抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中的作用

2抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中的作用

2.1電力系統(tǒng)

2.1.1電力系統(tǒng)基本特性

電能一般不能大量儲存，電力的生產(chǎn)、輸送、消費是連續(xù)進行的，發(fā)電、輸送、配

電及用電在同一瞬間完成。電力系統(tǒng)的運行要求電力生產(chǎn)與消費必須隨時保持平衡。而

實際上，由于電力負荷隨季節(jié)、氣候、人們生產(chǎn)、生活及社會活動的不同而不斷變化,

這就要求電力系統(tǒng)的發(fā)電設備必須具有相應的調節(jié)能力，以適應電力負荷的不斷變化。

同時由于電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電等設備的故障和檢修、水電因水情變化而出力不

足、火電因強迫停運而出力降低等因素，要求電力系統(tǒng)必須具有相應的備用容量，并且

能夠隨時補充系統(tǒng)的出力不足。

整個電力系統(tǒng)在電磁上是相互連接和耦合的，系統(tǒng)中任何一點的運行參數(shù)（電流、

功率、頻率及電壓）發(fā)生變化，都會立即引起本系頰他地方的運行參數(shù)的聯(lián)動，使系

統(tǒng)運行失去平衡，甚至會引起連鎖反應，導致事故的擴大，嚴重時會發(fā)生大面積停電，

造成巨大損失。這就要求電力系統(tǒng)必須具備一定的快速響應能力，進行及時調整，恢復

平衡。

2.1.2電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性

1.同步運行穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)在受到干擾后將使系統(tǒng)中并列運行的各同步發(fā)電機的機械輸入轉矩與電

磁轉矩失去平衡，引起各發(fā)電機轉子不同程度的加速或減速，并使各發(fā)電機轉子相對功

率角，或以周期性振蕩的形式變化，或以單調形式變化。如果這種變化是隨時間衰減的，

并最終恢復到初始狀態(tài)的正常值，或達到新的穩(wěn)定值，則各發(fā)電機仍處于同步運行狀態(tài),

其發(fā)出的電功率是定值，同時電力系統(tǒng)中各節(jié)點的電壓及支路的電功率也能保持定值，

這樣，電力系統(tǒng)便能在穩(wěn)定狀態(tài)下運行。如果這種變化隨時間遞增，最終不能恢復到初

始狀態(tài)的正常值，或達不到新的穩(wěn)定值，則各發(fā)電機無法處于同步運行狀態(tài),其發(fā)出的

電功率是不定值，電力系統(tǒng)中各節(jié)點的電壓及支路的電功率不能保持穩(wěn)定，這樣，電力

系統(tǒng)將處于失步狀態(tài)下運行，電力系統(tǒng)便失去運行穩(wěn)定性。

失去運行同步穩(wěn)定的后果是：發(fā)生電流、功率及電壓的強烈擺動，造成系統(tǒng)不能繼

續(xù)供電，并且極易擴大成為大面積停電事故。

保持同步運行穩(wěn)定性的必要條件是：在正常運行和在發(fā)生大干擾（發(fā)生短路故障而

失去一回輸電線路）后的條件下，電力系統(tǒng)中任一輸電回路的傳輸能力都大于所傳輸?shù)?/p>

功率，同時保證所有發(fā)電機組都具有衰減轉速變化的能力。

2.運行頻率穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)頻率是同步發(fā)電機產(chǎn)生的交流正弦基波的頻率。在電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定條件

下，整個電力系統(tǒng)的頻率是相同的，即電力系統(tǒng)頻率是一個統(tǒng)一值。只有電力系統(tǒng)的發(fā)

電出力與用電負荷保持平衡，電力系統(tǒng)頻率才能保持穩(wěn)定。電力系統(tǒng)任何部位負荷的變

化，都會使系統(tǒng)有功功率失去平衡，導致頻率的變化。這就要求電力系統(tǒng)必須具有及時

調整發(fā)電出力的能力，確保系統(tǒng)功率平衡，以保持頻率的變動維持在允許范圍內。

失去運行頻率穩(wěn)定的后果是：產(chǎn)生頻率崩潰，使全系統(tǒng)停電。

保持運行頻率穩(wěn)定的必要條件是：電力系統(tǒng)中各發(fā)電機組可以提供的綜合有功功率

與全系統(tǒng)綜合有功負荷需求之差小于等于允許值。

3,運行電壓穩(wěn)定性

在正常運行情況下，由于負荷的電壓效應及無功備用的調節(jié)作用，當負荷變化時,

電力網(wǎng)的電壓可以隨時穩(wěn)定于某一確定值，此時電力系統(tǒng)電壓是穩(wěn)定的；而當電力網(wǎng)電

壓降低到某一數(shù)值之后，電源無功功率的減少大于負荷無功功率需求的減少時，電力網(wǎng)

將出現(xiàn)無功功率缺額持續(xù)增大和電壓不斷下降的惡性循環(huán)，最終失去電壓穩(wěn)定。這就要

求電力系統(tǒng)必須具有及時調整無功出力的能力，以保持電壓的變動維持在允許范圍內。

失去電壓穩(wěn)定的后果是：產(chǎn)生電壓崩潰，使受影響地區(qū)停電。

保持運行電壓穩(wěn)定的必要條件是：在電力系統(tǒng)中任一負荷樞紐點或負荷集中地區(qū)可

以提供的無功功率的補償能力與該負荷樞紐點或負荷集中地區(qū)負荷的無功功率需求之

差小于等于允許值。

2.1.3電力負荷特性

電力系統(tǒng)中所有用電設備的開機容量之和稱為電力負荷。工業(yè)、農業(yè)、交通、建筑、

電信、商業(yè)、服務、市政及居民生活等所有用電設備同時消耗的電功率之和稱為綜合用

電負荷，加上供電網(wǎng)絡中損耗的電功率后稱為供電負荷，再加上發(fā)電廠的廠用電功率后

稱為發(fā)電負荷。

工業(yè)用戶的用電特性隨企業(yè)的類別、生產(chǎn)規(guī)模、工藝流程而有所不同。一般重工業(yè)

用電設備單機容量大，用電負荷比較集中，常伴有較大的沖擊負荷，季節(jié)性變化較小。

輕工業(yè)用電設備單機容量小，但數(shù)量多，用電量大。另外，在工業(yè)用戶中有一班制、二

班制、三班制生產(chǎn)等不同企業(yè)。不同班制，其日負荷特性亦不同，三班制企業(yè)日用電負

荷較均勻，其次是二班制企業(yè)，最不均勻的是一班制企業(yè)。電力系統(tǒng)中一班制企業(yè)比重

大，日負荷曲線變化劇烈，峰谷差大，對電力系統(tǒng)運彳亍最為不利。

農業(yè)用戶包括農田排灌、農副產(chǎn)品加工、農機具耕作及修造、機械化養(yǎng)殖等。農田

排灌受季節(jié)、氣候影響隨機性較大，有明顯的季節(jié)變化，日負荷變化與工業(yè)三班制相似。

農副產(chǎn)品加工用電隨農作物收割加工需要影響，也有明顯的季節(jié)性變化，日內變化也較

大。

電氣化鐵路用電隨運輸量增減而變，一般年變化和日變化都不大，但城市電氣化交

通用電日變化較大。

電力負荷具有一定的自動調壓作用，這是由于電力負荷無功功率與電壓存在正比關

系，即電壓升高負荷無功功率增大，而負荷無功功率增大會引起電網(wǎng)無功功率缺額加大,

導致電壓下降，反之使電壓上升。此作用稱為電力負荷的電壓效應，亦稱電力負荷的電

壓特性。

2.1.4各類電源特性

各類電源具有不同的技術經(jīng)濟特性，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的作用。應當通過詳

盡的技術經(jīng)濟論證，選擇最佳的電源組合，充分發(fā)揮各類電源在電力系統(tǒng)中的作用，獲

得最大的經(jīng)濟效益和社會效益。以下簡述各類電源的技術經(jīng)濟特性。

1.凝汽式火電機組

凝汽式火電機組在任何時候,只要有足夠的燃料，在其出力變化允許范圍內都能發(fā)

電，是一種比較可靠的電源。機組年利用小時多，可供電量大，在滿足負荷電量需求方

面能發(fā)揮較大的作用。另外，相對于水電站，其建設期較短，有可能建在距負荷中心較

近的地方，所需輸電線路較短，電能輸送損失較小。但是，此類機組對環(huán)境污染較嚴重，

適應負荷變化能力較差，一是允許變化幅度有限，二是啟停不靈活，增減負荷速度緩慢，

三是變出力運行經(jīng)濟性較差。尖峰火電機組的調峰性能有所改善，但機組造價較貴，運

行成本較高。

2.燃氣輪機

燃氣輪機組分簡單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)兩種，它們的共同優(yōu)點是建設周期短，投資省，

運行比凝汽式火電靈活。但燃料受資源限制,燃料前期開發(fā)和運輸投資大，運行成本高。

簡單循環(huán)燃汽輪機啟停速度快，運行靈活，但效率較低，適合帶尖峰負荷運行；聯(lián)合循

環(huán)機組由燃氣輪楣口汽輪機組成,汽機利用燃機尾氣發(fā)電,機組效率較高，但運行沒有

簡單循環(huán)靈活，適合帶腰荷運行。

3.常規(guī)水電站

通常水電站建成發(fā)電，便完成了一次能源向電能的轉換，相當于火電站從煤炭開采

到運輸?shù)桨l(fā)電全過程。而且水能是可再生能源，又不污染環(huán)境。

水電機組啟?？欤\行靈活可靠，跟蹤負荷變化能力強。一般從開機到滿載運行只

需在旋轉備用狀態(tài)下，從技術最小出力到滿載運行只需可

1~3mino0.25~0.5mino

調幅度較大，一般可達額定出力的75%~80%。但水電站靠河川徑流發(fā)電，受季節(jié)及

氣候變化影響大。土建工程工期較長，投資較大，有淹沒損失和移民處理問題（過大的

淹沒也會造成生態(tài)環(huán)境的改變，產(chǎn)生不利影響，但有的形成人工湖泊后能改善小氣候,

產(chǎn)生正面影響。

另外，水電站調節(jié)性能差異很大，無調節(jié)能力的徑流式水電站，豐、枯季出力相差

懸殊，只能承擔基荷運行,有調節(jié)能力的水電站，可以承擔電力系統(tǒng)的峰、腰荷運行。

調節(jié)性能大的水電站，還可進行季、年、甚至多年的水量調節(jié)。

4.抽水蓄能電站

抽水蓄能電站與常規(guī)水電站一樣，具有啟停迅速，運行靈活可靠的特點，它的可

調幅度可以從+100%（滿載發(fā)電）變到-100%（滿載抽水），而且切換時間短，一般

只需它在電力系統(tǒng)中運行，既可頂替峰荷，又能吸收低谷出力，調峰作用大，

1~5mino

跟蹤負荷變化能力強。

抽水蓄能電站的調節(jié)水量在上、下水庫中循環(huán)使用，不像常規(guī)水電那樣依賴河川徑

流。水庫規(guī)模相對較小，淹沒損失相對較小。

抽水蓄能電站的運行經(jīng)濟性,在于它不但將廉價的低谷電能轉換為寶貴的高峰電能

所帶來的經(jīng)濟利益，而且在于它改善了電力系統(tǒng)運行條件，提高了電力系統(tǒng)運行的可靠

性、安全性及經(jīng)濟性。

抽水蓄能電站一般建在河谷源頭，與常規(guī)水電相比沒有復雜的施工導流問題，受季

節(jié)性影響較小，一般可全年施工，但地下工程較多，建筑物較分散。

5.潮汐電站

潮汐電站是利用潮汐能發(fā)電，是可再生能源，不消耗燃料，不污染環(huán)境，水庫淹沒

損失小，可結合海灣航運、水產(chǎn)養(yǎng)殖及海涂圍墾等綜合開發(fā)。但利用水頭較低，施工不

便，單位千瓦投資較大。潮汐電站運行受潮汐運動規(guī)律制約，每天的工作時間是變化的，

其在電力系統(tǒng)中的工作位置呈周期（24時50分）性變化（每日后延50分入需電力系

統(tǒng)通過調節(jié)方可吸收其所產(chǎn)生的電能。潮汐電站不能起電網(wǎng)調峰作用,其裝機容量多為

重復容量。潮汐能月內、日內呈周期性變化，月際、年際之間變化很小。

6.核電站

核電站是利用原子核裂變釋放能量發(fā)電，比燃燒反應釋放的能量大得多，1kg鈾全

部裂變所產(chǎn)生的能量相當于2500~2700t優(yōu)質煤燃燒所釋放的能量。一座裝機容量

600MW的核電站，每天僅需消耗約3kg的鈾。因此核電站具有能量大，燃料運輸量小

的優(yōu)點。核電站可調幅度很小，一般只有額定容量的5%~15%,增減負荷速度十分緩

慢，而且可調幅度和變出力速度，隨著核燃料裂變過程進行而逐步衰減。另外,核電造

價高，單位造價比前述各類電站都高。

7.風力發(fā)電站

風力發(fā)電站所利用的風力是一種取之不盡用之不竭的可再生能源，儲量大，無污染,

對環(huán)境影響小。但單機容量較?。▏鴥饶壳鞍惭b的風力發(fā)電機組單機容量多為600~

2500kW）,發(fā)電出力受風力變化影響有一定隨機性，對于小電網(wǎng)（電網(wǎng)容量小于10倍

風電場裝機容量）并網(wǎng)運行有一定難度。國外有人提出用風電生產(chǎn)氫氣作為新能源使用，

用這種能源轉換的形式彌補風電出力與用電負荷在時間上分配不一致的缺陷，發(fā)展前景

廣闊。

1991年以來風電機組設計方面的進步，使得風電機組可以在更低的風速下運行，

并且輪轂高度增加，大大增加了可利用的風能資源。另外，由于加強了海上風能儲量的

評估，使可利用的風能資源猛增，不僅可以滿足美國的電力需求，而且可以滿足美國所

有的能源需求。歐洲風能協(xié)會和綠色和平組織推斷，世界風力發(fā)電的潛力是預計的2020

年世界電力需求的2倍。我國擁有漫長的海岸線，有相當多的淺海區(qū)，具有豐富的可開

發(fā)的風電資源。

2.2不同電網(wǎng)對抽水蓄能電站的需求分析

由于各地區(qū)資源的分布差別較大，造就了各地區(qū)電網(wǎng)不同的電源構成。如華北地區(qū)

煤炭資源比較豐富，而水資源相對缺乏，因此電網(wǎng)內電源主要以火電機組為主，這類機

組一般可占電網(wǎng)總裝機容量的95%以上，常規(guī)水電機組容量很少。西南地區(qū)水力資源

較豐富，電網(wǎng)內水電機組所占比重較大，一般水電機組容量可以占電網(wǎng)總裝機容量的

60%-70%,火電機組容量相對較少，一般僅占30%?40%。華東和華南地區(qū)水力資

源和煤炭資源均比較缺乏，特別是煤炭資源絕大部分是來自我國西北地區(qū)，不僅運輸距

離遠，而且由于運輸能力的限制，發(fā)展火電機組也受到一定制約，因此該地區(qū)的電源發(fā)

展，一個途徑是建設核電機組；另一途徑是〃西電東送”，將我國西部豐富的水電資源，

通過高壓和超高壓輸電線路送往該地區(qū)。

不同地區(qū)的資源分布使地區(qū)電網(wǎng)內的機組構成差別非常大，從而使不同地區(qū)電網(wǎng)的

調度運行方式有較大的差別。由于各地區(qū)電網(wǎng)電源構成、電網(wǎng)調度運行方式的差別，對

抽水蓄能電站的建設需求也各不相同。

1.火電為主的電網(wǎng)

由于火電機組增加和降低出力受到機組本身技術條件的限制，其調節(jié)性能不如水電

機組靈活，對電網(wǎng)負荷變化的反應速度也較慢，給電網(wǎng)調度運行帶來困難，不能很好滿

足電網(wǎng)運行要求,需要建設一定規(guī)模的調節(jié)性能好而運行靈活的調峰電源。然而這類電

網(wǎng)所覆蓋的地區(qū)一般水資源相對比較缺乏，建設常規(guī)水電站用于電網(wǎng)調峰的可能性不大。

因此，對以火電為主的電網(wǎng)來說，建設抽水蓄能電站是解決電網(wǎng)調峰比較理想的途徑。

2.具有核電機組的電網(wǎng)

我國東南部的廣東、江蘇和浙江等省，既缺少水力資源也缺乏煤炭資源，這些地區(qū)

的電源建設除充分開發(fā)當?shù)赜邢薜乃Y源外，就是調人煤炭發(fā)展火電。由于調入的煤

炭來自我國的西北部和北部，煤炭調入成本較高，受運輸條件的制約，有時還不能滿足

發(fā)電的需要，特別是在供電緊張時，發(fā)電用煤經(jīng)常告急。鑒于此，這些地區(qū)近幾年開始

大力發(fā)展核電。核電可以有效解決地區(qū)用電的矛盾，但核電機組所用燃料具有高危險性,

一旦發(fā)生核燃料泄漏事故，將對周邊地區(qū)造成嚴重的后果，因此核電站的運行不能出現(xiàn)

任何閃失，機組出力一般要求在平穩(wěn)狀態(tài)下運行，承擔電網(wǎng)的基荷。而且核電機組單機

容量較大，一臺機組的容量可達lOOOMw甚至更大，一旦停機，將對其所在電網(wǎng)造成

很大的沖擊，嚴重時可能會造成整個電網(wǎng)的崩潰。這類電網(wǎng)也需要建設一定規(guī)模的抽水

蓄能電站，除可以解決電網(wǎng)的調峰外，更重要的是作為核電站運行的保安電源。如廣東

省大亞灣核電站，機組單機容量為900MW投入運行以來，多次發(fā)生停機甩負荷事故，

廣東電網(wǎng)均是調用廣州抽水蓄能電站機組以恢復電網(wǎng)正常運行。一般從核電機組甩負荷

電網(wǎng)周波下降到電網(wǎng)周波恢復正常，僅需要7min左右。故對于核電機組容量占有一定

比例的電網(wǎng)，建設蓄能電站作為電網(wǎng)的調峰電源和核電機組的保安和備用電源是必不可

少的。

3.水電為主的電網(wǎng)

對于水電資源比較豐富的地區(qū)，系統(tǒng)內常規(guī)水電裝機容量雖然比較大，如果調節(jié)性

能好的水電站較少，沒有足夠大的調節(jié)庫容，其調節(jié)性能會受到限制，豐、枯水期出力

變化大。在汛期常規(guī)水電經(jīng)常處于棄水調峰狀態(tài)，而枯水期常由于出力不足，滿足不了

電網(wǎng)的調峰要求。在這種地區(qū)修建一定規(guī)模的抽水蓄能電站，不僅可彌補電網(wǎng)調峰容量

的不足，增加系統(tǒng)運行的靈活性，也可使水力資源得到充分利用。如我國正在興建的湖

北省白蓮河抽水蓄能電站和湖南省的黑糜峰抽水蓄能電站，通過深入地分析論證工作,

表明在水電容量相對較大的地區(qū)，建設一定規(guī)模的抽水蓄能電站是合理的，也是經(jīng)濟的。

4.接受遠距離送電的電網(wǎng)

這類電網(wǎng)所覆蓋的范圍一般均是能源相對缺乏，而經(jīng)濟比較發(fā)達、用電量較大的地

區(qū)，當?shù)氐碾娫唇ㄔO不能滿足用電要求，需要從電力資源比較富余的地區(qū)遠距離輸電。

如京津唐電網(wǎng)接受蒙西、山西地區(qū)的外送電力距離相對最近，但也有500km左右；華

東、華中、廣東等地區(qū)接受西南地區(qū)的送電距離均在1500km以上。由于送電距離較

遠，沒有一定的送電規(guī)模，遠距離送電是不經(jīng)濟的。線路較長，發(fā)生事故的幾率相對比

較大；送電規(guī)模較大，出現(xiàn)事故時對電網(wǎng)的影響也匕俄大。對于這類電網(wǎng)也需要建設一

定規(guī)模的蓄能電站作為電網(wǎng)的保安電源，以保證電網(wǎng)運行的安全與可靠。

2.3抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的作用

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.調峰發(fā)電

一個供電系統(tǒng)的負荷每時每刻都在變化。一般電網(wǎng)在發(fā)電設備容量和用電負荷基本

平衡的情況下，每天都會出現(xiàn)兩個用電高峰，即早高峰和晚高峰。電網(wǎng)負荷早高峰一般

出現(xiàn)在上午9:00~11:00,晚高峰一般出現(xiàn)在晚上19:00-23:00。但隨著季節(jié)的

變化，早、晚負荷高峰出現(xiàn)的時間會稍有差別。電網(wǎng)用電高峰時負荷上升速率較快，而

火電等電源不能滿足負荷上升速率要求，需要抽水蓄能電站進行調峰發(fā)電，以緩解電網(wǎng)

供電之不足。抽水蓄能電站承擔電網(wǎng)調峰運行，可替代火電容量或降低火電機組的調峰

深度，減少系統(tǒng)燃料消耗與運行費用，提高電網(wǎng)運行的可靠性與經(jīng)濟性。

2.抽水填谷

電網(wǎng)低谷負荷一般出現(xiàn)在后夜至凌晨，以及午間。在用電低谷時，電網(wǎng)內大量的富

裕電能無法利用，而電能又不能儲存，系統(tǒng)必須減少發(fā)電設備的出力，以保證電網(wǎng)內電

能的供需平衡，同時也保證電網(wǎng)的供電安全和供電質量。對于以火電為主的電網(wǎng)，火電

機組因受機組技術最小出力的限制，一般最小負荷可降低到機組額定容量的50%~

70%,如降低的幅度超過機組技術最小出力，就容易造成機組滅火停機事故，這就是通

常所說的火電機組壓負荷調峰。對于以水電為主的電網(wǎng)，可停運部分水電機組。對于調

節(jié)性能不好的水電站，特別是徑流式水電站，就會造成大量的棄水。在電網(wǎng)負荷低谷有

大量的富裕電能時，抽水蓄能電站可以進行抽水運行，此時蓄能電站變成用電戶，利用

電網(wǎng)低谷電量將下水庫的水抽到上水庫，以水作為載體將電網(wǎng)的富裕電能轉化為勢能,

達到儲存電能的目的，這樣可減少火電機組壓負荷調峰和水電站棄水調峰的問題，減少

火電機組因壓負荷運行所增加的煤耗。當以水電站作為抽水電源時，可減少電站棄水,

增加電站效益，還可使火電機組的運行狀態(tài)大大改善，減少火電機組事故率。

3.頻率調整

由于電力系統(tǒng)中各用電對象的用電特性千差萬另J,系統(tǒng)的負荷每時每刻都在變化,

即常說的負荷大波動與小波動現(xiàn)象。如電力機車的運行、一些加工機械的運行等，都是

間斷性工作，這些用電對象的工作都對系統(tǒng)的負荷產(chǎn)生影響。如果用電對象增加的負荷

較大，系統(tǒng)內的發(fā)電設備一時不能滿足時，由于供需不平衡就會使系統(tǒng)頻率下降；如果

系統(tǒng)用電對象減負荷較多，供大于需求時，系統(tǒng)頻率就會上升。不論系統(tǒng)頻率上升還是

下降，都會對系統(tǒng)用戶產(chǎn)生影響，嚴重時可使用電戶設備受到損壞。因此，電力系統(tǒng)應

根據(jù)系統(tǒng)的負荷變化，隨時調整發(fā)電設備的出力以適應系統(tǒng)負荷變化，而使系統(tǒng)頻率保

持在規(guī)定的范圍之內。我國規(guī)定，電力系統(tǒng)頻率（也稱周波）50Hz±0.2Hz為合格。以

燃煤火電為主的電力系統(tǒng)，由于火電機組增、減負荷速度相對較慢，一般較難適應系統(tǒng)

的負荷變化，特別是系統(tǒng)負荷急劇變化時（即出現(xiàn)大波動現(xiàn)象），以至系統(tǒng)的頻率合格率

較低。如華北電網(wǎng)，在20世紀80年代，系統(tǒng)頻率合格率最低曾降到81%,一般也僅

為95%~98%,主要原因就是調頻手段不足。90年代后潘家口和十三陵抽水蓄能電站

相繼投入運行，系統(tǒng)頻率合格率一般保持在99.99%。以下實例可進一步說明抽水蓄能

電站在電網(wǎng)中承擔調頻任務所具有的作用：

(1)京津唐電網(wǎng)在1997年6月24日14時34分，系統(tǒng)頻率降至49.84Hz,當

時十三陵抽水蓄能電站機組靜止備用，運行人員迅速啟動兩臺機組帶滿負荷，系統(tǒng)頻率

在4min內恢復正常；

(2)1998年11月28曰，華東電網(wǎng)SOOkV電網(wǎng)頻率突然下降0.16Hz,天荒坪

抽水蓄能電站1號機組迅即從水泵工況轉為水泵調相工況運行，使500kV電網(wǎng)頻率在

2min內回升至49.96Hz。需要說明的是，由于受庫容的限制，抽水蓄能電站解決系統(tǒng)

負荷小波動的頻率調節(jié)能力有限。調節(jié)性能好的蓄能電站，通過庫容使用上的調整，可

以短時間內承擔這種調頻運行方式。

4.無功調節(jié)(調相)

不論電力系統(tǒng)的電壓升高或降低，對電力用戶都會產(chǎn)生不利影響，嚴重時同樣會使

設備損壞或不能正常工作。抽水蓄能機組具有調相功能，可以吸收無功功率，也可以發(fā)

出無功功率。這樣可減少電力系統(tǒng)的無功補償裝置，從而減少系統(tǒng)的投資。1999年十

三陵抽水蓄能電站1號、2號、3號和4號機組在抽水工況下調相運行小時數(shù)分別達到

14.47、26.07、17.91h和20.34h,總調相時間達到78.79h。廣州抽水蓄能電站一期

建成初期調相運行的時間也比較多。1994年共發(fā)無功1.58億kvarh,吸收無功8128

萬kvarh;1995年發(fā)出無功5774萬kvarh，吸收無功1.1億kvarh;1996年發(fā)出無

功284萬kvarh,吸收無功4.92億kvarh;1997年發(fā)出無功20萬kvarhz吸收

無功4600萬kvar-h,為廣東電網(wǎng)穩(wěn)定電壓起了較大的作用。

kvarh—無功功率電量。電網(wǎng)中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性電抗，在

運行過程中需要向這些設備提供相應的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器、同步調相機等容性設

備以后，可以供給感性電抗消耗的部分無功功率小電網(wǎng)電源向感性負荷提供無功功率。也即減少無

功功率在電網(wǎng)中的流動，因此可以降彳氐輸電線路因輸送無功功率造成的電能損耗，改善電網(wǎng)的運行

條件。電表不能計算無功電量。

cos①功率因數(shù)是供用電系統(tǒng)的一項重要技術經(jīng)濟指標，用電設備在消耗有功功率的同時,還

需大量的無功功率由電源送往負荷，功率因數(shù)反映的是用電設備在消耗一定的有功功率的同時所需

的無功功率。對于農村用電負荷來說，主要是一些小加工業(yè)及照明負荷，其中大部分用電設備為感

性負載，其功率因數(shù)都很低,影響了線路及配電變壓器的經(jīng)濟運行。通過合理配置無功功率補償設

備，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù),從而達到節(jié)約電能，降低損耗的目的。

5.事故備用

電力系統(tǒng)的發(fā)電電源不僅要滿足系統(tǒng)用電負荷的要求，同時還必須有一定數(shù)量的備

用容量。根據(jù)電網(wǎng)容量大小及電源構成上的差別，設置備用容量的比例會有所不同。一

般情況下，發(fā)電設備容量備用率為系統(tǒng)最大負荷的20%左右（包括負荷備用、事故備用

和檢修備用等1大電網(wǎng)備用率可能要低一些，小電網(wǎng)可能要高一些。電力系統(tǒng)的備用容

量一般分為緊急事故備用容量和一般事故備用容量。當由火電機組承擔緊急事故備用容

量時，機組以額定轉速空轉,處于旋轉備用狀態(tài)（稱為熱備用），根據(jù)系統(tǒng)要求旋轉備用

容量隨時可以帶負荷運行；火電備用機組在其備用狀態(tài)下稱為冷備用，冷備用容量投入

運行需要的時間相對較長。由火電機組來承擔旋轉備用容量，一部分容量經(jīng)常處于空轉

狀態(tài)，使機組煤耗上升，系統(tǒng)的燃料消耗增加。抽水蓄能機組同常規(guī)水電機組一樣，啟

動迅速靈活，工況轉換快，具有火電機組旋轉備用功能，承擔系統(tǒng)的備用是非常合適的。

以往大量的研究成果表明，抽水蓄能電站承擔電力系統(tǒng)備用容量，其經(jīng)濟效益顯著。在

抽水蓄能電站設計中，一般在上水庫都留有一定的發(fā)電備用庫容，當系統(tǒng)需要時可以利

用上水庫的庫存水量，及時為系統(tǒng)提供備用發(fā)電。抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中承擔備用

所起到的作用是非常顯著的，比較典型的例子有：

(1)1996年6月7日10時30分，京津唐電網(wǎng)沙嶺子電廠4號機組掉閘，電網(wǎng)

周波降為49.93Hz,10時37分3號機組又掉閘,電網(wǎng)周波降至49.7Hz。十三陵蓄能

電站1號機組和潘家口水電站1號蓄能機組緊急投入發(fā)電，使電網(wǎng)很快恢復正常。

(2)2001年3月22日10時59分，廣東電網(wǎng)內的核電機組跳機，系統(tǒng)周波降低

到49.6Hz,廣州抽水蓄能電站僅用6min,就由840MW出力升至2017MW,使系統(tǒng)

周波恢復正常。

(3)2002年7月16日9時53分，華東電網(wǎng)北侖電廠跳閘，甩負荷600MW;

陽城電廠5號機組跳閘，用負荷230MW,周波降至49.72Hz。天荒坪抽水蓄能電站

超出力運行,出力達到1934.2MW，使電網(wǎng)恢復正常。

6.黑啟動

電力系統(tǒng)在遇到特大事故時，會使整個系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。2003年8月14日，

美國、加拿大發(fā)生大范圍停電事故，停電范圍超過24萬kmL,影響5000萬居民，使

國家遭受了巨大損失?；痣姍C組在失去廠用電，又沒有外部電源的情況下，一般是難以

啟動恢復正常運行的。而抽水蓄能電站即使沒有外來電源，依靠電站上水庫庫存水量，

機組可以發(fā)電工況啟動，恢復廠用電，并向電網(wǎng)供電，這就是所謂的黑啟動。北京十三

陵抽水蓄能電站在1999年成功進行了黑啟動試驗。在電力系統(tǒng)癱瘓狀態(tài)下，蓄能電站

的黑啟動功能可為系統(tǒng)中其他機組的啟動創(chuàng)造條件，使系統(tǒng)盡快恢復正常。

7.配合系統(tǒng)的特殊負荷需要

電力系統(tǒng)每年都要投產(chǎn)一定規(guī)模的發(fā)電電源，以滿足用電負荷增長的需求。而新投

產(chǎn)的火電或水電機組在投入正式運行之前都要進行一系列的調試工作，目前生產(chǎn)的火電

機組單機容量已達到1000MW,進行甩負荷試驗時將對電力系統(tǒng)造成很大的沖擊,嚴

重時會導致系統(tǒng)癱瘓。抽水蓄能電站可配合新機組的甩負荷試驗，即由抽水蓄能電站抽

水運行作為試驗機組的負荷，當其甩負荷時，蓄能機組可迅即停止抽水運行，以保持系

統(tǒng)負荷平衡，從而保證電網(wǎng)正常運行。如廣東大亞灣核電機組（單機容量為900MW）

和沙角C廠火電機組（單機容量為600MW）的甩負荷試驗,都由廣州抽水蓄能電站配

合進行。

8.滿足系統(tǒng)特殊供電要求

對于國家舉行的一些重要活動，要求確保100%的供電可靠性。火電機組為主的電

網(wǎng),即使其裝機容量余度匕限大，但應對電網(wǎng)突發(fā)性事故仍很困難。比較有效的辦法就

是利用抽水蓄能電站的特殊運行方式來解決。如1997年，為保證香港回歸的直播，要

求京津唐電網(wǎng)的供電不能出現(xiàn)任何事故，安排十三陵抽水蓄能電站4臺機組中2臺機組

在抽水工況運行,當系統(tǒng)出現(xiàn)事故時，可將抽水工況運行的2臺機組停止抽水并轉成發(fā)

電工況運行，這樣十三陵抽水蓄能電站800MW的裝機容量可發(fā)揮1200MW備用容量

的作用。抽水蓄能電站這種特殊的運行方式及發(fā)揮的作用，是其他任］可電源難以達到的。

2.4抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的效益

2.4.1靜態(tài)效益分析

抽水蓄能電站在系統(tǒng)負荷低谷時作抽水工況運行，吸收系統(tǒng)低谷剩余電力，可以提

高系統(tǒng)低谷負荷率，使原來需要壓負荷運行的火電機組避免大幅度降低出力運行，提高

運行效率；系統(tǒng)負荷高峰時作發(fā)電工況運行，向電網(wǎng)提供峰荷電力，可以替代其他電源

承擔高峰負荷。前者稱作〃填谷〃，后者稱作〃頂峰〃。通常認為抽水蓄能電站的靜態(tài)效

益，是指其滿足電力系統(tǒng)用電負荷的容量和電量需求（即靜態(tài)需求）所產(chǎn)生的效益，集

中反映在抽水蓄能電站的"頂峰"、〃填谷〃作用所產(chǎn)生的容量效益和電量轉換效益。

1.容量效益分析

"頂峰"的效益在于替代其他電源工作容量，減少其裝機規(guī)模及以蓄能電站的運行

費用代替被替代電源的運行費用所產(chǎn)生的效益。當抽水蓄能電站的單位千瓦建設投資比

替代電源單位千瓦建設投資小時，便可節(jié)省系統(tǒng)電源建設資金。如天荒坪抽水蓄能電站

單位動態(tài)投資為3647元/kW,其高峰發(fā)電容量180萬kW,與同期同規(guī)模大型煤電

（按單位投資4500元/kW計）相比，可減少建設投資約15.35億元。當蓄能電站的

運行費用（包括強迫停運率、檢修率、廠用電率等的影響）低于替代電源的運行費用時，

便可節(jié)省系統(tǒng)的運行費用。一般抽水蓄能電站的發(fā)電成本比燃油機組和燃氣輪機組的發(fā)

電成本低，替代此類機組往往是有利的。與燃煤機組相比有無效益不能一概而論，需作

具體分析，一般高參數(shù)大容量燃煤機組平均發(fā)電煤耗率較低，平穩(wěn)運行的高參數(shù)大容量

煤電機組的運行成本低于抽水蓄能機組，但在擔任調峰運行或熱備用時，計入低谷壓火

或熱備用空載煤耗后，運行成本也可能比抽水蓄能機組高。〃頂峰〃所獲得的效益是蓄能

電站容量效益的主要組成部分。

另外，蓄能電站還可以替代其他電源承擔系統(tǒng)負荷備用容量和事故熱備用容量，也

體現(xiàn)了蓄能電站的容量效益，不過那是滿足系統(tǒng)的動態(tài)需求，屬于動態(tài)效益。

2.電量轉換效益分析

電量轉換效益主要體現(xiàn)在將系統(tǒng)低谷電能轉換成高峰電能所產(chǎn)生的效益。直觀看來,

似乎只是將廉價的低谷電能轉換成高價的高峰電能，其效益僅為二者的電價差，其實還

應包括"填谷"所產(chǎn)生的其他效益。"填谷”的效益在于增加其他電源低谷時間負荷，減

少火電、核電機組壓負荷運行深度和次數(shù)，維持高效率運行，節(jié)省燃料消耗，增加發(fā)電

量，降低運行成本或減少調節(jié)性能差的水電棄水，增加水能利用率，減少系統(tǒng)燃料消耗。

如天荒坪抽水蓄能電站投運后從根本上改變了華東電網(wǎng)火電機組的運行條件，大大減少

火電機組調停次數(shù)，1999年僅上海電網(wǎng)就減少125MW機組調停約200次。按天荒坪

抽水蓄能電站平均日調峰2800MW計算，累計年調喳容量達10億kW相當于300MW

機組全年調停3333臺次，300MW機組調停費按50萬元/臺次計，一年可節(jié)省啟停

費用17億元。

由于從安全和經(jīng)濟角度考慮，核電機組和某些煤電機組不宜作頻繁跟蹤負荷運行，

系統(tǒng)負荷低谷時難以大幅度減負荷運行，而燃煤機組由于要承擔部分事故熱備用容量，

滿足次日系統(tǒng)應急需要，必須保留一定的并網(wǎng)機組。又由于煤電機組升負荷速度有限，

當日深夜不運行次日來不及滿足負荷陡增需要。這樣電網(wǎng)低谷時段不僅核電機組要運行,

而且部分煤電機組也要并網(wǎng)運行，并保持一定的負荷水平，這樣會出現(xiàn)多種電源爭奪低

谷發(fā)電的局面。此時抽水蓄能電站抽水，等于增加低谷負荷，有利于緩解這個矛盾。因

此，在香港中華電力系統(tǒng)中，抽水蓄能電站被看作可以協(xié)助電網(wǎng)在低谷時段吸收核電的

作用。廣州抽水蓄能電站一期投入運行后，為大亞灣核電廠創(chuàng)造了安全平穩(wěn)運行的條件，

年發(fā)電量增加約10億kw-h,因而增加了核電廠的發(fā)電收入，提高了核電廠的運行經(jīng)

濟指標。

〃填谷〃效益還體現(xiàn)在改善核電、煤電機組運行條件，減少發(fā)生事故的幾率，延長

使用壽命，節(jié)省機組檢修和設備更新費用等方面。

2.4.2動態(tài)效益分析

電力系統(tǒng)的運行參數(shù)（例如功率、頻率、電流、電壓）是隨時變化的，這是由于系

統(tǒng)負荷的有功功率和無功功率不斷變化的結果。為了維持電力系統(tǒng)正常運行，除了要滿

足電力負荷容量和電量需求（稱為靜態(tài)需求）以外，還必須適應電力負荷隨時變化的要

求（稱為動態(tài)需求\在進行電源發(fā)展規(guī)劃時，對前者容易受到重視,而對后者卻重視不

夠。其實適應負荷變化也是一種需求，這種需求是客觀存在的，也是必須滿足的。電力

系統(tǒng)為滿足電力負荷容量和電量需求，需要建設足夠的發(fā)電設備，消耗足夠的資源。同

樣，為滿足負荷變化需求，也要建設可以跟蹤負荷變化的發(fā)電設備，消耗相應的資源。

抽水蓄能電站具有獨特的運行靈活性，跟蹤負荷能力強，用它替代其他電源來滿足負荷

的動態(tài)需求，會給電力系統(tǒng)帶來經(jīng)濟效益，即所謂動態(tài)效益。

具體說來，動態(tài)效益可以表現(xiàn)在因抽水蓄能電站承擔系統(tǒng)調頻、調相、負荷備用、事故

熱備用、快速跟蹤負荷變化以及提供黑啟動服務，提高系統(tǒng)運行可靠性和經(jīng)濟性等方面。

1.負荷調整效益

任何時候都要保持電力系統(tǒng)功率平衡，即系統(tǒng)發(fā)出的有功功率必須等于系統(tǒng)有功負

荷與有功損耗之和；系統(tǒng)發(fā)出的無功功率必須等于系統(tǒng)無功負荷與無功損耗之和。由于

負荷變化是不可避免的，因此必須靠調整系統(tǒng)發(fā)出的有功功率和無功功率來確保系統(tǒng)運

行穩(wěn)定性。這就要求電力系統(tǒng)的TB分發(fā)電設備必須能隨時調整出力，使系統(tǒng)出力與負

荷不僅在數(shù)量上而且在時間分配上完全一致。

這樣的要求，對于普通火電機組來說運行是較困難的。在日運行方式下，一日之內

負荷起伏數(shù)次，其變化幅度（即峰谷差）達最高負荷的30%~50%,特別是負荷曲線

陡坡部分，單位時間增減負荷量很大，華東電網(wǎng)曾經(jīng)達到每分鐘增加14萬kW0而火

電機組的電力生產(chǎn)是一個熱力循環(huán)過程，需要較長的能量轉換和傳遞時間，出力的變動

難以跟得上負荷的變化。普通燃煤機組在熱態(tài)下啟動，達到滿載需要1~2h,每分鐘增

加的出力不到額定出力的3%。同時火電機組是在高溫高壓的環(huán)境下工作，其關鍵部件

的低周循環(huán)疲勞壽命隨著負荷的變動而急劇下降，機組使用壽命縮短，設備更新費用增

加。另外，火電機組作頻繁變出力運行，比穩(wěn)定運行燃料增多，事故率、檢修率和廠用

電率上升。所以普通煤電機組作調整負荷運行是不經(jīng)濟的。

抽水蓄能電站的能量轉換形式簡單，變工況運行操作簡便迅速，不增加過多的額外

消耗。抽水蓄能機組從抽水到滿載發(fā)電只需2~4mm，調整負荷能力很強。例如英國迪

諾威克抽水蓄能電站能在10s內從靜止狀態(tài)向系統(tǒng)提供1300MW的出力。因此,用抽

水蓄能機組替代煤電機組適應系統(tǒng)負荷變動，特別是適應負荷曲線陡坡段快速增減出力

的需要，可以節(jié)省系統(tǒng)固定資產(chǎn)投資和運行維修費用。

2.旋轉備用效益

電力系統(tǒng)不僅要適應負荷的變化，而且要經(jīng)得起額外負荷的沖擊和系統(tǒng)元件突然事

故的