（电力系统及其自动化专业论文）抽水蓄能机组在线经济运行分析.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m y , t h el i v i n gc o n d i t i o no ft h ep e o p l e h a sb e e ni m p r o v e dg r a d u a l l y t h es t r u c t u r eo fe l e c t r i c a ls o u r c ea n dl o a dc h a r a c t e r i s t i c c h a n g el a r g e l y , b e c a u s eo ft h er a p i di n c r e a s i n go ft h el o a di nn e t w o r ki no u rc o u n t r y t h ep e a k - - t o - v a l l e yr a t i oi no u rc o u n t r yi n c r e a s e sg r e a t l ya n dt h el a c ko ft h ee l e c t r i c a l p o w e ri nt h ep e a kt i m ei n t e r v a lb e c o m e ss e r i o u s t h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o nu s e st h es u r p l u sc a p a c i t yi nn e t w o r k ，t h e p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o np u m p sf r o mt h eu n d e rr e s e r v o i rt ot h eo nr e s e r v o i r i t g e n e r a t e se l e c t r i c i t yi nt h ep e a kl o a dt i m ei n t e r v a lo fd a y s o ，i t sf u n c t i o ni s s h i f t i n g p e a k f i r s t l y , t h i sa r t i c l ed i s c u s s e sr e s e a r c hb a c k g r o u n da n dp u r p o s e ，d o m e s t i cs t u d y i n g a c t u a l i t ya n db a c k g r o u n d i ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l em a dc h a r a c t e r i s t i co ft h ep u m p e d s t o r a g es t a t i o na n dt h eo p e r a t i o no f t h ep u m p e ds t o r a g ep l a n t t h eo p e r a t i o no fp u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o nd e c i d e st h a tt h eu n i t sa b s o r b e l e c t r i c i t yi nt h es m a l ll o a d t h et i m e o f - d a yp r i c em o d ei sm o r ef a v o r a b l et od e v e l o p t h ep u m p e ds t o r a g ep l a n t a l o n gw i t ht h ee s t a b l i s h m e n ta n dp e r f e c t i o no fa s s i s t a n t s e r v i c em a r k e t ，t h ed y n a m i cb e n e f i to fp u m p e ds t o r a g ep l a n tw i l lb ee f f e c t i v e l y c o m p e n s a t e da n dt h e i rf i n a n c i a la b i l i t ya n dc o m p e t i t i v ep o w e rc a nb ef u t u r ei m p r o v e d b a s e do nt h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dc o n t e n to ft h ep u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o n ，i ti n t r o d u c e so p t i m i z i n gm u l t i a r i t h m e t i ca n dt h ea n a l y s i so fe c o n o m i co p e r a t i o n b yc o m p a r e w ec a nf i n dt h ed y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o di si m p o r t a n tf o rt h e o p t i m i z i n go p e r a t i o no f t h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n s ot h i st h e s i ss o l v e st h i sk i n d o fp r o b l e mb yt h e d y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o d t h i s t h e s i st a k e sa c c o u n to f e c o n o m i c a lo p e r a t i o no ft h ep u m p e ds t o r a g ep l a n t i ts o l v e st h em a x i m a lo b j e c t i v e f u n c t i o nt oa c h i e v et h em a x i m a le c o n o m i c a lb e n e f i tb a s e do nt h el o a df o r e c a s t i n gf i g u r e w h e ne c o n o m i c a lo p e r a t i o no f ad a yi sd i s c u s s e d f o rt h eo r i g i n a ld a t ai n p u ta n dr e s u l td i s p l a yo ft h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ， t h eg r a p h i cu s e ri n t e r f a c ei sr e a l i z e db yu s i n gt h ed i a l o gb o xf i m c t i o na n dq u i c kw i n o p e r a t i n gd a t a b a s ep r o v i d e db yt h ev i s u a lf o r t r a n t h ed e v e l o p e ds o f t w a r eh a sb o t ht e x t a n dg r a p hi n p u ta n do u t p u tp l a t f o r m s o u r c ep r o g r a ma n dg r a p h i cu s e ri n t e r f a c ea r e p r o g r a m m e du s i n gv i s u a lf o r t r a n ，w h i c hl e a v eo u tt h ed a t ae x c h a n g ei nt h em i x e d t t a b s t r a c t l a n g u a g ep r o g r a m m i n g t h ed e s i g n i d e af o r g r a p h i c u s e ri n t e r f a c ei sb a s e do n s i m p l e n e s sa n dp r a c t i c a l i t y ，r e f e r r i n gt ot h ep u m p e ds t o r a g ep l a n tc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e o n - l i n ei n f o r m a t i o n ，w h i c he n s u r e st h ep r a c t i c a b i l i t yo f t h ed e v e l o p e ds o f t w a r e k e yw o r d s ：p u m p e ds t o r a g e ；e c o n o m i c a lo p e r a t i o n ；d y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o d ； g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e 1 1 1 绪论 1 1 抽水蓄能电站 1 1 1 抽水蓄能电站的运行原理简介 1绪论 抽水蓄能电站是水力发电站的一种特殊形式。它兼具有发电及蓄能功能。抽 水蓄能电站有上、下两个水库( 池) 。当上库的水流向下库时，就如常规的水力发 电站，消耗水的位能转换为电能；相反，将下库的水抽到上库时就是抽水蓄能， 消耗电能转换为水的位能。由于机械效率和各种损耗的原因，在同样水位差和同 样水流量的条件下，抽水时所消耗的电能总是大于发电时产生的电能。抽水蓄能 电站在电网中具有用户和电源的双重特性。某电网的典型日负荷曲线【l 】如图1 1 ， 午夜有一个低谷，从上午8 点到晚上l l 点之间一般有两个高峰。 图1 1 某电网典型日负荷曲线图 f i 9 1 1d a i l yl o a dc u l v co f p o w e rs y s t e m 1 - 郑州大学t 学硕士论文 l l r w 寰自! ! 曼! e ! ! g 嘴懋! ! e 目g ! ! ! 阜s ! ! ! ! = ! ! e ! | ! ! ! ! ! ! ! ! 目m # 自! ! ! s ! ! ! s ! ! ! ! ! ! 酬 麴水藿能电戆可以利用夜闼低谷负荷隧的电能，从巅程低熬下水黪抽水到商 程赢豹上承库，遴避承俸这一熊量载体将毫熊转换受承静往麓，诧辩，龟站俸为 电网中的用户或称负荷；在日间出现负荷高峰时，再从上水库放水发嘏，弥补高 峰时段的电力不慰，此时，电站作为电网的电源。鉴于抽水蓄能电站这样的双重 特性，凝数超到疆蜷漠谷戆捧震。烫1 2 显示了攘农蓄薤龟滚墨运行过程瓣示意霆。 另外，抽水蓄髓魄站能量转换承懑图如图1 3 ，传统的抽水蓄能机组的凝体运行工 况及熊转换流程如图1 4 所示。 嚣。 p m 扭 圈1 2b 受葡越线 辫嚣1 2d a i l yl o a dc u r v e 众所周知，随着工业化水平的发展和人民生活用电的增加，电网用电负荷的 峰貉麓愈大。图1 2 是典型的同负荷曲线。上午8 ：0 0 左右和晚上1 9 ；0 0 左右为 殛今鬻峰受荮时刻，悲期闽电铡静发邀出力必须满足己。弱要求；晚上2 3 ：0 0 班 屠魏低谷负荷，嘏阏的发电出力又必须限制谯矗。 时岬”悃”四 承律 永俸 匹乎臣，j 图1 3 抽水蓄麓电站黢餐转换示意图 f i g 1 3e n e r g y c o n v e r s i o n o f p u m p e d - s t o r a g e p o w e r s t a t i o n 绪论 图1 4 抽水蓄能机组的具体运行工况及其转换流程 t a b l e l 4c o n v e r s i o nf l o wo f p u m p e d - s t o r a g ep o w e rs t a t i o n 1 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 。与发电量岛可按照式( 1 1 ) 计 算 耳：害昙( k w h ) ( 1 1 n ) 埤2 丽瓦i k 叭n j 4 j 目= 翳( k w h ) ( 1 1 6 ) 式中，矿上水库或下水库的蓄能库容( m 3 ) ； 日发电工矿的平均水头或抽水工矿式的平均扬程( m ) ； ，巩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b 一定时，上下水库水位高程差日越来 越大，所需要的蓄能库容矿越小，水库和输水管道的投资就越省，所以抽水蓄能 郑州大学工学硕十论文 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b 必大于发电量耳。抽水蓄能电站的综合效率定义为：在供给上 库的水量和从上库取出的水量相等的条件下，发电工况时所生产电量与抽水工况 时所消耗的电量之比。即 f r = 睾= j l r 靠 ( 1 2 ) b p = 碣珑仉仉 ( 1 3 ) = 玩叩6 协协 ( 1 4 ) 式中，吼，现，壤，仉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。，巩，聃，仇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、电器设备 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，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，在电站规划阶段可采用，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高价电能，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，特别是对负荷的急速变 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。 1 1 3 抽水蓄能电站的分类 抽水蓄能电站按电站有无常规发电的功能，可以分为纯抽水蓄能电站和混合 式抽水蓄能电站：按水库调节性能可分为日调节抽水蓄能电站、周调节抽水蓄能 电站和季调节抽水蓄能电站。 ( 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 山 绪论 作为能量载体的水体基本保持一定量，只是在一个周期( 日、周) 内，水体在上、 下水库之间往复流动，重复利用；厂房内安装的全是抽水蓄能机组，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 以这类电站的功能，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的任务。 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组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，经济指标相应比较低。 ( 3 ) 日调节抽水蓄能电站 运行周期里日循环规律，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只调节抽水蓄能电站。 ( 4 ) 周调节抽水蓄能电站 运行周期呈现循环规律，在一周的五个工作日当中，蓄能机组如同日调节电 站一样工作，每天顶一或二尖峰负荷，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，故尚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 郑州大学1 = 学硕十论文 节稍大一些。 ( 5 ) 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，特别是径流时 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，所需要的蓄能库容较大。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站抽水，以增加冬季华中电网水电调峰能力。 1 2 抽水蓄能电站在电网中的作用 在讨论抽水蓄能电站在电网中的作用之前，首先要认识电网的负荷特性和电 网峰谷差问题。 1 2 1 电网负荷特性 电网的负荷特性指标有：日负荷率、月负荷率、季负荷率、 小时数、负荷同时率等。描述典型特性参数有：日平均负荷、 日最大负荷p 眦。 d 日平均负荷率：y = 舌l 盛x d h t l 4 、负荷率：= 鲁虹 1 m 系统调峰需求量是按日峰谷差率( 1 一声) p 柚。计算。 1 2 2 我国主要电网峰谷差现状 年最大负荷利用 日最小负荷、 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 随着社会的进步和经济的发展，人民生活水平不断提高，电网不断发展，装 机容量不断扩大，电网调峰能力普遍不足。特别是近些年，随着居民生活用电比 例的提高，空调负荷增长迅速，家用电器相当普及，造成我国主要电网峰谷差越 来越大。而调峰手段落后，具有较好调峰能力的燃气机组、抽水蓄能机组和具有 多年调节能力的水电站机组所在电网的装机比例偏小。全国各主要电网的负荷率 呈逐年减小趋势，峰谷差越来越大，电网调峰问题越来越突出1 1 4 1 。 1 2 3 抽水蓄能电站在电网中的作用 抽水蓄能电站在电网中的作用主要归结为两个功能静态功能和动态功能。 所谓静态功能指的是抽水蓄能电站作为水泵方式运行，在负荷曲线低谷时抽水， 吸收电力系统多余的容量和电能，而在负荷高峰时，利用其在低谷抽水所储存的 水量，以水轮发电机方式放水发电，承担系统的高峰负荷，发挥调峰作用；而动 态功能则是指抽水蓄能电站利用其运行灵活、易调节、易转换的特点，在电网运 行中能够承担旋转备用、调频、同步调相、负荷跟踪、增加系统可靠性和满足爬 坡要求等功能。 抽水蓄能电站上述功能的发挥，对电网的安全、稳定运行起到了重要的作用， 同时还为电力系统的各相关利益主体产生了非常可观的经济效益。而所产生的经 济效益的多少与其静态功能和动态功能发挥的具体情况有着密切的关系。因此， 对抽水蓄能电站进行经济评价，首先需要明确其在电网中的功能和作用。根据抽 水蓄能电站静态功能和动态功能的具体特性，可将抽水蓄能电站在电网中的作用 归纳为两个部分：第一部分时调峰填谷作用；第二部分是快速跟踪负荷和事故备 用作用。 ( 1 ) 调峰填谷作用。抽水蓄能电站运行是解决电网调峰问题最有效的途径之 一。抽水蓄能电站一般在午夜至凌晨的时段抽水，作为负荷在运行，起到填谷的 作用；在电网用电高峰时，抽水蓄能电站将夜间抽水储藏在上水库中水的位能， 通过水轮发电机组转换为电能，作为顶峰的电源在运行。它能在几分钟内从0 功 率状态达到额定负荷，可有效地缓解高峰电力的不足，提高电网的供电可靠性。 调峰填谷是抽水蓄能电站独有的特点。 ( 2 ) 快速跟踪负荷和事故备用。对火电为主的电力系统来说，抽水蓄能电站 可以代替火电机组担负系统调峰任务。还有一个突出的优点就是能满足负荷的迅 速变化，应付突然的增负荷、大机组突然的甩负荷，抽水蓄能机组的快速响应能 力，可快速跟踪负荷、起到事故备用、稳定周波的作用，在这方面它远比火电机 组优越。燃气轮机组也不能与之相比。表1 1 列出了三类电站运行比较： 郑州大学工学硕十论文 表1 1 三类电站比较 t a b l e 1 1c o m p a r i n gt h r e e t y p e so f s t a t i o n s 项目蓄能电站 燃煤电站燃气轮机 崩承担负荷位置峰荷基荷、腰荷峰荷 调峰能力 1 0 03 0 一5 01 0 0 开每日启动执行不执行执行 启每周启动执行执行执行 特静止一空载1 2 0 - - 1 5 0 秒2 3 额定容量，分6 8 分钟 点空载一满载3 0 3 5 秒不执行不执行 填谷执行 调频执行执行执行 调相执行不执行执行 旋转备用执行执行执行 快速增荷执行不执行 执行 黑启动执行不执行执行 火电机组由于受到锅炉燃烧稳定性、汽轮机转子应力和疲劳损坏的限制，对 负荷的反映速率比较小。直流锅炉3 0 0 m w 机组相对负荷的反映速度每分钟仅为额 定出力的2 3 ，而抽水蓄能机组从静止状态带到最大负荷一般在5 分钟之内。 因此，在电网中有一定容量的抽水蓄能机组，对于应付电网突发事故、保证电能 质量、提高电网可靠运行方面是非常有利的。抽水蓄能电站在承担负荷调整和满 足负荷陡坡部分的变化要求方面，只有燃气轮机可以与其相比。抽水蓄能电站可 以代替燃气轮机承担调峰任务，节约燃油消耗，减少运行费用。目前，已建的抽 水蓄能电站在各自的电网中都发挥了他们应有的重要作用。 1 3 抽水蓄能电站经济效益研究现状 世界各国在分析评价抽水蓄能电站的经济效益时，都试图将抽水蓄能电站放 到整个系统中去比较研究，脱离电力系统实际的研究是没有意义的。尽管抽水蓄 能电站除了具有静态效益外，还确为系统提供了动态效益，但由于问题的复杂性， 就目前研究水平来说，在进行电力系统电源优化时，一般只对其静态效益进行模 拟量化，对其动态效益只能迸行定性的分析或无端的估算。 在设计工作中，精确计算抽水蓄能电站效益仍比较困难。我国各设计院在抽 8 绪论 水蓄能电站各设计阶段进行经济评价时，一般只计算静态效益，并且大都采用简 化了的容量和电量替代系数法，即用抽水蓄能电站的装机容量乘以容量替代系数 ( 1 - 0 5 1 1 ) ，计算抽水蓄能电站的替代容量；按照抽水蓄能电站的发电量乘以 电量替代系数( 1 0 5 ) ，计算替代电站的发电量，再根据循环效率大小计算抽水蓄 能电站的装机容量全部为有效容量，1 0 5 1 1 容量替代系数可能偏小；而当系统 的水电( 含抽水蓄能电站) 占有一定比重时，这种方法又可能过高地估计了抽水 蓄能电站的容量效益，因为它未能考虑某些月份抽水蓄能电站可能产生的空闲容 量；至于电量效益，可以肯定地说，这样过大地计算了抽水蓄能电站的燃料消耗， 因为未能考虑抽水蓄能电站投入后改善火电机组的运行工况所带来的燃料节省。 还有一种计算电量效益的方法，即按照抽水蓄能电站投入后系统中火电机组煤耗 率平均降低值，这种方法从定性上说是进了一步，但由于煤耗降低值是凭经验武 断的给出，随意性更大，有时反而走向另一极端，计算出的节煤量大的不切实际。 实际上，抽水蓄能电站的容量效益除了与电网的负荷水平、负荷曲线形状有关外， 还与电网的电源结构、火电机组的动力特性有关。 抽水蓄能电站的经济性和必要性已为世界各国所公认，这从各国都在大力发 展抽水蓄能电站的事实得以证明。在日本，通过长期的研究和运行实践，认为抽 水蓄能电站的合理比重一般应为1 0 左右，因此，对其经济性和必要性的论证方 法也很简单，只要系统需要，且单位千瓦投资比火电站低，则认为建设抽水蓄能 电站是经济合理的；而在我国，由于电力工业体制还未能完全适应社会主义市场 经济要求等诸多方面的原因，对抽水蓄能电站在电网中的作用和效益，则经历了 长期的争取，甚至至今仍有不同的认识。抽水蓄能电站作为一种调峰电站，在电 力系统中的工作位置与燃气轮机最为接近，在论证其经济性时，最合理的替代电 站应为燃汽轮机，但由于我国能源政策对燃油机组的限制，以往大都选用燃煤火 电站作为替代电源。随着社会主义市场经济体制的建立，燃油机组不再成为限制。 1 4 我国抽水蓄能电站的建设和发展情况 我国抽水蓄能电站起步于6 0 年代，最早在河北岗南水电站引进1 台日本 1 1 m w 抽水蓄能电站机组7 0 年代又有两台1 1 m w 抽水蓄能电站机组安装于京郊密 云水电站，它们是水头低、容量小，常规机组和抽水蓄能机组结合的水电站。当 时由于对抽水蓄能电站在电力系统中的作用和它的经济效益认识不足，重视不够， 因此前期工作进展不快。直到1 9 7 8 年以后，随着国民经济的持续、稳定发展，对 电力的需求急剧增长，在京津唐、华东等以火电为主的电力系统中，缺乏调峰电 源的矛盾日益突出，修建抽水蓄能电站的必要性和经济合理性才逐渐为人们所认 郑州大学工学硕士论文 识，抽水蓄能电站的前期工作和建设逐渐加快。从7 0 年代后期开始，我国陆续建 设了多座抽水蓄能电站。到2 0 0 2 年底全国已建成投产的抽水蓄能电站装机容量达 到5 7 2 万千瓦，占全国装机容量的1 6 。大多数是日调节型【州。 表1 2 我国已建成投产的抽水蓄能电站 t a b l e l 2b u i l tp u m p e d - s t o r a g ep o w e rs t a t i o ni no u tc o u n t r y 根据各区域( 省) 电网的负荷特性、电源规划、“西电东送”及联网规划和抽 水蓄能规划设计成果，全国各区域( 省) 电网在2 0 1 0 年、2 0 1 5 年、2 0 2 0 年三个 水平年的抽水蓄能装机规模应分别达到1 7 5 0 万千瓦、3 0 0 0 万千瓦、3 5 0 0 万千瓦 ( 其中不包括季调节抽水蓄能电站) ，2 0 0 2 年已建扣除供香港后为5 0 1 1 万千瓦， 目前在建6 4 2 万千瓦，“十五”后两年和“十一五”和“十三五”分别新增1 2 5 0 万千瓦和5 0 0 万千瓦。各区域抽水蓄能电站发展见表1 3 。 2 0 2 0 年全国抽水蓄能电站发展以华东最多，华北、广东次之，华中、东北发 展规模相当。预计到2 0 2 0 年，东北、华北、华东、华中和广东的抽水蓄能电站装 机规模占本网总电力装机的比重分别为5 、6 、7 、5 和7 ，全国抽水蓄 能电站的比重达到3 8 左右i l o 川。 综上所述，抽水蓄能电站的优越性可以归纳为以下几点： ( 1 ) 对电网起到调峰作用，降低火电机组的燃料消耗、厂用电和运行费用； ( 2 ) 提高火电机组的利用率，火电装机容量可有所降低； ( 3 ) 避免水电站发电与农业的矛盾，有条件按电网要求进行调度； ( 4 ) 作为事故备用起动快，抽水工况与发电工况可以迅速转变，并可以调相， 绪论 调频； ( 5 ) 无环境污染。 表1 3 全国抽水蓄能电站预测( 单位：m w ) t a b l e 1 3 f o r e c a s t i n go f p u m p e d - s t o r a g ep o w e rs t a t i o ni nt h ec o u n t r y 1 5 本文的主要工作 本文对抽水蓄能电站的安全经济问题进行了研究，针对目前抽水蓄能电站的 发展现状，建立了抽水蓄能机组经济运行模型，对抽水蓄能电站机组的实用化算 法进行探讨；并用v i s u a lf o r t r a n 6 5 语言编写计算程序结果界面的初步尝试。本文 所做的主要工作如下： ( 1 ) 运用动态规划法求解抽水蓄能机组经济运行问题； ( 2 ) 对计算结果输出的可视化问题进行了初步探讨。 郑州大学工学硕士论文 2 峰谷分时电价的影响分析 电力需求的基本特点之一是波动性。电力需求不但一个季节、一个星期的每 天、一天中的每段时间都在变化，而且还随天气或其他因素( 如经济状况、河水 流量、发电设施等) 而波动。峰谷分时电价机制，就是根据用电时间的不同反映 负荷转移需要及供电成本，因此一天中的各时段、一个星期或一个季节的每天， 以及由各种因素综合的反映电力系统某个特定状态下的电价( 如小时、星期、季 节电价) 都不相同，这就导致了峰谷分时电价的产生。当电力系统处于容量严重 不足或供需矛盾特别突出时，必须使用比高峰电价更高的电价，没有负荷高峰时 间的高电价，就无法衡量由于执行这种电价的削峰效果。蜂谷分时电价体现了电 价“公平负担”的原则，有效维护了电力工业和电力用户双方的利益。当前，进 一步扩大峰谷分时电价实施的范围，科学制定电价浮动比例，实行尖峰电价，加 快电价改革等，是完善现行峰谷分时电价的有效途径，以实现供电的经济效益最 大化。 抽水蓄能电站是水力发电站的一种特殊形式。它兼具有发电及蓄能功能。抽 水蓄能电站有上、下两个水库( 池) 。当上库的水流向下库时，就如常规的水力发 电站，消耗水的位能转换为电能；相反，将下库的水输到上库时就是抽水蓄能， 消耗电能转换为水的位能。由于机械效率和各种损耗的原因，在同样水位差和同 样水流量的条件下，抽水时所消耗的电能总是大于发电时产生的电能。抽水蓄能 电站的优越性可以归纳为以下几点：( 1 ) 对电网起到调蜂作用，降低火电机组的 燃料消耗、厂用电和运行费用；( 2 ) 提高火电机组利用率，火电机组装机容量可 有所降低；( 3 ) 避免水电站发电与农业的矛盾，有条件按电网要求进行调度；( 4 ) 作为事故备用起动快，抽水工况与发电工况可以迅速转变，并可以调相，调频；( 5 ) 无环境污染。抽水蓄能电站必须有行之有效的经营管理模式和电价体制作为支持， 确保抽水蓄能电站有足够的竞争能力来合理取得自身建设所带来得经济效益。本 文分析分时电价模式下抽水蓄能电站经济运行情况。 2 1 抽水蓄能电站的效益分类 抽水蓄能电站在世界各国电力系统发展如此之快，主要是由于它可以较低的 峰谷分时电价的影响分析 成本，为系统提供调峰、填谷、紧急事故备用、调频、调相、快速负荷跟踪等功 能，对提高电网的稳定性和可靠性，均起到积极作用，功效显著。按照一般的分 类方法，将抽水蓄能电站的效益分为静态效益和动态效益。静态效益即调峰填谷 所产生的效益，它进一步分为容量效益和电量效益( 节煤效益) 。容量效益为抽水 蓄能电站所能替代的其他电源的容量，节煤效益则为有无抽水蓄能电站两方案整 个电力系统燃料消耗之差；动态效益是由于蓄能电站启动迅速、运行灵活，在承 担系统调频、调相、负荷调整和紧急事故备用等“动态”任务，满足系统“动态” 运行需要而产生的经济效益。另外，由于抽水蓄能电站的节煤效益，减少了系统 的燃料消耗，相应减少了污染排放，还具有一定的环境效益。抽水蓄能电站中这 些功能之间为共存关系，其中调峰填谷，特别是容量作用是抽水蓄能电站的基础 功用，而调频、调相、紧急事故备用、快速负荷跟踪等动态功用则是伴生功用。 2 1 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。己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。 2 1 2 能量转换效益 对于抽水蓄能电站的调峰填谷效益，表面上看是“四度换三度”，得不偿失， 这种认识己成为发展抽水蓄能电站的阻力。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： 1 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。 郑州大学工学硕十论文 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。 抽水蓄能电站投入系统运行后，一方面由于项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。抽水 蓄能机组的削峰填谷作甩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 启停调峰台次，也就降低了启停调峰费用。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。 2 1 3 抽水蓄能电站的动态效益 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 唧以上的大电网，晚间高峰时负荷变率可达l o m w m i n 。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。 峰谷分时电价的影响分析 2 1 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。根据己公布的资料，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。 2 2 适当的分时电价模式 国外普遍实行分时竞价方式进行电厂电能竞价，我国的电力市场改革也将采 用分时或分段竞价模式 1 3 , t 4 1 ，目前，我国部分电网的峰谷电价比一般在3 4 之间 1 5 1 ，随着电网峰谷差的增大，峰谷电价差会有所增大。在分时电价模式下，抽水 蓄能电站的利润就越高，同时又要确保抽水蓄能电站相对其他类型电源的竞争力， 郑州大学工学硕士论文 因此，分时电价比值的合理选取对抽水蓄能电站建设的可行性至关重要【1 6 1 。 ( 1 ) 以抽水电价1 5 6 元( m w h ) 、电站的静态投资3 1 5 0 元瓜w 、年利用小 时数1 0 0 0 h 、全部投资内部收益率8 为基本条件，预测确保电站经济性可行的最 低峰谷电价比。 若电站的静态投资为2 9 5 0 3 1 5 0 元k w ，要求峰谷电价比为4 0 7 4 2 3 ，峰 段电价为7 1 0 7 4 0 元，( m w h ) 。若抽水电价为1 6 5 2 2 5 元( m w h ) ，要求峰谷 电价比为4 4 3 6 4 ，峰段电价为7 3 0 8 2 0 元( m w h ) 。若抽水蓄能电站的年利 用小时数为8 0 0 1 5 0 0 h ，要求峰谷电价比为4 9 6 3 6 4 ，峰段电价为8 7 0 5 7 0 元 ( m w h ) 。若电站全部投资财务内部收益率为7 1 0 ，要求峰谷电价比3 9 4 4 9 l ，峰段电价为6 9 0 8 6 0 元( m w h ) 。 因此，在分时电价模式下，抽水蓄能电站的年利用小时数( 发电量) 对抽水 蓄能电站效益影响最大，年利用小时数和峰谷电价比越高，抽水蓄能电站的效益 越大。若抽水蓄能电站的年利用小时数为1 0 0 0 h 左右，峰谷电价比不低于4 ，抽水 蓄能电站就具有较大的效益。 ( 2 ) 在效益的基础上，还需要衡量抽水蓄能电站与其它类型电源是否具备竞 争力。以下初步测算抽水蓄能电站在分时电价模式下具备的竞争力的条件。 抽水蓄能电站的发电工作位置在峰段，在分时电价模式下，煤电厂也可能与 其竞争峰段发电位置，谷段时，抽水蓄能电站的抽水电源主要来自煤电，比较分 析抽水蓄能电站与煤电的竞争力就可以反映出抽水蓄能电站在系统中的竞争力。 目前，以某地区对大用户实行分时电价政策，日负荷划分为谷段、平段和峰 段，其电价比为3 1 6 ：2 ：1 ，时长分别为：8 h 、l o h 和6 h ，用电量的比例约为2 5 、4 5 和3 0 n 。 假设煤电的峰段电价与抽水蓄能电站的峰段售电价相同，煤电的谷段电价与 抽水蓄能电站的抽水电价相同，根据煤电的平均上网电价和各时段的发电量比例 即可测算出煤电的平段电价，若平段电价高于谷段电价，说明抽水蓄能电站可以 和煤电竞争峰段的发电位置。 参考某地区单击容量为1 0 0 0 m w 的大型燃煤电厂的前期研究成果，其年利用 小时5 2 0 0 h 的平均上网电价为3 5 4 元( m w h ) ，其包含燃料费在内的可变运行费