抽水蓄能电站紧急事故备用功能研究

陈同法，张 毅，万正喜

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.国网新源控股有限公司北京十三陵电厂，北京市 102200；3.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江省安吉县 3133021）

抽水蓄能电站紧急事故备用功能研究

陈同法1，张 毅2，万正喜3

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.国网新源控股有限公司北京十三陵电厂，北京市 102200；3.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江省安吉县 3133021）

应对紧急事故是抽水蓄能电站的重要功能，特别是在特高压快速发展，电力系统发生重大变化的情况下，深入分析并充分发挥抽水蓄能的紧急事故应对功能，具有十分重要的意义。本文对抽水蓄能电站紧急事故备用功能进行较为系统的总结，并对近年来的技术进步进行理论提升，为抽水蓄能的科学发展提供理论参考。

抽水蓄能；电站；紧急事故；备用

0 引言

当前，我国抽水蓄能技术必要性和经济可行性论证的基本着眼点是“调峰填谷”。随着特高压在我国快速发展，我国大部分地区的电网特点发生了较为显著的变化，以“调峰填谷”作为基本着眼点不再符合我国大部分地区开发建设抽水蓄能的实际。相反，紧急事故应对功能已经成为我国大部分地区开发建设抽水蓄能的重要技术必要性指标。

特别地，抽水蓄能泵工况紧急切机功能，可以在“秒级”提供大容量有功负荷，是维护电网安全稳定的重要战略性电源资源。

1 传统“调峰填谷”理论的问题

（1）我国电力系统的发展改变了传统的抽水蓄能项目立项依据。

随着特高压直流输电、新能源和核电装机的快速发展，我国电网电源结构发生了显著变化，电网频率特性呈恶化趋势，大功率缺失情况下电网频率失稳的风险加大。华东、华中、华北等多直流馈入的受端电网，由于直流替代了大量常规机组，导致系统转动惯量大幅下降，系统调频容量大量减少，相同功率缺额造成的电网频率跌幅加大，频率特性恶化，低谷时段直流馈入功率较大时频率稳定问题更为突出。新能源装机的快速发展的“三北”地区，新能源出力占比增加，系统转动惯量和一次调频容量呈下降趋势，大功率缺失情况下，电网频率稳定水平降低。

另外，近年来火电机组大规模开展节能环保和增容改造，在机组效率提高的同时一次调频能力下降，高参数滑压机组更为明显。电网大功率缺失情况下，频率恢复较慢，甚至导致频率失稳。

大功率缺额情况下，电网频率恢复过程可以分为四个阶段：

阶段1：故障后0～3s，一次调频动作前电网频率迅速下跌。

阶段2：故障后3～30s，一次调频动作，频率下跌减缓，继续下跌至最低点后逐渐回升。

阶段3：故障30s后，二次调频启动，电网频率继续恢复。

阶段4：故障100s后，二次调频继续调整，抽蓄机组等快速电源启动，恢复并维持电网频率。

特别地，在阶段1，启动“抽水蓄能机组紧急频率控制系统”，抽水蓄能机组抽水工况紧急切机，可以有效提升系统的安全稳定运行水平。紧急事故备用功能是有关地区建设抽水蓄能电站的主要原因。传统理论只有“调峰填谷”一项定量决策指标，不再符合这些地区立项抽水蓄能项目的实际。

（2）抽水蓄能项目立项时不实质性考虑紧急事故备用功能效益，扭曲了项目的经济指标。

抽水蓄能的“调峰填谷”功能有多种技术替代方案，因而抽水蓄能的这一功能仅是一项普通的技术功能。随着我国抽水蓄能建设成本越来越高，抽水蓄能电站在系统中的装机占比越来越大，在“调峰填谷”背景下，其经济性很不容易体现。相反，紧急事故应对功能，特别是抽水工况下紧急切泵所提供的“秒级”应对功能，十分重要而且在电力系统的众多电源方案中没有替代方案。因此，有必要将紧急事故应对功能单独作为抽水蓄能电站的开发建设决策指标。

（3）传统理论不利用充分发挥抽水蓄能的紧急事故备用功能。

紧急事故备用功能是抽水蓄能机组的一项本质功能。传统的“调峰填谷”理论，对于抽水蓄能紧急事故备用功能的针对性不够强，不利于在技术方案上指导其优化提升这一功能并促进该功能充分发挥。

2 抽水蓄能机组的紧急事故应对功能特性

2.1 快速启动功能

抽水蓄能机组具备非常优良的快速启动特性，可以3min实现从停机到发电满载，从空载到发电满载在1min内，每一电站可以多台机组同时启动，可以为系统提供快速备用电源。以华东地区抽水蓄能电站（共约1000万kW）为例，这些电站能在紧急情况下为系统提供总计1000万kW的事故备用容量。在发生跨区输电通道故障、大机组跳闸导致大功率后，部署系统级抽水蓄能机组快速启动发电系统，可以短时提供较大容量的备用支援，大幅缩短频率越限或频率偏移的时间。

2.2 可在抽水工况紧急切机减荷

抽水蓄能机组在抽水工况运行时是电力系统的用户。从系统有功平衡的角度讲，在紧急情况下切除抽水机组这个用户，就相当于提供了相当于抽水容量的发电容量。

抽水蓄能机组可单台或多台同时停机。抽水机组正常停机时，导叶逐渐关闭，30%负荷（或者高达50%）时，机组出口开关分闸，抽水满负荷至发电电动机与电网解列时间约需15s，通过继电保护、安控装置（低周减载装置）的设定，紧急情况下，可以通过频率整定值启动紧急抽水停机，直接跳开机组出口断路器，切除系统负载，快速恢复系统安全稳定状态。

2.3 爬坡能力强

抽水蓄能机组的爬坡能力是指机组从稳定发电运行状态至机组发电满载的出力增加速率，一般在3～5MW/s，与常规水电相当，比火电机组每分钟1%～3%大得多。

3 抽水蓄能机组应对电力系统紧急事故的几种情况

3.1 传统电网的紧急事故备用

电力生产过程是连续进行的，发电和负荷及损耗之间必须时刻保持基本平衡。然而，电力系统不平衡、不稳定的因素非常多，必需相应规模的特殊电源予以应对。

应对电力系统紧急事故的传统方式有两种，一是预留常规火电机组的旋转备用容量，二是投入抽水蓄能或燃气机组等具有快速启停、快速转换、爬坡能力强的电源。

根据电网的调度规定，系统中旋转备用容量应为系统最高负荷的2%～5%，并不得少于系统中容量最大的单台机组容量或最大单回线路输送容量。

随着用电需求的提升，对于电能质量的要求越来越高。由于抽水蓄能机组启动速度快，可以在停机状态下实现机组事故备用，减少了火电机组的调峰压力，提高了火电机组的负荷率，更好地满足了更高的电能质量要求，抽水蓄能机组的紧急事故备用功能发挥了作用。当系统发生大机组跳闸或者重载断面故障后，可能造成潮流大范围转移，相关断面稳定限额下降，潮流大幅越限的情况。我国灾害天气频发，台风、冻雨、雷暴等极易造成电网多重故障，严重降低系统安全水平。调用合适落点抽水蓄能机组快速响应，可以迅速控制相关断面潮流至限额内，防止连锁故障，提高电网抵御多重恶劣故障的能力，有效提高系统安全水平。

3.2 特高压电网的紧急事故备用

2009年1月，我国1000kV晋东南—南阳—荆门特高压交流正式投入商业运行，标志着我国电网发展进入特高压电网新时期。有关规划表明，到2017年我国将建成“四交五直”特高压工程；到2019年建成“五交八直”特高压工程；到2020年建成“三华”同步电网，形成东北、西北、西南三个送端电网和“三华”一个受端电网的四个同步电网格局。未来，随着“一带一路”和全球能源互联网进一步发展，特高压势必成为我国乃至全球电网发展的重大趋势，成为能源安全、高效、清洁发展的战略方向。

以特高压为骨干网络的电网，在电源结构、电网结构、电能特性等方面，明显区别于传统电网。电网大功率缺失后，有功潮流将大范围转移，转移功率与相关断面正常输送功率叠加，会造成主要断面或局部设备长时间过载，甚至导致系统功角失稳。电网大功率缺失对有功控制提出了更高要求。对于馈入特高压直流的受端电网，大功率缺失后有功潮流转移将冲击电网的多级断面：

第一级断面：直流落点的交流送出通道，该断面主要承担直流落点的功率疏散，不存在功角稳定和过载问题。

第二级断面：与直流落点第一级断面相关联的向负荷中心送电的其他交流通道。如直流闭锁，可能导致该断面过载，主要为热稳定问题。

第三级断面：主要为与直流受端电网相关联的联络线断面。如直流闭锁，可能导致断面过载甚至引发功角稳定问题。

在大功率缺额情况下电网频率恢复过程的第一阶段，启动“抽水蓄能机组紧急频率控制系统”，抽水蓄能机组抽水工况紧急切机，可以有效提升系统的安全稳定运行水平。

3.3 重大政治事件的电网安全

重大政治活动事关国家政治生活全局，对电力可靠性的要求较常规经济社会生活更高，且多表现出明显异于日常规律的用电负荷特性。以2008年奥运会为例，其间电视机负荷约为1750万台，在开幕式、闭幕式等特殊时段出现电网负荷剧烈波动，幅度约为100万kW。十三陵电厂快速跟踪负荷，发电出力调峰幅度在10万～80万kW，成功地将电网频率稳定在49.96～50.06Hz之间，保障了电网的安全稳定运行。

3.4 重大不可抗力事件

电力系统无论多么坚强，在重大自然灾害面前都是十分脆弱的。基于此，系统每多一份发电容量储备，在应对灾难时就多一份从容。抽水蓄能机组巨大的容量功能，能有效支持电网的正常运转，促进社会生产生活的稳定。

日本是一个岛国，有10家电力公司，其中东京电力公司所辖面积3.95万km2，区域人口4476万人，最大电力6430万kW，抽水蓄能电站9座，装机容量为727.8万kW。2011年3月，日本受9级特大地震影响，福岛第一核电站的放射性物质发生泄漏，最终1～6号机组全部永久废弃。日本政府决定对全国核电进行停机检查。停机后，电力系统出现大额发电负荷缺口。这种情况下，抽水蓄能发挥容量功能，不计“抽四发三”的纠葛，抓住一切机会抽水、蓄能，在负荷高峰期间发电，大大缓解了电源缺口。

4 小结与建议

（1）紧急事故备用功能是抽水蓄能机组的一项重要功能，有必要进行深刻的理论总结并将其单独作为抽水蓄能项目的立项指标。

（2）近年来我国电力工业快速发展，电网紧急事故呈现新的变化，对抽水蓄能的需求出现新的特征。这一问题，需要我们审视、研究。

（3）深化抽水蓄能紧急事故应对功能的研究，有助于丰富和发展抽水蓄能建设理论。由于“转动惯量”的原因，特高压直流受端电网的频率特性在负荷低谷期间相对更加脆弱，该现象与抽水蓄能机组的抽水工况相吻合，十分有利于抽水蓄能机组抽水工况紧急事故备用功能的发挥。

（4）深化抽水蓄能紧急事故应对功能的研究，有助于指导优化抽水蓄能电站的技术方案，更加主动地适应抽水蓄能机组“紧急频率控制系统”的要求。

（5）建议修编抽水蓄能电站选点规划阶段有关规程规范，将事故备用功能明确列为项目必要性评价指标，计列装机容量。

（6）建议修编关于抽水蓄能电站经济评价的规程规范，赋予事故备用应有的“效益”指标，参与项目经济评价。

（7）抽水蓄能电站事故备用工况可以减少其他发电机组的旋转备用容量，整体性优化其他发电机组的运行区间，减少常规火电机组的空转煤耗。该效益与电网的调度运行方式密切相关，建议进一步深化研究。

[1] 陈同法，万正喜，闫磊，吴铮. 抽水蓄能机组的五类调频功能在电力系统调频与紧急事故应对中的作用分析 [J]. 水电与抽水蓄能，2015，1（3）：42-47.CHEN Tongfa，WAN Zhengxi，YAN Lei，WU Zheng.Research on Five kinds of Pumped-storage Unit’s Frequency Modulation Functions for Frequency Modulation and Emergency Response in Power Grid[J]. Hydropower and Pumped Storage，2015，1（3）：42-47.

[2] 帅军庆. 特大型电网高级调度中心关键技术 [M]. 北京 ：中国电力出版社，2010.

[3] 高翔等. 现代电网频率控制应用技术 [M]. 北京 ：中国电力出版社，2010.

[4] 夏道止. 电力系统分析[M]. 北京 ：中国电力出版社，2011.

[5] 王维超，张明. 电力系统运行方式[M]. 北京：中国电力出版社，2009.

[6] 都亮，刘俊勇，雷霞，刘群英 . 电力网络调频容量释放过程及其指标体系 [J]. 电网技术，2007，31（21）.DU Liang，LIU Junyong，LEI Xia，LIU Qunying. Research on Release of Power Grid Frequency Regulation Reserve and Its Index System[J]. Power System Technology，2007，31（21）.

[7] 王合桢，李向荣，陈栋新 . 电网频率特性及负荷反馈 df/dt 的实测分析 [J]. 电网技术，1995，19（12）.WANG Hezhen，LI Xiangrong，CHEN Dongxin. Measurement and Analysis for Frequency Characteristics and Load Frequency Feedback df/dt[J]. Power System Technology，1995，19（12）.

[8] 杨建华 . 电力系统稳态分析与经济运行 [M]. 北京 ：中国电力出版社，2013.

[9] 程浩忠，艾芊. 电能质量概论 [M]. 北京：中国电力出版社，2013.

[10] CHEN Tongfa，WAN Zhengxi，GAO Lailong. Study on the Proportion of Pumped Storage to Clean Energy Based on Global Energy Internet [C]// The Proceedings of 2016 GEI Volume Ⅱ，2016 International Conference on Global Energy Interconnection（2016 GEI），State Grid Corporation of China （SGCC），International Energy Agency （IEA），Edison Electric Institute（EEI），and the Caring for Climate （C4C），on March 30-31，2016 in Beijing，China：p1148-1152.

2017-05-10

2017-05-30

陈同法（1976—），男，硕士，教授级高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能发展理论。E-mail：tongfa-chen@sgxy.sgcc.com.cn

张 毅（1988—），男，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站技术管理。E-mail：zhangyi09421@163.com

万正喜（1973—），男，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能在电力系统中的应用。E-mail：wzx0023@126.com

Research on Emergency Reserve Function of Pumped Storage Power Station

CHEN Tongfa1，ZHANG Yi2，WAN Zhengxi3
（1.State Grid Xinyuan Company Limited，Beijing 100761，China；2. Beijing Shisanling Pumped Storage Power Station，State Grid Xinyuan Company Limited，Xianju 102200，China；3. East China Tianhuangping Pump Storage Ltd.，Anji 313302，China）

The emergency accident is an important function of pumped storage power station. Especially in uhv fast development，has greatly changed under the condition of power system，the thorough analysis and give full play to the pumped storage emergency response function is of great significance. In this paper，the pumped storage power plant emergency standby function were summarized systematically， and the technical progress in recent years theory， provide theoretical reference for the scientific development of pumped storage.

power plant；emergency；standby

TM612

A学科代码：470.4047

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.009