（控制理论与控制工程专业论文）抽水蓄能电站经济运行的分析与探讨.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的高速发展，人民生活水平的逐步提高，全国各大电网负 荷急剧增加，电源结构和用电特性发生了重大变化，负荷峰谷差越来越大，系统 调峰问题越来越严重。 抽水蓄能电站利用电网中夜间低谷时的剩余电能，从下水库抽水到上水库 中；而在日间电网高峰负荷时，再从上水库放水发电，在电力系统中承担着“削 峰填谷”的作用。 首先，在论文的概论中阐述了研究背景和目的、国内外研究现状和应用前 景。第二章针对计算机监控对象抽水蓄能电站，分别介绍了抽水蓄能电站以 及抽水蓄能电站的机组。主要介绍了抽水蓄能电站的工作原理和特点、抽水蓄能 电站机组及其运行特点。 第三章介绍了抽水蓄能电站的计算机监控系统。首先介绍了我国抽水蓄能电 站计算机监控系统研究现状，然后介绍了监控系统的基本模式，重点是监控系统 的硬件结构和软件系统，最后介绍了监控系统的基本功能。 第四章着重论述了抽水蓄能电站经济运行的优化准则和优化算法。首先介绍 了抽水蓄能电站经济运行的研究背景和研究内容。在此基础上，分别介绍了抽水 蓄能电站抽水工况和发电工况的几种优化准则，并最终确定了两种工况各自的优 化准则。最后，介绍了多种优化算法，并通过对经济运行算法的分析比较，发现 运用动态规划法来实现抽水蓄能电站的优化运行有其独到的优势，所以决定用动 态规划法来解决抽水蓄能电站的经济运行问题。 第五章介绍了抽水蓄能电站经济运行的计算机实现。通过m a t l a b 环境下 对动态规划法应用于经济运行的仿真试验，确立了抽水蓄能电站经济运行的实现 方法，并开发了独立于m a t l a b 环境的c 语言应用程序，该程序可以与计算机 监控系统的监控软件结合，完成抽水蓄能电站的优化运行任务。 关键词：抽水蓄能电站，经济运行，动态规划法 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i tw a sp r o v e dt h a tp u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o nh a dm a d eag r e a tr o l eo i lt h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m y a n dw h e nt h ed e v e l o p m e n tg o e so nm u s tc o n s t r u c tm o r e p u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o n s ot h er e s e a r c ho nh o wt om a k ep u m p e d - s t o r a g e p o w e rs t a t i o nr u nm o r ee f f i c i e n t l yh a sm a g n i f i c e n ts i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l eh a sm a d er e s e a r c h e so np u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o n s i n s p e c t i n g a n do p t i m a ld i s p a t c h i n g ，w h i c hh a st h ed e t a i l sa sf o l l o w s ： t h ef i r s th a l f o ft h ea r t i c l ei sa b o u tp u m p e d - s t o r a g ep o w e r s t a t i o n s i n s p e c t i n g f i r s t l y , t h ei n s p e c t e do b j e c t ，s u c ha sp u m p sa n ds oo n ，h a sb e e nr e s e a r c h e do n t h e i rc h a r a c t e r i s t i cs oa st om a k es u r et h ec o n t r o lf u n c t i o n s e c o n d l y , c o m b i n e dw i t hat y p i c a lp r o j e c ta p p l i c a t i o n ，o n ep u m p e d - s t o r a g e p o w e rs t a t i o n si n t e g r a t i v ea u t o m a t i o ns y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e d i ts h o u l db en o t e d t h a tn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eh a sb e e nm e n t i o n e d ，d u r i n gt h e i n t r o d u c t i o no fa u t o m a t i o ns y s t e m t h es e c o n dh a l fo ft h ea r t i c l ei sa b o u tp u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o n s o p t i m a l d i s p a t c h i n g i nt h ef o u r t hc h a p t e r , o nt h eb a s i so fd e f m i t i o no ft h em a t h e m a t i cm o d e lo f p u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o ni nd i s p a t c h i n g ，a n dc o n s i d e r i n gt h et a s ko fd i s p a t c h i n g ， t h ea u t h o rc h o o s eg e n e t i ca l g o r i t h mt os e t t l et h ep r o b l e m h a v ed i s c u s s e dt h e r e a l i z a t i o no ft h eb a s i cg e n e t i ca l g o r i t h m ，a st ot h ed i s a d v a n t a g eo ft h ea l g o r i t h m ，t h e a u t h o rh a sa d o p t e ds o m em e a g n r e st oo v e r c o m et h e m i nt h el a s tc h a p t e r , t h ea u t h o rh a sr e a l i z e dt h ep u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o n s o p t i m a ld i s p a t c h i n gi nm a f l a be n v i r o n m e n tf i r s t l y , t h e nr e a l i z e dt h es a m ec o u r s ei nc l a n g u a g e k e yw o r d s ：p u m p e d - s t o r a g ep o w e rs t a t i o n ，e c o n o m i co p e r a t i o n , i n t e g r a t i v e a u t o m a t i o n 诚信声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究 工作所取得的研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本论文中不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的文章或论文。对 本文的研究做出重要贡献的个体和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者( 签名) ：，王冲 2 d d 6 年弓厢 i 1 论文背景及目的 第一章绪论 随着我国国民经济的高速发展，人民生活水平的逐步提高，全国各大电网负 荷急剧增加，电源结构和用电特性发生了重大变化，负荷峰谷差越来越大，系统 调峰问题越来越严重【1 l a 目前能够担任调峰的电站机组有调峰火电机组、燃气机组，内燃机组和抽 水蓄能机组等，其中抽水蓄能机组具有独特的工作方式，是一种行之有效的蓄能 装置。 抽水蓄能电站利用电网中夜间低谷时的剩余电能，从下水库抽水到上水库 中；而在日间电网高峰负荷时，再从上水库放水发电，在电力系统中承担着“削 峰填谷”的作用。抽水蓄能电站还能承担系统频率调整的任务，以提高系统电能 的质量；为系统提供无功功率，调整系统的功率因数；担负系统的旋转备用。所 以，它可以改善电网运行的灵活性和可靠性，提高电网整体安全经济性能。抽水 蓄能电站机组具有启停频繁、负荷调节范围大和响应速度快的运行特点，能有效 的解决电力系统供需矛盾问题。为了缓解调峰问题，改善电网供电质量，提高电 网运行的灵活性和可靠性，自8 0 年代以来，我国加快了抽水蓄能电站建设的步 伐。 抽水蓄能电站经济运行的目的就是以最小的生产成本为电站带来最大的经 济效益。抽水蓄能电站的经济运行主要是通过对电站机组进行优化调度来实现， 所谓优化调度就是指在满足电站运行的各种约束及各电源自身的约束条件下，对 电站内机组的出力及相应的流量进行决策，使整个计划期内的费用最小。研究抽 水蓄能电站的经济运行方式对提高整个电力系统的供电质量、运行可靠性与经 济性具有重大意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外现状瑚 抽水蓄能电站的建设已有百年历史，从早期在瑞士苏黎世兴建的5 1 5 k w 、 扬程为1 5 3 m 的抽水蓄能电站开始，直到5 0 年代末期，仍处于发展较缓慢的状 态。从6 0 年代开始，近4 0 年，抽水蓄能进入快速发展时期，从1 9 6 0 年到1 9 9 0 年3 0 年，全世界抽水蓄能电站的总装机容量增加了2 8 倍。 从总装机容量来看，美国，日本、意大利、法国的抽水蓄能电站装机规模最 大嘲。美国在6 0 年代以前的装机为9 0 m w ，到1 9 9 0 年已发展到2 8 0 0 0 m w ，且 电站规模也在增大，电站水头更高。美国百万级的电站有8 座，多数电站水头超 过3 0 0 r f l ，绝大部分电站采用可逆式机组。美国在9 0 年代后期又陆续兴建了2 7 座电站。新增加装机容量2 0 0 0 0 m w ，到2 0 0 0 年抽水蓄能总装机容量达到 4 9 0 0 ( 3 i m w 。 西欧是较早开始兴建抽水蓄能电站的地区，8 0 年代，西欧抽水蓄能装机容 量已达到3 40 0 0 m w ，占全世界装机容量的4 0 。意大利在西欧诸国中，发展 抽水蓄能最为迅速，从1 9 6 3 年的7 0 0 m w 发展到9 0 年代的8 6 0 0 m w ；法国由于 核电比重大i 又处于西欧联合电网中心，所以在7 0 年代和8 0 年代兴建了大批抽 水蓄能电站，9 0 年代装机已达到6 6 0 0 m w ；德国、奥地利，卢森堡等国也大量 修建抽水蓄能电站，且都是大容量、高水头机组；欧洲最著名的抽水蓄能电站就 是英国的迪诺威克抽水蓄能电站，水头超过5 0 0 m 。 从当今世界各国发展抽水蓄能电站的情况，可以总结出以下几个原因： ( 1 ) 自6 0 年代以来，随着抽水蓄能电站的大量兴建，抽水蓄能技术有了很大 的进步，尤其在高水头、大容量机组的制造，地下洞室施工技术方面的重大突破， 使得许多大型抽水蓄能电站建设从技术问题转向经济问题，即技术上比较成熟， 主要取决于经济上是否合理。 ( 2 ) 抽水蓄能电站的建设与电力系统的发展密切相关，当系统中大容量火电 机组以及大型核电机组投入时，电网的负荷率将进一步降低，抽水蓄能电站就成 为电网填谷、顶峰发电不可缺少的部分。 ( 3 ) 水力资源较丰富的国家，如前苏联，巴西，由于水力资源的分布与负荷 中心区域相距遥远，长距离输送调峰电力在技术上、经济上都产生许多问胚，因 此在负荷中心区域兴建抽水蓄能是优先考虑的措施。 ( 4 ) 抽水蓄能电站运行灵活，除了调峰、填谷外，还可承担调频，调相、事 故备用、负荷备用等任务。 2 1 2 2 国内现状1 4 】嗍 我国的水电资源虽丰富，但分布极不均匀，主要水电资源集中在西南，西北 地区，华北、华东、东北等地水电资源贫乏。为解决电网调峰问题，早在6 0 年代， 在华北京律唐电网开始兴建抽水蓄能电站，河北省岗南水库安装了l 台1 1 m w 的 抽水蓄能机组，7 0 年代又在京郊密云水库安装了2 台11m w 的抽水蓄能机组，接 着在河北潘家口水库又安装了3 台9 0 m w 的抽水蓄能机组。 自7 0 年代中期至8 0 年代中期，京律唐电网和华东电网曾进行过大规模的抽水 蓄能电站址普查和选点踏勘工作。在江苏曾先后选择了湖南大字( 6 0 0 m w ) 、 常州西湾( 1 5 0 m w ) 、旬容青石山( 3 0 0 m w ) ，以9 0 年代对漂阳沙河( i o o m w ) 、宜* 铜管山( 8 0 0 m w ) 等站址进行过规划；在安徽对滁县琅琊山( 4 0 0 m w ) 、繁昌响水涧( 1 2 0 0 m w ) 、六安响洪甸( 8 0 m w ) 等站址进行了规划。后来因 本地区电力供应主要矛盾在缺电量，从而兴建大批火电站，n 9 0 年代由于这些大 容量火电机组的投产，电量供应矛盾不突出，而尖峰电力( 容量) 供应又成为供 电的焦点问题，因此抽水蓄能问题再次提到议事日程上来。尤其是京津唐电网和 广东、香港电网，后者由于大亚湾核电站的建设投产，以及向香港电网供电，所 以就有广州抽水蓄能电站率先兴建，随后华北电网也开始兴建十三陵抽水蓄能电 站。 9 0 年代，我国抽水蓄能电站建设全面展开，地方电网如宁波就在华东率先建 成了溪口抽水蓄能电站( 2 台4 0 m w ，2 5 0 m 水头) ；安徽兴建了响洪甸混合式抽 水蓄能电站；江苏也正在建设溧阳沙河抽水蓄能电站( 2 台5 0 m w ，l o o m 水头) ； 华东电网最大的抽水蓄能电站是天荒坪抽水蓄能电站( 6 台3 0 0 m w ，5 6 0 m 水头) 。 到1 9 9 7 年底，全国大中型抽水蓄能电站已投产4 座，装机2 3 6 0 m w ：在建4 座，装 机3 1 6 0 m w ；完成可行性研究的1 l 座，装机7 3 1 6 m w ：完成预可行性研究的2 3 座， 装机1 3 6 5 0 m w 。 1 3 论文前景 目前，抽水蓄能电站作为电力系统运行过程中调峰填谷的重要措施之一，已 成为现代大型电力系统发电设备构成中不可缺少的一个组成部分。从电网负荷曲 线可以看出，电力需求的变化非常剧烈，因此，要求电网很快地对此变化做出反 应，设计适当的抽水蓄能电站是满足这一运行要求的理想手段。国内外的研究都 表明，抽水蓄能电站有着广阔的发展前景悯。 我国抽水蓄能电站的发展与发达国家相比，还有很大差距，这是受许多因素 影响的，例如资源分布与经济发展不平衡；煤炭资源丰富且又实行低价政策，为 火电发展提供优厚的条件；水电建设周期较长；许多设备尚不能达到国产化，需 全部从国外进口等。 现在，发展抽水蓄能电站在我国已引起重视，也逐步发展起一些抽水蓄能电 站。目前在建项目颐，即山东泰安( 1 0 0 k w ) 。已经审批了项目建议书并陆续 开始筹建的还有：浙江的桐柏( 1 2 0 0 m w ) 、山西的西龙池( 1 2 0 0 m w ) 、江苏 宜兴( 1 0 0 0 m w ) 、河北的张河湾( 1 0 0 0 m w ) 、安徽的琅琊山( 6 0 0 m w ) ，这 些电站预计都在“十五”，“十一五”建成。 综上所述，抽水蓄能电站在我国e , z j i 起相当的重视，只要在已经取得的经验 的基础上，广泛吸收和采用世界先进技术，充分利用我国丰富的水利资源，伴随 着我国对外开放的进一步扩大，抽水蓄能电站会有更快的发展。 1 4 论文的主要内容 第一章：绪论 论文的研究背景及目的、抽水蓄能电站国内外研究现状和应用前景。 第二章；抽水蓄能电站及其机组 抽水蓄能电站是蓄能电站计算机监控系统的监控对象，本章分别介绍了抽水 蓄能电站以及抽水蓄能电站的机组。其中主要介绍了抽水蓄能电站的工作原理和 工作特点，并比较出了抽水蓄能电站相对于常规水电站的特殊性。同时，也介绍 了抽水蓄能电站机组及其运行特点。 第三章：抽水蓄能电站的计算机监控系统 首先介绍了我国抽水蓄能电站计算机监控系统研究现状：然后介绍了监控系 统的基本模式，重点介绍了监控系统的硬件结构和软件系统；最后介绍了监控系 统的基本功能。 第四章：抽水蓄能电站的经济运行 首先介绍了抽水蓄能电站经济运行的研究背景和研究内容。在此基础上，分 别介绍了抽水蓄能电站经济抽水工况和发电工况的几种优化准则，并最终选择了 4 两种工况各自的优化准则。最后，介绍了多种优化算法，并通过对经济运行算法 的分析比较，发现运用动态规划法来实现抽水蓄能电站的优化运行有其独到的优 势，所以决定用动态规划法解决抽水蓄能电站经济运行问题。 第五章：抽水蓄能电站经济运行的计算机实现 给出了抽水蓄能电站经济运行的实现步骤及其流程，在m a t l a b 环境下运 用动态规划法实现抽水蓄能电站经济运行的仿真试验，进行了实例计算并得出结 果，论证了该方法的可行性。在此基础上，开发了独立于m a t l a b 环境的c 语 言程序，通过它可以来完成抽水蓄能电站的优化运行任务。 第六章：总结与展望 第二章抽水蓄能电站及其机组 2 1 抽水蓄能电站【7 l 2 1 1 抽水蓄能电站的工作原理 抽水蓄能电站主要由上、下水库，厂房( 大多为地下) ，输水系统几个部分 组成。它可利用夜间低谷负荷时火( 核) 电站提供的剩余电能，从下水库抽水到 上水库，将电能转换为水的位能，在日间出现高峰负荷时，再从上水库放水发电。 抽水蓄能电站是根据能量转换原理工作的。如图2 - 1 所示，它利用午夜系统 电力负荷低谷时的剩余电能抽水蓄能，而在电网尖峰负荷时发电，作为电网的 “削峰填谷”的角色而得到迅速的发展。 电能电能 机械能 水体位能 图2 1 抽水蓄能电站能量转换过程示意图 2 1 2 抽水蓄能电站的工作特点 抽水蓄能电站具有下述工作特点 1 抽水蓄能电站利用午夜负荷低谷时的多余电能抽水，在早、晚出现高峰负 荷时发电。在一次循环过程中，其抽水用电量e p 与发电量毋可按照式( 2 1 ) 计 算： 唧一丽v h 丽( k w h ) ( 2 1 ) 西。生( k w h ) 1 3 6 7 2 。 式中矿上水库或下水库的蓄能库容，单位：m 3 h 发电工况的平均水头或抽水工况时的平均扬程，单位：m 竹，卯分别为发电工况与抽水工况的运行效率 3 6 7 2 单位换算系数 由此可见，当抽水蓄能电站的发电量研一定时，上下水库水位高程差日越 6 大，则所需要的蓄能库容y 越小，即水库和输水管道的投资就越省，所以抽水蓄 能电站应向高水头方向发展。 2 抽水蓄能电站将低谷电能转换成高峰电能，电能转换必伴随着能量损失，显 然抽水用电量巧p 必大于发电量毋。抽水蓄能电站的综合效率叩定义为：在供给 上库的水量和从上库取出的水量相等条件下，发电工况时所生产电量e 与抽水 工况时所消耗的电量e p 之比，即抽水蓄能电站的综合效率为： e t 赢2 竹。和 竹一，7 1 叩2 叩3 卵4 ( 2 - 2 ) ，7 p 。协叮6 叩7 + 叩8 式中啦，7 2 ，t 7 3 、，7 4 分别为发电工况下抽水蓄能电站输水系统， 水轮机、发电机和变压器的工作效率。 叩5 、聊、，7 8 分别为抽水工况下主变压器、电动机、水泵 和输水系统的工作效率。 由此可见，抽水蓄能电站的综合效率实际上是变压器、水力机械、电气设备 和输水管道在发电工况和抽水工况时运行效率之乘积。这里综合效率只考虑到电 站出口为止，未计线路输电损失。一般而言，现代化的大中型抽水蓄能电站综合 效率”= 0 6 7 u0 7 5 ，即平时常说的“三度电换二度电”或者“四度电换三度电”。 抽水蓄能电站的综合效率叩，在电站规划阶段可采用，7 - - - - 0 7 ，进一步设计时应 经过逐项详细计算后确定。 3 抽水蓄能电站一般均在实行峰谷分时电价的电网中工作，它吸收的是低谷时 段的廉价电能，发出的是高峰时段的商价电能，从而增加了网局的售电收入，具 有较好的经济特性。 4 抽水蓄能电站的运行特点是其机组既要作发电运行，又要做抽水运行，而且 两种工况转换比较频繁。因此，机组的设计和输水系统中各组成建筑物的布置都 要充分考虑水流双向流动的要求，使之在两种运行工况下都具有较好的水流条 件。 5 抽水蓄能电站启动迅速，运行灵活、工作可靠，特别对负荷的急速变化可做 出快速反应。因此抽水蓄能电站适宜承担系统的调峰、调频、事故备用等任务， 在电网中发挥巨大的作用。 2 1 3 抽水蓄能电站的特殊性 抽水蓄能机组的运行工况甚多，工况转换流程复杂，主要运行工况有：发电、 抽水、发电+ 调相、抽水+ 调相、旋转备用、闲置备用等，由于其优良的运行特性、 工况间转换的速率是其他类型机组难以比拟的。图2 2 和图2 3 给出了蓄能机组 和常规机组运行工况及工况之间相互转换的差别。 图2 - 2 常规机组运行工况 图2 3 抽水蓄能机组运行工况 2 1 4 抽水蓄能电站的分类 1 按电站有无常规发电的功能分 ( 1 ) 纯抽水蓄能电站 纯抽水蓄能电站的主要特征就是没有或者只有少量天然来水进入上水库。而 作为能量载体的水体基本保持一定量，只是在一个周期( r 、周) 内，水体在上 、下水库之间往复流动，重复利用；厂房内安装全是抽水蓄能机组，其主要功能 是调峰填谷、承担系统事故备用等任务，不承担常规发电和综合利用等任务。 由于纯抽水蓄能电站工作不依赖于天然水源，因而站址选择空间范围广泛。 一般而言，地址应尽可能靠近系统负荷中心及抽水电源点附近，送电、收电方便 灵活，输电损失小。纯抽水蓄能电站水头比较高，流量比较小，所需要的蓄能库 容不大，很少或没有淹没损失，不受洪水干扰，可常年施工，而且不需要昂贵的 导流工程。正是因为纯抽水蓄能电站具有上述这些有利条件，因此需要调峰容量 的电力系统中，修建这类电站的可能性比较大。 ( 2 ) 混合式抽水蓄能电站 混合式抽水蓄能电站的主要特征是其上水库具有天然径流，其径流量已达到 能安装常规水轮发电机组，来承担系统负荷；所以混合式抽水蓄能电站厂房内安 装的机组，部分是常规水轮发电机组，部分是抽水蓄能机组；相应的这类电站发 电量也由两部分构成，一部分为抽水蓄能发电量，另一部分为天然径流发电量。 所以这类电站功能，除了调峰填谷，承担系统事故备用等任务外，还有常规发电 和满足综合利用等要求等任务。 混合式抽水蓄能电站的站址，受天然水源和落差的限制，缺少广泛选择余地。 混合式抽水蓄能电站常常结合常规水电站兴建：也可对原有常规水电站改建、扩 建或者加装抽水蓄能机组而成混合式抽水蓄能电站。为此，需要在电站下游修建 一个具有相应蓄水容积的下水库，并降低和挖深抽水蓄能机组的发电厂房基础， 而其他工程设施应尽可能充分利用原有常规水电站的工程设施。因而与修建同样 规模纯抽水蓄能电站相比，经济指标相应的比较低。 2 按水库调节性能分 ( 1 ) 日调节抽水蓄能电站 运行周期呈日循环规律，蓄能机组每天顶一次( 晚间) 或者两次( 早、晚) 尖峰负荷，晚上高峰过后，上水库放空，下水库蓄满：继而利用午夜负荷低谷时 多余电能抽水，至次日晨上水库蓄满，下水库放空。日调节抽水蓄能电站水库容 积不大，发电和抽水持续时间较短，一般每天发电调峰5 到6 个小时，抽水时间 6 到7 个小时。纯抽水蓄能电站多为日调节抽水蓄能电站。 ( 2 ) 周调节抽水蓄能电站 9 运行周期呈现周循环规律，在周的五个工作日当中，蓄能机组如同日调节 电站一样工作，每天顶多一或两次尖峰负荷，每夜抽水一次，但每天发电用水量 大于抽水蓄水量，故上水库水位逐日下降，到了周末，上水库放空。周末期间， 由于系统负荷较低，故可利用多余电能延长抽水时间，大量地蓄能，一般不发电， 至星期一早上，上水库蓄满，开始新的一轮循环。这类电站所需要的蓄能库容比 日调节稍大一些。 ( 3 ) 季调节抽水蓄能电站 每年汛期，利用水电站季节性电能作为抽水能源，将水电站，特别是径流式 水电站必须溢出的多余水量，抽到上水库贮存起来，在枯水季到来时放水发电以 增补天然径流的不足。这样将原来汛期的季节性电能转换成枯水期的保证电能。 这类电站上水库常常修建在常规水电站附近的山谷中，所需要的蓄能库窑较大。 葛洲坝水电站是一座径流式水电站，目前正在研究在其附近修建一个季调节抽水 蓄能电站，利用葛洲坝季节性电能抽水，以增加冬季华中电网水电调峰能力。 2 1 5 抽水蓄能电站的作用 抽水蓄能电站在电力系统发挥重大的作用，主要有以下几点： 1 调峰填谷 抽水蓄能电站，在早、晚电力系统出现峰荷时，可以像常规水电站一样发电， 承担系统高峰负荷，起到调峰作用；而在午夜系统负荷低谷时，又作为泵站，利 用系统多余电能抽水，使火电、核电机组出力不降低或者少量降低，保持机组平 稳运行，起到填谷作用，如图2 - 4 所示。 这种既调峰又填谷的双重作用，是抽水蓄能电站特有的功能，是其它电源无 法替代的。由于抽水蓄能电站的调峰填谷作用，大大改善了系统中火电，核电机 组的运行条件，使这些机组能基本上保持额定出力在高效率区稳定运行，在一天 运行过程中不必频繁增减出力或者开停机组，从而降低单位的燃耗，达到节约系 统燃料消耗的目的。 小a q ( h ， 图2 4 抽水蓄能在系统日负荷图上工作情况 2 担任系统备用 抽水蓄能电站机组启动迅速，运行灵活，负荷上升速度快，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( 同期备用) 作用。在静止工况下，遇到突发性停机事故， 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 事故进一步的扩大。 3 调频 抽水蓄能电站自动化程度高，增减负荷灵活，对负荷随机，瞬间变化可作出 快速反应，能保证电网周波稳定，起到调频作用。抽水蓄能电站具有很强的应付 负荷突变能力。 4 调相 电力系统无功功率不足或者过剩，会造成电网电压下降或者上升，影响供电 质量，危及系统安全运行。抽水蓄能机组可做调相机运行，根据电网需要，提供 或者吸收无功功率，维持电网电压稳定。抽水蓄能机组作( 发电或者抽水) 调相 运行时，可用压缩气体将水轮机转轮室内的水压到转轮下缘以下，使水轮机在空 气中旋转，以减少电能消耗。 5 提高系统调峰能力 1 1 以灌溉为主的水电站，其运行方式常常是“以水定电”，不能满足系统调峰 的需求，且在非灌溉季节，不能发电。如加装抽水蓄能机组，将电站改建成混合 式抽水蓄能电站，则在非灌溉季节，蓄能机组每日仍可发电，承担系统峰荷，待 午夜系统负荷低谷时，再从下水库抽水回到上水库，使灌溉水量不致因发电而受 损失；这样变半年发电为全年发电，提高了系统调峰能力。 此外，抽水蓄能电站还将具有将弃水电能转化成枯水季电能、增发季节性电 能、有效的调节电源等作用。 2 2 抽水蓄能机组删 抽水蓄能电站厂房内安装的抽水蓄能机组，其中，可逆式水泵水轮机组把水 泵和水轮机合为一体，具有双向旋转的功能，即沿顺时针方向旋转为水轮机，反 时针方向旋转为水泵。这类机组由于一机两用，结构紧凑，设计部件少，占地面 积小，造价低，已成为现代抽水蓄能电站广泛采用的主要机型。 2 2 1 可逆式水泵水轮机 1 可逆式水泵水轮机的基本参数 可逆式水泵水轮机把水泵和水轮机合成一台，其基本参数是用来表明水泵水 轮机本身的性能、特点及其所处的工作状态的特征值。和常规水轮机和水泵一 样，可逆式水泵水轮机的基本参数包括性能参数( 或称工作参数) ，流量、水头 或者扬程、出力或者功率，效率、转速，以及单位参数，单位转速和单位流量， 单位飞逸转速、比转速等。 ( 1 ) 流量q 单位时间内通过水泵或者水轮机的水流总量称为流量q ，单位为m s s 。 ( 2 ) 水头h t 或者扬程p 作用在水轮机上的水头h ，是水轮机进1 ：3 端口i i 和尾水渠出口断面0 0 的 单位能量差，根据伯努里方程可以表达为 即( z l + 璺+ r 务( z 。+ 孚+ 笃z g ( 2 - 3 ) z g r 水泵的扬程h p 是指单位重量水体通过水泵能量的增值，即 即+ 孚+ 争+ 争+ 旁 阻a ， r z 2 r 三2 水头和扬程的单位是m 。 ( 3 ) 出力或者功率n 与效率玎 单位时间进入水轮机的水流所具有的能量称为水轮机的水流( 输入) 出力 n 一警- 9 8 1 q h r ( k w ) ( 2 - 5 ) 水轮机主轴轴端传递给发电机的输出出力，通称水轮机的出力 n t o 一9 8 1 ，7 r q h t ( k w ) ( 2 - 6 ) 式中珩为水轮机效率。 单位时间内流出水泵的水流所具有的能量称为水泵的有效功率( 输出功率) p o 一9 8 1 q h p ( k w l ( 2 - 7 ) 若水泵的效率为可p ，则电动机传递给水泵轴功率( 输入功率) 应为 t 聃一9 8 1 q h p 7 p ( k w ) ( 2 8 ) ( 4 ) 转速，z 水轮机或者水泵主轴在单位时间内的旋转次数称为转速，单位为r r a i n 。 ( 5 ) 单位转速五和单位流量刍 在抽水蓄能电站机组机型选择和水泵水轮机的设计中，习惯上都应用水轮机 设计中常用的单位转速和单位流量这两个水力特性参数： 单位转速五一弓鲁( r m n ) ( 2 9 ) 单位流量西2 荔爵m 3 s ) ( 2 。) 由式( 2 - 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 可知，所谓单位转速和单位流量，就是当转轮名义直径d 为1 m 和有效水头h 为1 m 时的实际转速和有效流量。 在相同的直径d 和水头h 的条件下，不同系列转轮的单位转速或单位流量 越大，则该系列的实际转速越高或过水能力越大。因此，在机型选择时，在可能 条件下应选取单位转速或单位流量大的转轮，以减小其直径，降低其造价。 ( 6 ) 单位飞逸转速撕， 水轮机的飞逸转速是当机组突然甩掉负荷而导水机构又不能及时关闭，输入 的水流能量不作有效功而全部用于转速的升高，当输入水流能量由于转速升高所 产生的机械损失的能量平衡时，转速维持一个定值，此即飞逸转速。 飞逸转速的数值与工作水头，导叶开度及转轮叶片的安放角有关。当工作水 头最大，导叶开度最大及安放角度较小时所发生的飞逸转速最大，此飞逸转速n 。 即为该水轮机轮系的飞逸转速的代表。 在水轮机设计中，通常使用单位飞逸转速翻，来表示飞逸特性： 心2 等 ( 2 - 1 1 ) 水泵水轮机的飞逸转速绝对值虽然比较低，但因其转轮直径比同样水头的水 轮机直径大，所以计算所得单位飞逸转速数值和常规水轮机的仍然很近。 ( 7 ) 比转速b 比转速是现代水利机械专业中使用很广泛的一个综合性水力参数，它代表了 水力机械的综合性能。在水轮机专业和水泵专业中所使用的比转速有所不同。 水轮机比转速n 。：蜂 ( 2 1 2 ) n 脚2 万 懈一 由( 2 1 1 ) 、( 2 - 1 2 ) 可知，所谓单位转速和单位流量，就是当转轮直径d 为 1 m 和有效水头力为1 h p 和有效水头日为1 m 时的转速。因此n s 与，l l ，q l 与n 1 一样，也是单位参数。 目前大容量的可逆式机组正向高水头方向发展，随着水头的提高，所使用的 比转速也不断下降，因而转轮形状变得扁平，流道也变得窄长，流道内流速增高， 水力损失增大。同时转轮顶盖的摩擦损失和迷宫损失也随之增加。故随着比转 速的降低机组总效率也下降。 1 4 提高水泵水轮机的比转速，可以提高其转速。但伴随着转速的提高，水泵水 轮机的气蚀性能将变坏。 2 可逆式水轮机的能量特性 水泵水轮机的工作性能，常用其工作参数之间的相互变化关系来表示，但由 于这些参数间的变化关系比较复杂，不能用函数形式来表达，只能用曲线来表示， 这些曲线称为特征曲线。 ( 1 ) 水轮机工况的综合特性曲线 水泵水轮机的水轮机工况特性曲线，采用和常规水轮机同样表达方式，即将 模型水轮机试验所得数据，根据相似定律换算成d = 1m 和h = 1m 的相似水轮机 特性，荐将这些特性绘在以一、q 1 为纵横坐标的图上，如图2 5 所示。 名 善 1 苫 l b 彩粒缓矿n “蓦糍獬j 哆荔鬻翟为 ， 义一， 户 ， k 吵弋；甲 多， 够x o 哆 火l彳 霸爹7 纠 ：声 f 乒一一 一， j 口= 3 s o m mh 。1 7 0 ( m - 哪) 图2 5 水轮机工况的模型综合特性曲线 口 m o s 在图2 - 5 上等效率曲线，7 = ( ，璐) 反映水轮机工况在同一效率下，l l 与 西之间的关系，等效率曲线所标的效率单位是。 在图2 5 上等开度曲线即= ，2 ( ，q ! ) 反映水轮机工况在同一导叶开度n o 下与妨之间的关系。等开度曲线所标明的开度数值单位是m i n 。 在图2 5 上等汽蚀系数曲线盯= 警= ，3 ( ，西) 反映水轮机工况在同一 汽蚀系数盯下畸与反之间的关系。 ( 2 ) 水泵工况的特性曲线 水泵水轮机的水泵工况特性曲线如图2 - 6 所示 夹 莓 c l _ ，=每 j j ! ) ，-，、 、i = - 罩b 毋o 二e ，二一ry j f ) z7 i i 矿，刍矿 、 ， 1 z _ _ 三戮i 2 称k ， j v 口 一 i 、 漭” l 0 一一 7 i 1 1 图2 - 6 水泵工况的模型特性曲线 2 2 2 电动发电机 1 电动发电机运行特点 抽水蓄能电站的机组除了上述的水泵、水轮机之外，还有电动发电机。对于 四机分置式机组，电动机与水泵连接运行，因此和常规电动机水泵机组、水轮发 电机相同。而三机串连式或者= 机可逆式机组的电机，在水泵工况时作为电动机 运行，在水轮机工况时又作发电机运行，故称电动发电机，又称可逆电机。电动 发电机运行具有以下特点： ( 1 ) 电机的旋转方向 由于可逆水泵水轮机作水泵运行的旋转方向与作水轮机运行的旋转方向相 反，因此，其电动发电机也相应地需要双向运转。实现双向运转在电气上唯一的 要求是转换其电源的相序，这点在电气主接线和开关选择上应予以专门考虑。三 机串连式的水泵和水轮机是同一方向旋转，故其电动发电机只需单方向运转。 ( 2 ) 电动机的启动方式 可逆电机和常规的水轮发电机一样是同步电机，在做水泵工况运行时，电机 1 6 无起动转矩，必须依靠其它装置将机组从静止状态加速到亚同步转速，投入励磁， 并上电网，才能产生同步转矩进入同步电机运行状态。 ( 1 ) 电机工况转换 抽水蓄能电站在电力系统中承担调峰填谷的任务，一般至少每天开停机2 次。此外，还需经常作调频、调相、负荷跟踪、顶替事故机组运行，故电动发电 机的工况转换很频繁，从而使其内部温度变化剧烈，电机线棒产生温度应力和变 形，或者由于温差在电机内部结露，有损电机绝缘。 ( 2 ) 多种复杂过渡过程 抽水蓄能可逆机组，在工况转换过程中会发生各种复杂的水力过渡过程，电 机暂态过程，从而会引发比常规水轮发电机组大而复杂的振动。 2 3 抽水蓄能机组的发展趋势 当今世界各国在建设抽水蓄能电站方面，总的发展趋势是兴建高水头、大容 量、大机组的抽水蓄能电站，以提高抽水蓄能电站的经济性和可靠性。 1 高水头化 在抽水蓄能电站的站址查勘中，只要地形、地址、地理位置条件允许，都选 择水头尽可能高的站址，以提高抽水蓄能电站的效益，节省投资。采用高水头的 优点是： ( 1 ) 可以采用较高的机组转速，减小机组的尺寸，或在尺寸不变的情况下增 大单机容量，从而可以节省机电投资。 ( 2 ) 在电站装机容量给定的条件下，水头越高，引用流量越小，从而可以减 小上、下水库的蓄能库容和引水管道的直径，节省土建投资。 ( 3 ) 随着水头绝对值的提高，水库水位的相对波动幅度减小，水泵水轮机可 以经常在高效率区工作，提高抽水蓄能机组的运行效率。 当然提高电站水头也带来一系列的技术困难，主要有：随着水头提高，水泵 、水轮机的转轮，过流部件以及引水系统所承受的水压力增大，要求采用强度更 高的材料或者加强结构设计。随着水头提高，水泵水轮机的水力效率下降，气蚀 性恶化。 2 大容量化 随着电力系统负荷的增长和峰谷差的扩大，系统所需的调蜂容量就随之增 1 7 加，因而为了提高系统调峰能力，抽水蓄能电站采用更大单机容量。在电站总容 量一定的条件下，随着单机容量增大，机组台数就减少，机电设备造价可以降低。 此外，机组台数的减少也可以简化电站的控制系统，有利于运行管理。 3 高转速化 水泵水轮机的工作水头大小决定于转轮的线速度，为了达到较高线速度，可 以采用较大的转轮直径或较高的转速。现代设计趋势是将转轮直径保持在一定范 围内而尽量提高转速，对于水力特性而言，就是尽量提高比转速。因为比转速过 小，意味着转轮流道相对加长，宽度相对减少，流道内摩擦阻力及转轮外壁圆盘 损失增加，使水力效率下降。当然提高比转速会引起水泵水轮机的气蚀性能恶化， 因而要求机组有更大的淹没深度。主要的解决办法是建造地下厂房来达到较大淹 没深度。 随着我国经济建设的发展，电网容量日益增大，加快抽水蓄能电站的建设已 经刻不容缓。兴建高水头，大容量、大机组的抽水蓄能电站，也是我国电力发展 的方向之一；同时，根据电网的层次性和地区性的特点，也应因地制宜兴建中型 抽水蓄能电站。 2 4 本章小结 本章分别介绍了抽水蓄能电站以及抽水蓄能电站的机组。其中主要介绍了抽 水蓄能电站的工作原理和工作特点，并比较出了抽水蓄能电站相对于常规水电站 的特殊性。同时也介绍了抽水管能电站机组及其运行特点。 第三章抽水蓄能电站计算机监控系统 3 1 我国抽水蓄能计算机监控系统研究状况 抽水蓄能电站在电力系统中承担着“削峰填谷”作用，在我国大型火电厂，特 别是核电站在电网中所占比重越来越大的今天，抽水蓄能电站发挥着越来越重要 的作用。它调节电力系统的峰谷负荷变化，与火( 核) 电配合运行，能节约燃料， 提高火( 核) 电设备利用率，改善电网供电环境和质量；还可以在系统中担负调 频、调相、旋转备用，提高了电网运行的灵活性和可靠性嘲。 我国8 0 年代着手兴建了1 2 0 0m w 的广州抽水蓄能电站和8 0 0 m w 的十三陵 电站，9 0 年代兴建了1 8 0 0 m w 的天荒坪抽水蓄能电站及1 2 0 0 m w 的广蓄电站二 期工程等。2 0 0 0 年上半年，广蓄电站二期工程发电，标志着我国己建成了世界 上最大的抽水蓄能电站。但是目前国内已建抽水蓄能电站的主要机电设备，包括 计算机监控系统，大多是从国外进口。 近几年来，国内也开始了抽水蓄能电站计算机监控系统的研制工作，安徽响 洪甸抽水蓄能电站( 装机2 5 0 m w ) 首次采用了国产计算机监控系统：包括主 机在内的大部分设备均为国产，已于1 9 9 9 年底与机组发电同步投入运行，取得 了成功，江苏沙河抽水蓄能电站( 装机2 x 5 0m w ) 的计算机监控系统也采用了 国内产品。 目前，国内大部分抽水蓄能电站采用的均为进口计算机监控系统，有相当一 部分老站的计算机监控系统已经老化，急需更新换代；而新投运的系统虽然技术 上比较先进，但其设计思想及人机界面和国内习惯不尽一致。我国国产化的抽水 蓄能电站计算机监控系统研制工作已经开展，并在安徽响洪甸抽水蓄能电站应用 成功。我们相信：在不远的将来，国产化的抽水蓄能电站计算机监控系统将更加 成熟和宪善，在国内将得到更广泛的应用。 3 2 抽水蓄能电站计算机监控系统的基本模式 3 2 1 抽水蓄能电站计算机监控系统的模式 根据计算机在抽水蓄能电站监控系统的作用可以分为三种系统【1 0 1 ： 1 计算机辅助监控系统( c a s c ) 采用这种模式时电站的控制操作仍由常规的自动装置来完成，计算机监控系 统主要是在线运行监视、数据采集、数据处理、事件记录、打印制表和经济运 行计算等功能。这样可以提高电站的安全运行和自动化管理水平，并可以取得一 定的经济效益。采用这种模式，运行中计算机监控部分即使发生故障，电站仍能 维持正常的运行，只是部分功能暂时不能实现。这种模式比较容易实现，投资也 比较低。 2 以计算机为基础的监控系统( c b s c ) c b s c 系统的特点是电站的主要监控功能均由计算机监控系统完成，常规的 控制装置可以取消，仅保留小部分现地操作控制设备做备用。采用这种模式，对 计算机监控系统的性能有很高的要求，随着计算机及电子技术的发展，应用冗余 技术，配置双c p u ，多c p u 的装置均能满足电站监控系统可靠性的要求，使监 控系统的利用率接近1 0 0 。 3 计算机与常规装置双重监控系统( c c s c ) 采用c c s c 系统，电站具备两套各自独立的监控系统可以相互备用，这是 一种由c a s c 方式过渡的系统。 综上所述，以常规自动化装置为基础的计算机辅助监控系统( a 惦c ) 的优 点为当计算机系统发生故障时，仍能维持电站的正常运行，只是暂时失去部分功 能；缺点是整个系统的功能比较低，对整个电站的自动化水平的提高有一定的限 制，这种系统只能是一种过渡模式。计算机与常规装置双重监控系统( c c s c ) 的最大优点是可靠性很高，但由于保留着较完善的常规控制系统，系统复杂， 并增加了设计、安装、调试等工作量及自动化系统的造价。随着计算机技术的发 展，特别是计算机系统可靠性的大大提高，以计算机为