周永斐，張 祥，梅亞東

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2.國家電網(wǎng)公司華中分部，湖北 武漢 430077)

華中電網(wǎng)是全國電網(wǎng)中承接南北、連接?xùn)|西的樞紐電網(wǎng)，供電覆蓋湖北、湖南、河南、江西四省，在“全國聯(lián)網(wǎng)，西電東送、南北互供”的大格局中具有重要的樞紐地位[1-4]。華中電網(wǎng)作為國家電網(wǎng)的重要組成部分，保持其安全穩(wěn)定運(yùn)行，對保障國家電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。隨著電網(wǎng)用電結(jié)構(gòu)的不斷變化，電網(wǎng)負(fù)荷率明顯下降，峰谷差不斷加大，對電網(wǎng)調(diào)峰能力的要求越來越高。抽水蓄能電站作為一種特殊電源，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、擔(dān)任備用和黑啟動[5-7]等多種功能，在電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中發(fā)揮了重要作用。本文通過選取抽水蓄能電站裝機(jī)利用小時(shí)、運(yùn)行模式、機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)等運(yùn)行指標(biāo)和典型運(yùn)行過程，對華中電網(wǎng)4個(gè)大型抽水蓄能電站的近3年運(yùn)行情況及作用進(jìn)行分析，指出抽水蓄能電站運(yùn)行中存在的問題，并提出相應(yīng)的建議。

1 華中電網(wǎng)裝機(jī)及負(fù)荷概況

截止2019年底華中電網(wǎng)全網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量達(dá)到25 559.76萬kW，其中火電裝機(jī)14 692萬kW，風(fēng)電和光伏電總裝機(jī)4 507.76萬kW，常規(guī)水電和抽水蓄能電站裝機(jī)分別為5 861萬kW和499萬kW，火電裝機(jī)比重最大，占57.48%，水電裝機(jī)比重次之達(dá)到22.93%，風(fēng)光和抽水蓄能裝機(jī)分別為17.64%、1.95%。當(dāng)前華中電網(wǎng)主要依靠水火電進(jìn)行調(diào)峰，華中水電雖然占比較大，但調(diào)節(jié)性能好的水電并不多，而且地方小水電大部分是徑流式電站，易造成季節(jié)性電能上網(wǎng)，反而加大了汛期電網(wǎng)調(diào)峰的困難。華中火電機(jī)組裝機(jī)從2017年起分別以5.98%、12.5%的年增長速度逐年上升，裝機(jī)的增加使其調(diào)峰能力有一定提高，但是目前仍存在電價(jià)機(jī)制以及環(huán)境保護(hù)等方面的問題，使得火電實(shí)際調(diào)峰能力依然偏低。

2019年華中電網(wǎng)全年平均日用電量達(dá)到25.93億kWh，年最大用電負(fù)荷為17 744.3萬kW，且隨著區(qū)域用電需求的變化，電網(wǎng)峰谷差逐漸增大，年最大峰谷差達(dá)到5 496.99萬kW，占年最大用電負(fù)荷的30.98%。隨著人民生活水平的不斷提高和第三產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)峰矛盾突出，華中電網(wǎng)對于調(diào)峰電源的需求更為迫切[8]，作為以火電為主的華中電網(wǎng)調(diào)峰壓力非常大，尤其是在汛期，火電調(diào)峰能力不足，水電參與調(diào)峰，從而導(dǎo)致發(fā)生棄水現(xiàn)象。

華中地區(qū)抽水蓄能站址資源豐富，自2016年底洪屏抽水蓄能電站全部投產(chǎn)后，近3年無新增抽水蓄能裝機(jī)，截止2019年底華中電網(wǎng)4個(gè)大型抽水蓄能電站總裝機(jī)為480萬kW，分別為位于湖北的白蓮河抽水蓄能電站、河南的寶泉抽水蓄能電站、湖南的黑麋峰抽水蓄能電站、江西的洪屏抽水蓄能電站，4個(gè)抽水蓄能電站裝機(jī)均為4×30萬kW。

2 華中電網(wǎng)抽水蓄能電站運(yùn)行分析

2017年至2019年華中電網(wǎng)4個(gè)大抽水蓄能電站運(yùn)行情況見表1所示，年發(fā)電量、年抽水電量、發(fā)電平均利用小時(shí)、抽水平均利用小時(shí)均在2018年達(dá)到了峰值，其中年抽水電量和抽水平均利用小時(shí)增幅最大，均同比增加約2.18%，但2018年4個(gè)大抽水蓄能電站綜合效率近3年內(nèi)最低。同2017年相比，2018年全年華中電網(wǎng)各抽水蓄能電站A/B/C/D修次數(shù)、臨檢次數(shù)、非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)均有所下降，其中非停次數(shù)下降44.4%，故其平均利用小時(shí)和發(fā)電/抽水電量均高于2017年。

表1 華中電網(wǎng)抽水蓄能電站近3年運(yùn)行情況表

2.1 抽水蓄能電站裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)

發(fā)電(抽水)裝機(jī)利用小時(shí)為發(fā)電量(抽水電量)與裝機(jī)容量之比，該指標(biāo)反映了發(fā)電(抽水)機(jī)組按裝機(jī)容量計(jì)算的機(jī)組利用程度。綜合裝機(jī)利用小時(shí)為發(fā)電和抽水裝機(jī)利用小時(shí)之和。華中電網(wǎng)4個(gè)大抽蓄電站近3年綜合裝機(jī)利用小時(shí)見圖1。寶泉抽水蓄能電站連續(xù)3年綜合裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)分別以-5.16%和-9.17%的速度增長，且均高于其余3個(gè)電站。黑麋峰抽水蓄能電站3年綜合裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)基本持平，其余2個(gè)電站綜合裝機(jī)利用小時(shí)均在2018年達(dá)到最大值。

圖1 華中電網(wǎng)4個(gè)大抽水蓄能電站近3年綜合裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)圖

發(fā)電(抽水)運(yùn)行小時(shí)為機(jī)組實(shí)際的運(yùn)行時(shí)間，一般大于發(fā)電(抽水)裝機(jī)利用小時(shí)。原因是在全年運(yùn)行期間，機(jī)組并未在任何運(yùn)行時(shí)刻均全部投入使用，進(jìn)行滿發(fā)滿抽，具體講可能是檢修或非計(jì)劃停機(jī)，也可能是將部分容量作為備用。圖2所示的是洪屏抽水蓄能電站2017年各月的發(fā)電(抽水)運(yùn)行小時(shí)，四個(gè)指標(biāo)全年整體運(yùn)行趨勢基本一致，在夏季7月和冬季1月期間均保持相比其他時(shí)期較大的運(yùn)行時(shí)長，其他抽蓄電站與此類似。

圖2 洪屏抽水蓄能電站2017年各月發(fā)電/抽水小時(shí)數(shù)圖

2.2 抽水蓄能電站運(yùn)行模式

統(tǒng)計(jì)近3年華中電網(wǎng)4個(gè)大型抽水蓄能電站的主要運(yùn)行模式，結(jié)果如表2所列。2017年4個(gè)大型抽水蓄能電站主要運(yùn)行模式均為一抽兩發(fā)，其余2年均出現(xiàn)了其他運(yùn)行模式。黑麋峰電站3年均主要保持一抽兩發(fā)的運(yùn)行模式。2018年～2019年，白蓮河抽水蓄能電站主要運(yùn)行模式均為一抽一發(fā)，寶泉抽水蓄能電站主要運(yùn)行模式為兩抽兩發(fā)，其中兩抽兩發(fā)次數(shù)占全年運(yùn)行總次數(shù)比重從2017年3.29%增至2019年44.1%，運(yùn)行模式變化較大，頻繁抽水和發(fā)電對機(jī)組設(shè)備安全產(chǎn)生一定影響。

表2 華中電網(wǎng)近3年4個(gè)大抽水蓄能電站主要運(yùn)行模式表

以2017年為例，圖3所示各抽水蓄能電站主要的運(yùn)行模式為一抽兩發(fā)，其次為一抽一發(fā)，部分時(shí)期出現(xiàn)了極少數(shù)的其他運(yùn)行模式。4個(gè)電站均出現(xiàn)了不同程度的既不抽水也不發(fā)電的情況，其中寶泉抽水蓄能電站2017年未出現(xiàn)不發(fā)不抽現(xiàn)象。黑麋峰抽水蓄能電站共有42 d不發(fā)不抽，主要分布于7、8、10月份和11月份。此外，白蓮河抽蓄電站一抽三發(fā)的運(yùn)行模式達(dá)到了61 d次，主要集中于6、7月份，主要原因是6～8月湖南發(fā)生棄水棄風(fēng)，華中全網(wǎng)最多安排了5座電站14臺機(jī)組抽水運(yùn)行(含非直調(diào)抽蓄電站)，以利用汛期棄水電量。

圖3 華中電網(wǎng)4個(gè)大型抽水蓄能電站2017年主要運(yùn)行模式的天數(shù)圖

2.3 抽水蓄能電站抽水/發(fā)電工況下機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)

統(tǒng)計(jì)2017～2019共3年整點(diǎn)時(shí)刻華中電網(wǎng)抽水蓄能電站發(fā)電和抽水工況日均機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)如圖4所示。抽水工況主要集中于凌晨低谷時(shí)段(0:00～6:00)，同2018年相比，2017和2019年凌晨1:00～5:00全年日均運(yùn)行機(jī)組略多，均在8臺以上。發(fā)電工況主要集中于早高峰和晚高峰時(shí)段，其中早高峰段11:00，2017年日均運(yùn)行臺數(shù)達(dá)到了5臺，其余2年僅有3臺。晚高峰段17:00～21:00全年日平均運(yùn)行機(jī)組均達(dá)到了5臺，2018年甚至達(dá)到6臺以上。除此之外，在8:00前后、12:00～15:00和22:00后均出現(xiàn)了短暫的抽水/發(fā)電運(yùn)行交叉階段。

圖4 華中電網(wǎng)抽水蓄能機(jī)組整點(diǎn)時(shí)刻日均發(fā)電/抽水工況運(yùn)行臺數(shù)圖

2.4 抽水蓄能電站典型日運(yùn)行效果的評價(jià)

以近3年華中電網(wǎng)負(fù)荷日峰谷差最大日(2019-01-02日)為典型日，4個(gè)大型抽水蓄能電站典型日96點(diǎn)出力過程如圖5所示，運(yùn)行方式除黑麋峰為一抽兩發(fā)，其余3個(gè)電站均為兩抽兩發(fā)。典型日抽水蓄能電站發(fā)電工況最大出力為120.19萬kW，抽水工況最大出力為-126.63萬kW。圖6為典型日剩余負(fù)荷過程，呈現(xiàn)兩峰兩谷，其中前一個(gè)峰較后一個(gè)峰低，主峰在后，前一個(gè)低谷較后一個(gè)低谷更深。對照圖5圖6可以發(fā)現(xiàn)，抽水蓄能的作用發(fā)揮情況與優(yōu)先消納清潔能源后剩余負(fù)荷特性有關(guān)，即尖峰時(shí)刻發(fā)電，低谷時(shí)抽水。凌晨低谷時(shí)段4個(gè)電站均滿裝機(jī)抽水，午后13:00～16:30時(shí)段黑麋峰電站不抽水，白蓮河僅1臺機(jī)組抽水，其余2個(gè)電站2臺機(jī)組抽水，晚高峰18:00～21:00時(shí)段白蓮河電站3臺機(jī)組發(fā)電，其余3個(gè)電站均4臺機(jī)組發(fā)電。此外，對比4個(gè)電站設(shè)計(jì)日均發(fā)電(抽水)電量和典型日發(fā)電(抽水)電量(見表3)可發(fā)現(xiàn)，4個(gè)電站典型日實(shí)際抽發(fā)電量均大于設(shè)計(jì)日均抽發(fā)電量，說明抽水蓄能電站充分發(fā)揮了調(diào)峰填谷和穩(wěn)定電力系統(tǒng)運(yùn)行的作用。

圖5 2019年華中電網(wǎng)四大抽水蓄能電站典型日96點(diǎn)出力圖

圖6 2019年華中電網(wǎng)典型日剩余負(fù)荷圖

表3 2019年華中電網(wǎng)抽水蓄能電站典型日發(fā)電/抽水電量表 萬kWh

為了進(jìn)一步說明抽水蓄能電站作用發(fā)揮，以2019年每月日負(fù)荷峰谷差日最大作為典型日，分別計(jì)算有/無4個(gè)大抽水蓄能電站典型日平均負(fù)荷率、日峰谷差率、日均方差，結(jié)果列于表4，從表4的計(jì)算結(jié)果可知：抽水蓄能電站投入運(yùn)行后電網(wǎng)各典型日的平均負(fù)荷率均增大，平均增幅為1.4%，最大增幅達(dá)到2.8%。日峰谷差率和日均方差均降低，前者最大降低5.6%，平均降低3.5%，后者平均減少200萬kW，最大減少240萬kW，表明抽水蓄能電站較好地發(fā)揮了調(diào)峰填谷和平抑負(fù)荷波動的作用。

表4 2019年華中電網(wǎng)有無抽水蓄能電站各月典型日變化情況表

3 抽水蓄能電站運(yùn)行存在的問題及建議

3.1 運(yùn)行管理中存在的問題

4個(gè)大型抽水蓄能電站在華中電力系統(tǒng)中發(fā)揮了調(diào)峰填谷、消納清潔能源，減少棄水率，保證電網(wǎng)安全平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等作用，但是也面臨非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)較多、機(jī)組檢修停運(yùn)時(shí)間較長以及影響電網(wǎng)事故支援、影響清潔能源消納、抽蓄機(jī)組整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和調(diào)度管理方面有待進(jìn)一步優(yōu)化等問題。

1)4個(gè)大型抽水蓄能電站過多地承擔(dān)了電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，發(fā)電和抽水方向啟動次數(shù)頻繁。2018年華中電網(wǎng)全部并網(wǎng)抽蓄電站發(fā)電方向共啟動6 399臺次、抽水方向共啟動5 273臺次，同比分別增長4%、24.8%。發(fā)電和抽水啟動臺次逐年增加，給機(jī)組設(shè)備磨耗帶來一系列問題。另一方面，抽蓄機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)檢修，也影響系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻。

2)抽水蓄能電站參與市場化交易的機(jī)制不健全。當(dāng)前華中電網(wǎng)抽蓄省間備用共享主要依托調(diào)度臺在負(fù)荷高峰時(shí)段組織省間一類交易、借還電，負(fù)荷低谷時(shí)段修改省間聯(lián)絡(luò)線三峽電比例等方式來完成，缺少常態(tài)化的抽蓄備用省間共享機(jī)制。因此，有必要量化抽蓄電站調(diào)峰、頂峰經(jīng)濟(jì)效益，對相關(guān)調(diào)用方進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步促進(jìn)抽蓄備用省間共享。

3)華中電網(wǎng)抽水蓄能電站調(diào)度管理中存在一體化調(diào)用的體制問題。目前抽蓄電站均由省公司經(jīng)營結(jié)算，日常運(yùn)用因涉及省公司經(jīng)濟(jì)利益均以省內(nèi)調(diào)用為主，無法常態(tài)化參與跨省的調(diào)峰運(yùn)用，急需制定相應(yīng)跨省調(diào)用管理辦法，以利于抽蓄電站的跨省調(diào)用，助力清潔能源的全額消納。

3.2 幾點(diǎn)建議

1)加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)管理，進(jìn)一步提升保平衡保供電能力。抽蓄電站一方面應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)維管理，加大運(yùn)行監(jiān)控和設(shè)備巡視力度，保證設(shè)備運(yùn)行在最佳工況，減少機(jī)組異常及非計(jì)劃停運(yùn)，另一方面應(yīng)加大備品備件及檢驗(yàn)工具配置力度，及時(shí)消除設(shè)備缺陷。

2)減少系統(tǒng)調(diào)峰對抽水蓄能電站的依賴。一方面提高電源側(cè)如火電等電廠調(diào)峰能力，另一方面加強(qiáng)需求側(cè)管理，引導(dǎo)用戶改變用電方式，大力開發(fā)電力低谷用電市場，提高電網(wǎng)負(fù)荷率，減小峰谷差。

3)考慮新建變速抽水蓄能電站或?qū)ΜF(xiàn)有機(jī)組進(jìn)行變速改造，以滿足電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要。同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有電站的運(yùn)行方式，促進(jìn)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4)運(yùn)行管理體制上尋求突破。華中電網(wǎng)中抽水蓄能電站目前是“獨(dú)立”運(yùn)行模式，可以考慮增加抽水蓄能機(jī)組與新能源機(jī)組的“聯(lián)合”運(yùn)行模式和一體化運(yùn)行模式，以更加開放和創(chuàng)新的環(huán)境促進(jìn)抽水蓄能行業(yè)的大發(fā)展。

5)建立有效的激勵(lì)機(jī)制，實(shí)行科學(xué)的電價(jià)政策。第一，抽水蓄能電站向電網(wǎng)提供了備用、AGC、調(diào)頻、無功及黑啟動等輔助服務(wù)，建立市場化運(yùn)行機(jī)制，制定合理的電價(jià)政策進(jìn)行效益回收。第二，抽水蓄能電站參與多能互補(bǔ)調(diào)度，增加了清潔能源消納量，同樣需要合理的激勵(lì)機(jī)制保證抽水蓄能電站企業(yè)的合作，清潔能源消納應(yīng)考慮補(bǔ)償其運(yùn)行費(fèi)用和投資費(fèi)用。

4 結(jié) 語

通過對華中電網(wǎng)抽水蓄能電站裝機(jī)綜合利用小時(shí)、運(yùn)行模式、機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行分析，以及對典型日抽水蓄能電站運(yùn)行效果進(jìn)行評價(jià)，獲得以下認(rèn)識：①近3年華中電網(wǎng)4個(gè)大抽水蓄能電站綜合效率均大于81%，寶泉抽水蓄能電站綜合裝機(jī)利用小時(shí)連續(xù)3年下降，其余3個(gè)電站則在2018年達(dá)到最大。②近3年除黑麋峰抽水蓄能電站主要運(yùn)行方式保持一抽兩發(fā)外，其余3個(gè)電站運(yùn)行模式有較大變化；從不同工況下抽水蓄能電站運(yùn)行機(jī)組臺數(shù)來看，抽水主要集中于凌晨低谷時(shí)段(0:00～6:00)，發(fā)電主要集中于早高峰(8:00～12:00)和晚高峰(16:00～22:00)時(shí)段。③華中電網(wǎng)4個(gè)大抽水蓄能電站投入運(yùn)行后，典型日平均負(fù)荷率平均增加1.4%，日峰谷差率平均降低3.5%，日均方差平均減少200萬kW，抽水蓄能電站較好發(fā)揮了調(diào)峰填谷的功能。