電力系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)

在電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備開(kāi)機(jī)所需用的電功率之和稱(chēng)為負(fù)荷或電力負(fù)荷。

圖1是某地區(qū)某天的電力系統(tǒng)負(fù)荷圖，橫坐標(biāo)是時(shí)間(24小時(shí))，縱坐標(biāo)是電力系統(tǒng)負(fù)荷，在上午、下午與晚上用電量大，夜間用電量少。

圖1 電力系統(tǒng)負(fù)荷圖

電力負(fù)荷在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)的用電最大值稱(chēng)為最大負(fù)荷;在一段時(shí)間范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)的電力負(fù)荷的平均值稱(chēng)為平均負(fù)荷(本圖是日平均負(fù)荷);某個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)的用電最小值稱(chēng)為最小負(fù)荷。把平均負(fù)荷水平線以上的部分稱(chēng)為峰荷;把最小負(fù)荷與平均負(fù)荷之間的部分稱(chēng)為腰荷，把最小負(fù)荷水平線以下部分稱(chēng)為基荷，把平均負(fù)荷水平線以下的最低時(shí)段稱(chēng)為低谷。

電力系統(tǒng)電力的生產(chǎn)、輸送、分配使用不同于其他物品，有自己的特點(diǎn)，一是電力不能儲(chǔ)存;二是電力負(fù)荷變化頻繁、變動(dòng)速度快;三是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活對(duì)電力依賴(lài)強(qiáng)，要求電力穩(wěn)定。

目前電力系統(tǒng)的電力大部分由火電廠(燃煤、燃油、燃?xì)?供給，其余部分由大型水電站、核電站等供給，大多數(shù)地區(qū)基本靠火電。火電核電的特點(diǎn)是在額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率高、能耗少，火電機(jī)組在低于額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率下降，煤耗上升，規(guī)定最小運(yùn)行負(fù)荷為額定負(fù)荷的70%，核電要求機(jī)組必須運(yùn)行在額定負(fù)荷的80%以上以保證安全運(yùn)行。火電機(jī)組的停機(jī)與啟動(dòng)時(shí)間很長(zhǎng)，停機(jī)時(shí)(不包括徹底停產(chǎn))仍有較大的能耗，而且設(shè)備損耗較大，核電機(jī)組也是同樣，無(wú)法跟上電力系統(tǒng)的頻繁變化。

建設(shè)電廠的容量小于最大負(fù)荷時(shí)則無(wú)法滿(mǎn)足在用電高峰期的電量需求，按最大負(fù)荷建設(shè)電廠不但投資加大，電廠在大多數(shù)時(shí)候要運(yùn)行在低于額定負(fù)荷的狀態(tài)，造成發(fā)電成本與能耗大大增加。理想的辦法是按平均負(fù)荷建電廠，采用高速蓄電設(shè)備來(lái)蓄能，在用電低谷期把電能儲(chǔ)存起來(lái)，在用電高峰期把電能釋放出來(lái)返回電網(wǎng)，補(bǔ)充供電不足的情況，這是電力系統(tǒng)理想的調(diào)峰技術(shù)。調(diào)峰儲(chǔ)存的電量是巨大的，現(xiàn)有的蓄電池根本無(wú)法解決，有什么蓄能設(shè)備能有這么大的容量呢，那就是抽水蓄能電站。

什么是抽水蓄能電站

抽水蓄能電站與一般的水力發(fā)電站有許多相同之處，也有許多不同之處，抽水蓄能電站有上水庫(kù)，上水庫(kù)水可流向下方的水輪發(fā)電機(jī)，推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，這是相同之處;但抽水蓄能電站有下水庫(kù)，推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電后的水不是隨便流走，是儲(chǔ)存在下水庫(kù)，抽水蓄能電站還可以把下水庫(kù)的水泵到上水庫(kù)，這是最大的不同，也就是說(shuō)，抽水蓄能電站的水流是雙向運(yùn)行的。圖2是抽水蓄能電站的示意圖。

圖2 抽水蓄能電站主要組成

目前抽水蓄能電站使用的水輪機(jī)是雙向可逆的，即可作為水輪機(jī)使用也可作為水泵使用，又稱(chēng)之為水泵水輪機(jī);抽水蓄能電站的電機(jī)也是雙向運(yùn)轉(zhuǎn)的，既可以作為發(fā)電機(jī)又可以作為電動(dòng)機(jī)使用，稱(chēng)之為電動(dòng)發(fā)電機(jī)。上水庫(kù)的水流向下水庫(kù)時(shí)推動(dòng)水泵水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電向電網(wǎng)輸電;使用電網(wǎng)的電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)水泵水輪機(jī)把下水庫(kù)的水泵到上水庫(kù)。

抽水蓄能電站把下水庫(kù)的水泵到上水庫(kù)，消耗了電能，到上水庫(kù)的水具有了勢(shì)能，儲(chǔ)存在上水庫(kù)的水相當(dāng)于儲(chǔ)存了電能，上水庫(kù)的水向下流時(shí)推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電就是釋放電能。抽水蓄能電站的雙向運(yùn)轉(zhuǎn)、停機(jī)切換速度相當(dāng)快(數(shù)十秒即可完成)，而且一個(gè)抽水蓄能電站往往有幾臺(tái)機(jī)組，通過(guò)切換可實(shí)現(xiàn)從較小容量到滿(mǎn)容量的選擇。

抽水蓄能電站的作用

圖3是抽水蓄能電站雙向工作示意圖，在白天和前半夜，電網(wǎng)處于用電高峰，上水庫(kù)放水，可逆式機(jī)組切換為發(fā)電工況，水通過(guò)可逆式機(jī)組到下水庫(kù)，將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，向電網(wǎng)輸送，補(bǔ)充用電高峰時(shí)電力不足;到后半夜，電網(wǎng)處于用電低谷，將機(jī)組切換為抽水機(jī)工況，利用電網(wǎng)中多余的電能，將下水庫(kù)的水抽向上水庫(kù)。

圖3 抽水蓄能電站雙向工作示意圖

圖4是抽水蓄能電站一個(gè)理想的日運(yùn)行圖，橫虛線下方為火電、核電等電廠的發(fā)電量，在用電低谷時(shí)(藍(lán)色部分)把電網(wǎng)中多余的電能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能儲(chǔ)存在上水庫(kù)中，相當(dāng)于儲(chǔ)存電網(wǎng)中多余的電能;到用電高峰，上水庫(kù)放水，將水的勢(shì)能通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，向電網(wǎng)輸送(紅色部分)。水庫(kù)中的水多次使用，與兩機(jī)組一起，完成能量的多次轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰。

圖4 抽水蓄能電站的日運(yùn)行圖

當(dāng)然，抽水蓄能電站也有效率，一般來(lái)說(shuō)只有75%的電量能被重新返回，即使這樣也是合算的，因?yàn)樗杆凫`活的調(diào)峰功能避免了火電機(jī)組的高煤耗運(yùn)行與設(shè)備損耗，減少了環(huán)境污染，保障了電力供應(yīng)。

抽水蓄能電站除了調(diào)峰功能外，它能對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)荷變化作出迅速反應(yīng)，對(duì)電力系統(tǒng)的頻率、相位也能起到很好的調(diào)整作用。有了抽水蓄能電站可以使電網(wǎng)成為高質(zhì)量、穩(wěn)定的電網(wǎng)。