电力系统与抽水蓄能

电力系统运行的特点

在电力系统中电气设备开机所需用的电功率之和称为负荷或电力负荷。

图1是某地区某天的电力系统负荷图，横坐标是时间(24小时)，纵坐标是电力系统负荷，在上午、下午与晚上用电量大，夜间用电量少。

图1 电力系统负荷图

电力负荷在某个时间段内出现的用电最大值称为最大负荷;在一段时间范围内统计的电力负荷的平均值称为平均负荷(本图是日平均负荷);某个时间段内出现的用电最小值称为最小负荷。把平均负荷水平线以上的部分称为峰荷;把最小负荷与平均负荷之间的部分称为腰荷，把最小负荷水平线以下部分称为基荷，把平均负荷水平线以下的最低时段称为低谷。

电力系统电力的生产、输送、分配使用不同于其他物品，有自己的特点，一是电力不能储存;二是电力负荷变化频繁、变动速度快;三是国民经济、人民生活对电力依赖强，要求电力稳定。

目前电力系统的电力大部分由火电厂(燃煤、燃油、燃气)供给，其余部分由大型水电站、核电站等供给，大多数地区基本靠火电。火电核电的特点是在额定负荷运行时效率高、能耗少，火电机组在低于额定负荷运行时效率下降，煤耗上升，规定最小运行负荷为额定负荷的70%，核电要求机组必须运行在额定负荷的80%以上以保证安全运行。火电机组的停机与启动时间很长，停机时(不包括彻底停产)仍有较大的能耗，而且设备损耗较大，核电机组也是同样，无法跟上电力系统的频繁变化。

建设电厂的容量小于最大负荷时则无法满足在用电高峰期的电量需求，按最大负荷建设电厂不但投资加大，电厂在大多数时候要运行在低于额定负荷的状态，造成发电成本与能耗大大增加。理想的办法是按平均负荷建电厂，采用高速蓄电设备来蓄能，在用电低谷期把电能储存起来，在用电高峰期把电能释放出来返回电网，补充供电不足的情况，这是电力系统理想的调峰技术。调峰储存的电量是巨大的，现有的蓄电池根本无法解决，有什么蓄能设备能有这么大的容量呢，那就是抽水蓄能电站。

什么是抽水蓄能电站

抽水蓄能电站与一般的水力发电站有许多相同之处，也有许多不同之处，抽水蓄能电站有上水库，上水库水可流向下方的水轮发电机，推动水轮发电机发电，这是相同之处;但抽水蓄能电站有下水库，推动水轮发电机发电后的水不是随便流走，是储存在下水库，抽水蓄能电站还可以把下水库的水泵到上水库，这是最大的不同，也就是说，抽水蓄能电站的水流是双向运行的。图2是抽水蓄能电站的示意图。

图2 抽水蓄能电站主要组成

目前抽水蓄能电站使用的水轮机是双向可逆的，即可作为水轮机使用也可作为水泵使用，又称之为水泵水轮机;抽水蓄能电站的电机也是双向运转的，既可以作为发电机又可以作为电动机使用，称之为电动发电机。上水库的水流向下水库时推动水泵水轮机旋转，带动电动发电机发电向电网输电;使用电网的电驱动电动发电机旋转，带动水泵水轮机把下水库的水泵到上水库。

抽水蓄能电站把下水库的水泵到上水库，消耗了电能，到上水库的水具有了势能，储存在上水库的水相当于储存了电能，上水库的水向下流时推动水轮发电机组发电就是释放电能。抽水蓄能电站的双向运转、停机切换速度相当快(数十秒即可完成)，而且一个抽水蓄能电站往往有几台机组，通过切换可实现从较小容量到满容量的选择。

抽水蓄能电站的作用

图3是抽水蓄能电站双向工作示意图，在白天和前半夜，电网处于用电高峰，上水库放水，可逆式机组切换为发电工况，水通过可逆式机组到下水库，将水的势能转化为电能，向电网输送，补充用电高峰时电力不足;到后半夜，电网处于用电低谷，将机组切换为抽水机工况，利用电网中多余的电能，将下水库的水抽向上水库。

图3 抽水蓄能电站双向工作示意图

图4是抽水蓄能电站一个理想的日运行图，横虚线下方为火电、核电等电厂的发电量，在用电低谷时(蓝色部分)把电网中多余的电能转化为水的势能储存在上水库中，相当于储存电网中多余的电能;到用电高峰，上水库放水，将水的势能通过发电机转化为电能，向电网输送(红色部分)。水库中的水多次使用，与两机组一起，完成能量的多次转化，实现了对电网的调峰。

图4 抽水蓄能电站的日运行图

当然，抽水蓄能电站也有效率，一般来说只有75%的电量能被重新返回，即使这样也是合算的，因为它迅速灵活的调峰功能避免了火电机组的高煤耗运行与设备损耗，减少了环境污染，保障了电力供应。

抽水蓄能电站除了调峰功能外，它能对电力系统的负荷变化作出迅速反应，对电力系统的频率、相位也能起到很好的调整作用。有了抽水蓄能电站可以使电网成为高质量、稳定的电网。