（技术经济及管理专业论文）抽水蓄能电站效益的综合评价研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 抽水蓄能电站作为调节电力系统运行的一种有效手段，在电力系统中有着削峰 填谷、事故备用、调频、调相、负荷跟踪等静态、动态功能。 本文首先阐述了抽水蓄能电站在电力系统中的静态功能和动态功能，以及由此 带来的静态效益和动态效益。根据等效替代的思想，提出了具体测算抽水蓄能电站 事故备用效益、调频效益、调相效益以及抽水蓄能电站总体动态效益的方法，并进行 实例计算。 在对静态效益和动态效益分析的基础上，根据静态效益和动态效益的实际流 向，提出了电力市场环境下抽水蓄能电站的共同租赁经营模式。 本文将主成分分析和支持向量机的方法相结合，建立相关评价模型，对抽水蓄 能电站的效益进行了综合评价，并取得了较好的评价效果。 关键词：抽水蓄能电站，动态效益，经营模式，综合评价 a b s t r a c t a sa ne f f e c t i v em e a nt oa d j u s tt h eo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m ，t h ep u m p e ds t o r a g e p o w e rs t a t i o nh a sas e r i e so f s t a t i ca n dd y n a m i cf u n c t i o n ss u c ha sr e g u l a t i n gp e a ka n df i l l i n g i n v a l l e v ；e m e r g e n c y r e s e r v ef o r a c c i d e n t ，f r e q u e n c yr e g u l a t i o n ，p h s er e g u l a t i o n ， l o a d f o l l o w i n ga n ds oo n f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sa ne x p a t i a t i o no nt h es t a t i ca n dd y n a m i cf u n c t i o n so ft h e p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o ni n t h ep o w e rs y s t e ma n dt h es t a t i ca n dd y n a m i cb e n e f i t s a c c o r d i n gt ot h et h o u g h to fe q u i v a l e n ts u b s t i t u t i o n ，t h em e t h o d st oc a l c u l a t et h ee m e r g e n c y r e s e r v eb e n e f i t s ，f r e q u e n c yr e g u l a t i o nb e n e f i t s ，p h a s er e g u l a t i o nb e n e f i t s a n dt h et o t a l d y n a m i cb e n e f i t s o ft h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n a r ep r o p o s e da n dt h ea c t u a l c a l c u l a t i o n so ft h ee x a m p l e sa r ec o n d u c t e d 0 nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so nt h es t a t i ca n dd y n a m i cb e n e f i t s ，t h eu n i t e dl e a s em a r k e t i n g m o d eo f t h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o ni nt h ee n v i r o n m e n to f p o w e rm a r k e ti sp r o p o s e d a p p l i n gt h em e t h o d so ft h ep r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i sa n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e m e t h o d ，r e l a t e de v a l u a t i o nm o d e li sb u i l t ，c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no ft h ep u m p e ds t o r a g e d o w e fs t a t i o n ，sb e n e f i t si sc o n d u c t e d ，a n dt h ee v a l u a t i o nr e s u l t sa r e s a t i s f i e d l ip e i d o n g ( t e c h n o l o g ye c o n o m i ca n dm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f s u nw e i k e yw o r d s ：p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ，d y n a m i cb e n e f i t s ，m a r k e t i n gm o d e ， c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 抽水蓄能电站作为调节电力系统运行的一种有效手段，在电力系统中有着削蜂 填谷、事故备用、调频、调相、负荷跟踪等静态、动态功能。 本文首先阐述了抽水蓄能电站在电力系统中的静态功能和动态功能，以及由此 带来的静态效益和动态效益。根据等效替代的思想，提出了具体测算抽水蓄能电站 事故备用效益、调频效益、调相效益以及抽水蓄能电站总体动态效益的方法，并进行 实例计算。 在对静态效益和动态效益分析的基础上，根据静态效益和动态效益的实际流 向，提出了电力市场环境下抽水蓄能电站的共同租赁经营模式。 本文将主成分分析和支持向量机的方法相结合，建立相关评价模型，对抽水蓄 能电站的效益进行了综合评价，并取得了较好的评价效果。 关键词：抽水蓄能电站，动态效益，经营模式，综合评价 a b s t r a c t a sa ne f f e c t i v em e a nt oa d j u s tt h eo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m ，t h ep u m p e ds t o r a g e p o w e rs t a t i o nh a sas e r i e so fs t a t i ca n dd y n a m i cf u n c t i o n ss u c ha sr e g u l a t i n gp e a ka n df i l l i n g i n v a l l e y , e m e r g e n c y r e s e r v ef o r a c c i d e n t ，f r e q u e n c yr e g u l a t i o n ，p h a s er e g u l a t i o n ， l o a d f o l l o w i n ga n ds oo n f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sa ne x p a t i a t i o no nt h es t a t i ca n dd y n a m i cf u n c t i o n so ft h e p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o ni nt h ep o w e rs y s t e ma n dt h es t a t i c a n dd y n a m i cb e n e f i t s a c c o r d i n gt ot h et h o u g h to fe q u i v a l e n ts u b s t i t u t i o n ，t h em e t h o d st oc a l c u l a t et h ee m e r g e n c y r e s e r v eb e n e f i t s ，f r e q u e n c yr e g u l a t i o nb e n e f i t s ，p h a s er e g u l a t i o nb e n e f i t sa n dt h et o t a l d y n a m i c b e n e f i t so ft h ep u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o n a r ep r o p o s e da n dt h ea c t u a l c a l c u l a t i o n so ft h ee x a m p l e sa r ec o n d u c t e d 0 nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so nt h es t a t i ca n dd y n a m i cb e n e f i t s ，t h eu n i t e dl e a s em a r k e t i n g m o d eo ft h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o ni nt h ee n v i r o n m e n to f p o w e rm a r k e ti sp r o p o s e d ， a p p l i n gt h em e t h o d so ft h ep r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i sa n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e m e t h o d ，r e l a t e de v a l u a t i o nm o d e li sb u i l t ，c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no ft h ep u m p e ds t o r a g e d o w e rs t a t i o n ，sb e n e f i t si sc o n d u c t e d ，a n dt h ee v a l u a t i o nr e s u l t sa r es a t i s f i e d l ip e i d o n g ( t e c h n o l o g ye c o n o m i ca n dm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f s u nw e i k e yw o r d s ：p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ，d y n a m i cb e n e f i t s ，m a r k e t i n gm o d e ， c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文抽水蓄能电站效益的综合评价研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：互挚址日期：芝翌灿 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：签盔煎二 日期： 煎严监碑 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文的研究背景和意义 第一章绪论 我国经济的进一步发展对电力系统的经济运行和电能质量都提出了更高的要 求。一方面，随着国民经济的发展，用电量有了大幅一卜升，因而使电网的安全稳定、 优质、高效运行显得更为重要；另一方面随着居民生活用电比例的提高，电网峰谷 差明显加大，系统调峰问题日益严重。抽水蓄能电站作为调节电力系统运行的一种 有效手段，经过多年的研究和论证，已经受到一定程度的认可。就抽水蓄能电站本 身而言，它不能牛产出更多的电能，相反，在两次的能量转换中会有一定的能量损 耗但是抽水蓄能电站的价值体现在它用电低谷时耗电抽水、用电高峰时供电和它 的快速反应能力对整个电力系统的调节上。也就是说，抽水蓄能电站虽然损耗7 一 部分能量，但是从整个电力系统运行来讲是经济的，那么抽水蓄能电站对电力系统 的经济性体现在什么地方，效益有多少，如何对抽水蓄能电站在整体上有一个客观 的综合评价，成为需要深入研究的问题。另外，电力工业的市场化改革进一步推进， “厂网分开”，抽水蓄能电站如何才能有一个合理的定位，发挥自己的作用，维护 整个电力系统的利益，也确保自身的利益，也已经成为亟需解决的问题。而这些问 题的解决又必须以抽水蓄能电站本身的实际效益为基础。 目前我国已投产抽水蓄能电站有5 8 0 余万t i 瓦的装机容量，另外有泰安、桐柏 等八所大型抽水蓄能电站正在建设之中也将相继投入生产运行，深入研究抽水蓄能 电站效益的定量测算，以及总体效益的综合评价问题有着很大的现实意义。 本文在分析总结了之前列抽水蓄能电站效益的评估方法的基础上，分析了其各 项动态效益以及总体动态效益的评估方法，提出了共同租赁的经营模式，并对抽水 蓄能电站总体效益进行了综合评价。 1 2 国内外对抽水蓄能电站动态效益计算以及总体效益综合评价方法的 研究现状 近年来，国内外相关学者对抽水蓄能电站的效益进行了不断的研究和探讨，得 出了很多有价值的成果。其中，对于抽水蓄能屯站削峰填谷所带来的静态效益从多 个角度进行了分析和评估，到目前已经有了比较成熟的测算方法。对于抽水蓄能电 站动态效益的研究也进行了很多有益的探索，1 9 8 4 年在波士顿召丌了“抽水蓄能电 站动态效益评估”国际会议，会议中提出了抽水蓄能电站承担动态功能的效盏值。 这项成果具有广泛的影响，各项动态效益值已经被广泛应用。但是不足的是，这个 这项成果具有广泛的影响，各项动态效益值已经被广泛应用。但是不足的是，这个 华北电力大学硕士学位论文 成果除指出旋转备用效益是用概率模拟的方法获得外，对其他的各项的效益没有提 出相应的数学模型和算法，表中的数值也大多数是根据实际情况做出的估计值，而 不是准确计算得出的结果。在此之后，也有一些国内外的研究人员对动态效益进行 了分析研究，但是这些研究大多数都局限在动态效益的定性分析上。对于抽水蓄能 电站总体效益的定量测算到目前为止还没有一个很全面和公认的成果。 目前国内新投资兴建了多座抽水蓄能电站，但是随着电力行业市场化的趋势， 电厂和电网逐步分离独立的经济实体，而抽水蓄能电站经济效益只有在整个电力系 统中才能充分体现出来，也就是说合理运行抽水蓄能电站，电网、发电企业以及消 费者都要受益。但是目前没有一个普遍适用的经营方式能使抽水蓄能电站保证自身 的效益，解决生存问题。如何根据这些情况提出合理的经营模式目前正在研究和探 讨之中。 就抽水蓄能电站总体效益的综合评价问题，目前国内外这方面的研究还很少， 而且基本是以文字叙述的形式，定量的评价分析还没有。另外，之前的评价主要集 中在经济效益的评价上，从其社会效益出发的综合评价研究到目前为止还很少。 1 。3 论文的主要研究内容 本论文首先对抽水蓄能电站的效益进行了全面的定性分析，其中包括对静态效 益和动态效益的分析，阐明抽水蓄能电站产生效益的流向；在总结之前对抽水蓄能 电站动态效益分析的基础上，提出定量测算抽水蓄能电站动态效益的方案，并进行 实例的测算；在分析了抽水蓄能电站动态效益和静态效益的基础上，提出了电力市 场条件下抽水蓄能电站的共同租赁经营模式；在其各项效益分析的基础上对抽水蓄 能电站效益进行了综合评价，得出理想的评价结果。 2 一望! ! 皇垄查兰堡主堂垡堡壅 第二章抽水蓄能电站的效益分析 2 1 抽水蓄能电站概述 2 1 1 抽水蓄能电站的工作原理 抽水蓄能电站是以一定水量作为载体，通过能量转换向电力系统提供电能的一 种特殊形式的水利发电站。它在电力负荷低谷时利用电力系统待供的富余电量将下 水库中的水抽到上水库，以势能的形式储存起来；待电力系统负荷高峰时或者事故 等情况需要电力供应时，再发电送往电力系统。可见，抽水蓄能电站既是一个吸收 低谷电能的电力用户，又是一个提供峰荷电力的水电站。 2 1 2 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 抽水蓄能电站是电力系统中一种特殊的电源，它与常规电源的区别在于，它吸 收低谷电，发出高峰电，并不多产生电能，起到了电力电量在时间上的转换功能， 另外由于抽水蓄能发电机组自身的特点，它又有快速反应，快速转换工况的特点。 抽水蓄能电站在整个电力系统中的作用也是由其自身的特点决定的。国内外实践已 经充分证明，抽水蓄能电站在电力系统中有着以下的功能：一是削峰填谷；二是担 任事故备用、调频、调相、负荷跟踪、满负荷爬坡等动态功能。 2 1 2 1 削峰填谷作用 抽水蓄能电站在低谷时段利用多余的电力和电量抽水，在高峰时段利用低谷所 抽的水量发电，起到了削蜂填谷的作用，这种既削峰又填谷的作用是抽水蓄能电站 所独有的优点。它对电力系统的作用表现在：它大大改善了系统中火电机组的运行 条件，使这些机组在一天的运行过程中不必频繁增减出力或开停机，可以使这些机 组以较平稳的出力运行，缓解这些机组低谷时段深度压负荷、频繁调整负荷、启停 调峰的困难，延长机组寿命，减少了火电厂的燃耗，降低了运行成本，系统效益十 分明显。另外，在有核电机组的发电系统中，由于核电机组压负荷非常困难，所以 抽水蓄能的这种功能可以保证核电机组以稳定的负荷运行。 与其他的调峰手段相比，抽水蓄能电站承担调峰任务时有着其自身的优势：与 火电机组相比它起停迅速、灵活，负荷跟踪性能好；与燃油机组相比，它节省了燃 油消耗，造价低，调峰能力强；与常规水电机组相比，它不仅能调峰，而且能填谷， 装机容量一般不受天然来水量的限制。 2 1 2 2 事故备用、调频、调相、负荷跟踪、满负荷爬坡等动态功能 3 些j ! 查查盔堂堡主堂堕堡茎 由于抽水蓄能电站运行有着高度的灵活性和快速的反应能力，它对电网运行有 着其他电源难以替代的优越性，也正是这些特性使抽水蓄能电站能够承担事故备 用、调频、调相、负荷跟踪、满负荷爬坡等动态功能。 事故备用。电力系统发生事故造成停电，将给国民经济带来巨大的损失，也给 人民生活带来极大不便。为了减少事故停电，提高系统运行可靠性，除了设置足够 的事故备用容量外，还必须选用运行可靠性较高的发供电设备，提高电网自动化水 平。与火电机组相比，抽水蓄能机组设备结构简单，自动化程度较高，强迫停运率 低，在蓄能机组容量占电网发电机组总容量比重较大的系统，强迫停运次数少，强 迫停运时间短，事故停电损失下降。另外，抽水蓄能机组启动迅速、运行灵活、升 荷速度快、调荷幅度大，可以承担事故备用任务，是电力系统最理想的备用电源。 调频。电力系统频率是衡量电能质量的指标，如果频率超出允许的偏移值，就 要影响生产，甚至影响整个系统的安全运行。频率的稳定依赖于发电功率与负荷功 率间复杂的平衡关系。电网不平衡可能是由于负荷预测的误差、缺少跟踪负荷变化 的发电容量或由于故障造成的突然失去发电功率或负荷功率，从而导致频率变化。 为了维持系统频率的稳定，要求有一定量的火电机组处于旋转状态，即不带足额定 出力运行，预留一定量的负荷备用容量，在频率超出允许的范围时进行调节之用。 抽水蓄能机组由于其运行灵活的特点，承担调频任务有着比火电机组更灵活的特点。 调相。电力系统无功功率不足或过剩时，电网电压会下降或上升，影响供电质 量，危及系统安全运行。为此，在负荷中心要设置无功补偿装置一专用调相机或 静电电容器，或将同步发电机改作调相机运行增发无功出力，提高功率因数。根据 电网需要，抽水蓄能机组可作调相机运行，吸收无功功率，维持电网电压稳定。 负荷跟踪。电力系统的负荷随时在变化，系统应随时跟踪负荷变化，及时提供相 应的出力。火电机组的这种跟踪能力较弱，煤电机组开机后每分种出力的递增速度 不超过3 ”：油气机组的这种爬坡能力只有1 3 ；抽水蓄能机组从并网到带满负 荷只要2 3 分钟，并可使机组出力在5 0 1 0 5 范围内随时调整”。正是抽水蓄能电 站的这种快速反应能力使它有很好的负荷跟踪功能。 满负荷爬坡。随着电力系统用电量的增加和峰谷差的进一步加大，在用电负荷 迅速增加的时段，电网需要满足一定的负荷增加速率。抽水蓄能电站运行灵活，能 够快速升荷，相对于火电机组来说，有着更好的满足电力系统爬坡的性能。 2 2 抽水蓄能电站的静态效益 当电力系统出现峰荷时，抽水蓄能电站和常规水电站一样发电，承担系统高峰 负荷，起到调峰作用：而当负荷低谷时，作为泵站，利用系统多余电能抽水，使火 4 华北电力大学硕士学位论文 电、核电机组出力不降低或少降低，保持机组平衡运行，起到了填谷作用。调峰又 填谷的双重作用，极大改善系统中火电、核电机组的运行条件，使其能基本上保持 在高效率区稳定运行，不必频繁增减出力或开停机组，从而降低单位燃耗，达到节 约系统燃料消耗的目的。 静态效益包含容量效益和能量转换效益。 2 2 1 容量效益 抽水蓄能电站容量效益计算常采用等效替代法，等效替代方案的总投资和固定 运行费用与基本方案之差，即为容量效益。抽水蓄能电站既调峰又填谷，具备双重 作用，投运后可改变电网的电源构成，减少火电装机容量。抽水蓄能电站土建工程 量较少，设备相对简单，其单位造价低于常规水电、火电与核电。根据我国近期拟 建大型抽水蓄能电站设计资料分析，单位静态投资为3 0 0 0 4 0 0 0 元千瓦。已投产的 广州抽水蓄能电站工程造价是全国最低的。其一期工程单位动态投资约为2 2 3 6 元 千瓦，二期工程单位动态投资约为2 5 8 0 元千瓦。广东惠州抽水蓄能电站，单位投 资估算为2 2 3 2 元千瓦( 静态投资) 。火电站的单位投资约4 2 0 0 4 7 0 0 元千瓦( 静态投 资) ，国产火电机组要便宜一些，但调峰性能差。用抽水蓄能电站替代部分火电承 担调峰任务，可大量节省电力建设投资。 根据计算，十三陵抽水蓄能电站的投入可为京津唐电网节省电源建设投资7 8 8 亿元，折合每年约1 0 5 5 万元：节省年运行费用5 8 0 0 万元，容量效益每年达1 6 3 5 0 = ) j - 元。 2 2 2 能量转换效益 对于抽水蓄能电站的调峰填谷效益， 种认识已成为发展抽水蓄能电站的阻力。 表面上看是“4 度换3 度”，得不偿失，这 实际上，抽水蓄能电站投入电网与火电 联合运行，由于其调峰填谷作用而产生了能量转换效益，这主要体现在以下两个 方面： i 调峰节煤效益 抽水蓄能电站承担系统的调峰任务，从而替代了燃耗率高、发电成本贵的调峰 火电机组，使系统燃料消耗减少，这部分燃料的节约称为调峰节煤效益。 2 填谷节煤效益 在系统负荷低谷时，抽水蓄能电站利用腰荷火电机组空闲容量所发出的电能作 为抽水电源，使这部分腰荷转变成基荷，使火电机组在均匀、稳定的负荷下高效率 运行，改善火电机组运行条件，提高机组设备利用率，降低厂用电率和燃耗率，这 部分燃料的节约称为填谷节煤效益。 5 华北电力大学硕士学位论文 _ _ _ - - _ - _ h 抽水蓄能电站投入系统运行后，一方面由于顶替火电调峰和改善火电机组的运 行条件，降低燃耗和厂用电率，从而减少燃料消耗；同时也应该认识到抽水蓄能电 站的两次能量转化过程有一定的能量损耗，会增加燃料消耗。从现有的研究成果来 看，其节省的煤耗和运行费用等要远远大于能量损失所带来的消耗”3 。 抽水蓄能机组的削峰填谷作用给电力系统带来的经济效益主要体现在： 抽水蓄能机组参与电力系统运行可以减少火电机组的运行台数，改善了火电机 组的运行工况，提高了机组的发电负荷率，使之能在经济负荷区内运行，从而降低 电力系统的发电煤耗；由于抽水蓄能机组改变了火电机组的组合方式，低谷时利用 低成本机组的电力抽水，高峰代替高成本的机组发电，因而能够安排更多的高成本 机组停机待用，从而降低电力系统的燃料成本；抽水蓄能机组削峰填谷减少了火电 机组的起停调峰台次，也就降低了起停调峰费用。由于抽水蓄能机组以上三方面的 效益大大超过其本身循环效率的损失，充分合理地安排抽水蓄能机组的运行方式将 大大提高电力系统的经济运行水平，带来可观的经济效益。 以广蓄联营公司1 9 9 6 年1 月份和8 月份实际运行资料为例，对广州蓄能电站一期 的节煤效益进行了分析。研究结果表明，1 月份为系统节煤1 。1 7 万吨，8 月份为系 统节煤1 7 万吨，全年节煤约1 8 万吨。 通过计算，建设十三陵抽水蓄能电站与替代方案相比，系统每年节省标准煤 1 5 3 万吨，节约燃料费3 4 5 0 万元。 山东省网是独立电网。截止1 9 9 8 年底，5 0 0 千瓦及以上装机容量1 7 4 3 万千瓦， 其中统调装机1 4 1 2 万千瓦。1 9 9 8 年统调最高负荷1 2 2 7 万千瓦，低谷负荷为最高负荷 的6 4 4 ，最大峰谷差4 0 1 万千瓦。统调装机9 3 以上为燃煤火电机组，用这些适宜 担任基荷的机组来承担如此巨大的调峰任务，需付出较大的代价；燃煤机组频繁压 低出力运行和开停运行，机组设备易受损坏，缩短检修周期，增加检修和技术改造 费用，从而导致寿命缩短，可用率降低和增加燃料消耗。据山东省电力局统计，1 9 9 8 年火电杌组启停达1 4 0 0 台次，其中3 0 万千瓦的大祝组启停9 3 台次、6 0 万千瓦机组2 台次，启停和压出力运行使标准煤消耗增加1 1 2 万吨，燃油s t 吨。为此山东省电网 增加成本约4 4 亿元。经专家组评估认为：山东电网建设抽水蓄能电站是必要和迫 切的。专家组测算，从电源优化角度出发，2 0 0 5 年至2 0 1 0 年负荷水平，t o o k - 千瓦 的泰安抽水蓄能电站配合4 0 万千瓦燃气轮机可能更为合理。它比用煤电加4 0 万千瓦 燃气轮机调峰，可减少煤电装机l o o ) 可千瓦，每年可节约标准煤3 0 8 7 万吨，燃“1 1 2 3 5 万吨，用现行价格计算，每年节约燃料费6 3 亿元。 2 3 抽水蓄能电站的动态效益 6 华北电力大学硕士学位论文 一 一_-_-一 抽水蓄能电站的动态任务因电网特性和需要而异，同时产生动态效益，主要包 括旋转事故备用、调频、调相、快速跟踪负荷、满负荷爬坡等w 。 事故备用效益。为保证电力系统安全可靠运行，必须预留一定数量的负荷备用 容量和事故备用容量，其中大部分必须处于旋转状态，这部分称为旋转备用容量或 同期备用容量。火电站承担的旋转备用容量常分散于系统中若干机组上，即这些机 组处于空转或压出力运行状态，因而热效率很低，燃料消耗量增加，代价很高。 抽水蓄能机组启动迅速、运行灵活、升荷速度快、调荷幅度大，是电力系统最 理想的备用电源。抽水蓄能机组在发电工况下能快速跟踪系统负荷变化，起到旋转 备用的作用。在静止工况下，遇到系统突发性停机事故，也能在2 3 分钟内从启动 到带满负荷，顶替事故停运机组工作，迅速恢复正常供电。即使在抽水工况下，遇 到系统其它机组跳闸甩负荷等紧急情况，抽水蓄能机组会自动切泵而停止抽水，或 出抽水工况直接转换成发电工况，迅速补充容量、电量的缺额，防止事故进步扩 大“”。我们称抽水蓄能电站在承担备用任务过程中体现的效益为事故备用效益。 从广蓄电站一期实际运行情况来看，在发电工况运行机组平均出力约为2 1 万千 瓦，为额定容量的7 0 ，其余3 0 是旋转备用容量。1 9 9 4 年5 月一1 9 9 6 年底，在大亚湾 核电站机组跳机、西电解裂及电网事故等6 6 次事故中，广蓄电站迅速投入，防止了 事故扩大，帮助电网恢复工常供电。广蓄一期工程研究认为，电站旋转备用效益每 年约4 0 0 0 万元。 自十三陵抽水蓄能电站投入运行以来，在京津唐电网的几次事故中对稳定电网 起到了关键的作用。1 9 9 6 年6 月，沙岭子电厂3 # 、4 # 3 0 万千瓦机组掉闸，电网瞬间 出现较大的容量缺口，电网紧急调用十三陵蓄能电站1 # 机和潘家i = 1 蓄能电站1 # 机发 电，电网恢复稳定。1 9 9 9 年3 月1 6 日，沙蛉子电厂至昌平5 0 0 千伏线路掉闸，系统频 率出现异常。当时十三陵电厂两台机正在发电，接到调度命令后，迅速启动第三台 机组，使系统频率迅速恢复正常，充分发挥了蓄能机组反应速度快和适宜承担紧急 事故备用的优势。研究表明，从电网总体经济效益出发，十三陵抽水蓄能电站各种 运行方式经济效益由大到小的顺序是备用、调频、调峰。在保证首都各项重大活动、 提高供电可靠性方面也发挥了重要作用。例如，在香港回归期，在负荷高峰时，电 站两台机组抽水运行，其目的是一旦系统频率过低，机组可在数秒内与电网解列， 相当于短时间切除2 2 1 8 万千瓦负荷。必要时，还可在3 分钟内启动发电， 带满 负荷2 2 0 万千瓦，保证系统稳定运行。又如，电力报以“十三陵蓄能电厂关键 时刻显身手，报导：自1 9 9 9 年3 月初以来，北京连续十多天的大雾阴雨天气，使供电 线路造成电网雾闶、线路闪络掉闸等事故不断出现，十三陵蓄能电厂做出快速反应。 据统计，从3 月1 2 日一1 7 同，十三陵蓄能电厂开机4 8 次，发电1 9 4 8 万千瓦时，紧急启 动成功率1 0 0 。 7 华北电力大学硕士学竹论文 调频效益。电力系统由于负荷波动和短时计划外负荷增减，均会导致系统频率 的变化。为了维持系统频率的稳定，要求有适量火电机组处于旋转状态，即不带足 额定出力运行，这种情况下机组运行效率低，燃料消耗大。而抽水蓄能电站自动化 程度高，增减负荷灵活，对负荷随机、瞬间变化可做出快速反应，具有很强的应付 突荷能力，能保证电网频率稳定，起到调频作用。我们称抽水蓄能机组在调频过程 中体现出的效益为调频效益。 近年来，由于电视的普及，当遇到有特殊吸引力的节目播送时，能在几秒钟内 出现几十万千瓦的电视突荷。如西德莱茵河西部电力系统1 9 9 5 年某晚发生的电视突 荷达到了9 0 万千瓦，电网频率严重偏离额定值。由于抽水蓄能机组处于备用状态， 立即解除了这种突荷危机，并保证了频率稳定和系统安全运行”“。 1 9 9 3 年以前，京津唐电网主要依靠燃煤火电机组调频。燃煤火电机组受设备的 限制，调整负荷速度慢，当电网频率稳定变化时还可以勉强满足要求，一旦电网频 率呈跳跃性变化，燃煤火电机组则显得无能为力。电网频率合格率都在9 8 以下， 最为严重的1 9 8 6 年仅达8 1 左右。随着潘家口和十三陵抽水蓄能电站相继投入，承 担京津唐电网主要的调频任务，1 9 9 5 年、1 9 9 6 年电网频率合格率分别达到9 9 9 9 9 和9 9 9 9 7 。除电网供电状况有所好转外，抽水蓄能电站调节起了决定性作用。广 蓄电站自投产以来，启动次数逐年大幅度增加，至1 9 9 6 年达3 8 8 3 次。可见，抽水蓄 能电站对改善电网运行条件起到重要的作用，也反映电网对它的依赖程度。 调相效益。电力系统无功功率不足或过剩时，电网电压会下降或上升，影响供 电质量，危及系统安全运行。抽水蓄能电站无论是在发电工况还是在抽水工况运行 都可以为系统调相，既可以发出无功功率提高电力系统电压，也可以吸收无功功率 降低电力系统电压。尤其是在抽水工况调相时，可以进相吸收无功功率，有时进相 很深，持续时间很长，这种作用，核电、火电做不到，常规水电也难做到。而且经 常为电力系统调相单独开机，利用抽水蓄能机组进相运行方式吸收多余无功功率， 对稳定电网运行电压、保证电能质量取得相当理想的效果，也产生了可观的经济效 益。抽水蓄能机组投入调相运行，可以减少设置专门无功补偿设备，节省系统的 投资和运行费用。 广蓄电站自投产以来，无论在发电工况还是在抽水工况运行，频繁承担了广东 电网调相任务，春节假曰更为电网调相单独开机，以稳定系统电压。从1 9 9 3 年一1 9 9 6 年，共发出无功电量2 3 8 亿千乏时，吸收无功电量6 8 4 亿千乏时其中1 9 9 6 年全年吸 收无功4 6 亿千乏时，约为有功电量的三分之一，对稳定电网电压作用很大，效益 十分明显。据初步分析，调相效益约占电站动态效益的2 5 ”。 负荷跟踪效益。对于系统不可预测的负荷增长，需要有能够快速反应的机组来 8 华北电力大学硕士学位论文 跟踪电网的负荷变化，以使电网得以稳定可靠运行，抽水蓄能机组快速灵活应付负 荷剧变的能力是火电机组所不能及的。抽水蓄能电站在跟踪负荷的过程中体现出来 的效益称为负荷跟踪效益。有些大的电力系统在用电高峰时负荷变化率有 5 0 m w m i n ，在晚间高峰时可达l o o m w m i n ，大型火电机组的负荷变化率仅为百分之 几，很难做到这样的负荷跟随，而抽水蓄能电站可以跟随这样的负荷变化”“”。装 机容量在3 0 0 0 万千瓦以上的大电网，晚间高峰时负荷变率可达1 0 万千瓦分钟。火 电机组很难适应负荷的这种急剧变化，如凝气式火电机组很难在一分钟内增加其额 定出力的3 。抽水蓄能电站运行灵活。对负荷的急剧变化能做出快速反应，能很好 跟踪系统负荷变化，从而顶替燃气轮机的工作，节约燃油，减少运行维修费用。 爬坡效益。在大容量电网的增荷时段，其增荷速率很大，为了使电网稳定运行， 应该有相应的增荷容量和足够的增荷速率。抽水蓄能机组由于本身的反应迅速的运 行特点，满足电力系统增荷速率和增和容量所体现出的效益为爬坡效益。 2 4 抽水蓄能电站的社会效益 电力在现实生活中是不可缺少的，突发的事故停电以及电压、频率的不稳定， 会给工业生产和居民生活带来极大的不便和难以估计的经济损失，这是关系到社会 生活的现实问题。抽水蓄能电站投入系统运行，在很大程度上提高了电网安全性， 提高了供电质量，保证生活生产用电，为火电站和核电站的安全稳定运行起到重要 作用，有着重要的现实意义。 抽水蓄能电站投入电力系统运行，降低系统的燃料消耗，节约了能源；另外， 抽水蓄能机组可以代替一部分燃油的蒸汽机组或燃气轮机组，从而改变了燃料结 构，节约了燃油，符合我国可持续发展的要求。根据已公布的资料，我国煤炭埋深 在2 0 0 0 米以浅的总资源量为4 1 5 万亿吨，石油的总资源量为8 9 0 亿吨，天然气总资 源量为4 0 万亿立方米。虽然我国能源资源十分丰富，但是煤炭、石油等能源资源是 不可再生资源，这些资源的消耗是没有办法补偿的，因而充分有效利用这些有限的 资源已经逐渐被重视起来。电力工业的长远发展应该立足于对资源更充分有效的利 用，顺应我国可持续发展的趋势。我国除发展风能、水能等可再生能源外，优化现 有的电源结构，增加不可再生能源利用效率是电力系统发展的一个重要方面，而抽 水蓄能电站在这方面则起到了举足轻重的作用。从这个角度来说，抽水蓄能电站有 着重要的社会意义。 有利于峰谷电价推行，促进电价改革。电力系统对于负荷高峰期和低谷期电能 生产所付出的代价是不等的。用户利用峰荷电能和低谷电能进行生产所付出的代价 也不等。实现峰谷分时电价能合理体现峰谷电能的生产和利用成本上的差异。抽水 蓄能电站建成投入运行后，利用低谷电能抽水，为系统提供峰荷电能，为推行峰谷 9 华北电力大学硕士学位论文 分时电价创造了现实条件。 促进地区经济发展。抽水蓄能电站的建设，大大促进了地方基础设施建设。改 善了地区交通、通讯及招商条件，活跃了当地物资市场和劳动力市场，创造了数量 可观的社会就业机会，并且可以建设形成风景区，带动了地区建材工业、第三产业 的发展。 l o 兰i ! 皇查查堂堡主堂垡丝塞 第三章抽水蓄能电站动态效益的评估方法研究 抽水蓄能电站启停迅速、运行灵活的动态功能在电力系统中发挥着不可替代的 重要作用。这种在以往被视为抽象的、理所当然的效益，引起了国内外有关学者的 普遍关注和重视。如何全面、系统地评估抽水蓄能电站的效益，成为水能技术经济 学中需要解决的个新问题。 与此同时，业内人士对抽水蓄能电站效益的定量计算进行了一些有益的探索， 并且取得了一些有价值的成果，其中，对抽水蓄能电站静态效益已经从不同角度出 发进行研究，得出了比较成熟的估算方法；而对抽水蓄能电站动态效益的定量计算 也进行了一些探索，但是到目前为止一直没有一个公认的测算方法。 在充分认识了之前对抽水蓄能电站效益分析的基础上，本文从抽水蓄能电站参 与实际运行的角度出发，运用等效替代的思想，对抽水蓄能电站的主要动态效益逐 项分析，得出了事故备用效益、调频效益以及调相效益的估算方法，并以各项效益 为基础，分析抽水蓄能电站整体动态效益的估算方法。 3 1 事故备用效益评估方法( e m e r g e n c yr e s e r v eb e n e f i t s ) 电力系统中突发停电事故，将给社会带来巨大的经济损失。为满足电力系统正 常供电的需要，除要求系统有足够的工作容量和必要的负荷备用、检修备用容量外， 还要留有事故备用容量，般为8 一1 0 ”“。事故备用容量可迅速顶替发生事故的发 电机组，使系统迅速脱离事故状态，避免大面积停电甚至系统瓦解的危险。抽水蓄 能电站能够快速启动，迅速转换工况，在发电工况下，可结合利用抽水蓄能电站运 行中的空闲容量；在水泵工况下，可停止抽水或切泵转换工况；在静止条件下，亦 可紧急启动，从而达到短时应急事故备用的目的。可见，抽水蓄能电站可承担电力 系统的事故备用，提高供电可靠性，减少停电损失。 事故备用效益是抽水蓄能电站的一项主要的动态效益，根据已有成果分析，其 占动态效益的比例为4 0 一5 0 “1 。以往对事故备用动态效益的定量评估方法局限性 在于：以静态化处理模式得出的期望值作为实际效益值，没有体现出事故备用效益 的动态性，不能确切反映事故备用效益的实际值，不适用于评估已投入运行的抽水 蓄能电站的事故备用效益。为此，本文提出了定量评估抽水蓄能电站事故备用效益 的动态化处理模式，其总体的思路是：以一次事故过程中事故备用效益的正确计算 为基础，根据事故瞬间系统运行情况输入有关资料，计算抽水蓄能电站投入前后系 统缺供电量、缺供电力差值，得出该次事故中抽水蓄能电站的事故备用效益。对于一 段时间内，累加抽水蓄能电站在各次事故中的事故备用效益，即为该段时间内抽水蓄 华北电力大学硕士学位论文 能电站的事故备用效益。 本文提出的对抽水蓄能电站事故备用效益定量评估方法，采用系统实际运行资 料，充分考虑一次事故中影响效益指标的一系列因素：如各类型备用机组的不同升 荷率和预留容量值，新投入备用机组的延迟启动时间，事故停运机组容量大小，以 及事故发生瞬间抽水蓄能电站所处的工况等，从而保证一次事故中动态效益指标计 算的客观性和可信性。 、n b ；0 ，；、 。：、 图3 1 事故备用升荷过程示意图 设在某一时刻发生停机事故，其事故停运容量为儿，旋转备用容量为肛备用机 组发电的升荷速率为畎k w m i n ) 。 在没有抽水蓄能机组的情况下，事故响应电量为历，事故缺供电量为易跏x 一日。，事故缺供电力尸，砒一儿事故持续时间为乃6 0 m i n 。如图所示，曲线o a 。b ：c 。 为事故发生后抽水蓄能机组与电网中原有旋转备用机组一起顶替事故停运机组时 的升荷过程曲线。在此情况下，事故持续时间为乃6 0 m i i 3 ，事故缺供电力只- - n o 一丘， 事故响应电量毋为o a ：b 。c ：曲线下所包面积，事故缺供电量为岛砒- e z 。我们将有 无抽水蓄能电站参与系统事故运行方案相比较，其减少的事故缺供电量4 嘲- y , ， 所降低的事故缺供电力厶尸胡- p , ( 即为抽水蓄能机组的装机容量) ，所缩短的事故 持续时间1 产五一五。这三个指标真实反映了抽水蓄能机组比其他机组启动迅速、升 荷速度快的两大特点，是产生动态效益的根本源泉。 3 1 1 升荷过程线的计算与分析 综合升荷速度是影响升荷过程线形状与评估指标大小的主要因素。综合升荷速 度是指停机事故发生后系统中所有备用机组每分钟内增加负荷的总和，即为： 无抽水蓄能机组时k = ，+ ( 3 2 ) i = l j = l 1 2 一 一 些韭皇垄查堂堡主堂鱼笙壅 有抽水蓄能机组时= + + ( 3 3 ) 一川一 r i = l j = lt t i 式中：k 为第t 分钟的升荷速度；峙、聆分别为火电机组、水电机组和抽水 蓄能机组升荷速度；，力、分别为火电机组、水电机组和抽水蓄能机组参与事故 运行的台数。 升荷曲线是所有备用机组增加负荷的累积曲线，其纵坐标为升荷累计值y ，横 r 坐标为时间t ，即z = ( 3 4 ) t = o 升荷过程