[摘 要] 能源与环境问题是未来人类生存和发展面临的关键问题，随着化石能源和煤炭资源的不断减少，世界各国对能源需求量的不断增加。目前可再生的电力能源有抽水蓄能、风能、核能、太阳能、潮汐和光伏等，而在储能和智能电网运行中效率最稳定，具有调峰填谷、调频、调相、事故备用和黑启动等优良能力的只有抽水蓄能电站。而在众多能源中最有效最优地吸纳调节其它可再生资源发出的电能，并且使超高压智能电网运行更稳定只有抽水蓄能。特别是我国超高压电网的投运给现代工业带来了第三次工业革命，抽水蓄能电站的运行在超高压智能电网稳定运行显得更加重要。
[关键词] 风电 风电场 抽水蓄能 联合运行 探讨
蔡飞祥
(福建厦门抽水蓄能有限公司筹建处 福建厦门 361000)
引言
能源与环境问题是未来人类生存和发展面临的关键问题，随着化石能源和煤炭资源的不断减少，世界各国对能源需求量的不断增加。目前可再生的电力能源有抽水蓄能、风能、核能、太阳能、潮汐和光伏等，而在储能和智能电网运行中效率最稳定，具有调峰填谷、调频、调相、事故备用等优良能力的只有抽水蓄能电站。而在众多可再生能源中最有效地吸纳调节其它可再生资源发出的电能，使电力系统智能电网运行更稳定。电力系统在国民经济建设中承担着重要作用，特别是我国超高压电网的投运给现代工业带来了第三次工业革命，从而让抽水蓄能电站在超高压智能电网中也得到高度重视。抽水蓄能电站的特点对电网稳定运行、超高压远距离传送和改善生态环境中起着其它资源无法比拟的作用，特别是其调峰填谷和黑启动在智能电网运行中调节电能质量是最有效的方式。可再生风力资源发电的特性受季节变换、昼夜温差等气候变化直接影响，这一特性对电力系统稳定运行会造成冲击，其周期短、随机性、不稳定、分布不均和受气候变化影响等居多缺陷，造成在能源中风能利用率低，发出的强大电能对电力系统运行冲击提出难解之题。我国风力发电资源蕴藏量巨大，主要分布在西部和沿海地区。这些问题如果随着大量的抽水蓄能电站建设、超高压远距离输送和风能等再生资源相结合得到很好的解决。其双方的运营成本将非常可观，也将双方的特性有机地结合，使双方在电力系统运营中发挥最大的优势。
抽水蓄能电站对电力系统的影响分析
抽水蓄能电站的特性对电力系统影响不大，但对于电力系统中长期稳定会有较大的影响。若其中一台机组动作时，通过共同引水隧道耦合作用，对于其他机组的影响不能忽略。由于输送距离较长，或者引水隧洞和尾水管道的振荡频率与系统频率发生共振，容易出现与主系统间的低频振荡。这些问题如果采用简化的抽水蓄能电站模型，不能满足分析的需要，甚至产生较大的误差。
如 1 图所示，单机单管水电系统，稳态运行时在发电状态下，在 t=1s 秒时发电机机端发生三相短路，t=1.1s 时故障切除，仿真曲线如图 1-2 所示。如图 2 所示的单机单管水电系统，稳态运行时在抽水状态下，在 t=1s 秒时发电机机端发生三相短路，t=1.1s 时故障切除，仿真曲线如图 3 所示。
图 1 单机单管水电系统图
从图2和图3可以看出，水泵水轮机在发电和抽水工况下，虽然初始值有所不同，但各工况变量的变化趋势是基本对称的。从图3可以看出，在PSS/E程序当中,当抽水蓄能电站为抽水工况时,机械功率为负,管道中流量为负,即由水轮机涡轮侧流向上游流动,与发电工况下流向反向。因此抽水蓄能电站模型程序中应当对流量为负进行处理,否则无法计算。图3中水头、流量曲线中的毛刺现象,是由于曲线插值误差所引起的。
图 2 抽水蓄能电站发电工况时故障仿真曲线
图 3 抽水蓄能电站抽水工况时故障仿真曲线
国内外风力发电发展分析
2012 年新增风电装机容量最多的 10 个国家占世界风电装机的 87%。与 2007 年相比，美国保持第 1 名，中国超过西班牙从第 3 名上升到第 2 名，印度超过德国和西班牙从第 5 名升至第 3 名，前 3 名的国家合计新增装机容量占全世界的 60%。
根据世界风能协会的统计，2012 年全世界风电装机容量新增约 27260 MW，增长率约为 29%。累计达到 121000MW，增长率为 42%，突破 100000MW 大关。风电总量为 2600 亿 kWh，占全世界总电量的比例从 2000 年的 0.25%增加到 2012 年的 1.5%。
尽管风电的发展仍然存在着很多困难，如电网适应能力、风能资源、海上风电发展等，但相比于常规能源，经济性优势逐步凸显，世界各国都对风电发展充满了信心。例如，欧美都公布了 2030 年风电满足 20%甚至更多电力需求的宏大目标，这也为全球风电的长期发展定下了基调。从国际能源署(IEA)2012 年颁布的《2050 年能源技术情景》判断，2012-2050 年，全球风电平均每年增加 70000MW，风电将成为一个庞大的新兴电力市场。
我国是世界上风力资源占有率最高的国家之一，同时也是世界上最早利用风能的国家之一。据资料统计，我国 10 m 高度层风能资源总量为 3226GW，其中陆上可开采风能总量为 253GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源约为 1000GW。如果风力资源开发率可达到 60%，仅风电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。我国利用风电起步较晚，和世界上风电发达国家如德国、美国、西班牙等相比还有很大差距。风电是 20 世纪 80 年代开始迅速发展起来的，初期研制的风机主要是 1kW、10kW、55kW、220kW 等小型风电机组，后期开始研发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛应用。至今，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣城、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建 GW 级风电场。
截止 2007 年底，我国风机装机总量已达 6.05 GW，年发电量占全国发电量的 0.8%左右，比 2000 年风电发电量增加近 10 倍。2012 年一年新增风电装机容量 6250MW，比过去 20 年累计的总量还多，新增装机增长率约为 89%。累计风电装机容量约 12150MW，占全国装机总量的 1.5%，累计装机增长率为 106%。风电装机主要分布在 24 个省，比 2007 年增加了重庆、云南和江西三个省。2006 至 2012 年风电增长状况。
中国政府为了推动并网风电的商业化发展，国家发改委明确提出我国风电发展的规划目标：2005 年全国风电装机总量达到 1000MW，2012 年全国风电装机总量达到 4000MW，2015 年全国风电装机总量达到 10000MW，2020 年全国风电装机总量达到 20000MW，占全国总装机容量的 2%左右。可以预计，中国将成为世界风电发展令人瞩目的国家之一。
风力发电对电力系统的影响
风是随着大自然日夜变化、气候变化和季节变换等特点存在着很大的不稳定性，大量的风力发电在并网后，给电网稳定运行冲击增大，使电网的平衡受到强大的考验。因此，电网的功率随机突变性受日夜和季节的变化，调峰调频的压力随之增大，只有在电网系统中配套充足的调峰调频容量，才能保证电网稳定运行的峰谷差。如果电网没有足够的调峰调频电源，风力发电对电网的冲击会造成电网运行的致命伤害。为此，电力系统为了保证电网运行的稳定和居民工业用电安全，以及社会的稳定，不得不采用少接入风力发电而保证电网运行之间的平衡，从而让风力发电场采用弃风浪费其风力资源。
抽水蓄能机组对风力发电变化的影响
从以上分析来看，风电弃风基本发生在后半夜和清晨期间，而抽水蓄能电站从电网中吸收电能抽水用电期间也大多发生在后夜用电低谷期间，这样蓄能电站抽水就能吸收大量的风力发电被迫弃掉的能量，将其转换为第二天用电高峰时期的电能输入电网之中，达到变废为宝的良好效果。从未来的能源发展情况来看，风电、核电和抽水蓄能发电都是最好的可再生能源，抽水蓄能电站的建设运营生产对环境保护会起到改良生态。因此，风电与抽水蓄能的联合运用效力不仅会减少风电的电能损失，又提高了双方的利用效率，同时对电网提供了优质的可再生清洁能源，其能源的吸收转换和生产都是清洁无污染的，符合国家新能源和可再生清洁能源政策的要求，对整个社会的环境保护起到不可估量的贡献。
风电与抽水蓄能联合运行经济分析及其计算结果
我国关于风电和抽水蓄能电站联合运行的方案和计算分析模型研究起步较晚，从欧洲学者对风电与抽水蓄能电站系统的 6 种不同运行方案和各子系统的运行及经济性评价模型分析，风电如直接输入电网带给电力系统运行的潜在风险，采用最大比重的抽水蓄能机组抽水储存起来，在负荷高峰时间优先将抽水蓄能电站发电，不足余峰荷才由常规的发电场满足，其建立的可再生能源系统优化经济选择的运算法则及相关模拟计算公式，求出了使可再生能源最大开发时的抽水蓄能电站合理装机容量以及单位电能供应的最少成本。资料对风电与抽水蓄能电站系统联合运行进行了优化计算，通过考虑峰谷差论证了该系统的经济可行性。
图 4 所示是一个含风电与抽水蓄能电站联合运行系统的小型模拟电网，该系统由一个装机 35 台 1500KW 和 20 台 605KW 的风电场;一座有若干可逆式水泵水轮机组的抽水蓄能电站(其上水库为日调节水库);一个工业和民用负荷子系统、控制系统以及其它常规电场等组成。根据联合运营方案，建立其经济运行的计算分析模型，在确保电网运行安全、可靠和稳定运行为前提下，尽最大可能利用风电来满足电力系统的负荷需求。
图 4 风电与抽水蓄能系统的小型电网示意图
假定该小型电网的最大允许风电发电的比重为最大腰荷的 10%，现拟定系统联合运行方案为：部分风电直接输入电网输入电网，其容量恒定为最大腰荷的 10%，在必要时启动抽水蓄能机组作调相运行，常规发电场按全部基荷的 90%的容量恒定供电运行，全部峰荷通过连接与解列抽水蓄能电站的发电机组(以下简称：水轮机组)来保证，抽水蓄能电站的抽水机组(以下简称：水泵)不仅利用负荷低谷的剩余电能抽水，而且通过适时的连接与解列来存蓄随机变化的多余风电，可使全部风电直接、间接地输入电网，并使得常规发电场按恒定出力运行。
图 5 是该电网的年最大日负荷特性，为保证系统正常运行，必须满足其所有供电容量 Pioial(t) 与所有负荷容量 Dioial(t)的供需平衡，即 Pioial(t)=Dioial(t)。其中
式中：PWF(t)是风电场在 t 时刻的出力;PHP(t)是水轮机组在 t 时刻的出力;PCPS(t)是常规发电场在 t 时刻的出力;DPS(t)是 t 时刻水泵抽水功率;DLS(t)是 t 时刻的系统负荷(包括基荷[DLS(t)]base、腰荷[DLS(t)]m 和峰荷[DLS(t)]peak。为最大利用风电，又不危及系统的可靠性或供电质量，对上述联合运行方案应有下列方程成立：
式中 Qp(t)、Hb(t)、ηps(t)分别是 t 时刻单台水泵的流量、扬程和效率;Qh(t)、Hn(t)、ηhp(t) 分别是 t 时刻单台水轮机组发电的流量、水头和效率;kpc(t)、klc 分别是 t 时刻水泵和水轮机组的运行台数;[DLSmax]m 是系统的最大腰荷;其它符号同前。式(3)中的风电场出力 PWF(t)，可由下式给出。
式中 kω(t)是 t 时刻风电场中正常运行的风机台数;ζ、φ分别是风机的传动效率和发电效率; PWF(t)是 t 时刻单台风机的风轮功率，其值可根据 t 时刻的风速υ(t)由场家提供的风轮功率风速曲线(如图 6 所示)插值求出。
如假定抽水蓄能电站的下水库相对容积很大，可忽略其水位变化，则抽水蓄能机组的水头/扬程可根据上水库的蓄水量(库容)～水位曲线求出。上水库在 t 时刻的蓄水量 V(t)可由上一计算时步的蓄水量 V(t-△t)、该计算时步的水泵抽水量 Vp(t)和水轮机汇水量 V1(t)逐时步迭代求出。即
式中：△t 是迭代计算的时间步长;Vmin 是日调节上水库在最低发电水位时的蓄水量。
利用相关已知资料，由式(1)～(7)即可计算出该电网拟定的风电与抽水蓄能联合运行方案下的风力发电量、抽水蓄能电站调峰发电量、抽水用电量等。此外，由式(7)还可以从上水库库容是否能够实现日调节循环，检验抽水蓄能电站装机容量选择的合理性。（内容有北极星储能网转载）
如果需要分析系统单位电能的供应成本 COEL，可参考式(8)计算求出。
式中：CI0 为投资成本;S0 为政府对风能的补贴;r 为折扣率;L 为回收年限;Co&M 为年运行和维护费用;CEXT 为其它额外成本。
风电和抽水蓄能联合运行时，从图 5 所示的小电网可知：设抽水蓄能电站的装机容量为 114MW，最小水头/扬程为 100m，并取ηps=0.8、ηhp=0.9，即综合效率为 0.72[10] .假定风电场中两种功率(605kW、1500kW )风机的传动效率和发电效率相同，均为ζ=0.8、φ=0.9，其它已知资料如图 5～图 7 所示。
由式(6)可求出风电场总出力的日变化曲线如图 8 所示。同时可求出如图 9 所示的系统中供电容量日变化曲线，可见系统总供电容量能够满足系统的总负荷需求。假设抽水蓄能电站上水库的最小蓄水量为 V=500 万 m3 ，可求出全天蓄水量变化如图 10 所示。可见上水库水位能够实现日调节循环过程达到了风电与抽水蓄能联合经济运行的目的。图 11 给出了该系统联合运行时水泵、水轮机组在各个时刻的运行容量变化曲线，其最大抽水容量为 113.6MW，最大发电容量为 77.8MW。
为便于进一步比较分析，将该电网不建设抽水蓄能电站的情况作为比选方案。此时风电仍按允许的最大比重(10%最大腰荷)出力直接接入电网，而系统全部腰荷、峰荷和除风电外的全部基荷均由常规发电场承担，如假定该电网的峰谷电价如图 12 所示，则由于普通风电系统不能充分利用风能资源，不但形成了风电弃荷弃风，而且还丧失了调峰收益。所以通过计算得知：风电与抽水蓄能电站联合运行系统比普通风电接入电网系统的直接电价收益增加约 15 万元/d。此外，普通风电接入电网系统的方案由常规发电场承担调峰、调频调相和事故备用等任务，势必造成常规电场和电网的运营成本增加，以及 CO2,SO2 的排放量的增加。因此，风电与抽水蓄能电站联合运行方案在智能电网与超高压传输应用中的直接效益和社会效益是未来可再生能源有效利用的最适合方式，其经济效益 也是相当可观的。
6 结语
党的十八届三中全会后提出我国要发展新型经济体，对能源结构进行调整，以及超高压智能电网的应用，给西部和海上的风力资源带来了发展机遇，而在我国经济发展中，中东部的经济明显比西部发展得快，用电负荷也不断增加。所以，在能源不但消耗的未来，将风电与抽水蓄能电站在电力系统中有效结合是非常值得推广和应用，不但可以有效改变未来能源紧缺的状况，还能有效改善生态环境和可再生能源有效利用。
参考文献
(1)陆佑楣、潘家铮 《抽水蓄能电站》.
(2)陈永祥、方征 《中国风电发展现状、趋势及建议》.
(3)潘文霞、陈允平、沈祖诒 《风电系统及其电压特性研究》.
(4)张新房、徐大平、柳亦兵等 《风力发电技术的发展及相关控制问题综述》.
(5)C.Buen.J.A.Carta.Technical-economic a-nalysis of wind-powered pumped hydrostor-age systems.Part I: model development[J].Solar Energy. C.Buen.J.A.Carta.Wind powered pumped hydro storage systems,a means of increasing the penetration of renwable energy in the Canary Islands[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
原标题：抽水蓄能电站与风电联合运营可行性探讨
