抽水蓄能電站

　　抽水蓄能電站利用電力負(fù)荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負(fù)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(fù)荷低時的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時期的高價值電能，還適于調(diào)頻、調(diào)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(shè)起步較晚，但由于后發(fā)效應(yīng)，起點卻較高，近年建設(shè)的幾座大型抽水蓄能電站技術(shù)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(jì)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(shè)起步較晚。

　　上世紀(jì)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(diào)峰手段，電網(wǎng)調(diào)峰矛盾日益突出，缺電局面由電量缺乏轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)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(diào)峰問題逐步形成共識。隨著電網(wǎng)經(jīng)濟運行和電源結(jié)構(gòu)調(diào)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(guān)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(shè)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(shè)的第一次高潮。

　　上世紀(jì)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(shè)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?cè)萘?1545MW，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?cè)萘?280MW，預(yù)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?cè)萘?4500MW，另有部分項目正在開展預(yù)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(shè)雖然起步比較晚，但由于后發(fā)效應(yīng)，起點卻較高，近年建設(shè)的幾座大型抽水蓄能電站技術(shù)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(zhuǎn)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(lǐng)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(shù)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(cè)重于用電負(fù)荷中心逐步向用電負(fù)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(shè)

　　風(fēng)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(fēng)電和核電的大力發(fā)展，對實現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、可持續(xù)發(fā)展有著不可替代的作用。

　　風(fēng)能是一種隨機性、間歇性的能源，風(fēng)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(fēng)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(fēng)電的運行方式必將受到電力系統(tǒng)負(fù)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(fēng)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(yán)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(yán)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(diào)節(jié)能力的電源與之配合，因此建設(shè)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(shù)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(shè)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(fēng)電場并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的沖擊，提高風(fēng)電場和電網(wǎng)運行的協(xié)調(diào)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(shè)

　　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(shè)由1000千伏交流和±800千伏直流構(gòu)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(diào)發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎(chǔ)，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(lǐng)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(diào)節(jié)特性，承擔(dān)特高壓電力網(wǎng)的無功平衡和改善無功調(diào)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(shù)措施，建設(shè)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(shè)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(yù)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(shù)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(guān)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(biāo)面臨嚴(yán)峻威脅。據(jù)預(yù)測，如按現(xiàn)有開采不可再生能源的技術(shù)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(jì)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(shè)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(lǐng)域的用戶對負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)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(yīng)用可以達到調(diào)峰、提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性及提高電能質(zhì)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(shè)抽水蓄能電站承擔(dān)調(diào)峰調(diào)荷等任務(wù)。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(shè)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(shù)，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(dāng)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(fù)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(diào)峰填谷、承擔(dān)系統(tǒng)事故備用等任務(wù)，而不承擔(dān)常規(guī)發(fā)電和綜合利用等任務(wù)。

　?。?）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(dān)系統(tǒng)的負(fù)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(yīng)地這類電站的發(fā)電量也由兩部分構(gòu)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(diào)峰填谷和承擔(dān)系統(tǒng)事故備用等任務(wù)處，還有常規(guī)發(fā)電和滿足綜合利用要求等任務(wù)。

　　2.按水庫調(diào)節(jié)性能分

　?。?）日調(diào)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(fù)荷，晚峰過后上水庫放空、下水庫蓄滿；繼而利用午夜負(fù)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(shè)計蓄能電站。

　?。?）周調(diào)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(diào)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(jié)束時上水庫放空，在雙休日期間由于系統(tǒng)負(fù)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(diào)節(jié)抽水蓄能電站為福建仙游抽水蓄能電站。

　?。?）季調(diào)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(zhuǎn)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

　?。?）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(jié)構(gòu)為目前主流結(jié)構(gòu)。

　　4.按布置特點分

　　(1)首部式：廠房位于輸水道的上游側(cè)。

　　(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

　?。?）靜止。

　?。?）發(fā)電工況。

　?。?）抽水工況。

　?。?）發(fā)電調(diào)相工況。

　?。?）抽水調(diào)相工況。

　　6.啟動方式

　?。?）靜止變頻啟動(SFC)啟動。

　　（2）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(diào)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(diào)峰問題。浙江天荒坪、江蘇宜興等電站根據(jù)電網(wǎng)調(diào)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(diào)壓調(diào)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(fù)荷等功能，這些優(yōu)良性能在被逐漸認(rèn)識和推廣應(yīng)用的同時，進一步推動了我國抽水蓄能電站發(fā)展。