抽水蓄能電站

　　抽水蓄能電站利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電的水電站。又稱蓄能式水電站。它可將電網(wǎng)負荷低時的多余電能，轉變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時期的高價值電能，還適于調頻、調相，穩(wěn)定電力系統(tǒng)的周波和電壓，且宜為事故備用，還可提高系統(tǒng)中火電站和核電站的效率。我國抽水蓄能電站的建設起步較晚，但由于后發(fā)效應，起點卻較高，近年建設的幾座大型抽水蓄能電站技術已處于世界先進水平。

　　發(fā)展歷史

　　國外抽水蓄能電站的出現(xiàn)已有一百多年的歷史，我國在上世紀60年代后期才開始研究抽水蓄能電站的開發(fā)，于1968年和1973年先后建成崗南和密云兩座小型混合式抽水蓄能電站，裝機容量分別為11MW和22MW，與歐美、日本等發(fā)達國家和地區(qū)相比，我國抽水蓄能電站的建設起步較晚。

　　上世紀80年代中后期，隨著改革開放帶來的社會經(jīng)濟快速發(fā)展，我國電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，廣東、華北和華東等以火電為主的電網(wǎng)，由于受地區(qū)水力資源的限制，可供開發(fā)的水電很少，電網(wǎng)缺少經(jīng)濟的調峰手段，電網(wǎng)調峰矛盾日益突出，缺電局面由電量缺乏轉變?yōu)檎{峰容量也缺乏，修建抽水蓄能電站以解決火電為主電網(wǎng)的調峰問題逐步形成共識。隨著電網(wǎng)經(jīng)濟運行和電源結構調整的要求，一些以水電為主的電網(wǎng)也開始研究興建一定規(guī)模的抽水蓄能電站。為此，國家有關部門組織開展了較大范圍的抽水蓄能電站資源普查和規(guī)劃選點，制定了抽水蓄能電站發(fā)展規(guī)劃，抽水蓄能電站的建設步伐得以加快。1991年，裝機容量270MW的潘家口混合式抽水蓄能電站首先投入運行，從而迎來了抽水蓄能電站建設的第一次高潮。

　　上世紀90年代，隨著改革開放的深入，國民經(jīng)濟快速發(fā)展，抽水蓄能電站建設也進入了快速發(fā)展期。先后興建了廣蓄一期、北京十三陵、浙江天荒坪等幾座大型抽水蓄能電站。“十五”期間，又相繼開工了張河灣、西龍池、白蓮河等一批大型抽水蓄能電站。

　　發(fā)展現(xiàn)狀

　　據(jù)統(tǒng)計，至2009年底我國投產(chǎn)的抽水蓄能電站共22座，總容量11545MW，其中大型純抽水蓄能電站11座(包括北京十三陵、廣東廣州一期與二期、浙江天荒坪與桐柏、吉林白山、山東泰安、安徽瑯琊山、江蘇宜興、山西西龍池、河北張河灣)10400MW，其余11座1145MW，在建的8座，裝機容量9360MW。我國已建、在建抽水蓄能電站見下表。

　　我國已建、在建抽水蓄能電站統(tǒng)計表

　　1崗南河北平山混合式1×111968.511

　　2密云北京密云混合式2×111973.1122

　　3潘家口河北遷西混合式3×901991.9270

　　4寸塘口四川彭溪純蓄能2×11992.112

　　5廣州一期廣州從化純蓄能4×3001994.31200

　　6十三陵北京昌平純蓄能4×2001995.12800

　　7羊卓雍湖西藏貢嘎純蓄能4×22.51997.590

　　8溪口浙江奉化純蓄能2×401997.1280

　　9廣州二期廣州從化純蓄能4×3001999.41200

　　10天荒坪浙江吉安純蓄能6×3001998.91800

　　11響洪甸安徽金寨混合式2×402000.180

　　12天堂湖北羅田純蓄能2×352000.1270

　　13沙河江蘇溧陽純蓄能2×502002.6100

　　14回龍河南南陽純蓄能2×602005.9120

　　15白山吉林樺甸純蓄能2×1502005.11300

　　16泰安山東泰安純蓄能4×2502006.71000

　　17桐柏浙江天臺純蓄能4×3002005.121200

　　18瑯琊山安徽滁州純蓄能4×1502006.9600

　　19宜興江蘇宜興純蓄能4×2502008.121000

　　20西龍池山西五臺純蓄能4×3002008.12300

　　21張河灣河北井陘純蓄能4×2502008.121000

　　22惠州廣東惠州純蓄能8×3002009.5300

　　23寶泉河南輝縣純蓄能4×300在建

　　24白蓮河湖北羅田純蓄能4×300在建

　　25佛磨安徽霍山混合式2×80在建

　　26蒲石河遼寧寬甸純蓄能4×300在建

　　27黑麋峰湖南望城純蓄能4×300在建

　　28響水澗安徽蕪湖純蓄能4×250在建

　　29呼和浩特內(nèi)蒙古純蓄能4×300在建

　　30仙游福建仙游純蓄能4×300在建

　　31溧陽江蘇溧陽純蓄能6×250在建

　　目前，可行性研究報告已審查通過、待建的抽水蓄能電站有4座，總容量4280MW，預可行性研究報告已審查通過、正在進行可行性研究工作的抽水蓄能電站有16座，總容量24500MW，另有部分項目正在開展預可行性研究工作，保持了一定的項目儲備。

　　我國抽水蓄能電站建設雖然起步比較晚，但由于后發(fā)效應，起點卻較高，近年建設的幾座大型抽水蓄能電站技術已處于世界先進水平。例如：廣州一、二期抽水蓄能電站總裝機容量2400MW，為世界上最大的抽水蓄能電站;天荒坪與廣州抽水蓄能電站機組單機容量300MW，額定轉速500r/min，額定水頭分別為526m和500m，已達到單級可逆式水泵水輪機世界先進水平;西龍池抽水蓄能電站單級可逆式水泵水輪機組最大揚程704m，僅次于日本葛野川和神流川抽水蓄能電站機組。十三陵抽水蓄能電站上水庫成功采用了全庫鋼筋混凝土防滲襯砌，滲漏量很小，也處于世界領先水平。天荒坪、張河灣和西龍池抽水蓄能電站采用現(xiàn)代瀝青混凝土面板技術全庫盆防滲，處于世界先進水平。

　　發(fā)展趨勢

　　隨著我國新興能源的大規(guī)模開發(fā)利用，抽水蓄能電站的配置由過去單一的側重于用電負荷中心逐步向用電負荷中心、能源基地、送出端和落地端等多方面發(fā)展。

　　新能源的迅速發(fā)展需要加速抽水蓄能電站建設

　　風電作為清潔的可再生資源是國家鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，核電是國家大力發(fā)展的新型能源，風電和核電的大力發(fā)展，對實現(xiàn)我國能源結構優(yōu)化、可持續(xù)發(fā)展有著不可替代的作用。

　　風能是一種隨機性、間歇性的能源，風電場不能提供持續(xù)穩(wěn)定的功率，發(fā)電穩(wěn)定性和連續(xù)性較差，這就給風電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)實時平衡、保持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)，同時風電的運行方式必將受到電力系統(tǒng)負荷需求的諸多限制。抽水蓄能電站具有啟動靈活、爬坡速度快等常規(guī)水電站所具有的優(yōu)點和低谷儲能的特點，可以很好地緩解風電給電力系統(tǒng)帶來的不利影響。

　　核電機組運行費用低，環(huán)境污染小，但核電機組所用燃料具有高危險性，一旦發(fā)生核燃料泄漏事故，將對周邊地區(qū)造成嚴重的后果；同時，由于核電機組單機容量較大，一旦停機，將對其所在電網(wǎng)造成很大的沖擊，嚴重時可能會造成整個電網(wǎng)的崩潰。在電網(wǎng)中必須要有強大調節(jié)能力的電源與之配合，因此建設一定規(guī)模的抽水蓄能電站配合核電機組運行，可輔助核電在核燃料使用期內(nèi)盡可能的用盡燃料，多發(fā)電，不但有利于燃料的后期處理，降低了危險性，而且有效降低了核電發(fā)電成本。

　　抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)中最可靠、最經(jīng)濟、壽命周期長、容量大、技術最成熟的儲能裝置，是新能源發(fā)展的重要組成部分。通過配套建設抽水蓄能電站，可降低核電機組運行維護費用、延長機組壽命；有效減少風電場并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的沖擊，提高風電場和電網(wǎng)運行的協(xié)調性以及電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性。

　　特高壓、智能電網(wǎng)的發(fā)展需要加速抽水蓄能電站建設

　　國家電網(wǎng)公司正在推進“一特四大”的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，即以大型能源基地為依托，建設由1000千伏交流和±800千伏直流構成的特高壓電網(wǎng)，形成電力“高速公路”，促進大煤電、大水電、大核電、大型可再生能源基地的集約化開發(fā)，在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。同時，將以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎，發(fā)展以信息化、數(shù)字化、自動化、互動化為特征的自主創(chuàng)新、國際領先的堅強智能電網(wǎng)。特高壓交流輸電系統(tǒng)的無功平衡和電壓控制問題比超高壓交流輸電系統(tǒng)更為突出。利用大型抽水蓄能電站的有功功率、無功功率雙向、平穩(wěn)、快捷的調節(jié)特性，承擔特高壓電力網(wǎng)的無功平衡和改善無功調節(jié)特性，對電力系統(tǒng)可起到非常重要的無功/電壓動態(tài)支撐作用，是一項比較安全又經(jīng)濟的技術措施，建設一定規(guī)模的抽水蓄能電站，對電力系統(tǒng)特別是堅強智能電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運行具有重要意義。

　　儲能產(chǎn)業(yè)正處起步階段抽水蓄能建設加速

　　“儲能肯定已到了呼之欲出的時候。保守估計，到2020年，國內(nèi)整個儲能產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模至少可以達到6000億元，樂觀的話甚至有可能到兩萬億。預計未來國家對儲能的支持力度會不斷加大。”中科院工程熱物理研究所所長助理、鄂爾多斯大規(guī)模儲能技術研究所所長譚春青在上月召開的“儲能國際峰會2012”上表示。這昭示著儲能的巨大魅力與潛力。

　　對新能源和可再生能源的研究和開發(fā)，尋求提高能源利用率的先進方法，已成為全球共同關注的首要問題。對中國這樣一個能源生產(chǎn)和消費大國來說，既有節(jié)能減排的需求，也有能源增長以支撐經(jīng)濟發(fā)展的需要，這就需要大力發(fā)展儲能產(chǎn)業(yè)。

　　日益增長的能源消費，特別是煤炭、石油等化石燃料的大量使用對環(huán)境和全球氣候所帶來的影響使得人類可持續(xù)發(fā)展的目標面臨嚴峻威脅。據(jù)預測，如按現(xiàn)有開采不可再生能源的技術和連續(xù)不斷地日夜消耗這些化石燃料的速率來推算，煤、天然氣和石油的可使用有效年限分別為100-120年、30-50年和18-30年。顯然，21世紀所面臨的最大難題及困境可能不是戰(zhàn)爭及食品，而是能源。

　　我國電力系統(tǒng)建設正處于快速發(fā)展階段，用電高峰時的供電緊張、有功無功儲備不足、輸配電容量利用率不高和輸電效率低等問題都有不同程度的存在。同時，越來越多的大型工業(yè)企業(yè)和涉及信息、安全領域的用戶對負荷側電能質量問題提出更高的要求。這些特點為分散電力儲能系統(tǒng)的發(fā)展提供了廣泛的空間，而儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中應用可以達到調峰、提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性及提高電能質量等目的。

　　抽水蓄能是電力系統(tǒng)最可靠、最經(jīng)濟、壽命周期最長、容量最大的儲能裝置。為了保障電源端大型火電或核電機組能夠長期穩(wěn)定的在最優(yōu)狀態(tài)運行，需要配套建設抽水蓄能電站承擔調峰調荷等任務。截至2008年，我國已建成抽水蓄能電站20座，在建的11座，裝機容量達到1091萬千瓦，占全國總裝機容量的1.35%。

　　而一般工業(yè)國家抽水蓄能裝機占比約在5%-10%水平，其中日本2006年抽水蓄能裝機占比即已經(jīng)超過10%。我國抽水蓄能電站的占比明顯偏低，隨著國內(nèi)核電及大型火電機組的投建，國內(nèi)抽水蓄能電站建設明顯加速。在建規(guī)模達到約1400萬千瓦，擬建和可行性研究階段的抽水蓄能電站規(guī)劃規(guī)模分別達到1500萬千瓦和2000萬千瓦，如果以上項目順利投產(chǎn)，2020年我國抽水蓄能電站總裝機容量將達到約6000萬千瓦。儲能本身不是新興的技術，但從產(chǎn)業(yè)角度來說卻是剛剛出現(xiàn)，正處在起步階段。中國沒有達到類似美國、日本將儲能當作一個獨立產(chǎn)業(yè)加以看待并出臺專門扶持政策的程度，尤其在缺乏為儲能付費機制的前提下，儲能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化模式尚未成形。

　　分類

　　抽水蓄能電站可按不同情況分為不同的類型。

　　1.按電站有無天然徑流分

　　抽水蓄能電站

　　（1）純抽水蓄能電站：沒有或只有少量的天然來水進入上水庫（以補充蒸發(fā)、滲漏損失），而作為能量載體的水體基本保持一個定量，只是在一個周期內(nèi)，在上、下水庫之間往復利用；廠房內(nèi)安裝的全部是抽水蓄能機組，其主要功能是調峰填谷、承擔系統(tǒng)事故備用等任務，而不承擔常規(guī)發(fā)電和綜合利用等任務。

　?。?）混合式抽水蓄能電站：其上水庫具有天然徑流匯入，來水流量已達到能安裝常規(guī)水輪發(fā)電機組來承擔系統(tǒng)的負荷。因而其電站廠房內(nèi)所安裝的機組，一部分是常規(guī)水輪發(fā)電機組，另一部分是抽水蓄能機組。相應地這類電站的發(fā)電量也由兩部分構成，一部分為抽水蓄能發(fā)電量，另一部分為天然徑流發(fā)電量。所以這類水電站的功能，除了調峰填谷和承擔系統(tǒng)事故備用等任務處，還有常規(guī)發(fā)電和滿足綜合利用要求等任務。

　　2.按水庫調節(jié)性能分

　?。?）日調節(jié)抽水蓄能電站：其運行周期呈日循環(huán)規(guī)律。蓄能機組每天頂一次（晚間）或兩次（白天和晚上）尖峰負荷，晚峰過后上水庫放空、下水庫蓄滿；繼而利用午夜負荷低谷時系統(tǒng)的多余電能抽水，至次日清晨上水庫蓄滿、下水庫被抽空。純抽水蓄能電站大多為日設計蓄能電站。

　　（2）周調節(jié)抽水蓄能電站：運行周期呈周循環(huán)規(guī)律。在一周的5個工作日中，蓄能機組如同日調節(jié)蓄能電站一樣工作。但每天的發(fā)電用水量大于蓄水量，在工作日結束時上水庫放空，在雙休日期間由于系統(tǒng)負荷降低，利用多余電能進行大量蓄水，至周一早上上水庫蓄滿。我國第一個周調節(jié)抽水蓄能電站為福建仙游抽水蓄能電站。

　　（3）季調節(jié)抽水蓄能電站：每年汛期，利用水電站的季節(jié)性電能作為抽水能源，將水電站必須溢棄的多余水量，抽到上水庫蓄存起來，在枯水季內(nèi)放水發(fā)電，以增補天然徑流的不足。這樣將原來是汛期的季節(jié)性電能轉化成了枯水期的保證電能。這類電站絕大多數(shù)為混合式抽水蓄能電站。

　　3.按站內(nèi)安裝的抽水蓄能機組類型分

　　（1）四機分置式：這種類型的水泵和水輪機分別配有電動機和發(fā)電機，形成兩套機組。目前已不采用。

　?。?）三機串聯(lián)式：其水泵、水輪機和發(fā)電電動機三者通過聯(lián)軸器連接在同一軸上。三機串聯(lián)式有橫軸和豎軸兩種布置方式。

　?。?）二機可逆式：其機組由可逆水泵水輪機和發(fā)電電動機二者組成。這種結構為目前主流結構。

　　4.按布置特點分

　　(1)首部式：廠房位于輸水道的上游側。

　　(2)中部式：廠房位于輸水道中部。

　　(3)尾部式：廠房位于輸水道末端。

　　5.抽水蓄能電站的運行工況

　　（1）靜止。

　　（2）發(fā)電工況。

　?。?）抽水工況。

　?。?）發(fā)電調相工況。

　?。?）抽水調相工況。

　　6.啟動方式

　　（1）靜止變頻啟動(SFC)啟動。

　?。?）背靠背（BTB）啟動。

　　作用

　　近年來，國家電網(wǎng)公司加強對抽水蓄能電站的調度運行管理，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

　　一是解決電力系統(tǒng)日益突出的調峰問題。浙江天荒坪、江蘇宜興等電站根據(jù)電網(wǎng)調峰需要，每日基本運行方式為“兩發(fā)一抽”，夏天炎熱高溫時，天荒坪電站甚至“三發(fā)兩抽”。

　　二是發(fā)揮調壓調相作用，保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。2009年6月18日上午9點45分，華東電網(wǎng)內(nèi)瑯琊山蓄能電站所處局部電網(wǎng)電壓偏高，機組短時進相運行約兩分鐘，明顯改善了局部電網(wǎng)電壓偏高的狀況。

　　三是發(fā)揮事故備用作用，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。寧東±660千伏直流輸電工程投運期間，山東泰山電站發(fā)揮啟停迅速的特點，機組啟動1052次，確保了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

　　此外，抽水蓄能電站還具有黑啟動、系統(tǒng)特殊負荷等功能，這些優(yōu)良性能在被逐漸認識和推廣應用的同時，進一步推動了我國抽水蓄能電站發(fā)展。