基于运行数据的抽水蓄能电站服务电网能力评估

高 翔，李北晨，刘金跃，李宗华，安维中，陈雨生，孙 勇，王卓瑜

（1．保定易县抽水蓄能有限公司，河北省保定市 074200；2．华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 102206；3．国网新源控股有限公司，北京市 100032）

0 引言

抽水蓄能是目前建造规模最大，技术水平最高，经济成本较优的储能电源[1][2]，其能够快速改变运行工况、灵活调节出力大小，在系统中还兼具调峰、调频、调相、紧急事故备用及黑启动功能[3][4]，对保障电网安全稳定运行具有重要作用。中国是世界上抽水蓄能电站装机规模最大的国家，目前国家电网有限公司在运抽水蓄能电站装机容量2096万kW[5]，并力争在2025年经营区内抽水蓄能装机容量达到5000万kW[6]。随着新能源发电比例的大幅提升，国家“碳达峰、碳中和”目标的推进，抽水蓄能电站将承担起到更加重要的支撑作用。同时，随着通信技术和数据采集技术的发展，抽水蓄能电站已能够便捷地获取海量运行数据，利用这些海量数据，实时量化抽水蓄能电站服务电网能力，能够为抽水蓄能电站的运行、规划提供理论依据。

目前抽水蓄能服务电网的各项作用已被广泛认可[7]，但长久以来通常采用抽水蓄能电站抽水、发电利用小时数、发电量来衡量抽水蓄能电站的利用程度，这些指标忽略了抽水蓄能机组储能备用的特性。也有文献通过抽水蓄能投运后产生的经济效益分析其服务能力，通常分为静态[8]、动态[9]效益两类，其中静态效益主要指抽水蓄能电站在削峰填谷时降低负荷峰谷差产生的效益[10]，而动态效益主要指抽水蓄能电站由于其运行灵活的特点，为系统带来的附加经济效益，主要包括调频、调相、事故备用和黑启动等效益[11]。也有学者采用指标体系的形式，研究了抽水蓄能调峰、调频等服务电网能力的贡献率指标，但并用实际运行数据进行验证[12]。综上，目前对抽水蓄能电站服务电网能力评估的相关研究仍较为匮乏。

据此，本文首先定性分析抽水蓄能电站服务电网能力，随后以租赁制抽水蓄能电站为研究对象，以抽水蓄能电站采集的海量运行数据为基础，提出一种基于机组运行工况的抽水蓄能电站服务电网能力评估方法，研究成果能够为全面评价抽水蓄能能力提供理论参考。

1 抽水蓄能电站服务电网能力分析

抽水蓄能电站的发展和应用已有百余年历史，其服务电网的作用也逐渐被人们熟知。起初，人们单纯将抽水蓄能电站作为单一的调峰电源参与系统运行，但随着抽水蓄能的不断建设和技术发展，已经广泛参与了电力系统中的调频、调相、事故备用和黑启动等辅助服务。合理综合量化其服务电网能力是提升抽水蓄能运行水平的基础。

调峰填谷是抽水蓄能电站最基本的服务电网能力。由于抽水蓄能电站具有抽水和发电两种运行工况，相较于常规火电机组30%～50%的调峰深度，抽水蓄能电站的调峰容量大致为其装机容量的两倍，优势明显。对于租赁制的抽水蓄能电站，其调峰填谷能力大小与其库容和装机容量相关。

抽水蓄能机组能够参与系统的一次调频和自动发电控制（AGC）。按电网调度规定，并网运行的抽水蓄能机组均主动响应系统频率变化，且按调度指令提供AGC响应。由于一次调频是并网机组必须提供的服务，大小由预先设定的发电机组调差系数决定，故本文只计及抽水蓄能机组AGC调频能力。机组的调频能力可依据机组AGC是否投运，以及机组可用的AGC的调节容量进行衡量。

抽水蓄能机组调相运行是指机组不发出有功功率，只发出无功功率的运行状态，起到调节系统无功水平、维持系统电压恒定的作用。抽水蓄能机组在调相工况下运行时可类比为无功补偿设备，其调相能力的发挥程度主要取决于机组无功出力占额定调相容量的比例。

抽水蓄能机组具有快速启动特性，在系统紧急事故中，能够在短短几分钟内从空载到满载发电，为系统提供大容量备用，还可在抽水工况下紧急切机并迅速满发，极大地减小了系统的功率缺口，使系统能够迅速恢复至安全稳定状态。衡量抽水蓄能机组的紧急事故备用能力主要取决于其上水库预留库容量。

抽水蓄能机组是电力系统中优良且理想的黑启动电源。衡量抽水蓄能机组的黑启动能力主要取决于在电网黑启动过程中，抽水蓄能机组能否按照电网黑启动指令完成黑启动任务，而与其在黑启动过程中所发电量和运行时长等并无太大关系。

2 基于运行数据的抽水蓄能电站服务电网能力评估模型

抽水蓄能电站的服务电网能力包括调峰、调频、调相、事故备用及黑启动能力，因此其服务电网能力可表达为：

式中：NPSi,j、NFMi,j、NPMi,j、NBUi,j、NBSi,j——调峰、调频、调相、事故备用及黑启动能力；

εPSi,j、εFMi,j、εPMi,j、εBUi,j、εBSi,j——各项能力对应的权重。

2.1 抽蓄机组在不同工况下服务电网能力

在不同运行工况Bi,j时，抽蓄机组提供不同服务电网能力，具体如表1所示。

表1 抽水蓄能机组不同工况下服务电网能力Table 1 The ability of the unit to serve the power grid under different operating conditions

2.1.1 发电工况Bi,j=1

抽水蓄能机组运行在发电工况时可同时承担调峰、调频任务。当抽水蓄能机组有功功率Pi,j＜PNi，且AGC装置投运，即Ci,j=1时，机组能全额参与系统调频任务。当机组有功功率满发，即Pi,j=PNi，或AGC装置未投运，即Ci,j=0时，机组将不能发挥调频能力，此时机组仅承担调峰任务，不承担调频任务。

因此，机组调频能力为：

式中：PNi——抽水蓄能机组额定有功功率。

机组调峰能力为：

式中：PAGCi——抽水蓄能AGC调节容量。

机组调峰调频权重分别为：

2.1.2 发电调相工况Bi,j=2

机组运行在发电调相工况时仅承担系统调相任务。机组调相能力取决于机组实际无功出力与额定调相容量的比值，即：

式中：QNgi——机组i发电调相工况的额定调相容量；

Qi,j——机组实际无功出力。

此时调相权重εPM设为1，其余权重均为零。

2.1.3 抽水工况Bi,j=3

抽水蓄能机组在抽水工况下的服务电网能力可类比发电工况，但需注意的是在一般情况下抽水蓄能机组在抽水工况为满出力抽水，此时有功出力不可调节。故此工况下机组仅承担调峰任务，不承担调频任务，且调峰能力全额发挥，即：

此工况下抽水蓄能仅发挥调峰能力，故仅将调峰权重εPS设为1，其余权重均设为零。

2.1.4 抽水调相工况Bi,j=4

与发电调相工况下原理相似，抽水调相工况下的机组只提供调相服务能力，即：

2.1.5 停机备用工况Bi,j=5

抽水蓄能机组在停机备用工况下运行时，机组既不抽水也不发电的，并不涉及水库水位的变化，故抽水蓄能机组仅提供紧急事故备用能力，其大小取决于当前水库的库容Ej是否满足紧急事故备用。紧急事故备用库容EB为：

式中：KB——电网对抽水蓄能的紧急事故预留比例；

EN——抽水蓄能电站上水库满库容；

ES——抽水蓄能电站上水库死水位库容。

则机组紧急事故备用能力为：

式中：EJ——时刻j的上水位库容。

此工况下，紧急事故备用能力权重εBU=KB，其余各项能力的权重为零。

2.1.6 黑启动工况Bi,j=7

在黑启动工况，衡量黑启动能力的关键是抽水蓄能机组是否按照电网指令成功进行黑启动任务，即：

此工况下黑启动能力权重εBS=1，其余各项能力权重均为零。

注：线路充电工况Bi,j=6、工况转换Bi,j=8和退备工况Bi,j=9三种工况不提供服务电网能力，故该工况下抽水蓄能机组服务电网能力为0。

2.2 抽水蓄能电站在评价周期内的服务电网能力

抽水蓄能电站内第i机组第j时段服务电网能力为式（1），则整个抽水蓄能电站在i时段服务电网能力为：

整个抽水蓄能电站在第j时段服务电网能力为：

式中：M——抽水蓄能电站机组台数。

若评价周期包含T个时段，整个电站在T个时段内的服务能力为：

2.3 评估流程

抽水蓄能电站服务电网能力评估流程如图1所示。

图1 抽水蓄能电站服务电网能力评估流程图Figure 1 Evaluation flowchart

3 评估实例

本文以某实际抽水蓄能电站的运行数据为基础进行仿真评估。该抽水蓄能电站共有4台机组，各机组抽水工况额定有功出力为300MW，发电工况额定有功出力为306MW，抽水额定调相容量为170Mvar，发电额定调相容量为150Mvar，机组处于发电工况时AGC均投运且调节容量为153MW，上水库库容为485.1万m3，上水库死水位库容为61万m3，设置紧急事故预留比例为5%。某段时间内该电站各机组运行工况标识记录如图2所示，可知该段时间内各机组未运行于调相工况；各机组有功功率如图3所示；电站上水库库容如图4所示。

图2 电站各机组运行工况Figure 2 Operating conditions of each unit of the power station

图3 电站各机组有功功率Figure 3 Output of each unit of the power station

图4 电站上水库水位情况Figure 4 The water level of the upper reservoir of the power station

依据前文所述评估模型，计算抽水蓄能机组各时段服务电网能力如图5所示。

图5 抽水蓄能电站各机组服务电网能力Figure 5 The ability of each unit of the power station to serve the power grid

抽水蓄能电站各时段服务电网能力如图6所示。

图6 抽水蓄能电站服务电网能力Figure 6 The ability of the pumped storage power station to serve the power grid

评估周期内抽水蓄能电站各机组的服务电网能力如表2所示，可以得出，电站第2、3号机组调用较多，第1、4号机组调用较少。经计算得到整个抽水蓄能电站在评价周期内服务电网能力为49.3%，可见该抽水蓄能电站仍有较大利用空间。

表2 抽水蓄能机组的运行数据统计及服务电网能力Table 2 Operating data statistics of pumped storage units and the ability to serve power grid

可对比地，本文将该抽水蓄能电站各机组的抽发电小时数和抽发电量等数据列在表2中。可以看出，从单项指标看，机组运行时间越长，抽发电量越多，其服务电网能力数值也较高，但是综合各项服务电网能力看，结果是有变化的，如4号机发电量11927.84MW·h，远高于2号机，但是其服务电网能力小于2号机；3号机的等效抽水发电功率均小于2号机，但其服务电网能力却比2号机高；4号机的累计运行小时数比1号机多16.96%，但是服务电网能力却仅比其多8.4%。

此外，停机备用时抽水蓄能机组的服务电网能力与紧急事故预留比例相关，鉴于此，下文将研究紧急事故备用比例对电站服务电网能力的影响。根据图4运行周期内上水库水位情况，在不影响抽水蓄能正常运行计划（上水库水位始终保持于预留水位之上）的情况下，计算得到紧急事故备用比例最大可达5.9%，当超出这一范围时，抽水蓄能电站运行中将有更长时间需要调用紧急事故预留库容，即有更多时段不能全额发挥紧急事故备用能力，但电站的服务电网能力有所提升。具体结果如表3所示。

表3 不同紧急事故预留比例下抽水蓄能电站服务电网能力Table 3 The ability of pumped-storage power stations to serve the grid under different emergency reserve ratios

若不改变抽水蓄能电站的运行情况，按照最大利用水库库容对抽水蓄能电站进行调用，即使电站运行过程中最大水位达到理论最大库容，在保证紧急事故备用比例全额发挥时，紧急事故预留比例可达到18.58%，此时抽水蓄能电站服务电网能力为56.13%，与原情况相比提升明显。

可见本文所提模型的评估结果综合反映了抽水蓄能电站作为储能型电源的服务电网能力，此外，还可通过对上水库库容等运行数据的挖掘，为电网合理设置备用库容预留比例提供参考。因此，本文所述评估模型能够较好地反映抽水蓄能电站的利用程度与潜在利用空间，从而为合理安排抽水蓄能电站的运行与规划提供参考。

4 结束语

本文开展了抽水蓄能电站服务电网能力的研究，首先分析了抽蓄电站各项服务电网能力和衡量标准，进而以实际运行数据为基础，建立了抽蓄电站服务电网能力评估模型，最后通过实例评估了某抽水蓄能电站的服务电网能力。结果表明，本文所提模型能够定量评估抽水蓄能电站服务电网能力，可以为合理安排抽水蓄能电站的运行方式提供参考。后续研究可以对抽水蓄能电站的调峰和调频能力进行多种步长的评估，以更有效地衡量抽水蓄能电站的服务电网能力。