于倩倩，楊德權(quán)，徐玲君，趙杰君

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；

2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；

3.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

以“碳中和，碳達(dá)峰”戰(zhàn)略目標(biāo)為驅(qū)動(dòng)，可再生能源將逐步成為未來(lái)我國(guó)能源和電力工業(yè)發(fā)展的增量主體。建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定、靈活高效的運(yùn)行能力，保證優(yōu)質(zhì)高效的電力供應(yīng)，將是我國(guó)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐。抽水蓄能電站是電網(wǎng)智能化發(fā)展的重要組成部分，在滿(mǎn)足新時(shí)期電力系統(tǒng)多元需求方面發(fā)揮著極為重要的作用[1]。截至2020年底，我國(guó)抽水蓄能電站已建3 149萬(wàn)kW，在建5 373萬(wàn)kW[2]，開(kāi)發(fā)規(guī)模居世界首位，考慮電力系統(tǒng)的需求，中長(zhǎng)期我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模仍將大幅提升[3]。但目前大型抽水蓄能發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，行業(yè)可持續(xù)性嚴(yán)重受阻。隨著儲(chǔ)能技術(shù)和分布式新能源發(fā)展，科學(xué)評(píng)估與新型儲(chǔ)能設(shè)施規(guī)模相當(dāng)?shù)闹行⌒统樗钅茈娬镜陌l(fā)展?jié)摿?，分析熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)保證行業(yè)科學(xué)有序發(fā)展具有重要的意義。

本文以我國(guó)中小型抽水蓄能電站開(kāi)發(fā)運(yùn)行現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，總結(jié)發(fā)展特點(diǎn)、功能效益和存在問(wèn)題。秉持“因地制宜、需求導(dǎo)向、經(jīng)濟(jì)合理”的基本原則，合理評(píng)估中小型抽水蓄能電站發(fā)展?jié)摿?，探討發(fā)展思路和措施建議，以期為項(xiàng)目投資決策和行業(yè)政策制定提供參考。

1 發(fā)展概況

1.1 開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

中小型抽水蓄能電站是指裝機(jī)容量小于30萬(wàn)kW的抽水蓄能電站(包含混合式電站)，其中裝機(jī)容量小于5萬(wàn)kW的為小型抽水蓄能電站。早期中小型抽水蓄能電站多為試驗(yàn)性建設(shè)，以混合式電站為主，工程多結(jié)合已建水利水電工程，通過(guò)改、擴(kuò)建降低單位造價(jià)。在當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)規(guī)模下，中小型抽水蓄能電站發(fā)揮了較好的調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用等功能。隨著大范圍電力系統(tǒng)互聯(lián)，已建中小型抽水蓄能電站的功能作用愈發(fā)有限。因此，在抽水蓄能電站技術(shù)進(jìn)步和國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，規(guī)模效益明顯的大型抽水蓄能電站成為我國(guó)發(fā)展的主流。

截至2020年底，我國(guó)已建中小型抽水蓄能電站裝機(jī)容量85萬(wàn)kW，占已建抽水蓄能電站的比重不足3.0%。在建中小型抽水蓄能電站僅為安徽佛子嶺抽水蓄能電站(16萬(wàn)kW)，但根據(jù)調(diào)研該項(xiàng)目目前已停工。

1.2 調(diào)度運(yùn)營(yíng)情況

中小型抽水蓄能電站一般由省級(jí)電網(wǎng)調(diào)度，其中，小型抽水蓄能電站主要承擔(dān)調(diào)峰填谷任務(wù)，保障小系統(tǒng)尖峰負(fù)荷供應(yīng)；中型抽水蓄能電站可以發(fā)揮一定的調(diào)頻作用(羊卓雍湖抽水蓄能電站主要承擔(dān)調(diào)相任務(wù))。受裝機(jī)容量限制，盡管中小型抽水蓄能電站具備一定的輔助服務(wù)能力，但在區(qū)域和省級(jí)電力系統(tǒng)中作用不大。

綜合系統(tǒng)中的功能定位，已建中小型抽水蓄能電站多采用單一電量電價(jià)，依靠抽發(fā)電量的電費(fèi)差值獲得相應(yīng)的電量收益，較少執(zhí)行豐枯電價(jià)，電量損失自行承擔(dān)，無(wú)容量效益和其他輔助服務(wù)收入。為保證收益，運(yùn)行中更傾向于采用增加抽水發(fā)電利用小時(shí)數(shù)運(yùn)行，以分?jǐn)偝杀?、?chuàng)造利潤(rùn)。但由于沒(méi)有合理的調(diào)度方式研究，部分采用早期國(guó)產(chǎn)機(jī)組的電站，機(jī)組故障率較高，維修次數(shù)多，電站虧損較嚴(yán)重。盡管少數(shù)電站開(kāi)始執(zhí)行兩部制電價(jià)，但電價(jià)實(shí)施效果不明顯。我國(guó)已建中小型抽水蓄能電站運(yùn)營(yíng)情況見(jiàn)表2。

表2 我國(guó)已建中小型抽水蓄能電站運(yùn)營(yíng)情況

1.3 發(fā)展特點(diǎn)分析

對(duì)比大型抽水蓄能電站以及其他調(diào)峰電源和儲(chǔ)能形式，中小型抽水蓄能電站主要有以下特點(diǎn)：

(1)選址布置靈活，接入系統(tǒng)便利。中小型抽水蓄能電站調(diào)節(jié)庫(kù)容較小、水頭相對(duì)較低，站址水源和地形地質(zhì)條件適應(yīng)性好，站點(diǎn)資源豐富且布局靈活，可以接近負(fù)荷中心布置，便于更好地發(fā)揮快速響應(yīng)能力，以配合城市分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展，與大型抽水蓄能電站形成互補(bǔ)開(kāi)發(fā)格局?？删徒尤?10 kV或220 kV電網(wǎng)，滿(mǎn)足局部電網(wǎng)的儲(chǔ)能調(diào)峰需求，縮短線(xiàn)路走廊布局，減少輸電損失和建設(shè)投資。

(2)淹沒(méi)損失較少，生態(tài)環(huán)境友好。中小型抽水蓄能電站多結(jié)合已建水庫(kù)開(kāi)發(fā)，建設(shè)征地和移民安置工作相對(duì)簡(jiǎn)單，且由于樞紐規(guī)模小，容易避開(kāi)環(huán)境敏感因素。相比大型工程，其環(huán)境評(píng)價(jià)工作便于推動(dòng)，易于開(kāi)展項(xiàng)目前期工作及建設(shè)實(shí)施。同時(shí)，對(duì)比化學(xué)儲(chǔ)能形式，抽水蓄能電站使用壽命長(zhǎng)，且不存在設(shè)備回收和重金屬污染等問(wèn)題，全生命周期的碳減排和生態(tài)環(huán)境效益突出。

(3)機(jī)組形式多樣，建設(shè)周期較短。中小型抽水蓄能電站機(jī)組類(lèi)型可采用四機(jī)分置式、三機(jī)串聯(lián)式和二機(jī)可逆式等組合模式(即水泵、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)分開(kāi)布置或與水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)組合布置)，降低機(jī)組研發(fā)、設(shè)備安裝和運(yùn)行維護(hù)難度。由于電站水工建筑物等級(jí)低、樞紐布置比較簡(jiǎn)單，建設(shè)工程量小，建設(shè)工期較短，4～5年左右可投入運(yùn)行[5]，易于地方中小企業(yè)投資。

(4)功能作用受限，影響調(diào)度運(yùn)營(yíng)。受制于電站裝機(jī)容量較小，調(diào)節(jié)能力較弱，中小型抽水蓄能電站在大型電力系統(tǒng)中功能作用有限。為保障收益，電站多采用增加抽發(fā)利用的調(diào)度方式，影響機(jī)組壽命。混合式電站受到原工程灌溉、供水等綜合利用任務(wù)限制，設(shè)計(jì)功能難以發(fā)揮。此外，由于原水庫(kù)相關(guān)樞紐等級(jí)和施工標(biāo)準(zhǔn)較低，部分電站建成后，上下游梯級(jí)電站、水利樞紐的防洪能力與中小型抽水蓄能電站不匹配，調(diào)度運(yùn)行受限，進(jìn)一步降低工程使用效率。

(5)單位投資較高，收益模式單一。盡管多采用結(jié)合已建水電梯級(jí)或水利工程建設(shè)，但從現(xiàn)有資料看，已、在建中小型抽水蓄能電站的單位千瓦投資均高于同區(qū)域、同時(shí)期、同價(jià)格水平的大型抽水蓄能電站，略好于現(xiàn)階段同等規(guī)模的化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能等其他新型儲(chǔ)能方式。由于電站功能定位不同于常規(guī)電源或者準(zhǔn)公益型水利項(xiàng)目，已建項(xiàng)目主要以電量電價(jià)收益進(jìn)行投資回收，損失自擔(dān)，容量電價(jià)和輔助服務(wù)收益等模式尚未全面推廣，投資后成本回收存在較高風(fēng)險(xiǎn)。

2 發(fā)展?jié)摿?/h2>

2.1 站點(diǎn)資源條件

截至2020年底，我國(guó)已進(jìn)行了25個(gè)省(區(qū)、市)的抽水蓄能選點(diǎn)規(guī)劃工作，對(duì)規(guī)劃范圍內(nèi)大、中、小型抽水蓄能電站、混合式抽水蓄能電站以及海水抽水蓄能電站進(jìn)行調(diào)查?？紤]電力系統(tǒng)需求、站點(diǎn)資源條件，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析，共比選出82個(gè)推薦站點(diǎn)，均為大型抽水蓄能電站[3]。

目前國(guó)內(nèi)未單獨(dú)進(jìn)行系統(tǒng)性的中小型抽水蓄能電站資源普查，根據(jù)中小型抽水蓄能電站的特點(diǎn)，綜合近年來(lái)開(kāi)展的選點(diǎn)規(guī)劃工作基礎(chǔ)進(jìn)行分析可知，我國(guó)中小型抽水蓄能電站的站點(diǎn)數(shù)量和裝機(jī)容量規(guī)模非常可觀，同時(shí)資源分布范圍較大型站點(diǎn)更為廣泛，呈現(xiàn)“點(diǎn)多面廣”的特點(diǎn)，但前期工作和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估不夠深入。從分區(qū)域已開(kāi)展研究的站點(diǎn)來(lái)看，華東區(qū)域浙江省、福建省，南方區(qū)域廣東省資源最為豐富，華北、東北和華中區(qū)域內(nèi)資源較好，沿海地區(qū)和主要保護(hù)區(qū)資源較差，西北區(qū)域大部分省區(qū)及內(nèi)蒙古等站點(diǎn)資源相對(duì)較少[2]，西南地區(qū)站點(diǎn)資源豐富，但應(yīng)優(yōu)先利用常規(guī)水電調(diào)節(jié)。

2.2 系統(tǒng)需求空間

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，電力負(fù)荷增速變緩，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整深化，系統(tǒng)峰谷差不斷加大。為完成能源革命戰(zhàn)略目標(biāo)，我國(guó)未來(lái)新增電力需求將主要依靠可再生能源尤其是新能源發(fā)電滿(mǎn)足。通過(guò)系統(tǒng)需求空間分析，2030年我國(guó)抽水蓄能電站合理規(guī)模約為1.2億～1.4億kW[2]。中東部地區(qū)電力市場(chǎng)規(guī)模大，經(jīng)濟(jì)承受能力強(qiáng)，在接受大量區(qū)外電力的同時(shí)，本地新能源發(fā)電和核電發(fā)展快，分散式風(fēng)電和分布式光伏發(fā)電占比高，是抽水蓄能電站發(fā)展的重要區(qū)域[3]。

考慮開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)功能效益，在大電網(wǎng)中發(fā)展中小型抽水蓄能電站的優(yōu)勢(shì)較弱，但對(duì)于線(xiàn)路走廊開(kāi)辟困難地區(qū)、與主網(wǎng)連接較弱的邊緣地區(qū)、孤立電網(wǎng)以及海島電網(wǎng)等，布置少量的中小型抽水蓄能電站，聯(lián)合當(dāng)?shù)匦⌒碗娫催M(jìn)行互補(bǔ)運(yùn)行，可有效保障局部區(qū)域供電，提高電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行能力。對(duì)新能源微網(wǎng)，可改善系統(tǒng)發(fā)電質(zhì)量，提供安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的電力支撐。

2.3 技術(shù)可行性

中小型抽水蓄能電站的建設(shè)模式較多，除獨(dú)立新建電站外，可利用已建小水庫(kù)或流域梯級(jí)作為上下庫(kù)，或者結(jié)合已建水電站建設(shè)混合式電站，增加原電站調(diào)節(jié)能力。

從建設(shè)條件來(lái)看，由于裝機(jī)規(guī)模較小，中小型抽水蓄能電站需水量少，水源充足；樞紐布置容易避開(kāi)不良地質(zhì)體，工程地質(zhì)條件要求相對(duì)寬松，樞紐布置簡(jiǎn)單，防滲處理少；施工便利，如結(jié)合已建項(xiàng)目，對(duì)外交通條件好，施工場(chǎng)地布置方便；工程量小，料源儲(chǔ)量和質(zhì)量較容易滿(mǎn)足要求，由于工期短，對(duì)已建工程運(yùn)行影響不大；機(jī)電和金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)計(jì)制造和運(yùn)輸?shù)染鄬?duì)簡(jiǎn)單；建設(shè)征地和移民安置總量較少，容易避讓環(huán)境敏感制約因素，整體環(huán)境影響小，有利于項(xiàng)目推進(jìn)實(shí)施；電壓等級(jí)較低，接入系統(tǒng)方便，輸電距離近，線(xiàn)路投資較小。

綜上，考慮需求規(guī)模與布局需要，經(jīng)綜合分析，建設(shè)中小型抽水蓄能電站技術(shù)難度較低。

2.4 開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)典型工程分析，我國(guó)中東部地區(qū)中小型抽水蓄能電站單位千瓦總投資約8 000～10 000元。與裝機(jī)容量相近的可規(guī)?；瘍?chǔ)能調(diào)峰設(shè)施相比，中小型抽水蓄能電站單位千瓦投資高于超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能，與壓縮空氣接近；單位度電投資高于壓縮空氣儲(chǔ)能，但低于其他類(lèi)型儲(chǔ)能設(shè)施。主要儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 主要儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比[6-7]

從運(yùn)行資料分析，受多重因素影響，已投運(yùn)的儲(chǔ)能電站實(shí)際轉(zhuǎn)換效率低于理論實(shí)驗(yàn)值，約在65%，而已運(yùn)行的抽水蓄能電站平均效率接近80%；此外，現(xiàn)階段儲(chǔ)能電站使用壽命約為6年，之后需要更新?lián)Q代，產(chǎn)生再投資費(fèi)用?？紤]儲(chǔ)能設(shè)施回收和運(yùn)行壽命等因素，在滿(mǎn)足系統(tǒng)需求的前提下，中小型抽水蓄能電站的平均投資成本和運(yùn)行成本高于大型抽水蓄能電站，但與儲(chǔ)能項(xiàng)目相比依然較低。盡管未來(lái)隨著技術(shù)迅猛發(fā)展，其他新型儲(chǔ)能形式的經(jīng)濟(jì)性提升空間較大，但現(xiàn)階段，建設(shè)條件較好的中小型抽水蓄能電站具備與同等規(guī)模其他儲(chǔ)能形式的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

3 發(fā)展建議

3.1 發(fā)展思路

根據(jù)電源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和系統(tǒng)實(shí)際需求，結(jié)合區(qū)域范圍內(nèi)的站點(diǎn)資源特點(diǎn)、建設(shè)可行性、開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性等綜合分析，由于我國(guó)中小型抽水蓄能電站前期工作廣度與深度不足，總體經(jīng)濟(jì)性不高，暫不具備全面鋪開(kāi)大規(guī)模開(kāi)發(fā)的條件，暫從系統(tǒng)內(nèi)承擔(dān)的功能作用進(jìn)行發(fā)展思路分析如下：

(1)配合新能源電站以及參與輔助服務(wù)的中小型抽水蓄能電站，由于功能效益有限，暫不考慮布局。應(yīng)當(dāng)優(yōu)先深入研究?jī)?yōu)化調(diào)度方案，利用好已、在建輔助服務(wù)設(shè)施，保證功能效益充分發(fā)揮。

(2)保障輸配電及用戶(hù)側(cè)終端用能可靠性的中小型抽水蓄能電站，根據(jù)需求可分為兩個(gè)層次。首先，各負(fù)荷中心范圍內(nèi)，應(yīng)優(yōu)先布局大型抽水蓄能電站，保證電力系統(tǒng)整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。其次，規(guī)模較小的獨(dú)立地方電網(wǎng)的負(fù)荷中心，可充分利用已有資源，在進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，論證具備優(yōu)勢(shì)后，適當(dāng)布局中小型抽水蓄能電站，實(shí)現(xiàn)分層次的合理運(yùn)行調(diào)度。

(3)提升分布式發(fā)電、孤網(wǎng)、微網(wǎng)的運(yùn)行能力的中小型抽水蓄能電站。從配合分布式新能源發(fā)電來(lái)看，分布式項(xiàng)目的主要聚集區(qū)，以系統(tǒng)統(tǒng)籌布局大型抽水蓄能電站最為經(jīng)濟(jì)有效。而在孤網(wǎng)、微網(wǎng)中，應(yīng)優(yōu)先建設(shè)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和聯(lián)合供能體系，對(duì)于支撐電源無(wú)法推進(jìn)實(shí)施，可合理配置中小型抽水蓄能電站，承擔(dān)支柱性電源作用。

綜上，在“因地制宜、需求導(dǎo)向、經(jīng)濟(jì)合理”的條件下，中小型抽水蓄能電站主要應(yīng)用于以下兩個(gè)方面。一是，對(duì)于短期內(nèi)無(wú)法進(jìn)行電力基礎(chǔ)設(shè)施連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矛盾突出，嚴(yán)重影響安全穩(wěn)定運(yùn)行的孤立電網(wǎng)、微電網(wǎng)、海島電網(wǎng)等缺乏支柱性電源的區(qū)域，可以研究適當(dāng)配置中小型抽水蓄能電站；二是，對(duì)于分布式可再生能源發(fā)展較多，電力系統(tǒng)需求空間較大的區(qū)域，可選擇研究布局開(kāi)發(fā)條件較好的中小型獨(dú)立或混合式抽水蓄能電站；支持其他綜合利用項(xiàng)目的中小型抽水蓄能電站研究。

3.2 發(fā)展建議

(1)中小型抽水蓄能電站可以與新能源、常規(guī)電源、水利設(shè)施等組成聯(lián)營(yíng)體，創(chuàng)新投融資模式，拓寬資金來(lái)源，共同投資聯(lián)合運(yùn)營(yíng)，調(diào)動(dòng)中小型企業(yè)參與投資的積極性。針對(duì)項(xiàng)目綜合利用特點(diǎn)，分別制定合理的運(yùn)營(yíng)策略，在滿(mǎn)足系統(tǒng)需求條件的前提下，提升開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性。

(2)統(tǒng)籌考慮電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性矛盾突出的小電網(wǎng)、孤立電網(wǎng)、微電網(wǎng)、海島電網(wǎng)、大電網(wǎng)邊緣區(qū)域等特殊電網(wǎng)需求，進(jìn)一步調(diào)查中小型抽水蓄能站點(diǎn)資源。對(duì)建設(shè)條件好，具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的中小型抽水蓄能電站，納入選點(diǎn)規(guī)劃，統(tǒng)一綜合比選，避免盲目投資擠占區(qū)域內(nèi)抽水蓄能電站的需求空間，防止資源浪費(fèi)，保證電力系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性。

(3)中小型抽水蓄能電站的投資普遍高于大型抽水蓄能電站，在有需求空間并且開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性較好的情況下，可研究探索將中小型抽水蓄能電站定位于新型儲(chǔ)能行業(yè)的可能性和可行性，沿用新型儲(chǔ)能設(shè)施相關(guān)政策，在電價(jià)、稅收、發(fā)電優(yōu)先權(quán)上享受同等優(yōu)惠。

(4)在孤立電網(wǎng)、微電網(wǎng)、海島電網(wǎng)等以中小型抽水蓄能電站作為綜合供能體系、分布式互補(bǔ)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和小型綠色綜合示范中支撐電源的區(qū)域，應(yīng)促進(jìn)多元利用項(xiàng)目的聯(lián)合發(fā)展、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，保證基礎(chǔ)設(shè)施集中配置，發(fā)展政策和支持機(jī)制相互協(xié)調(diào)，形成政策合力，提升補(bǔ)貼和扶持資金的使用效率。同時(shí)，建立示范試點(diǎn)項(xiàng)目的投資運(yùn)行反饋機(jī)制，適時(shí)分析多元綜合應(yīng)用的運(yùn)行效果及存在問(wèn)題，研究合理的推廣模式和配套措施。