抽水蓄能电站与风电、核电联合运行刍议——兼谈抽水蓄能电站在电网中的作用
福建仙游抽水蓄能有限公司 林国庆 林礼清
摘要
基于抽水蓄能电站、风电、核电各自的特点及发展前景，阐述了抽水蓄能电站与风电或核电之间联合运行的基本思路，以及抽水蓄能电站在电网中的重要作用。在一个电网内，当风电容量超过一定规模时，由于其随机性及反调峰性，势必对其电网的调峰、调频能力带来影响，甚至危及电网的安全稳定运行；核电机组的技术特点决定其适合带基荷运行，但随着实际用电负荷峰谷差不断增大的发展趋势，同样会增大电网的调节压力。抽水蓄能机组可以有效地缓解电网的调峰调频压力。电网需要相应比例的抽水蓄能电站，同时我国的能源结构和可再生能源的发展，都需要建设相适应的抽水蓄能电站。
关键词
核电；风力发电；抽水蓄能电站；联合运行；能源与可再生能源；电力网及电力系统
0 引言
抽水蓄能是当前技术最成熟的大规模储能方式。抽水蓄能电站是一种具有启动快、负荷跟踪迅速和快速反应的特殊电源，具有调峰填谷、调频调相、事故备用和黑启动等多种功能，同时又有节约能源和保护环境的特点，已经成为现代电力系统的一个重要组成部分。
随着全球现代化的步伐，化石燃料作为人类最重要的能源来源，已经显露出越来越严重的短缺。自然界经几百万年逐渐形成的化石燃料，可能在几百年内全部被人类消耗殆尽，发展可再生能源已经成为全人类的共识，风能作为一种清洁的可再生能源成为理想的能源来源。与此同时，我国人均能源资源并不富裕，发展核电成为解决我国能源短缺的一个重要途径。由于风能具有间歇性、随机性及反调峰性，且目前还无法实现风电功率的精准预测，因此如何提高大规模风电的利用效率已经成为一个世界性的难题。核电具有运行成本低（燃料费用低）的特点，调峰运行不具经济性，且受技术限制，核电机组无法频繁变动发电负荷，因此适合带基荷运行。基于风电及核电的特点，为提高其利用效率，同时保持电网的安全稳定运行，需要一种调节范围大、响应速度快、运行稳定可靠的储能及发电手段，抽水蓄能电站是一种良好的选择。
1 抽水蓄能电站与风电联合运行
风力发电可分为离网型和并网型两种。离网型风电一般容量较小，与蓄电池或其他储能及发电装置组成一套供电系统，可以解决偏远地区供电问题。并网型的风力发电一般指规模较大的风力发电场，容量大约几兆瓦至几百兆瓦，并入大电网运行，在为其提供能源的同时，可以得到它的补偿与支持，有利于风能的高效利用。风电在电网中所占的比例越来越大，风电场的并网运行对电网的安全稳定及电能质量等方面的负面影响也愈加明显，成为制约风电场规模的重要因素[1]。
首先，由于风电机组的输出功率主要取决于自然风速，因此带有随机性、间歇性和季节性[2]；而且，风电机组还带有明显的反调峰性，即在白天用电高峰时，风电出力比较小，而往往在夜间用电低谷时，风电出力反而很大。其次，由于大型风力发电机大都采用异步发电机，其并网运行需要从电网吸收大量的无功功率，从而增加电网的调相压力。再者，采用异步电机作为发电机运行时，没有独立的励磁装置，并网前发电机本身没有电压，因此并网时必然伴随着一个过渡过程，直接并网带来的冲击电流可达额定电流的5-7倍。目前通常采用带有双向晶闸管的软启动装置，可以得到一个比较平滑的并网过程，将并网最高电流限制在（1.2-1.5）倍额定电流以内，但在应用电力电子技术的同时，不可避免地对电网造成了高次谐波污染等影响。
抽水蓄能电站作为一种特殊形式的水电站，可以在电网负荷低谷时将电能以位能的形式存储起来，在负荷高峰时再以高质量的电能反馈电网，同时还具有调峰填谷、调频调相和事故备用的动态效益。针对以上提到风电出力的不稳定性及反调峰性，抽水蓄能电站可以根据其出力曲线进行相应调节，使抽水蓄能-风电联合体对电网的出力曲线趋于平滑，有利于电网安全稳定运行。
值得一提，参考文献[2]以山东电网实际系统为例，分析了抽水蓄能电站对于风电接入电网各项指标的影响。结果表明，当风电容量较小时，抽水蓄能电站的作用不明显；只有当风电容量超出系统的接纳能力出现弃风以后，抽水蓄能电站的作用才得以体现出来，风电并网的各项指标随抽水蓄能电站容量的增加有明显的改善[3]。
一般地，抽水蓄能-风电联合运行模式可按以下步骤操作：
步骤1：电网调度中心向抽水蓄能-风电联合体下发该地区次日每隔15min的负荷预测曲线。
步骤2：风电场预测次日每隔15min的出力曲线。
步骤3：抽水蓄能-风电联合体综合考虑风力出力情况、抽水蓄能电站运行成本、考核惩罚等因素，给出一个次日联合运行出力曲线，此曲线体现出力变化应尽量贴近负荷预测中的负荷变化（在其他发电厂担任基荷出力的基础上），以减小电网内其它发电厂的调峰调频压力，否则应接受考核惩罚。
步骤4：电网调度中心收到抽水蓄能-风电联合体的出力计划，安排其他机组的出力计划[4]。
据悉，抽水蓄能-风电联合运行系统已在国际上应用。如西班牙为了开发利用EI Hierro岛、Canary岛的风能资源，配套建设了相应的抽水蓄能电站与之联合运行。在德国、丹麦、美国等风能利用发达国家也不乏成功的工程实例。国内，由国电南瑞牵头承担，清华大学、中国长江三峡集团公司、内蒙古电力（集团）有限责任公司、三峡大学等共同参与的“大规模风电与大容量抽水储能在电网中的联合优化技术”被列入国家863课题，以促进电网消纳可再生能源。
2 抽水蓄能电站与核电联合运行
到目前为止，我国已探明的人均能源可采储量仅占世界人均水平的55%，且随着经济的发展，能源短缺的问题将越来越突出。从长远看，发展核电是解决我国能源资源短缺的重要途径。
核电的特点是前期投资大、环境污染小、燃料费用低、安全性要求极高。由于其燃料费用低、运输方便、核燃料资源理论上不可枯竭，具有较高的经济效益。未来我国核电技术主要采用AP1000、CAP1400及华龙一号等三代技术。一般设计要求核电机组具有一定调峰能力，在80%循环长度内能进行一定程度的日负荷跟踪，典型跟踪形式为“12-3-6（50%FP）-3”，即在负荷高峰时带12h满出力，晚间负荷下降时用3h线性减负荷，在50%额定出力下运行6h，最后在早间用3h线性加负荷至满出力[5]。核电机组虽然具有一定的调峰能力，但调峰运行会带来运行调节压力大、经济性减小、电站成本收回速度减慢等问题，同时由图1可知，在按“12-3-6（50%FP）-3”方式运行时，核电出力与日负荷曲线间仍然还有较大差别。由于电网实际用电负荷的发展趋势是峰谷差日渐增大，核电机组出力与电网实际负荷的差距将会越来越大，如何在尽量减少核电调峰运行，并在核电机组浅度高峰的基础上进行再调峰，是一个关键问题。
图1 核电“12-3-6（50%FP）-3”出力与典型日负荷曲线
抽水蓄能作为一种运行方式灵活、调峰削谷效果明显的调峰手段，与核电合运行，可以相互补偿、扬长避短，满足电网负荷的实际需求，核电机组的调峰压力大大减小，从而提高了运行的经济性与安全性。抽水蓄能电站可以对核电产生的电能进行再分配，可以充分发挥核电能源的清洁性与经济性，同时丰富电网调度手段，提高电网安全稳定运行水平[6]。
核蓄联营的基本思路是：核电以“12-3-6（50%FP）-3”或更稳定的出力曲线运行，调峰幅度深度较小；抽水蓄能电站负责在电网负荷高峰期间跟踪实际负荷，在电网负荷低谷期间利用系统多余电量进行蓄能。目前国内大多数抽水蓄能电站为日调节或周调节电站，因此核蓄联营运行方式也可以分成日循环型与周循环型两种。
2.1 日循环型运行方式
日循环型运行方式对应日调节抽水蓄能电站，由于水库库容所限，一天之内抽水蓄能电站的发电量与抽水电量在效率换算后必须达到平衡。因此，核蓄联合运行的基本思路是核电保持满负荷运行，或在进行“12-3-6-3”方式运行时低出力期间功率保持在较高水平（50%额定出力以上），以满足抽水蓄能电站的抽水耗电需求。以核电在“12-3-6-3”方式（低出力期间保持在85%额定出力）为例，核蓄联营日循环运行方式出力曲线见图2。
图2 核蓄联营日循环型运行方式出力曲线
另外，由于在日循环型运行方式下，抽水蓄能机组启停次数繁多，增加了故障发生机率，可能使核蓄联合运行出力可靠性受到影响，因此建议可通过周末或假日电网负荷低谷期间，集中安排机组排查故障，同时还可以利用节假日对水库库容进行微调，使其处于最佳运行状态，以满足工作日期间繁重的运行任务。
2.2 周循环型运行方式
周循环型运行方式对应周调节抽水蓄能电站，由于库容较大，允许抽水蓄能电站的发电量与抽水电量经过换算后一周之内达到平衡。从图1中可以看到核电机组按“12-3-6（50%FP）-3”运行时，与典型日负荷曲线间的主要差别在于用电早高峰及晚高峰，其余时段电网的高峰压力较小。因此，在周循环型核蓄联营运行方式下，工作日期间核电按“12-3-6（50%FP）-3”运行，而抽水蓄能电站仅在用电早、晚高峰进行发电调峰，不进行抽水。而在周末用电低谷时，核电机组两天全时段满出力运行，抽水蓄能电站主要进行抽水运行，以调节上、下库水位，为工作日期间调峰运行做好准备。
周循环型运行方式下，工作日期间核蓄联营出力曲线见图3。在此种方式下，抽水蓄能机组启停次数较少，设备故障机率减少，核蓄联营出力可以得到保证。另外，由于周末期间抽水蓄能机组需抽水运行，可将机组检修分散安排在工作日期间轮流进行。
图3 核蓄联营周循环型运行方式出力曲线
3 抽水蓄能电站在电网中的作用
3.1 抽水蓄能电站服务电网风生水起
以开发利用风能和太阳能等新能源发电为主要特征的能源转型正在全球迅速发展，风能和太阳能的随机和间歇特性对电力系统运行的灵活性提出了更高的要求，加快抽水蓄能电站建设是大势所趋。
清洁能源潜力巨大。资源的稀缺性和环境的压力促使国家加大对水电和风电、光伏发电等新能源领域的投资。据《电力发展“十三五”规划》到2020年，常规水电装机3.4亿千瓦；核电装机5800万千瓦；风电装机2.1亿千瓦以上；太阳能发电装机1.1亿千瓦以上。按照非化石能源消费比重达到15%左右的要求，届时我国非化石能源发电装机将达到7.7亿千瓦左右，约占发电容量的39%，发电量占比提高到31%。随着居民和第三产业用电增加，以及风电、太阳能等可再生能源占比的增长，电力的峰谷差越来越大，增强电网的调节能力越发关键，建设更多的抽水蓄能电站实属必要。
配套核能和新能源的开发利用，抽水蓄能机组既调峰又填谷的双重作用是电力系统最有效的调节手段。2015年，我国水、风、光、核的弃电量就超过887亿千瓦时。2017年一季度，仅风电弃风电量就达135亿千瓦时。这意味着，更多本可以带来巨量经济和环境效益的清洁能源被浪费掉了，弃风限电已然严峻。抽水蓄能电站与风电场、光伏电站配套运行，提高了电网对上述间歇性电能的消纳能力，对开发利用清洁能源、改善电力结构意义重大。尤其，当电网中间歇性可再生能源的发电能力大于电网中的最低负荷时，能保障有效的调峰手段就只有抽水蓄能机组。风能、光伏等间歇性可再生能源的大规模入网，必须有足够的调峰电源（抽水蓄能）作保障。让煤电、核电等保持高效率的发电，在电网中承担基荷，由抽水蓄能机组担任调峰来满足电力负荷的变化，是一种非常安全、高效和经济的运行方式。
为实现我国对国际社会的庄严承诺（巴黎协定），争取本世纪下半叶在保障我国经济社会可持续发展的同时实现净零碳排放，为了保证我国电力发展“十三五”规划的各种非化石能源都能正常入网，并发挥好作用，必须加大抽水蓄能电站的建设力度。我国各地区抽水蓄能站址资源储备较为丰富，完全能够满足电网对抽水蓄能电站建设的需求。“十三五”期间，抽水蓄能电站平均增长11.7%，从2015年的2271万千瓦增加到2020年的4000万千瓦，而新开工的抽水蓄能电站将达到6000万千瓦。我国抽水蓄能事业欣欣向荣，方兴未艾。抽水蓄能电站在电网中运行，面对的是提高整个电网的效能，这远比提高电站本身的最大效能更重要。抽水蓄能电站服务电网，助力电网进一步发展功不可没。
3.2 仙游抽水蓄能电站立足福建电网一枝独秀
至2016年12月底，福建全省装机5209.5万千瓦，其中清洁能源占54.0%（发电量占61.0%）。福建电网认真执行国家可再生能源政策规定，新能源和清洁能源全额上网。电网加强发电企业上网服务，重点服务光伏、风电、核电、1000MW燃煤等新投产机组上网。此中，仙游抽水蓄能电站在电网中发挥了重要的作用。
仙游抽水蓄能电站安装4台单机容量300MW混流可逆式机组，总装机容量1200MW，具有周调节性能。2009年1月12日电站主体工程开工，2013年全部4台机组相继投产。作为福建地区第一座抽水蓄能电站，仙游抽水蓄能电站投产伊始就在福建电网中崭露头角。
2014年4-5月，正值福建地区进入雨季，仙游抽水蓄能电站几乎每天夜里都有2-3台机组抽水运行，为减少福建电网水电弃水做出重要贡献，同时两次配合福建宁德晴川核电机组完成甩负荷试验。当时，因福建地区燃气电厂供气不足，无法进行正常调峰运行，仙游电站在关键时刻发挥重要作用，承担起了系统调峰填谷的重任，仅5月份机组启停221次，发电量达7740.78万千瓦时。2014年6月，福建沿海地区台风频发，电网安全经受严峻考验。电站以双机满负荷顶峰出力，为电网安全稳定运行提供了有力支撑。自电站首台机组投产以来，截止2017年3月共发生电网服务439起，包括电压调节42起，紧急顶事故、顶出力发电或抽水达397起，其中配合核电机组试验和核电机组跳闸甩负荷紧急开机13起，充分体现了抽水蓄能电站调频调相、事故备用的优点。2015年6月16日，因核电机组跳闸，电网频率突降至49.96Hz，仙游电站接调度令迅速启动1、3号机组，01:37二台机组并网，01:40机组满负荷300MW运行，电网服务时间分别为16min、32min。随着宁德晴川核电站和福清玉融核电站百万千瓦级机组的相继投产，仙游抽水蓄能电站在福建电网的角色将愈发重要。未来福建电网调峰需求呈增长趋势，预计至2020年电网峰谷差将超过14000MW，电网调峰压力有所增大，抽水蓄能电站更凸显其调峰填谷的双倍容量效应。
4 结语
发展风电及核电是人类摆脱对化石燃料依赖的重要途径。同时，由于风电及核电自身的特点，使它们在大容量并网运行时，会对电网的安全稳定运行带来影响。抽水蓄能是一种可靠、有效的调节因子，能够提高电网运行的安全水平，使其能够接受更多的清洁能源。在能源不断消耗的未来，将风电、核电与抽水蓄能电站在电力系统中有效结合，既可以有效改变能源短缺的状况，还能有效改善生态环境和可再生能源的有效利用。
未来15年，全球核电将引来新一轮发展高潮。我国现有36台核电机组，在建核电组(20台)数量居世界首位。到“十三五”末，在运核电机组容量将达到5800万千瓦，在建机组达到3000万千瓦以上，核电机组总数将达到世界第二。国家能源局《2016年度全国可再生能源电力发展监测评价报告》显示，全国可再生能源发电装机容量5.7亿千瓦，占全部电力装机的34.6%，其中风电装机1.49亿千瓦，占全部电力装机的9.0%；光伏发电装机7742万千瓦，占全部电力装机的4.7%。从可再生能源电力消纳情况来看，2016年，包含水电在内全部可再生能源电力消纳量为15058亿千瓦时，占全社会用电量的比重为25.4%。
见微知著。我国的电源结构和核电、风电等可再生能源的发展，需要大规模快速发展抽水蓄能。抽水蓄能电站与风电、核电联合运行前景广阔，抽水蓄能服务于能源革命电力转型任重而道远。
参 考 文 献
［1］徐飞，陈磊，金和平，等.抽水蓄能电站与风电的联合优化运行建模及应用分析[J].电力系统自动化，2013，37（1）：149-154.
［2］刘淼淼，郭琰，陈江涛，等.风电-抽水蓄能机组联合调度研究[J].工矿自动化，2013，39（5）：70-75.
［3］宋豪，宋曙光，王超，等.抽水蓄能电站对山东电网风电接纳能力的影响[J].山东大学学报（工学版），2011，41（5）：138-142.
［4］胡泽春，丁华杰，孔涛.风电-抽水蓄能联合日运行优化调度模型[J].电力系统自动化，2012，36（2）：36-41，57.
［5］王淼，闫方，李文波，等.核电机组参与调峰可行性分析及模式探讨[J].建筑电气，2013，32（18）：33-35，42.
［6］赵洁，刘涤尘，杨楠，等.核电机组参与电网调峰的运行方式及效益分析[J].电网技术，2012，36（12）：250-255.
作者简介
林国庆（1989-），男，福建仙游，工程师，福建仙游抽水蓄能有限公司电气运维专业。
林礼清（1951-），男，福建长乐，高级工程师，福建仙游抽水蓄能有限公司高级咨询。
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