìn)行參數(shù)錄入和效益計(jì)算。以2013年南方電網(wǎng)豐水期抽蓄情況為例，典型日最大負(fù)荷為117344MW，最小負(fù)荷為78552MW，抽蓄裝機(jī)容量為4200MW，典型日日用電量為23.76億kWh，風(fēng)電裝機(jī)容量4240MW，風(fēng)電年利用小時(shí)1972h。根據(jù)抽水蓄能電站的實(shí)際情況輸入抽水蓄能裝機(jī)容量、典型日最大負(fù)荷、典型日最小負(fù)荷等六個(gè)參數(shù)，如圖9所示，確認(rèn)無(wú)誤后點(diǎn)擊“保存”和“計(jì)算”按鈕，即可自動(dòng)計(jì)算出容量效益、移峰填谷效益、挽救棄風(fēng)效益和小水電效益等各分項(xiàng)項(xiàng)效益及總的靜態(tài)效益，如圖10所示。

根據(jù)圖9和圖10，根據(jù)系統(tǒng)軟件計(jì)算得到：抽蓄的容量效益中投資收益為38.82億元/年，固定運(yùn)行費(fèi)用收益2.73億元/年；移峰填谷效益收益0.11億元/年，節(jié)約標(biāo)煤1.22萬(wàn)噸/年；挽救棄風(fēng)電量效益在抽蓄容量充足情況和不足情況下的收益分別為2.38億元/年和2.74億元/年，節(jié)約標(biāo)煤分別為26.49萬(wàn)噸/年和30.41萬(wàn)噸/年；小水電節(jié)能減排效益收益為0.01億元/年，節(jié)約標(biāo)煤0.11萬(wàn)噸/年。綜合靜態(tài)總效益收益為5.23～5.58億元/年，節(jié)約標(biāo)煤27.81～31.73萬(wàn)噸/年。

計(jì)算結(jié)果可以導(dǎo)出為Excel文件并保存在本地，供后續(xù)查詢(xún)統(tǒng)計(jì)使用，如圖11所示。

圖8　抽水蓄能電站節(jié)能效益綜合分析系統(tǒng)主界面Fig.8　The　main　interface　of　the　designed　comprehensive system　for　energy　conservation　benefits　analysis　of　pumped storage　power　station

圖9　參數(shù)錄入界面Fig.9　The　parameters　input　interface

圖10　綜合效益計(jì)算Fig.10　Comprehensive　benefits　calculation

圖11　計(jì)算結(jié)果生成Excel表格Fig.11　The　Excel　table　formed　by　the　calculation　results

4　總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)有、無(wú)抽水蓄能電站的節(jié)能效益指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)抽水蓄能電站靜態(tài)效益和動(dòng)態(tài)效益兩方面進(jìn)行了節(jié)能減排效益分析；搭建了抽水蓄能機(jī)組不工作和工作情況下的負(fù)荷最優(yōu)分配模型及移峰填谷效益計(jì)算模型；同時(shí)搭建了本文核心的抽水蓄能電站節(jié)能減排效益分析模型，并開(kāi)發(fā)了用于抽水蓄能電站的節(jié)能減排效益計(jì)算的JAVA軟件系統(tǒng)，能根據(jù)用戶(hù)輸入的裝機(jī)容量和負(fù)荷情況等數(shù)據(jù)快速計(jì)算抽水蓄能電站的節(jié)能減排效益，計(jì)算結(jié)果可通過(guò)生成Excel文檔進(jìn)行本地存檔。

抽水蓄能電站可達(dá)到削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和旋轉(zhuǎn)備用的目標(biāo)，通過(guò)對(duì)抽水蓄能電站的節(jié)能效益進(jìn)行綜合分析，可有效提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量和供電可靠性，提高全系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可靠性。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.07.002

基金項(xiàng)目：＊中國(guó)南方電網(wǎng)科技項(xiàng)目資助（K-YN2014-145）

作者簡(jiǎn)介：王斌，男，通信作者，云南玉溪供電局生產(chǎn)設(shè)備管理部，本科，工程師，主要從事研究方向：繼電保護(hù)，安全管理及配網(wǎng)運(yùn)行；蘇適，男，通信作者，云南電網(wǎng)電力科學(xué)研究院，碩士，高級(jí)工程師，主要從事方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)與主動(dòng)配電網(wǎng)，智能微網(wǎng)等；邵武，男，本科，工程師，玉溪供電局，主要從事方向?yàn)槔^電保護(hù)、整定計(jì)算、系統(tǒng)運(yùn)行和配網(wǎng)運(yùn)行等；周偉，男，本科，工程師，玉溪供電局生產(chǎn)設(shè)備管理部，主要從事方向?yàn)樯a(chǎn)技術(shù)管理；楊雋，男，本科，工程師，主要從事研究方向?yàn)榭萍脊芾?；楊家全，男，碩士，高級(jí)工程師，電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，主要從事方向?yàn)橹悄芘潆姟?/p>

A Comprehensive System for Energy Conservation Benefits Analysis in Pumped Storage Power Station

WANGBin1,SUShi2,SHAOWu1,ZHOUWei1,YANGJun1,YANGJia-quan2
(1. Yuxi Power Bureau, Yuxi 653199; 2. Electric Power Research Institute Co., Ltd. of Yunnan Power Grid, Kunming 650217)

Abstract:Thepumpedstoragepowerstationhaseffectsofpeakingandvalley-fillingandpromotingeconomicoperation ofpowergrid,basedoncostofenergyconsumption,whichcanrealizebenefitsimprovementofenergyconservationand consumptionreduction,safetyandstability,andpowersupplyqualityofthewholesystem.Inthispaper,thebenefitsofenergy savingandemissionreductiongeneratedbypumpedstoragepowerstationisquantitativelyevaluated,anditsstaticanddynamic benefitsarecalculatedthinly.Contrastwithvariousindexesofdataofpumpedstoragepowerstationincaseofwhetheroperating ornot,itscapacityandpeak-loadshiftinganddynamicbenefitsareanalyzed,andeachkindofbenefitcalculationmodelis encapsulatedintosoftwarewithuser-friendlyinterfacedesign.Thecomprehensivesystemforenergyconservationbenefits analysisofpumpedstoragepowerstationisintroducedinthispaper,andwhichcancalculatetheenergysavingandemission reductionbenefitsincurrentworkingmodeaccordingtoactualinputparametersofpumpedstoragepowerstation,andareeasy tooperateandhasgoodreadability.

Keywords:Pumpedstorage;Peakloadshiftingandvalley-filling;Energyconservationbenefit;Quantitativeassessment