抽水蓄能在風力發電中的應用范文

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《淮海工學院學報》2016年第4期

摘要：

抽水蓄能電站具有優良的調峰填谷能力，能夠有效解決電力系統接入風電容量超過一定比例后引起的調峰及棄風問題．詳細介紹了應用在風力發電中的抽水蓄能電站的系統構成及其基本原理，綜合考慮發電效率問題，推導出抽水蓄能機組容量規劃的計算方法，并針對某一抽水蓄能電站的容量進行設計．

關鍵詞：

抽水蓄能；風力發電；機組容量

0引言

在全球生態環境不斷惡化、化石能源逐漸枯竭的今天，風電作為一種重要的可再生、清潔能源，已經成為解決全球性能源問題不可或缺的重要力量［1－2］．但由于風能存在間歇性、隨機性及不穩定性［3－4］等特點，當接入電網的風電容量超過一定比例后，會對電力系統的安全運行造成一定程度的影響，如在負荷低谷的大風時段，將導致大面積棄風現象發生，造成能源的浪費．抽水蓄能電站以其調峰填谷的獨特運行特性［5－6］，在負荷低谷的大風時段，將風能通過蓄水的方式進行儲存，在負荷高峰時段再將儲存的能量輸送到電網中去，在大大減少了資源浪費的同時保證了電網的安全穩定運行，成為我國電力系統有效的、不可或缺的調節工具．

1抽水蓄能原理及系統構成

作為間接存儲電能的一種方式，抽水蓄能電站可以幫助電網解決負荷高峰和低谷之間的電力供需矛盾．如圖1所示，在電網負荷低谷期，多余的電力帶動抽水泵把下水庫位的水抽到上水庫位，將其以重力勢能的形式存儲起來，當在電網負荷高峰期，存儲在上水庫位的水力帶動水力發電機組來發電，與其他電源一起向電網輸電，滿足高峰電網時的負荷需求．雖然在此次抽水蓄能中部分能量會在能量轉化過程中流失，但與其他相比，使用抽水蓄能電站要比增建煤電火電發電設備來滿足負荷高峰和低谷期的起停調峰等經濟效益更好．除了調峰外，抽水蓄能電站還具有調頻、調相和事故旋轉備用等多種功能．作為電網運行管理的一個重要工具，保障了電網的安全、穩定、經濟運行．從這個意義上講，抽水蓄能電站相當于一個能量儲存裝置，充分利用水作為能量載體，對電能在時間和空間上進行重新分配，以協調電網的發電出力和電力負荷在時間和空間上的不匹配問題，從而使整個電力系統達到安全、穩定、經濟運行．

2抽水蓄能機組容量規劃方法

2．1調峰容量比的定義

機組正常運行時，其發電范圍受最小技術出力和最大技術出力的約束．其中最小技術出力一般在額定出力的70％，少數機組可達到60％或50％．調峰容量比的定義為機組可靈活變化的容量數值與其額定容量之比．RG＝Pmax－PminPe×100％．（1）式中：RG為發電機組的調峰容量比（％）；Pe為發電機組的額定發電出力（MW）；Pmax為發電機組的最大技術出力（MW），多數火電機組其最大技術出力與額定出力相等；Pmin為發電機組的最小技術出力（MW）．按式（1）類推，可得到系統綜合調峰容量比，即系統中所有運行機組的可調節容量占到這些機組額定總容量的比值．Rs＝∑i（Pi．max－Pi．min）∑iCi，（2）式中：Rs為系統需求的綜合調峰容量比；Pi．max，Pi．min分別為機組i的最大、最小有功出力；Ci為機組i的裝設容量．

2．2抽水蓄能電站容量規劃方法

在以火力發電為主的電力系統中，系統綜合調峰容量比大多小于50％，若此時系統中有部分核電機組或（供熱期的）熱電機組等基荷機組，則綜合調峰容量比將更小．因此，只有電網負荷峰谷差占到最大負荷的比例小于或等于系統的綜合調峰容量比時，系統的調峰矛盾才能夠得以解決．由于以火電為主的系統其實際負荷無法滿足這一要求，而抽水蓄能電站機組的調峰容量比可達到200％，因此其裝設容量應以能夠滿足系統所需綜合調峰容量比為基本條件．則系統中抽水蓄能電站的裝設容量的計算公式為RD＝（PD．max－PP－S）－（PD．min＋PP－S）PD．max－PP－S，可得到PP－S＝（1－Rs）PD．max－PD．min2－RD．（3）式中：PP－S為抽水蓄能電站裝設容量（MW）；RD為扣除抽水蓄能電站發電和抽水容量之后系統需求的綜合調峰容量比（％）；PD．max，PD．min分別為系統最大、最小負荷需求（MW）．式（3）實際上并未解決抽水蓄能電站容量確定的問題，抽水蓄能機組在運行時還需滿足另一項約束條件，即抽水電量與發電電量比，也就是電站發電效率的問題．如圖2所示，陰影面積分別表示抽蓄機組的發電量和抽水用電量，而它們之比為電站發電效率，抽蓄機組的發電效率大致在70％～80％之間，并且由于發電、抽水運行時間的不同，發電容量P1－P2在實際中不可能同抽水容量P3－P4相等，所以式（3）應改為RD＝（PD．max－PP－S1）－（PD．min＋PP－S2）PD．max－PP－S，ηP－S＝EgEu烅烄烆．（4）式中：PP－S1為抽水蓄能電站發電容量（MW），PP－S2為抽水蓄能電站抽水容量（MW），ηP－S為抽水蓄能電站的發電效率，Eg為抽水蓄能電站發電量（MWh），Eu為抽水蓄能電站抽水用電量（MWh）．抽水蓄能機組發電后，會改善電力系統中常規火電機組的出力曲線，使常規火電機組低谷出力上升，高峰出力下降，最極端的狀況是使常規機組出力保持恒定．取目標年中典型日負荷曲線，將使典型負荷日常規火電機組恒定出力所需要的抽水蓄能電站機組容量作為電站最大裝設容量，以在典型負荷日滿足常規火電機組基本調節容量作為電站的最小裝設容量，則抽水蓄能電站的裝設容量范圍為PP－S．min≤PP－S≤PP－S．max．（5）式中：PP－S．min，PP－S．max分別為抽水蓄能機組在最小、最大峰谷負荷日需裝設的容量．

3算例分析

按照電網規劃目標的最大負荷、最小負荷、年負荷曲線確定電網典型負荷曲線，該負荷曲線如表1所示，表2為系統當前機組構成．通過表1和表2可得到系統當前綜合調峰容量比為36．44％，低于系統所要求的40．25％．表3為在典型負荷曲線下P－S機組的年運行時間（以1500h計算）及對系統常規火電機組調峰容量比的影響，其中調峰容量比的計算如式（4）所示．根據系統提出的負荷峰谷差率40．25％的要求，可以確定抽水蓄能電站的裝機容量應該不小于400MW．

4結語

針對風力發電間歇性、隨機性的特點，構建抽水蓄能電站，充分利用其優良的調峰填谷能力，有效解決電力系統中調峰及棄風問題．介紹了抽水蓄能電站的基本原理及其系統結構，對抽水蓄能機組容量進行分析及設計，為后期抽水蓄能電站和大規模風力發電聯合運行模型的建立提供有效的理論依據．

參考文獻：

［1］李軍軍，吳政球，譚勛瓊，等．風力發電及其技術發展綜述［J］．電力建設，2011，32（8）：64－72．

［2］羅承先．世界風力發電現狀與前景預測［J］．中外能源，2012，17（3）：24－31．

［3］魏希文，邱曉燕，李興源，等．含風電場的電網多目標無功優化［J］．電力系統保護與控制，2010，38（17）：108－111．

［5］楊騰棟．風光互補抽水蓄能電站研究現狀［J］．貴州電力技術，2014，17（7）：21－23．

［6］任增，邱曉燕，林偉，等．風電廠中抽水蓄能電站的優化配置［J］．可再生能源，2012，30（5）：24－28．

作者:周學足 單位:福建永泰閩投抽水蓄能有限公司