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抽水蓄能电厂读书报告一、国内外抽水蓄能电站的发展及思考抽水蓄能电站是具有削峰、填谷、调频、调相、事故备用及“黑启动”等多种作用的特殊电力装置，是电力系统运行管理的重要工具。抽水蓄能电站已有100多年的发展历史，世界各国尤其是美、日、欧等发达国家和地区，都曾大力开发抽水蓄能电站，在建设和运营中积累了大量经验。我国当前正处于工业化初期，电力需求增长旺盛，核电、风电等新能源发展较快，电源结构日趋复杂，大型储能设施需求迫切，抽水蓄能电站的发展面临着机遇和挑战。据统计，1960年全球抽水蓄能电站总装机容量仅为350万kW·h，至2010年已增至13500万kW·h(图1)，5O年内增加了近40倍，而同期全球发电总装机仅增长了9倍，20世纪60~80年代是抽水蓄能电站高速发展的黄金时期。图1全球抽水蓄能电站装机容量变化已建成的抽水蓄能电站主要分布在日本、美国、中国、意大利、西班牙、德国、法国等国家，近8成分布在欧洲、美国、日本及中国(图2)。02000400060008000100001200014000196019651970197519801985199019952000万Kw(年)12.60%30.40%16.30%18.50%22.20%中国欧洲美国日本其他图22010年全球抽水蓄能电站分布目前全球抽水蓄能在建项目主要分布在亚洲，“中、日、印、韩、泰”5国的在建规模合计2465万kW·h，中国最多(约1000万kW．h)。从抽水蓄能装机容量绝对值看，我国抽水蓄能电站的发展并不落后，然而从抽水蓄能占本国发电总装机比重、设备国产化程度、投资管理体制等方面看，我国仍然与国外发达国家存在差距。2抽水蓄能电站的发展背景早期的抽蓄电站以蓄水为主要目标，随着工业化发展和家用电器的普及，负荷率不断下降，电网调峰压力逐渐凸显；20世纪7O年代以来，随着大容量机组及核电、风电等新能源的快速发展，系统运行风险增大，抽蓄电站逐渐承担起调峰调频和事故备用等重要功能。此外，抽蓄电站在优化系统运行方式、促进系统节能减排方面的作用也越来越受重视。从发达国家的抽蓄发展规律看，抽蓄的建设受当地经济水平、能源结构、资源禀赋及开发情况等相关因素的影响，主要表现在以下几个方面：2．1与地区经济水平相关从统计数据看，全球抽蓄电站主要分布在美、日、欧等经济发达国家和地区，这些国家对电能质量要求较高、电网调峰需求大。(1)发达国家的工业自动化水平较高，精密仪器对电能质量的要求高：(2)发达国家的生活水平较高，家用电器普及率高，且具有“时段性”使用的特点，易造成负荷的大幅波动；(3)随着低端制造业的外迁，发达国家的工作从“三班制”到“两班制’，甚至“全日班”，电网调峰难度增加。2．2与区域内电源结构有关不同类型机组的性能差异较大，就调峰而言，常规水电、燃油、燃气机组及煤电机组等都具有调峰功能，但是抽蓄机组调峰幅度更大。对于一个互联电网，区域内的电源结构决定了系统对抽蓄的需求。2．3与核电、风电等新能源的开发进程有关7O年代前后，石油危机背景下的核电事业发展迅速，然而核电却不能参与系统调峰，因此抽蓄电站的建设随之加快。80年代后，三里岛、切尔诺贝利事故以及9·l1事件等，加大了人们对核电安全的担忧，核电发展陷入低潮，抽蓄发展也因此停滞不前。近几年，随着风电、太阳能等清洁新能源的快速发展，电网调频、调峰需求增大，抽蓄发展又出现回暖迹象。2．4与水资源开发程度有关20世纪9O年代后，发达国家的水电资源开发率基本在50％以上，法国、日本、瑞士等国甚至接近90~／o。随着常规水电资源开发殆尽，改造或新建对厂址要求不高的抽蓄电站，已成为提高系统调峰能力的最好选择。据不完全统计，美国已将8座装机容量大于1000Mw的大型抽水蓄能电站进行了更新改造，机组出力提高10O／O~20％。二、抽水蓄能电站经济效益识别1抽水蓄能电站的静态效益抽水蓄能电站在电网中由调峰填谷作用而产生的经济效益，称为静态效益。具体来讲静态效益包括容量效益、能量转换效益（又称为节煤效益）以及环保效益等。这部分效益一般可以通过直接或间接计算进行量化评价。（1）容量效益抽水蓄能电站的容量效益是指调节电网负荷曲线高峰和低谷之间的差距从而产生的效益。负荷高峰时段，它可以作为水电站发电，担负电网尖峰容量；用电低谷时段，则可作为电网用户，吸收低谷电量抽水蓄能，减少负荷峰谷差[17]。因此抽水蓄能电站可减少火电机组的日出力变幅，使其在高效区运行，增加发电量，并使核电和大型火电机组稳定经济运行。抽水蓄能电站一般无防洪、灌溉、航运等综合利用要求，建设周期比常规水电站要短，运行费用比火电站要低。在电网中缺少调峰电源时，建设抽水蓄能电站可减少火电或其它类型电源的装机容量，改变能源结构，减少总的电力建设投资。（2）能量转换效益能量转换效益是指抽水蓄能电站通过能量转换，将成本低的低谷电能转换为价值高的峰荷电能。抽水蓄能机组的投入，使电网负荷分配得到调整，火电尽量担负基荷和腰荷，从而使火电总平均煤耗下降。抽水蓄能机组能源节约效益的大小与系统的电源结构和机组运行方式密切相关，该效益的计算不能仅局限于抽水蓄能电站本身，必须从其所在电力系统整体出发，结合系统的长期电源扩展方案，进行综合计算分析。（3）环境效益抽水蓄能电站本身是个清洁能源，基本不产生污染。由于抽水蓄能电站的运行可避免一部分火电厂燃煤产生的烟尘排放，建设抽水蓄能电站的环境效益，主要体现在机会成本的节约。在节约煤炭资源的同时，也避免了一定的火电厂燃煤烟尘的排放。同时，抽水蓄能电站在一定程度上还能够起到美化环境、提供旅游资源的作用并产生相应的效益。例如，我国广东省惠州市就提出以惠州抽水蓄能电站、南昆山、罗浮山、象头山、古田保护区等为主体的度假休闲游，构建区域性特色旅游，促进地区经济发展。因而由此产生的效益都可以成为抽水蓄能电站的环境效益。2抽水蓄能电站的动态效益随着经济的发展和人民生活水平的提高，经济社会对供电质量的要求越来越高，停电造成的损失越来越大。因此，电网更需要抽水蓄能电站发挥保证供电可靠性的功能，而不只是削峰填谷的功能。所以，抽水蓄能电站动态效益比静态效益更大，其动态功能日益被看重，且已被当作电网运行管理的有效工具之一。抽水蓄能电站的调峰、调频、负荷跟随、调相、紧急事故备用和黑启动等作用产生的动态效益要远远高于其静态效益。抽水蓄能电站的动态效益己经被人们广泛认可，但是对这部分效益的量化测算却始终没有达成共识，一直受到国内外学者的关注，并且迄今为止是困扰人们的一个难点和重点。（1）调峰调频效益调峰效益是指抽水蓄能机组因为结构简单，控制方便，可以随需要增加功率或减少功率，因而有效地减轻了火电机组（包括燃气轮机机组）的调峰负担而产生的效益。调频效益是指抽水蓄能电站保持频率和提高电网稳定性带来的效益，抽水蓄能机组调节灵活，出力变化可以从0到100%，可以快速起动，随时增荷或减荷，起到调整周波的作用，成为应付突发事故和稳定系统频率的有效工具。例如，京津唐电网在潘家口和十三陵抽水蓄能电站投产运行前频率合格率仅为81%左右。由于潘家口和十三陵抽水蓄能机组的投产运行，改变了火电机组频率调整时跟不上负荷变化和效率急剧下降的状态，使华北电网频率合格率达到99.99%。（2）负荷跟随效益负荷跟随效益是指抽水蓄能机组负荷跟随快产生的效益，因为电网负荷总是在不断的变化，当基荷急剧变化时，抽水蓄能机组与火电或其他类型机组相比，其负荷跟随很快，爬坡能力较强。因而在一系列的重大电网事故中能在短时间内从任何工况下转为满负荷发电，从而防止事故扩大和系统瓦解，对系统安全稳定运行以及保证电能质量的合格发挥了重要作用。例如英国迪诺威克抽水蓄能机组(300MW)，从空载到满负荷发电只需15s，爬坡速度20MW/s。日本大河内400MW机组，发电工况下，0.2秒内出力可改变32MW;水泵工况下，0.2秒内输入功率可改变80MW。从静止到满载发电，十三陵抽水蓄能机组(200MW)只需2min30s，天荒坪抽水蓄能机组(300MW)只需2min，广蓄一期机组(300MW)5minl0s，广蓄二期机组(300MW)2min。从空载到满载发电所需时间更短，广州抽水蓄能机组(300MW)只需35s，十三陵只需30s。（3）调相效益电力系统中无功不足，会造成电网电压下降，这不仅影响到供电质量，还直接影响电力系统的安全稳定运行。当系统无功不足时，常须装设调相机、补偿电容器组等无功补偿装置;也有时将同步发电机改做调相运行或增发无功电力，以补偿系统无功不足。抽水蓄能机组由于其结构上的优点，可以方便地做调相运行。不但在空闲时可供调相用，在发电和抽水时也可调相，既可以发出无功功率提高电力系统电压，也可以吸收无功功率降低电力系统电压，尤其是在抽水工况调相时，经常进相吸收无功功率，有时进相很深，持续时间很长，这种情况是其他发电机组达不到的，只有抽水蓄能机组才能做到。另外，抽水蓄能机组在调相运行完成后可以快速地转为发电或抽水。从而可以减少设置专门的无功补偿装置，由此避免了专门无功补偿装置投入而取得的效益称为调相效益。（4）事故备用效益旋转（事故）备用效益是最能体现抽水蓄能电站动态效益的，具体指抽水蓄能机组作为水力机组可以方便地处于旋转备用状态，以利快速地承担事故备用产生的效益。因为假设电网若发生事故造成停电，将给国民经济带来巨大损失，给人民生活带来极大不便。为满足正常供电需要，除要求电力系统的有足够的工作容量、选择高可靠性的发供电设备和提高电网自动化水平外，还必须预留一定的备用容量。备用容量一般分为负荷备用、事故备用和检修备用三类。为保证系统的安全稳定运行，负荷备用、事故备用容量的一部分必须经常处于旋转状态，所以称为旋转备用容量。通常占统调容量的3%左右。火电机组承担的旋转备用容量，一般分散于系统中若干效率低的机组上，即处于空转或少带负荷运行状态，由于这些机组偏离最优运行工况，使系统中火电站的燃料消耗量增加，代价很高。抽水蓄能电站能够快速启动机组，迅速转换工况。在发电工况下，可利用抽水蓄能电站运行中的空闲容量，短时间内加大出力；在停机状况下，亦可紧急启动，从而达到短时应急事故备用的目的。在水泵工况下，可停止抽水，快速切换至发电工况。由它承担系统旋转备用容量，可改善火电机组的运行方式，减少火电机组的备用和火电机组启停次数，节约燃料和启停费用等运行成本，由此取得的效益称为旋转备用效益。1994年12月14日美国爱德华州中部345KV电网发生大面积停电事故，造成美国8个州和加拿大2个省100多万人断电，赫尔姆斯抽水蓄能电站10分钟内投入运行，弥补了2160MW核电站跳机的损失[20]；从广蓄电站一期实际运行情况来看，在发电工况运行机组平均出力约为21万千瓦，为额定容量的70%，其余30%是旋转备用容量。1994年5月-1996年底，在大亚湾核电站机组跳机、电网事故等66次事故中，广蓄电站迅速投入，防止了事故扩大，帮助电网恢复正常供电。以上实例充分体现了抽水蓄能电站反应迅速和承担紧急事故备用的重要作用。（5）黑启动效益黑启动是指电网在运行过程中，由于系统的稳定性和可靠性可能会因局部的问题而波及邻近区域进而导致重大系统事故，甚至造成整个系统停运，一旦出现整个系统停运，个别机组在不依赖外界帮助的条件下，自动启动发电并向系统供电，从而逐渐扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统的恢复。提供黑启动服务的关键是启动具有黑启动能力的机组，抽水蓄能电站可在无外界帮助的情况下，迅速自启动，并通过输电线路输送启动功率带动其他机组，从而使电力系统在最短时间内恢复供电能力。黑启动已成为电网崩溃后系统恢复正常运行的重要措施之一，我国目前虽然没有发生过电力系统大停电事故，因而各抽水蓄能电站在实际运行中也就没有真正发挥过黑启动作用，但抽水蓄能电站机组成功的黑启动试验，证明该电站可满足系统黑启动的要求，具有在厂用电失去情况下自启动机组进行生产自救及向无电压电网输电的能力，对于减少全网停电事故造成的损失具有重要作用，由此产生的效益称为抽水蓄能电站的黑启动效益。（6）抽水蓄能电站效益优势分析