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浅谈抽水蓄能在孤网系统中与多种能源的联合应用

文档作者：张羽文档来源：广东省水利电力勘测设计研究院		点击数：	更新时间： 2025年12月30日
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2016 年第5 期
2016 Number 5
水电与新能源
ＨYDROPOWER AND NEW ENERGY
总第1４3 期
Total No． 1４3
DOI: 10． 13622/ j． cnki． cn４2 －1800/ tv． 1671 －335４． 2016． 05． 020
收稿日期:2016 －03 －11 作者简介:张 羽，男，工程师，主要从事水利水电工程设计方面的工作。
浅谈抽水蓄能在孤网系统中与多种能源的联合应用
张 羽
(广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州 510635)
摘要:针对与大电网连接困难并有一定用电负荷的偏远孤岛，研究构建多种能源互补的小型智能电网，建立以风电、太
阳能、抽水蓄能、燃油发电等多种能源并存的小型智能电网模型。该模型利用抽水蓄能电站突出的调频、调相以及旋转
备用等作用，在系统安全、可靠、经济的前提下最大限度开发利用可再生能源。
关键词:孤网;抽水蓄能;多种能源;联合应用
中图分类号:TM727 文献标志码:A 文章编号:1671 －335４(2016)05 －0069 －05
Combined Application of the Pumped Storage and
Multiple Energy Sources in Isolated Grid Systems
ZＨANG Yu
(Guangdong Ｈydropower Planning &amp;amp; Design Institute， Guangzhou 510635， China)
Abstract: For remote isolated islands that of certain electric power loads but are difficult to connect to large power grids，
a small smart grid with multiple complementary energy sources is proposed． In this grid model， the wind power， solar
power， pumped storage， and oil-fired power are combined． Depending on the specific functions of the pumped storage
such as the frequency modulation， phase modulation and spinning reserve， the renewable energies could be maximally
exploited in the grid safely， reliably and economically．
Key words: isolated grid; pumped storage; multiple energy sources; combined application
风电、太阳能资源丰富，在世界各地得到了快速发
展，是目前可再生能源中除水电技术外最成熟、最具规
模开发条件和商业化发展前景的发电方式。对于无法
送电的海岛地区，风电、太阳能、波浪能发电不失是一
个最佳选择。但由于自然风速、太阳光照、波浪强度等
存在随机性、间歇性和季节性的特点，大容量引进电网
会对电网的安全稳定运行带来潜在风险。已有学者研
究当直接输入电网的风电占所在电网的比重超过
10%时，必须对电网系统进行合理有效的调节，以提高
供电质量。在海岛孤立小型电网内如风电所占比例过
大，将难以保证该电网的稳定、可靠运行［1］ 。此外，海
岛用电负荷受季节影响很大，供电峰谷差较大，为尽可
能保证系统的供电质量以及提高风电、太阳能的利用
率，系统须要配置一定的“发电设施”进行相关调节。
1 微网、孤网的联网方式
1)微网系统承受扰动的能力相对较弱，尤其是在
孤岛(自主)运行模式下。考虑到岛上风能、太阳能、
波浪能等资源的随机性、间接性和季节性因素，系统的
安全性可能面临更高的风险。因此，对系统进行有效
的运行控制与能量优化管理是必要的［2］ 。当微网由
并网转为孤网运行时，存在电压和频率的管理、能量供
需间的平衡、电能质量保障等问题。
2)目前，“风(光) － 柴发电系统”互补独立供电系
统，已在我国浙江沿海的一些岛屿上进行了研究，并在
浙江大陈岛首次得到应用。1988 年浙江省与丹麦
Cowi 公司合作在大陈岛上建成了风－ 柴独立供电系
统。该系统主接线见图1。
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水电与新能源2016 年第5 期
图1 大陈岛风- 柴独立运行系统主接线图
图1 中，WEC1 － WEC3 为3 台55/11 kW 风力发
电机组，WEC４ － WEC5 为2 台20kW 风力发电机组，
DG1 － DG４ 是大陈岛发电厂已有的256、120、100、
500 kW 柴油发电机组，DG5 是280 kW 柴油发电机
组，DＬ 为127． 3 kW 多级调节电阻， PＨC 为15 ×
11 kV·A 补偿电容，控制系统采用IPC(68000CPU)工
控机构成。此系统建成后，前两年总发电量为352． 69
万kW · h， 其中， 风力发电机组发电量为61． 23
万kW·h，风－ 柴系统的输出电能质量达到柴油发电
站的正常水平。该供电方式利用柴油机发电解决了风
能发电的间歇性大、调频调峰困难等问题，提高了系统
的供电可靠性和性价比，并可充分利用风能和光能资
源［3］ 。大陈岛的风－ 柴系统是我国首例风－ 柴系统，
由于当时的技术水平所限，系统未考虑蓄能，受风电接
入比例限制，如果要增大风电发电则须配置更大容量
的柴油发电机组，因此系统内风能利用率较低。此外，
该系统难以从根本上解决石化燃料的消耗，面临节能
减排、降低温室效应等诸多问题。
随着科技不断发展，“风(光) － 柴－ 蓄发电系统”
应运而生，并迅速得到成熟运用。鉴于系统内风电、太
阳能等新能源的接入具有波动性和间歇性，而15 min
以内的波动，微网无法迅速调度。为保证风电并网时
的功率平滑输出，就要配备适当功率型蓄能系统。蓄
能系统是解决电网不稳定的最有力手段。2002 年浙
江北龙岛风－ 柴－ 蓄发电系统正式运行，图2 为其主
接线图。
图2 中，WEC1 － WEC2 为2 台50 kW 风力发电机
组，DG1 － DG2 为2 台60 kW 柴油发电机组，Batt 为
220 kW·h 的蓄电池组，SPP 100 kV·A 双向变流柜，
C 为总容量100 kV·A 的5 级补偿器，Damp 为总功率
60 kW 的6 级耗能电阻。该系统1 a 的发电量约7． 3
万kW·h，系统输出电能质量达到柴油发电站的正常
水平。与以前相比，岛上电力负荷增加了3 倍，电价由
４ 元/ (kW·h)下降到2 元/ (kW·h);并且随着电力
负荷的不断增加，电价还可大幅下降。北龙岛风－
柴－ 蓄发电系统是我国最先进的风－ 柴－ 蓄发电系
统，值得深入研究并在我国逐步推广应用。
可以看出，上述系统中的“蓄能发电设施”具备了
2 项功能:①吸纳电网无法接收的风(光)电用于“蓄
能”;②将已积蓄的能量转化为电网可以接收的优质
电能，即发电。随着科技的进步，用于风(光)电蓄能
的形式大致有抽水蓄能、压缩空气蓄能、超导磁力蓄
能、流体电池、电解水制氢等几种。在储能领域，有2
个非常重要的指标:放电时间和放电功率。而功率型
储能电池被普遍运用，其主要用于系统调频，特点是能
够在短时间内，满足大功率充放电要求。各种储能技
术中，以飞轮储能和超级电容的效果最好，其中飞轮储
能理论上没有寿命限制，超级电容单体循环寿命为
100 万次。按风电每年运行2 000 ~3 000 h，要保证功
率平滑输出，大概每10 s 就要充、放电一次，那么储能
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张 羽:浅谈抽水蓄能在孤网系统中与多种能源的联合应用2016 年5 月
图2 北龙岛风- 柴- 蓄电独立运行系统主接线图
电池1 a 的充放电次数接近100 万次。然而当今蓄电
池的价格仍然过高，从长时间、大功率2 个条件来看，
有一种其他技术无可比拟的蓄能方式———抽水蓄能。
3)海岛孤网中的抽水蓄能电站的作用。抽水蓄
能电站在供电系统中具有独特的优越性:其对电网负
荷变化反应快速、调节灵活，调峰、填谷、调频、调相和
事故备用的运行性能好，能量储存和转换的容量大、效
率高，建设技术成熟，相对成本较低，强迫停运率低，运
行安全可靠，稳定性好，供电质量高［４］ 。因此，在风
电、太阳能、波浪能等新能源为主的海岛孤立电网中，
建立抽水蓄能电站与其联合运行更能使孤网系统安全
稳定［5］ 。不过，鉴于海岛地形条件限制以及海水抽水
蓄能电站高昂的造价，适宜修建一定规模的抽蓄电站
所需库容条件十分有限。因此，可以确定海岛孤网系
统中抽水蓄能电站的主要作用为调频、调相和事故备
用，以此应对风电、太阳能等电源出力的突变。
2 海岛孤网中多种能源优化互补模型
根据海岛孤网中抽水蓄能电站的主要作用，确定
海岛风(光、波浪) － 柴－ 抽水蓄能联合运行的小型孤
立电网模型，如图3。该系统主要的电源为分布式电
源，有风电场、太阳能电厂、波浪能发电厂、抽蓄电站和
柴油发电厂。系统主要利用风电等新能源来满足电力
系统的负荷需求(光伏发电和波浪能发电作为辅助新
能源电源考虑);抽水蓄能电站专门承担调频、调相、
旋转备用和事故备用的作用，电网的稳定性容易得到
控制，安全运行也有保证。抽水蓄能电站的水泵和发
电机组分开，抽水和发电可同时进行;系统中柴油发电
机组仅充当系统的备用电源，且当系统供电出现缺口
时，该备用电源可投入补充缺口。
图3 风(光、波浪) - 柴- 抽水蓄能联合运行的
小型孤立电网模型
该模型系统的设计思路包括系统配置和优化调
度。合理的系统配置参数(包括风电装机、抽蓄电站
抽水和发电装机、水库库容等)是以相对准确的设计
水平年的负荷资料和风电场、太阳能电厂等新能源出
力情况为依据的，其精度的高低直接影响优化工作;对
于系统的优化调度，根据预测系统内电力负荷和风电
场出力，按照电力电量平衡原理，为运行提供对各电源
设备及泵站进行调配的最佳方案，最大程度减少系统
弃风或弃水，减少柴油发电机投入的时间和规模，实现
系统综合效率最优化。
在该系统运行模式下，整个计算周期内的任意时
刻系统需满足两大平衡条件:系统电力电量平衡和抽
水蓄能电站水量平衡。系统电力电量平衡必须满足其
所有供电容量与所有负荷容量的供需平衡;抽水蓄能
电站水量平衡是任意时刻水库水量的变化等于抽水水
量与发电耗水量(包括旋转备用耗水量)之差。在此
平衡方程中，须要考虑水泵抽水和机组发电的效率以
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水电与新能源2016 年第5 期
及水道的水头损失。根据电力电量平衡得出:
Ptotal (t) = PF (t) + PS (t) + PH (t) + PC (t) (1)
Dtotal (t) = DP (t) + DN (t) (2)
式中:Ptotal (t)为系统供电容量;Dtotal (t)为系统负荷容
量;PF (t)为风电场t 时刻的出力;PS (t)为太阳能电厂
t 时刻的出力;PH (t)为抽蓄电站水轮机t 时刻的出力;
PC (t)为常规柴油机发电厂t 时刻的出力;DP (t)抽蓄
电站水泵t 时刻抽水功率;DN (t)为系统负荷。
公式中系统负荷DN (t)包括基荷［DN (t)］b、腰荷
［DN (t)］m 和峰荷［DN (t)］p，抽水蓄能电站水泵抽水
功率:
DP (t) = ρgnpc(t)QP (t)Hb(t) / ηp(t) =
PWF (t) － ［DLmax］m ×0． 1 (3)
［DN (t)］b + ［DN (t)max］m ×0. 9 = PC (t) (４)
抽水蓄能电站水轮机组出力:
PH (t) = ρgntc(t)Qh(t)Hn(t) / ηh(t) (5)
式中:QP (t)、Hb(t)、ηp(t)分别是t 时刻单台水泵抽水
流量、扬程和效率;Qh (t)、Hn (t)、ηh (t)分别是t 时刻
单台水轮机组发电流量、水头和效率;npc (t)、ntc (t)分
别为t 时刻水泵和水轮机组的运行台数;［DLmax ］m 为
系统最大腰荷。
PW (t) = κw (t)PWT (t)ξφ (6)
另外，抽水蓄能电站水量平衡公式为
V(t) = V(t － Δt) + VP (t) － Vt (t) (7)
根据公式(1) ~ (7)可以计算出该系统中风力发
电量、抽水蓄能发电量、常规发电量等。
本系统优化原则:首先在备用电源不投运的情况
下，通过给定风机台数、太阳能电池板数量、水库最大
调节库容的组合计算出一系列的保证率，得出关于风
机台数、水库最大调节库容和供电保证率的莫诺图，根
据图形变化趋势，选择最优的风机台数和水库库容组
合;最后根据选定的风机台数和水库库容，计算满足保
证率要求的柴油发电机容量，继而得到系统的配置要
求。系统经济评价采用综合经济指标，即优化时段内
单位kW·h 的“电能收益+ 节煤效益－ 投资成本”。
3 模拟算例及成果分析
本算例为一海岛孤网系统，岛上典型日负荷特性
曲线、上水库库容曲线(利用大海为下水库)和年平均
风速曲线如图４ ~ 图6。模型中系统新能源为风电、太
阳能、波浪能。太阳能和波浪能暂作为辅助电源，分别
以200 kW 和300 kW 接入系统，此外系统考虑常规柴
油发电作为辅助电源。已知系统最大负荷5 960 kW，
假定系统单台风机功率为850 kW，传动效率和发电系
数分别为0． 8 和0． 9。模型按两种方案计算:方案A
不投入柴油发电机组和方案B 适当投入柴油发电机
组。系统按供电保证率不低于95%优化运行。
图4 海岛典型日负荷特性曲线
图5 海岛上水库库容曲线
方案A 中由于风资源与海岛负荷匹配程度不佳
(夏季负荷高峰期的风场出力较小，冬季负荷较低时
的风场出力较大)，根据计算当供电保证率不低于
95%时，风电机组需20 台，此时对应供电保证率要求
的最小水库调节库容为270 万m3，如图7 所示。这种
情况实际上要求水库具有年调节能力，所需调节库容
远远超出了一般海岛建库条件。此外，为了满足夏季
负荷高峰期的电力供应要求，风机的利用效率较低
(冬季弃风严重)，风机规模也会远超出海岛地形可布
置条件。
为此，考虑到海岛地形条件及经济合理性，方案B
中拟定系统主要由风电、太阳能等新能源直接供电，抽
蓄电站在系统中仅作调频、调相、旋转备用和事故备用
电源。当风电等新能源能够保证系统负荷供电时，抽
蓄电站的发电机组仅作旋转备用而不发电，当有多余
电量时则用于抽蓄电站的抽水;当风电等新能源不足
以保证供电时，抽蓄电站机组迅速投入发电并暂停
抽水。
通过计算，系统设计水平年的供电保证率与库容、
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张 羽:浅谈抽水蓄能在孤网系统中与多种能源的联合应用2016 年5 月
图6 海岛年风速曲线
图7 系统保证率与库容、机组台数莫诺图
机组台数的莫诺图见图8。根据图中曲线拐点位置及
保证率关系可看出，系统中不加入柴油发电机组，需风
机为12 台，调节库容12． 5 万m3，此时系统供电保证
率为４9． 6%。而适当加入柴油发电机组作为备用电
源，仅在风－ 光－ 蓄联合运行系统不能承担负荷时启
用，系统供电保证率可达95% 以上，且此时的新能源
利用比例为63． 8%。可见，方案B 改变了抽水蓄能电
站在系统中的作用后明显优于方案A。系统中各能源
需求规模及配置情况见表1 和表2。
图8 系统保证率与库容、机组台数莫诺图
表1 系统中各能源需求规模表
系统最大负荷
/ kW
新能源
风电
/ (台× kW)
太阳能
/ kW
波浪能
/ kW
抽蓄电站
抽水
/ kW
发电
/ kW
调节库容
/ 万m3
备用电源(柴油发电机)
需求规模
/ kW
减少规模
/ kW
减少比例
/ %
5 960 12 ×850 200 300 2 2４0 ４ 800 12． 5 2 700 3 260 55
表2 系统中各能源配置情况表
风电
/ (台× kW)
柴油机容量
/ kW
电量
/ 比例
供需情况
需求总量供电总量限电总量
直接供电
(太阳能、波浪能)
新能源柴油
抽蓄转换电量
抽水发电
系统供电
保证率
/ %
12 ×850
不投入
电量/ (万kW·h) 2 215． ４ 1 ４32． ４ 783． 0 1 309． ４ 0 ４28． ４ 123
比例/ % 100 6４． 7 35． 3 59． 1 0 19． 3 5． 6 ４9． 6
2 700
电量/ (万kW·h) 2 215． ４ 2 168． 1 ４7． 3 1 309． ４ 75４． 7 ４00． 1 10４
比例/ % 100 97． 9 2． 1 59． 1 3４． 1 18． 1 ４． 7 95． 2
(下转第78 页)
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水电与新能源2016 年第5 期
路工程铁塔组立。
根据河网区域特高压输电线路地形条件及铁塔结
构特点，选取ＬB － 3 抱杆分解组塔施工方案，ＬB － 3
抱杆是湖北省送变电工程公司1 000 kV 特高压双回
路组塔科研项目成果，并形成自主知识产权。2009 －
12 －28 日，首次在500 kV 黑岩子长江大跨越中使用，
16 个有效工作日内成功组立ZK － 78 直线跨越塔(同
塔双回路，呼高78 m，全高120． 3 m，全重3４6 t);2010
年12 月份，成功完成220 kV 西大线直线跨越塔(同塔
双回路，呼高153 m，全高171 m，全重568 t) 组立
施工。
总体方案为:采用ＬB － 3 型双平臂自旋自升
1 200 mm ×1 200 mm(液压顶升)座地抱杆，分解吊装
组立施工工艺，使用新型纤揽式桅杆起重机安装抱杆
和辅助分解吊装塔身下部。
主要施工步骤:①采用新型纤揽式桅杆起重机安
装抱杆主机(并顶升至自由高度21 m);②采用新型纤
揽式桅杆起重机分解吊装铁塔腿部;③采用抱杆分解
吊装塔身;④采用抱杆整体吊装下横担、中横担、上横
担及地线支架;⑤采用抱杆主吊系统高空收缩平臂;⑥
采用自身顶升系统在地面拆除抱杆标准节。
3．7 完善的环境保护预案
经过河网地区的特高压输电线路在施工过程中对
环境的影响一直是受关注的问题。河网地区特高压输
电线路施工，以建设资源节约型、环境友好型的绿色和
谐工程为目标，在施工过程中保护生态环境，不发生生
态环境污染事故，力争减少对施工场地和周边环境植
被的破坏，减少水土流失。另外，施工过程中严格按照
国家的法律、法规及相关的标准规范，针对河网地区地
形、地质、地貌情况，采取先进的施工工器具、施工工艺
和环境保护措施，最大限度地节约资源与减少对环境
负面影响，实现经济效益、社会效益和环境效益的统
一。河网地区施工环境保护措施主要考虑以下方面建
立环保预案:①施工期间环境保护的组织管理;②大气
污染防止措施;③噪声污染防止措施;④水污染防止措
施;⑤土壤污染防止措施;⑥建筑、生活垃圾污染防止
措施;⑦地下文物保护措施。
４ 结 语
1 000 kV 特高压输电线路工程湖北河网区域施工
须考虑河网地区的具体环境，本文针对河网地区自然
环境条件及施工特点进行分析，指出了河网地区河流
具有湿地多、人口稠密且地形平坦、开阔、广泛分布软
土等特点，根据地域特点和施工需求，提出了设计新型
运输工具、新型材料装卸机及塔材地面组装辅助吊装
工具、水面施工临时作业平台的搭设、围堰施工方法、
承台基础及高立柱的施工、新型锚固工具、铁塔组立施
工及环境保护等方面的研究需求。最后从材料运输、
装卸、调运、施工基础及施工过程管理方面进行了研
究，并提出了相应的解决措施与对策，这将为河网地区
的1 000 kV 特高压输电线路的施工提供有意义的
指导。
参考文献:
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用技术手册［M］． 北京: 中国电力出版社， 2012
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(上接第73 页)
４ 结 语
多种能源优化互补系统模型是由风电、太阳能等
新能源与传统的抽水蓄能、柴油机联合组成的一个微
电网。系统内的部分负荷通过风力发电机组来保证;
抽蓄电站的抽水机组不仅通过适时的连接与解列来存
储随机变化的多余风电，同时利用负荷低谷的剩余电
能抽水，抽水蓄能发电机组在电网中作调相运行，维持
电网电压稳定之用。当系统内适当增加传统发电机组
后，系统供电保证率和经济合理性得到进一步的提高。
参考文献:
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