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抽水蓄能的價值與功能作用
來源:全國能源信息平臺 日期:2020-08-06 字號:[ ]
  一 抽水蓄能的資源價值
  抽水蓄能是一種經濟資源。抽水蓄能可以把低價值能源轉換成高價值能源,可以優化系統能源資源的利用,實現對不同價值、不同質量電能的時空移動,可以產生比他消耗的能源多得多的經濟價值。
  抽水蓄能是系統中一種不可缺少的特殊生產資源,依托于電力系統的高可靠性、頂峰填谷、調頻調相等客觀需求而存在的。常規電源有其調節約束,不能完全滿足系統在故障等運行工況下的調節需求,需要備有一定容量的抽水蓄能,以備系統可以動態的隨時的調用以應對其客觀特性。
  抽水蓄能站址資源本身是一種稀缺資源。抽水蓄能站址選擇受制于外部環境因素,對水頭、地質等要求較高,地理位置、自然條件優良的站址有限。如同煤炭、石油及常規水電資源一樣,抽水蓄能站址資源本身是一個國家的稀缺資源。
  二 抽水蓄能電站功能作用
  1.保障電力系統安全穩定運行和電力有序供應
  (1)充當事故應急電源,保障系統安全穩定運行。系統發生大功率缺失后,為了保障頻率穩定、控制潮流在運行限額內,需要及時增加發電出力。相比煤電、氣電,抽水蓄能機組啟動時間短、調節速率快,可在一分鐘左右從停機開至滿發;相比常規水電,抽水蓄能電站更靠近負荷中心,大幅增發不影響系統穩定,且支撐系統電壓的作用更強。因此,抽水蓄能已經成為電力系統中最優先調用的應急電源,在多次重大事故處理時緊急開機滿發,有力地保障了系統安全穩定運行,是安全保底電力系統的重要組成部分。
  抽水蓄能機組在應對北京“5.29”燃氣機組大規模停機事件中,為保障首都電網安全穩定運行發揮重要作用。2019年5月29日,北京地區燃氣機組因燃氣壓力低發生大規模停機事件,北京電網受電比例及各分區主變負載率迅速上升,網內電壓支撐能力不足,系統安全穩定運行受到嚴重威脅。事故處置過程中,華北電力調控分中心迅速開啟十三陵抽水蓄能機組,有效緩解功率缺額、主變負載率過快上升及電壓支撐能力不足等問題,為保障首都電網安全穩定運行發揮重要作用。
  抽水蓄能機組在英國“8.9”大停電事故中,為迅速恢復系統至正常運行狀態發揮重要作用。當地時間2019年8月9日傍晚,英國發生大面積停電事故,波及包括首都倫敦在內的英格蘭、威爾士等大片地區,造成約100萬用戶停電。事故處置過程中,英國電網調度機構積極采取措施,調用抽水蓄能機組等快速響應能力,短時增加出力124萬千瓦,迅速恢復頻率至50Hz,恢復系統至正常運行狀態。
  (2)作為黑啟動電源,在大停電發生后及時恢復供電。近年來,美國、英國、印度、巴西等國發生的大停電事故警示我們,發生大面積停電的風險始終存在,電力系統中須配置一定規模的黑啟動電源。抽水蓄能電站上庫蓄能可靠、啟動速度快、發電出力調節靈活、可持續供電時間長,是系統首選的黑啟動電源,可為保障極端事故下的電力系統快速有序恢復提供有力支撐。
  (3)承擔系統尖峰負荷,保障電力有序供應,容量效益明顯。我國電力電量平衡格局總體呈現“電量平衡有余,季節性用電高峰期間電力平衡能力偏緊”的特點。充分發揮抽水蓄能電站容量效益,保障系統迎峰度夏期間尖峰負荷供給,減少了系統為應對短時尖峰負荷的燃煤等機組裝機容量。
  例如,2017、2018年,“三華”電網負荷大于97%當年最大負荷的小時數約在30小時左右,占全年時長比重在0.3%左右;大于95%當年最大負荷的小時數約在50小時左右,占全年時長比重在0.6%左右。在夏季大負荷期間,華東電網抽水蓄能電站總體呈現“兩抽三發”或“三抽三發”方式運行,華北、華中電網抽水蓄能電站總體呈現“一抽兩發”方式運行,有力的保障電力平衡,減少了用戶有序用電。
  2.提升清潔能源利用水平
  抽水蓄能削峰填谷作用明顯,可有效助力系統消納清潔能源。一是抽水蓄能電站頂峰發電的能力,可減少常規機組開機方式,降低系統中常規機組的最低技術出力,為消納清潔能源騰出空間。二是棄電時段,抽水蓄能電站可以抽水儲能,將棄電量存儲起來,提升清潔能源利用水平。此外,抽水蓄能調節迅速靈活,是應對高比例新能源系統有功波動性變大的有效手段。
  (1)提升新能源利用水平,實現新能源消納“雙升雙降”。夜間低谷時段風電消納、午間平峰時段光伏消納困難。充分發揮抽水蓄能電站頂峰填谷優勢,電站在中午平峰、后夜低谷時段抽水使用頻繁,有效助力新能源消納。
  華東電網光伏裝機超4000萬千瓦,僅次于西北電網,午間光伏大發時段電網調峰困難,安徽電網“凈負荷”曲線已呈現“鴨形曲線”。安排江蘇宜興、桐柏,浙江仙居,安徽響洪甸等抽水蓄能電站在午間增加一次抽水,可幫助華東地區實現新能源全額消納。
  東北電網新能源裝機超4000萬千瓦,夜間低谷時段風電消納困難。東北電網蒲石河、白山抽水蓄能電站配合風電運行頻繁啟停,其中蒲石河電站在所有大中型電站中日臺均啟動次數最高,幫助東北地區新能源利用率維持98%以上。
  華北電網風電、光伏裝機均超4000萬千瓦。在棄電時段,積極調用山東泰山、河北張河灣、山西西龍池等抽水蓄能電站,幫助華北地區新能源利用率在98%以上。
  (2)提升華東電網消納區外清潔電力能力。每年三季度為西南、華中地區汛期,水電外送需求大,華東電網受入的復奉、錦蘇、賓金及三峽送出直流等跨區系統持續高功率運行,基本不參與受端調峰,夜間負荷低谷時段華東電網調峰壓力大。加大華東地區抽水蓄能電站低谷抽水電力,最大抽水電力超800萬千瓦,接近滿抽,幫助華東地區消納區外清潔電。
  (3)有效應對新能源裝機占比持續提升給系統帶來的調節壓力。隨著系統中新能源裝機比例持續增大,系統有功波動性變大,極大增加了系統調節難度,需要靈活調節電源配合運行。充分發揮抽水蓄能電站啟停迅速、調節靈活的特點,機組利用方式逐漸由計劃性的啟停調峰向根據系統調峰、調頻實際需要靈活啟停轉變,以更好的發揮促消納、保安全作用。2019年,新能源裝機占比較大的華北、東北地區,電站啟動次數同比增長7.9%、11.4%。
  3.改善系統發、配、用各環節性能
  (1)提升火電核電水電的綜合利用率,降低系統能耗。隨著負荷峰谷差拉大及新能源大規模接入,系統調峰需求逐漸擴大。如全由火電、核電承擔調峰任務,會增加系統安全隱患,并降低發電設備運行效率。利用抽水蓄能電站調峰,能夠減輕其他電源的調峰壓力,提升系統效率。對于火電,抽水蓄能電站分擔調峰任務,不僅可以減少煤電機組參與深度調峰及啟停調峰的次數,還能提高煤電帶基荷、腰荷的時間及負荷率,兩者均可提升煤電機組效率,降低煤耗。對于核電,核電頻繁參與系統調峰,不僅增加機組控制難度,加大人因失誤風險,影響設備可靠性,同時也會顯著提高核電的發電成本,建設適當規模的抽水蓄能電站與核電配合運行,可解決核電在基荷運行時的調峰問題,提高核電站的運行效益。對于常規水電,汛期水電大發時,若要利用水電調峰則會造成棄水,利用抽水蓄能電站的調峰填谷功能,能夠減少或避免汛期棄水,提高水電經濟效益。
  (2)配電側促進分布式發電順利并網。大量分布式電源接入電力系統,會帶來配電網局部電壓升高和向主網送電能力受限問題,影響配電網正常運行。抽水蓄能配合分布式發電聯合運行,利用抽水蓄能電站的電壓調節和電能存儲能力,能夠解決分布式電源接入后引起的高電壓問題,緩解配電網輸送容量約束,有效提升系統接納分布式發電的能力。
  (3)減少頻率偏差,提升了用戶側電能質量。為滿足國家規定的電力系統頻率要求,電網所選擇的調頻機組必須具備反應靈敏的特點,及時調整出力適應負荷瞬時變化。由于抽水蓄能機組啟停迅速、運行靈活可靠,且能大范圍調整出力,能很好地適應系統負荷急劇變化的趨勢,提高電網頻率合格率。以京津唐電網為例,在興建十三陵抽水蓄能電站前,其調頻任務由原來的陡河火電廠和大同第二火電廠承擔,由于燃煤火電機組受設備的限制,對電網頻率的急劇變化適應能力差,導致頻率合格率僅為98%左右,而在十三陵、潘家口等抽水蓄能電站投產后,頻率合格率提升至99.99%以上,除了電網規模擴大和供電狀況有所好轉外,抽水蓄能電站參與電網調頻起了重要作用。
  三 抽水蓄能電站具備公共產品屬性
  1.公共經濟學對社會產品的劃分
  按照公共經濟學的理論,所有的社會產品都可歸為3類:私人產品、公共產品和準公共產品。
  私人產品主要有2個特征:首先是消費的競爭性,即A先生對某一物品的消費,肯定會減少B先生對此產品的消費;其次是消費的排他性,即所有者和受益者明確,不存在他人“搭便車”的可能性。公共經濟學通常以面包作為典型例證:只有一個面包,A多吃一口,B就得少吃一口;如果A為占有者,除非A準許,否則B就不能享用。
  公共產品的性質與私人產品正相反,它們也有2個特征:第一是消費或使用上的非競爭性。公共產品一經產出,就如陽光普照大地一樣,A多曬一會兒太陽,并不會影響B對日光浴的享受。第二是受益上的非排他性。一旦太陽高高升起,在其光輝照耀的范圍內,所有的人都可便捷地享用其帶來的明亮和溫暖。對這種享用進行限制,即便有什么意義,也因所需成本太高而不具有可行性。典型的公共產品有國防、治安、市區道路等。
  準公共產品的特征居于私人產品和公共產品之間。
  2.抽水蓄能是電力系統的公共產品
  從公共經濟學角度,抽水蓄能提供的保障電力系統安全穩定運行、提升清潔能源利用水平、改善系統發電配電用電各環節性能(簡稱為“保安全、促清潔、提性能”)具備消費非競爭性和受益非排他性兩個特征。
  消費非競爭性體現在,抽水蓄能的保安全功能惠及系統內所有用戶,一部分用戶的安全可靠用電,并不會降低系統對另一部分電力消費者的供電質量;抽水蓄能提升清潔能源利用水平,既有利于促進國家能源清潔轉型,也有利于“綠水青山”國家戰略的實現,而環境改善惠及的是所有人而不是某一部分人;抽水蓄能電站能夠同時多種輔助服務,改善發電環節性能并不妨礙促進分布式發電并網和提升用戶側電能質量。
  受益非排他性體現在,在保安全方面,系統沒有可行的手段對用戶厚此薄彼,將一些用戶排除于系統的安全與可靠性之外;在促清潔方面,抽水蓄能有助于使所有人生活在優美的環境中,要讓某些人不能享受到優美環境的好處是不可能的;在提性能方面,要讓電力系統某一環節獨享抽水蓄能的服務而阻礙其他環節享受相應服務,從技術上看不可行,從經濟上看不合算。
  從服務對象角度,抽水蓄能電站服務的是電力系統全環節而非某一單獨主體或環節。電力行業屬于公用事業,電力系統依靠公共管理才能運行,而抽水蓄能電站提供“保安全、促清潔、提性能”等功能又主要服務于電力系統的公共管理。
  綜合以上兩方面因素,抽水蓄能作為電力系統的“穩定器”“調節器”“平衡器”,所提供的的調峰填谷、備用、調頻、調相、黑啟動等服務,是為了確保整個電力系統安全、穩定、經濟運行,抽水蓄能電站提供的產品相當于電力系統的公共產品。


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