弃风、调停火电还是开发抽水蓄能？——抽水蓄能电站低谷调峰性能研究

陈同法，张 毅，王德敏

（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）

弃风、调停火电还是开发抽水蓄能？
——抽水蓄能电站低谷调峰性能研究

陈同法1，张 毅2，王德敏1

（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）

抽水蓄能机组能够承担抽水和发电等多种运行任务，而且不同运行工况间启停转换灵活。抽水蓄能机组的这一技术特性，使其成为优良的调峰电源，在优化系统电源结构、促进风电等清洁可再生能源大规模开发方面发挥着十分重要的作用。本文从客观分析电力系统运行规律入手，通过建立较为严谨的数学模型，具体说明抽水蓄能机组的低谷调峰原理、价值，以及弃风、调停火电机组和建设运行抽水蓄能之间的技术、经济对比关系，旨在为丰富抽水蓄能发展理论、科学决策抽水蓄能电站运行方式提供理论支撑。

抽水蓄能；低谷调峰；性能；新能源

0 引言

抽水蓄能电站作为优良的调峰电源，对于优化系统电源结构、促进风电等清洁可再生能源具有十分重要的意义。本文从深入分析系统运行规律入手，通过建立严谨的数学模型，具体说明抽水蓄能机组的低谷调峰原理、价值，以及弃风、调停火电机组和开发抽水蓄能之间的技术、经济关系。

1 系统低谷调峰问题分析

1.1 问题的由来

1.1.1 电力系统的特性

电力系统是指由发电机、变压器、电力线路和用电设备组成的统一整体，可简化为电源（发电负荷）、电网和电力用户（用电负荷）三部分。

有功平衡是电力系统正常运行所必须遵循的规律。因为电能的生产、输送、分配和使用是同时进行的，所以从整体上讲，发电有功必须随用电负荷的变化及时调整。

1.1.2 用电负荷的峰谷特性

不同的用电设备呈现不同的负荷特性，但是总体上呈现较为稳定的规律。根据分析周期的不同，用电负荷分别呈现典型的日内负荷变化规律、周内负荷变化规律和年内负荷变化规律。以京津唐电网为例，系统典型日负荷曲线见图1。

1.1.3 发电设备的低谷调峰特性

就对电源（发电负荷）的需求而言，电力系统在峰、谷时刻分别呈现完全不同的需求特性。其中，系统高峰时段的核心需求是可发电容量，系统低谷时段的核心需求是发电设备尽量降低发电出力水平即低谷调峰能力。

图1 电力系统日负荷变化曲线示意图Fig. 1 Power system daily load change curve diagram

因一次能源类型不同，发电设备可分为常规燃煤火电机组、燃气机组、水电机组、核电机组、风电机组、太阳能机组等类型。不同类型机组的低谷调峰性能有较大差异。其中，燃气机组可通过启/停进行调峰，具有良好的调峰性能。燃煤火电机组，在当前技术条件下，通常可降负荷至50%，即约有50%的调峰能力。抽水蓄能机组可通过启/停调峰，调峰能力十分突出。核电机组在技术上具有一定的调峰能力，但是为降低事故发生概率一般维持固定出力，不参与调峰。风电机组的出力受风源制约，一般系统用电高峰期间出力较小，系统用电低谷期间出力较大，呈现典型的“反调峰”特点，必须有相应的其他电源配合运行，以解决其出力与用电需求在时间上不匹配的矛盾。

电力系统的负荷波动分为年度增长、月度波动、周内波动和日内波动几种情况。其中又以日内波动最为关键。一般来说，系统的日最低负荷通常不低于其最大负荷的60%，而常规火电机组的出力最低可以降至其发电容量的50%左右。因此，对于只有常规火电机组的电力系统来说，低谷调峰没有太大的困难。当前，我国大部分区域的电力系统面临严重的低谷调峰困难，是因为系统中有大量的不能参与正常调峰的电源类型，如核电、风电、以热定电的供热机组等。受限于其技术特性，系统低谷期间，这些类型的电源就像“针子户”，不能按照系统的需求降低出力比例，从而导致调停风电机组乃至常规火电机组。

高峰容量需求和低谷调峰需求，是两个不同性质的问题。基于我国目前大部分地区的系统状况，当前乃至今后较长一段时期，低谷调峰能力是问题的主要方面。

2 电力系统调峰容量关系

峰、谷两个典型时间点的发电容量平衡，是系统容量平衡的关键。可以认为，只要解决了峰、谷两个极端的容量平衡，就可以保证全过程的有功平衡。峰、谷两个极端情况的负荷关系见图2。

图2中及其有关符号含义如下：

a—系统低谷期间风电出力，MW；

b—系统高峰期间风电出力，MW；

d—系统高峰期间，抽水蓄能发电功率，MW；

d'—系统低谷期间，抽水蓄能抽水功率，一般可视为d=d'；

k—系统高峰期间，常规火电机组的开机容量，MW；

ktt—因低谷调峰需要，系统调停的常规火电机组的容量，MW；

图2 系统负荷示意图Fig. 2 System load diagram

k'—系统低谷期间，正常调峰电源开机容量，MW，k'=k-ktt；

q—燃气机组的容量，低谷期间，可停机调峰，MW；

Pmax—系统最高负荷，MW；

Pmin—系统最低负荷，MW；

β—系统最低负荷系数，β=Pmin/Pmax，一般β≈60%；

η—常规火电机组可承受的最低负荷率，当前技术条件下，一般η≈50%。

为简化问题的分析过程，暂忽略旋转备用容量，不影响问题的基本结论。

根据图2，有：

一般来说，风电在高峰期间不贡献可靠的开机容量，取b=0。进一步取d=d'，k'=k-ktt，η=0.5，β=0.6，代入式（1），可得：

式（2）左侧为低谷调峰资源，右侧为系统调峰需求。从中可以看出：弃风、调停燃气机组、调停常规火电机组与抽水蓄能机组共同构成低谷调峰资源。一般情况下它们可以相互替代，互为补充。

各种电源的低谷调峰贡献效率不同。对于容量为a的弃风需求，可作如下选择：要么ktt=2a，要么q=2a，要么d=0.67a，即对于容量为a的低谷调峰缺口，要么弃风a，要么停常规火电机组2a，要么停燃气机组2a，要么运行抽水蓄能机组0.67a。

也就是说，弃风、调停/重启常规火电，或运行抽水蓄能，技术上不存在明显的制约，仅看技术指标还不能就三者的合理性做出判断。判断三种技术方案何者更合理，需要进一步作经济分析。

3 弃风、调停火电与开发抽水蓄能等不同电源方案的经济关系

弃风、调停火电与建设/运行抽水蓄能的成本关系两两不同。为便于分析比较起见，本文以弃风与避免弃风100万kW为例，以“年”为分析时段，将各种技术方案的经济代价进行折算。

3.1 弃风

弃风的代价是放弃发电的电费损失，主要与电价、弃风小时数以及弃风事件的年度发生概率有关。

风电的电价比较复杂。从国民经济评价的角度，忽略电价补贴，按电站所在地火电标杆电价（以0.4元/kWh为例）计算，可得有关弃风损失（见表1）。

表1 电力系统弃风导致的经济损失示意表Tab.1 The economic loss caused by the abandonment of wind power system

3.2 调停常规火电机组

常规火电机组的调停/重启成本大约为100万元/100万kW（因机组类型、启动方式而略有差异），因“次”发生，与每年的调停/重启总次数有关，详见表2。

3.3 建设运行抽水蓄能电站

抽水蓄能电站的运行成本，主要取决于电站建设、运行成本（含抽/发损耗）。抽发损耗按“4度换3度”的标准折算，并取近年来平均建设运营成本，抽水蓄能电站的年度费用数值见表3。

表2 电力系统调停常规火电机组导致的经济损失示意表Tab.2 Power systems mediate the economic loss of the conventional coal-fired units

表3 电力系统建设运行抽水蓄能电站的经济成本示意表Tab. 3 Power system builds the economic cost of pumping storage power station

综合考虑弃风、调停火电机组和建设运行抽水蓄能机组的事件发生概率，从上述三个表中的对应数据格选取最小值，得到表4。

表4 弃风、调停火电机组与建设运行抽水蓄能机组三种电源方案最小成本对比汇总表Tab.4 The minimum cost comparison of the three sources of power solutions for the pumping unit and the construction of the pumped storage units

从表4可以看出，黄色区域为弃风合理区，绿色区域为调停火电机组合理区，橙色区域为建设抽水蓄能合理区。更为通俗的说明为：

如每天的弃风时段较小，或者虽然每次弃风时段较长但每年发生该种弃风事件的天数较少，则弃风较调停常规火电机组或建设抽水蓄能的损失更小；如每次弃风时段较长但年度发生概率较低，则调停/重启常规火电机组损失更小；如每次弃风时段较长时且年度发生概率较高，则建设抽水蓄能更为经济。

随着电力系统有关技术经济方案不断变化，表4最经济方案的变动趋势为：当弃风的单位价值（标杆电价）降低时，黄/橙区域交界线、黄/绿区域交界线均背离黄色区域移动，黄色区域扩大；当抽水蓄能造价水平提高时，黄/橙区域交界线、绿/橙交界线均往橙色区域移动，橙色区域缩小；当常规火电机组重启动成本降低时，黄/绿交界线、橙/绿交界线均背离绿色区域移动，绿色区域扩大。简而言之，经济社会发展、科学技术进步对上表的影响趋势是：黄色区域扩大，绿色区域扩大，橙色区域缩小。

上述各表的数据是示意性的。具体数值，应据实从严论证、确定。

上述表格是以承担配合风电等清洁可再生能源为主要功能的抽水蓄能电站投资建设的决策模型。超出上述范围建设的抽水蓄能，很容易导致产能剩，产生“泡沫”。

上述表格不是以承担配合风电等清洁可再生能源为主要功能的抽水蓄能电站运行方式的决策模型。对于已经投运的抽水蓄能电站，其建设成本已成为沉没成本，变动成本相对比较小，应当在所有弃风时段或有调停常规火电机组的情况下发挥抽水填谷功能。

每日弃风时长以及弃风事件年度发生概率，跟风电本身的资源禀赋与系统低谷时段的负荷特性关系有关，主要取决于系统负荷低谷与风电出力在时间上重合的部分。对风电出力特性的分析研究以及系统负荷特性的预测分析，抽水蓄能投资决策的重要基础，需要提前启动并切实加强对这项工作的研究。

4 小结

（1）就调峰问题而言，高峰、低谷两个典型时间点的发电调整能力，是电力系统容量平衡的关键。可以认为，只要解决了这两种极端情况的有功容量平衡，就可以保证日内全过程的有功平衡。峰、谷两个时间点，又以低谷调峰为问题的主要方面。

（2）针对电力系统的低谷调峰需求，弃风、调停常规火电机组、建设运行抽水蓄能等不同电源方案的技术价值相当。为了满足相同的调峰需求（设为a），要么弃风a，要么停火电2a，要么停燃气机组2a，要么运行抽水蓄能机组0.67a。如果要做出科学的投资决策，需要进一步比较不同电源方案的经济指标。

（3）文章提供了弃风、调停常规火电机组、建设运行抽水蓄能等各种电源方案的经济性计算模型，并提供了示意数据，并就发展趋势进行了预测。

（4）以调峰填谷功能为主的抽水蓄能电站的能量指标（电站装机容量和机组利用小时数）确定原则，应以抽水需求为导向，而不是传统的发电需求。

（5）抽水蓄能电站在调峰填谷中的作用，表现为避免常规火电机组停机/重启调峰，而不是传统意义上的降低常规火电机组低谷时段发电煤耗。

（6）抽水蓄能投资决策，应当高度重视常规火电机组技术进步，特别是低谷调峰能力的改善和停机重启技术方案和经济性的变化。

（7）传统理论低估了抽水蓄能机组的调峰能力。抽水蓄能机组的调峰能力（避免常规火电机组停机调峰的能力）是300%，而不是传统意义上的200%。

[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.

2017-05-01

2017-05-30

陈同法（1976—），男，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

王德敏（1979—），男，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站工程经济等，E-mail：demin-wang@sgxy.sgcc.com.cn

Abandon the wind, mediation thermal power or develop pumped storage?——Research on Peak Performance of Pumped Storage Power Station

CHEN Tongfa1，ZHANG Yi2，WANG Demin1
（1.State Grid Xinyuan Company Limited，Beijing 100761，China；2. Beijing Shisanling Pumped Storage Power Station，State Grid Xinyuan Company Limited，Xianju 102200，China）

Pumped storage units have various operation modes such as pumping and power generation， and the switching between different operating conditions is flexible. The technology characteristics of pumped storage unit， making it a good load power supply， the optimization of system power supply structure， promote clean renewable energy sources such as wind power large-scale development plays a very important role. This article obtains from the power system operation rule， through the establishment of a rigorous mathematical model， specify regulating principle， the low value of pumped storage unit， and abandon the wind， mediation thermal power unit and the development relations between the technical and economic comparison of pumped storage

pumped storage；low load；performance；new energy

TM612

A学科代码：470.4047

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.010