辽宁清原抽水蓄能电站基于不同需求最优运行策略研究

王晓涵

（辽宁省抚顺市清原满族自治县水务局，辽宁 抚顺 113300）

0 引言

抽水蓄能电站是一种储能水电站，电站承担任务复杂，运行工况多变，且调度运行方式不能依靠传统的水电工程规则进行简单处置。在电力系统负荷低谷时，抽水蓄能电站从下水库抽至上水库储存，将电能转化为水的势能；在电力负荷高峰时，从上水库放水到下水库发电，对应过程称为抽水工况和发电工况[1]。抽水蓄能电站作为电网综合辅助管理工具，以水能转换为载体，通过提供系统储能服务和多工况调度运行，在电网中承担调峰填谷、调频、调相、备用、黑启动等任务[2]，是电力系统中重要的稳压器、调节器和存储器。辽宁清原抽水蓄能电站针对发电调度运行需求提出相应的调度方式，在防治洪水、冰害和泥沙等方面全面系统地完善了电站服务功能。

1 工程概况

辽宁清原抽水蓄能电站位于辽宁省清原满族自治县，枢纽工程主要包括上下水库、输水系统、地面开关站及地下厂房系统。工程为I 等大（1）型工程，装机容量1800 MW。电站上、下水库为抽水蓄能电站专用水库，无其他综合利用要求。电站服务范围为辽宁电网，主要承担调峰填谷、调相调频、事故备用和黑启动任务。

2 清原电站运行管理方式

2.1 发电调度运行方式

电站为日调节抽水蓄能电站，在辽宁电网中主要承担调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等任务。

1）调峰运行

根据辽宁电网预测2025 水平年负荷特性，辽宁电网冬季早高峰在7：00～11：00，晚高峰出现在17：00～22：00。晚高峰较集中、突出，持续时间为4 h～5 h，需要的调峰容量相对比较大，早高峰较平缓，这段时间系统需要的调峰容量较小。由此分析，辽宁电力系统用电高峰，主要在晚高峰。清原抽水蓄能电站有5 h 发电库容完全可以满足电网的调峰需求。

2）填谷运行

电站一般于23：00 开始抽水至6：00 结束，连续抽水历时约7 h。

3）调频运行

清原电站具有运行灵活、增减负荷响应及时的优点，在电网系统中可根据频率变化跟踪负荷运行，保证系统周波处于允许范围，从而提升整个系统的供电质量。

4）调相运行

抽水蓄能电站具有调相功能，在不同工况下可通过改变励磁电流调节系统无功出力弥补系统无功功率不足和消除无功过剩。在无功过剩时，电站可调相运行，吸收系统内无功，降低电压，以保障电压在正常范围内，提高供电质量。

5）紧急事故备用

电站运行时遇电力系统故障，清原电站上、下游水库在正常水位范围内运行时，发电工况可利用未带满负荷机组发事故出力顶替停运机组；抽水工况可按需要以整台机组退出水泵运行用以减轻电网负荷，发挥事故备用作用。

清原抽水蓄能电站上、下水库留有一定的发电备用库容，可供六台机发电1 h 左右。因此，可以充分利用调节库容水量承担事故备用，事故备用完成后安排机组在系统负荷较低时抽水及时补充。

6）黑启动运行方式

为维持机组性能保证长期安全稳定运行，清原抽水蓄能电站的黑启动功能优先按照半黑启动方式设计。根据选定的厂用电系统接线，由于柴油发电机接在10 kV IV 段母线，系统解列，该电源投入时，可通过合10 kV 母联开关选择任一台机组在交流电源满足的条件下进行正常启动，并完成对系统充电。极端情况下，应急电源也无法正常投入时，考虑主机及其附属系统的设计和制造要按无交流电源情况进行设计，如设置交直流高压油顶起减载装置等，此时完全通过直流系统（DC220 V）启动机组，即在此极端情况下采用全黑启动方式。

因此，清原抽水蓄能电站可采用半黑启动和全黑启动两种方式确保本电站机组具备黑启动和远方遥起的能力。

2.2 配合风电能源运行方式

清原抽水蓄能电站建成后在辽宁电网中承担调峰和填谷任务，从电站的属性来看，配合风电运行，可一定程度减少弃风，但应受电网统一调度运行。

当负荷处于低谷时，风电出力突然增大，可根据电网对风电的消纳能力，增大清原电站的抽水容量，以减少弃电量；如风电出力突然减小，可适当减小抽水容量，增加抽水时间，以满足高峰时段的用电要求。

当负荷处于高峰时段，风电出力突然增大，可根据电网对风电的消纳能力，减小清原电站的发电容量，适当增加发电时间；如风电出力突然减小，则应加大清原电站发电容量。

当清原电站处于停机状态，风电出力突然增大时，可开机抽水减少弃风；如风电出力突然减小，可开机发电，平抑电力系统出力，满足电网运行要求。

2.3 防洪调度运行方式

2.3.1 上水库

上水库由于集水面积较小，且具有较好的调蓄能力，因此不再设置专门的泄洪（放空）设施。同时，电站上水库枢纽布置能够满足200 年一遇和2000 年一遇24 h 洪水存蓄要求。因此，上水库枢纽布置完全能够满足自身防洪要求。从安全角度考虑，上水库水位超过正常蓄水位725 m 后，应停止抽水运行。

2.3.2 下水库

清原抽水蓄能电站下水库应保证洪峰前的下泄流量不大于入库流量，洪峰之后根据上、下水库蓄水量情况，适当调整下泄流量，保证足够的发电用水量，避免超泄。下水库泄洪建筑物主要为溢洪道和泄洪排沙洞，下泄流量不超过坝址天然洪峰流量，下水库的洪水调度方式如下：

洪水标准不超过200 年一遇时，考虑系统的调峰需要，电站正常发电。随着洪水泄入下水库，及时开闸严格控制下水库水位，储备蓄能电站正产发电对应的调节库容。当天然来流量大于设计洪峰流量时，考虑电站停止发电，洪水通过溢洪道和泄洪排沙洞泄洪。

2.4 防冰冻运行方式

清原抽水蓄能电站地处北方寒冷地区，根据有关资料分析，上水库多年平均气温为4.1℃，7 月份气温最高，多年平均为21.1℃，1 月份气温最低，多年平均为-16.7℃。在严寒地区，上水库在距离进出水口较远区域易形成密实的冰体覆盖层，靠近进出水口区域受水位升降的作用，冰厚变薄，冰层破碎，形成浮冰、冰花和一定面积的无冰水域。冬季电站应保证每天开启一定数量的机组，利用水流紊动阻止冰盖形成。因此，应结合冰冻规律、抽水蓄能电站运行特点，在冰冻期指定行之有效的防冰冻调度运行方式。

保证每日至少有一天机组抽水、发电循环，夜间抽水6 h～8 h，次日早高峰或者晚高峰运行4 h～5 h，通过水流往复运动使水位完成消落和上充的交替变化，利用强紊动和不同水温交换解决冰冻问题，使上、下水库不形成整体冰盖，使冰面不与坝体表面冻结在一起，冰面能够跟随水位运行整体作上下运动，不影响电站正常发电。

若遇到机组全部长期停机状态，应组织专人进行冰情观测巡视，记录各处结冰情况，待机组重新发电之前进行针对性的破冰处理，特别是电站进、出水口处的破冰。

2.5 防排沙运行方式

susbed-2 模型为一维恒定平衡输沙模式计算的非均匀性沙数学模型，通常用于计算和预测水库及河道水沙和河床变形。采用《Susbed-2》模型计算清原下水库的泥沙淤积量并预测库中的泥沙淤积形态。

由计算结果可知：清原下水库入库悬移质沙量为1.306 万t，推悬比取15%，推移质沙量为0.196 万t，坝址泥沙总量为1.5 万t。

从淤积计算成果看，坝址以上约2.5 km～3.9 km 范围内的尖山子村是河流由南北折向东西方向的转折处，地势基本平坦，是水库建成后泥沙淤积集中地区，另有少量推移质淤积在库尾。建库50 年后，死库容损失1.36%，正常蓄水位以下库容损失2.8%，调节库容损失2.97%。下水库进/出水口断面距离下水库坝址上游约460 m 估算其50 年淤沙高程为293.4 m。

综上，清原抽水蓄能电站泥沙问题不严重，不设置拦砂坝，下水库进出水口设置拦沙坎可满足电站要求。

3 结论

（1）系统研究抽水蓄能电站发电调度运行方式，分析机组黑启动过程及其关键要素提升电网事故应急响应能力，可更好地保障电网的安全运行。

（2）风能是一种随机性、间歇性的能源，不能提供持续稳定的功率，发电稳定性和连续性较差。清原抽水蓄能电站具有调峰、填谷作用，可平抑风电不稳定的出力，降低风电出力的随机性对电力系统的影响，减少弃风率。

（3）虽然抽蓄电站不承担下游防洪任务，不需设防洪控制水位，但在洪水调度设计中应充分调查下游的安全泄量，考虑电站发电运行与下游安全，综合经济与可能性进行电站的泄洪设施规模及方式，拟定合适的洪水调度原则。

（4）抽水蓄能电站库区冰清与常规水电站区别较大，尤其是电站运行条件和库区冰清的相关性。系统研究寒冷地区抽水蓄能电站库区冰清演变特征对防治病害具有重要意义。