抽水蓄能发电技术研究与应用前景

抽水蓄能发电技术研究与应用前景

杨玉林

中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司 云南省 昆明市 650000

摘要：抽水蓄能电站有一个建在高处的上水库（上池）和一个建在电站下游的下池。抽水蓄能电站的机组能起到作为一般水轮机的发电的作用和作为水泵将下池的水抽到上池的作用。在电力系统的低谷负荷时，抽水蓄能电站的机组作为水泵运行，在上池蓄水；在高峰负荷时，作为发电机组运行，利用上池的蓄水发电，送到电网。本文根据作者多年工作经验，对抽水蓄能发电技术进行了详细的阐述，并对抽水蓄能发电技术的应用前景进行了分析，供大家参考和借鉴。

关键词：抽水蓄能发电技术；研究；应用前景

1引言

电力的生产、输送和使用是同时发生的，一般情况下又不能储存，而电力负荷的需求却瞬息万变。一天之内，白天和前半夜的电力需求较高(其中最高时段称为高峰)；下半夜大幅度地下跌(其中最低时段称为低谷)，低谷有时只及高峰的一半甚至更少。鉴于这种情况，发电设备在负荷高峰时段要满发，而在低谷时段要压低出力，甚至得暂时关闭，为了按照电力需求来协调使用有关的发电设备，需采取一系列的措施。

抽水蓄能电站就是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而产生的，是间接储存电能的一种方式。它利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。在整个运作过程中，虽然部分能量会在转化间流失，但相比之下，使用抽水蓄能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而在低谷时压荷、停机这种情况来得便宜，效益更佳。除此以外，抽水蓄能电站还能担负调频、调相和事故备用等动态功能。因而抽水蓄能电站既是电源点，又是电力用户；并成为电网运行管理的重要工具，是确保电网安全、经济、稳定生产的支柱。抽水蓄能电站有发电和抽水两种主要运行方式，在两种运行方式之间又有多种从一个工况转到另一工况的运行。

图1 抽水蓄能发电技术基本原理图

2抽水蓄能发电技术的转换方式

正常的运行方式具有以下功能：

2.1发电功能

常规水电站最主要的功能是发电，即向电力系统提供电能，通常的年利用时数较高，一般情况下为3000－5000h。蓄能电站本身不能向电力系统供应电能，它只是将系统中其他电站的低谷电能和多余电能，通过抽水将水流的机械能变为势能，存蓄于上水库中，待到电网需要时放水发电。蓄能机组发电的年利用时数一般在800～1000h 之间。蓄能电站的作用是实现电能在时间上的转换。经过抽水和发电两种环节，它的综合效率为75%左右。

2.2调峰功能

具有日调节以上功能的常规水电站，通常在夜间负荷低谷时不发电，而将水量储存于水库中，待尖峰负荷时集中发电，即通常所谓带尖峰运行。而蓄能电站是利用夜间低谷时其他电源(包括火电站、核电站和水电站)的多余电能，抽水至上水库储存起来，待尖峰负荷时发电。因此，蓄能电站抽水时相当于一个用电大户，其作用是把日负荷曲线的低谷填平了，即实现"填谷"。"填谷"的作用使火电出力平衡，可降低煤耗，从而获得节煤效益。蓄能电站同时可以使径流式水电站原来要弃水的电能得到利用。

2.3调频功能

调频功能又称旋转备用或负荷自动跟随功能。常规水电站和蓄能电站都有调频功能，但在负荷跟踪速度(爬坡速度)和调频容量变化幅度上蓄能电站更为有利。　　常规水电站自起动到满载一般需数分钟。而抽水蓄能机组在设计上就考虑了快速起动和快速负荷跟踪的能力。现代大型蓄能机组可以在一两分钟之内从静止达到满载，增加出力的速度可达每秒1万kW，并能频繁转换工况。最突出的例子是英国的迪诺威克蓄能电站，其6台300MW 机组设计能力为每天起动3～6次；每天工况转换40次；6台机处于旋转备用时可在10s达到全厂出力1320MW。

2.4调相功能

调相运行的目的是为稳定电网电压，包括发出无功的调相运行方式和吸收无功的进相运行方式。常规水电机组的发电机功率因数为0.85～0.9，机组可以降低功率因数运行，多发无功，实现调相功能。抽水蓄能机组在设计上有更强的调相功能，无论在发电工况或在抽水工况，都可以实现调相和进相运行，并且可以在水轮机和水泵两种旋转方向进行，故其灵活性更大。另外，蓄能电站通常比常规水电站更靠近负荷中心，故其对稳定系统电压的作用要比常规水电机组更好。

3抽水蓄能电站工作特性

抽水蓄能电站利用午夜负荷低谷时的多余电能抽水，待早，晚出现高峰负荷时发电。抽水蓄能电站将低谷电能转换成高峰电能，电能转换必伴随着能量损失，显然抽水用电量EP必大于发电量ET。抽水蓄能电站一般均在实行峰谷时电价的电网中工作，它吸收的是低谷时段的电能，发出的是高峰时段的高价电能，增加了售电收入，具有良好的经济特性。抽水蓄能电站的运行特点是其机组既要作发电运行，又要作抽水运行，而且两种工况转换比较频繁。抽水蓄能电站启动迅速，运行灵活，工作可靠，特别对负荷的急速变化可作出快速反应。

4抽水蓄能发电技术的应用特点分析

4.1增强安全性

根据蓄能机组在电网中的静态和动态作用,蓄能机组配合核电机组运行，避免了核电机组频繁升降负荷进行电网调峰，基本保证了核电机组长期带基本负荷稳定运行，减少了瞬时变化，使核电机组长期处于完好的技术状况，也就大大提高了核电站的安全裕度。

4.2提高经济效益

利用蓄能电站在电网中的作用，配合核电站运行，使核电机组长期带基本负荷稳定运行，使核电站有了多发稳发电的可能性。抽水蓄能电站不仅为核电创造了良好的运行环境，使核电实现稳定运行，还配合单机容量较大的核电机组在投产前做100%甩负荷试验，效果良好。

5 抽水蓄能发电技术应用前景分析

5.1抽蓄电站将加速发展

从全球范围看技术较成熟的抽蓄仍是储能主力。根据国际可再生能源署去年底发布的“电力储存与可再生能源——2030年的成本与市场”报告，到2017年中，全球储能装机容量为176吉瓦，其中169吉瓦抽蓄(占96%);3.3吉瓦热能储存(1.9%);1.9吉瓦电池储能(1.1%);1.6吉瓦机械储能(0.9%)。而且，与发达国家抽蓄电站占电力总装机的比重相比，我国的比重偏低，专家认为我国抽水蓄能的合理比例应保持在10%以上。

非水可再生能源快速发展需要。《水电发展“十三五”规划》明确，“十三五”将加快抽蓄电站建设，以适应新能源大规模开发需要，保障电力系统安全运行。我国未来能源革命电力转型中，间歇性的非水可再生能源将是主力，其发电能力超过电网的最低负荷是必然的趋势。2017年，我国非化石能源发展已经领跑全球，新增装机规模占全球增量40%左右。我国非化石能源发电装机占比已达38.1%，比2012年提高9.6个百分点，是历史上增长最快的时期。2017年，我国可再生能源发电装机容量达到约6.56亿千瓦，风电和光伏发电建设成本分别下降20%和60%。

5.2发展目标设定应更加科学

按照我国规划，“十三五”全国新开工抽蓄电站6000万千瓦左右，到2020年抽蓄电站装机容量达到4000万千瓦，预计2025年全国抽蓄电站约9000万千瓦。按照目前的开工规模，意味着未来三年至少还要新开工4100万千瓦抽蓄机组才能完成既定规划目标。这个规划目标完成难度较大。

要滚动调整抽蓄规划，适时启动新一轮选点规划工作。统筹考虑区域电力系统调峰填谷需要、安全稳定运行要求和站址建设条件，对尚未开展选点规划的地区适时启动规划工作;对部分已有选点规划，经论证有增补、调整站点必要的地区进行滚动调整，充分论证系统需求，分析研究抽蓄电站的合理建设规模和布局，优选确定规划站点。为适应长远需要，考虑到抽蓄电站建设的合理工期，有必要组织新一轮的选点规划工作。

6结束语

抽水蓄能电站是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，有力地保障电力系统安全。

参考文献

[1]英国“8·9”停电事故对频率稳定控制技术的启示[J]. 方勇杰. 电力系统自动化. 2019(24)

[2]基于直流互联的交流电网频率稳定控制研究[J]. 孙凯祺,李可军,Sundaresh Lakshmi,刘奕路,潘久平,孙华东. 中国电机工程学报. 2020(03)

[3]基于李雅普诺夫方法的电力系统静态频率稳定分析[J]. 成连生. 湖南电力. 2021(03)

[4]废弃煤矿抽水蓄能发电新技术可行性分析[J]. 裴鹏,任天佑,李信,欧祥吉,李德宇,江雪,商大成. 山西煤炭. 2020(02)

[5]提高短期频率稳定性的紧急需求响应分散协调控制方法[J]. 王路平,李浩志,谢小荣. 中国电机工程学报. 2020(11)