抽水蓄能在风力发电中的应用范文

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《淮海工学院学报》2016年第4期

摘要：

抽水蓄能电站具有优良的调峰填谷能力，能够有效解决电力系统接入风电容量超过一定比例后引起的调峰及弃风问题．详细介绍了应用在风力发电中的抽水蓄能电站的系统构成及其基本原理，综合考虑发电效率问题，推导出抽水蓄能机组容量规划的计算方法，并针对某一抽水蓄能电站的容量进行设计．

关键词：

抽水蓄能；风力发电；机组容量

0引言

在全球生态环境不断恶化、化石能源逐渐枯竭的今天，风电作为一种重要的可再生、清洁能源，已经成为解决全球性能源问题不可或缺的重要力量［1－2］．但由于风能存在间歇性、随机性及不稳定性［3－4］等特点，当接入电网的风电容量超过一定比例后，会对电力系统的安全运行造成一定程度的影响，如在负荷低谷的大风时段，将导致大面积弃风现象发生，造成能源的浪费．抽水蓄能电站以其调峰填谷的独特运行特性［5－6］，在负荷低谷的大风时段，将风能通过蓄水的方式进行储存，在负荷高峰时段再将储存的能量输送到电网中去，在大大减少了资源浪费的同时保证了电网的安全稳定运行，成为我国电力系统有效的、不可或缺的调节工具．

1抽水蓄能原理及系统构成

作为间接存储电能的一种方式，抽水蓄能电站可以帮助电网解决负荷高峰和低谷之间的电力供需矛盾．如图1所示，在电网负荷低谷期，多余的电力带动抽水泵把下水库位的水抽到上水库位，将其以重力势能的形式存储起来，当在电网负荷高峰期，存储在上水库位的水力带动水力发电机组来发电，与其他电源一起向电网输电，满足高峰电网时的负荷需求．虽然在此次抽水蓄能中部分能量会在能量转化过程中流失，但与其他相比，使用抽水蓄能电站要比增建煤电火电发电设备来满足负荷高峰和低谷期的起停调峰等经济效益更好．除了调峰外，抽水蓄能电站还具有调频、调相和事故旋转备用等多种功能．作为电网运行管理的一个重要工具，保障了电网的安全、稳定、经济运行．从这个意义上讲，抽水蓄能电站相当于一个能量储存装置，充分利用水作为能量载体，对电能在时间和空间上进行重新分配，以协调电网的发电出力和电力负荷在时间和空间上的不匹配问题，从而使整个电力系统达到安全、稳定、经济运行．

2抽水蓄能机组容量规划方法

2．1调峰容量比的定义

机组正常运行时，其发电范围受最小技术出力和最大技术出力的约束．其中最小技术出力一般在额定出力的70％，少数机组可达到60％或50％．调峰容量比的定义为机组可灵活变化的容量数值与其额定容量之比．RG＝Pmax－PminPe×100％．（1）式中：RG为发电机组的调峰容量比（％）；Pe为发电机组的额定发电出力（MW）；Pmax为发电机组的最大技术出力（MW），多数火电机组其最大技术出力与额定出力相等；Pmin为发电机组的最小技术出力（MW）．按式（1）类推，可得到系统综合调峰容量比，即系统中所有运行机组的可调节容量占到这些机组额定总容量的比值．Rs＝∑i（Pi．max－Pi．min）∑iCi，（2）式中：Rs为系统需求的综合调峰容量比；Pi．max，Pi．min分别为机组i的最大、最小有功出力；Ci为机组i的装设容量．

2．2抽水蓄能电站容量规划方法

在以火力发电为主的电力系统中，系统综合调峰容量比大多小于50％，若此时系统中有部分核电机组或（供热期的）热电机组等基荷机组，则综合调峰容量比将更小．因此，只有电网负荷峰谷差占到最大负荷的比例小于或等于系统的综合调峰容量比时，系统的调峰矛盾才能够得以解决．由于以火电为主的系统其实际负荷无法满足这一要求，而抽水蓄能电站机组的调峰容量比可达到200％，因此其装设容量应以能够满足系统所需综合调峰容量比为基本条件．则系统中抽水蓄能电站的装设容量的计算公式为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为抽水蓄能电站装设容量（MW）；RD为扣除抽水蓄能电站发电和抽水容量之后系统需求的综合调峰容量比（％）；PD．max，PD．min分别为系统最大、最小负荷需求（MW）．式（3）实际上并未解决抽水蓄能电站容量确定的问题，抽水蓄能机组在运行时还需满足另一项约束条件，即抽水电量与发电电量比，也就是电站发电效率的问题．如图2所示，阴影面积分别表示抽蓄机组的发电量和抽水用电量，而它们之比为电站发电效率，抽蓄机组的发电效率大致在70％～80％之间，并且由于发电、抽水运行时间的不同，发电容量P1－P2在实际中不可能同抽水容量P3－P4相等，所以式（3）应改为RD＝（PD．max－PP－S1）－（PD．min＋PP－S2）PD．max－PP－S，ηP－S＝EgEu烅烄烆．（4）式中：PP－S1为抽水蓄能电站发电容量（MW），PP－S2为抽水蓄能电站抽水容量（MW），ηP－S为抽水蓄能电站的发电效率，Eg为抽水蓄能电站发电量（MWh），Eu为抽水蓄能电站抽水用电量（MWh）．抽水蓄能机组发电后，会改善电力系统中常规火电机组的出力曲线，使常规火电机组低谷出力上升，高峰出力下降，最极端的状况是使常规机组出力保持恒定．取目标年中典型日负荷曲线，将使典型负荷日常规火电机组恒定出力所需要的抽水蓄能电站机组容量作为电站最大装设容量，以在典型负荷日满足常规火电机组基本调节容量作为电站的最小装设容量，则抽水蓄能电站的装设容量范围为PP－S．min≤PP－S≤PP－S．max．（5）式中：PP－S．min，PP－S．max分别为抽水蓄能机组在最小、最大峰谷负荷日需装设的容量．

3算例分析

按照电网规划目标的最大负荷、最小负荷、年负荷曲线确定电网典型负荷曲线，该负荷曲线如表1所示，表2为系统当前机组构成．通过表1和表2可得到系统当前综合调峰容量比为36．44％，低于系统所要求的40．25％．表3为在典型负荷曲线下P－S机组的年运行时间（以1500h计算）及对系统常规火电机组调峰容量比的影响，其中调峰容量比的计算如式（4）所示．根据系统提出的负荷峰谷差率40．25％的要求，可以确定抽水蓄能电站的装机容量应该不小于400MW．

4结语

针对风力发电间歇性、随机性的特点，构建抽水蓄能电站，充分利用其优良的调峰填谷能力，有效解决电力系统中调峰及弃风问题．介绍了抽水蓄能电站的基本原理及其系统结构，对抽水蓄能机组容量进行分析及设计，为后期抽水蓄能电站和大规模风力发电联合运行模型的建立提供有效的理论依据．

参考文献：

［1］李军军，吴政球，谭勋琼，等．风力发电及其技术发展综述［J］．电力建设，2011，32（8）：64－72．

［2］罗承先．世界风力发电现状与前景预测［J］．中外能源，2012，17（3）：24－31．

［3］魏希文，邱晓燕，李兴源，等．含风电场的电网多目标无功优化［J］．电力系统保护与控制，2010，38（17）：108－111．

［5］杨腾栋．风光互补抽水蓄能电站研究现状［J］．贵州电力技术，2014，17（7）：21－23．

［6］任增，邱晓燕，林伟，等．风电厂中抽水蓄能电站的优化配置［J］．可再生能源，2012，30（5）：24－28．

作者:周学足 单位:福建永泰闽投抽水蓄能有限公司