陳 剛，丁理杰，韓曉言，王 亮，李 甘，史華勃

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2. 國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

近年來能源短缺、環(huán)境惡化、氣候變暖，以化石能源為主的傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)不可持續(xù)，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新型能源體系勢在必行。

過去5年，風電、光伏等新能源裝機容量快速增長，2020年年底，全國風電和光伏總裝機容量已達534GW，預計2030年將超過1200GW[1]。但新能源發(fā)電天然具有的隨機波動性，給系統(tǒng)的電力電量平衡、調(diào)控運行、安全控制等諸多方面帶來了巨大的挑戰(zhàn)和不利影響，限制了新能源的有效利用。為此，引入儲能增加系統(tǒng)靈活性、提升系統(tǒng)安全運行水平和新能源消納能力成為行業(yè)共識[2-4]。

抽水蓄能是目前技術(shù)最成熟、應用最廣泛、壽命周期最長、容量最大的大規(guī)模物理儲能方式[5]。根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟統(tǒng)計[6]，截止2020年，全球抽水蓄能裝機容量為178 GW，占全球儲能總裝機容量的90.3%；中國抽水蓄能的裝機容量規(guī)模達到31.79 GW，占中國儲能總量的89.3%。大規(guī)模開發(fā)抽水蓄能電站已成為支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要措施，國家陸續(xù)出臺多項政策支持抽水蓄能發(fā)展。

四川省是全國最大的水電清潔能源基地，截止2020年，水電裝機容量突破7892 kW，預計2023年年末水電裝機容量將超過100 GW；但其中徑流式水電站約占50%，水電整體調(diào)節(jié)性能較差。在四川發(fā)展抽水蓄能，提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力成為需求迫切。此外，四川新能源將迎來快速發(fā)展，預計“十四五”末風電和光伏裝機容量將超過20 GW，進一步為抽水蓄能的發(fā)展提供了應用場景和需求。

下面調(diào)研了抽水蓄能的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了發(fā)展趨勢，結(jié)合四川電網(wǎng)的實際情況，分析了抽水蓄能在四川電網(wǎng)的應用前景，并提出了適合四川電網(wǎng)實際的抽水蓄能的應用模式。

1 抽水蓄能發(fā)展現(xiàn)狀

抽水蓄能是利用負荷低谷電能或無法正常消納的新能源棄電電能抽水至上水庫，在負荷高峰或需要時再放水至下水庫發(fā)電的水電站，是電力系統(tǒng)中最為優(yōu)質(zhì)的靈活調(diào)節(jié)電源，具有削峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用、黑啟動等多種功能[4，7-8]，是電網(wǎng)安全穩(wěn)定的重要保障和大規(guī)模新能源并網(wǎng)消納的關(guān)鍵支撐。

1.1 抽水蓄能的分類

1.1.1 按轉(zhuǎn)速是否變化分類

按照轉(zhuǎn)速是否變化，可分為定速抽蓄機組和可變速抽蓄機組。

1)定速抽蓄機組：轉(zhuǎn)速不可調(diào)，發(fā)電功率可通過導葉調(diào)節(jié)(與常規(guī)水電機組一致)，抽水功率不可調(diào)，目前在建的大型抽水蓄能基本都是定速機組。

2)可變速抽蓄機組：轉(zhuǎn)速可調(diào)，發(fā)電工況下功率可同時通過變導葉或變轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍更廣[9]；抽水工況下一般具有一定的功率調(diào)節(jié)能力，可根據(jù)水頭等運行工況變化調(diào)整最優(yōu)轉(zhuǎn)速，提高抽水和發(fā)電效率，響應速度更快。又分為變轉(zhuǎn)速和變極調(diào)速兩種方式，根據(jù)變轉(zhuǎn)速原理不同，又可分為雙饋式和全功率式。

1.1.2 按有無天然徑流分類

按照有無天然徑流，可分為純抽水蓄能電站和混合式抽水蓄能電站[10]。

1)純抽水蓄能電站：專為電網(wǎng)調(diào)節(jié)修建的，無法獨立承擔徑流發(fā)電任務。其上水庫沒有徑流或來水量很小，水在上水庫、下水庫循環(huán)使用。一般用于調(diào)峰、調(diào)頻，不能作為獨立電源存在。

2)混合式抽水蓄能電站[11]：其上水庫有一定的天然來水，電站同時安裝常規(guī)水電機組和抽水蓄能機組。

1.1.3 按水庫調(diào)節(jié)性能分類[10]

按照水庫調(diào)節(jié)性能，可分為日調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)和季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站。

1)日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站：水庫調(diào)節(jié)能力僅滿足在日內(nèi)循環(huán)。每日低谷負荷抽水，高峰負荷期發(fā)電，水庫的庫容量按每日調(diào)峰的發(fā)電量決定。

2)周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站：水庫調(diào)節(jié)能力滿足在周內(nèi)循環(huán)。工作日負荷較高，每天的發(fā)電用水量大于抽水量；周末負荷較低，利用多余電能進行大量蓄水。

3)季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站[12]：一般在年或多年調(diào)節(jié)水電站中加裝抽水泵，豐水期利用棄水電量抽水，充分利用水庫庫容的跨季節(jié)調(diào)節(jié)能力，在枯水期放水發(fā)電。

1.1.4 按機組類型分類

按照機組類型，可分為四機式(分置式)、三機式(串聯(lián)式)和兩機式(可逆式)抽水蓄能機組。

1)四機式(分置式)機組：采用單獨工作的抽水機組和發(fā)電機組，抽水和發(fā)電各自獨立運行。

2)三機式(串聯(lián)式)機組：將發(fā)電機和電動機合并為一體，與水泵、水輪機在一起而形成一種組合式機組。

3)兩機式機組：將水泵和水輪機合并為一體的可逆式水泵水輪機，為現(xiàn)代抽水蓄能電站的主要機型。

1.1.5 其他分類

1.3 手術(shù)前后標準化問卷評分 所有患者在手術(shù)前及手術(shù)后隨訪至12個月左右時進行盆底功能障礙相關(guān)標準化問卷調(diào)查，所有問卷由患者獨立填寫，包括：①盆底功能障礙問卷-20(PFDI-20)，主要評估盆底臟器脫垂障礙、排便功能及泌尿功能，分值越高，患者生活質(zhì)量受影響越大；②盆底功能障礙問卷-7(PFIQ-7)，主要評估盆底臟器脫垂對生活的影響、對腸道功能的影響及對排尿功能的影響，分值越高，患者生活質(zhì)量受影響越大；③盆底器官脫垂/尿失禁及性功能調(diào)查問卷-12(PISQ-12)，主要評估性功能及性生活質(zhì)量，分值越高，性功能越好及性生活質(zhì)量越高[8-9]。

按水頭高低，可分為低水頭(100 m以下)、中水頭(100～700 m)、高水頭(700 m以上)。

按廠房布置特點，可分為地面式、地下式、半地下式。

按照利用水的性質(zhì)，可分為淡水抽水蓄能、海水抽水蓄能[13]。

1.2 抽水蓄能的發(fā)展現(xiàn)狀

1882年，世界首座抽水蓄能電站在瑞士誕生[14]。受限于社會經(jīng)濟發(fā)展滯后，中國抽水蓄能電站的發(fā)展相對較慢。1968年，中國首臺11 MW抽水蓄能機組在河北崗南電站投產(chǎn)[15]。1992年，河北潘家口水電站先后投運3臺90 MW抽水蓄能機組，中國抽水蓄能建設(shè)由此步入快車道[16]，數(shù)座抽水蓄能電站在負荷中心城市建設(shè)以滿足日益增長的調(diào)峰要求。中國歷年抽水蓄能裝機容量增長情況如圖1所示。2017年5月19日，中國裝機容量突破27.73 GW，正式超越日本成為世界上抽水蓄能裝機容量最大的國家。截止2021年8月，中國在運抽水蓄能裝機容量為32.49 GW，在建規(guī)模為54.93 GW。

圖1 中國歷年抽水蓄能裝機容量情況

2 抽水蓄能最新發(fā)展趨勢

為適應新型電力系統(tǒng)建設(shè)和大規(guī)模高比例新能源發(fā)展需要，助力實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，國家陸續(xù)出臺政策支持抽水蓄能發(fā)展。2021年5月7日，國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于進一步完善抽水蓄能價格形成機制的意見》(發(fā)改價格〔2021〕633號)，明確將容量電價納入輸配電價回收，為抽水蓄能電站提供了市場和政策環(huán)境。

2.1 大型抽水蓄能電站加快建設(shè)

2021年8月6日，國家能源局發(fā)布《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》(征求意見稿)(下稱《征求意見稿》)中，提出到2025年投產(chǎn)總規(guī)模62 GW、到2030年投產(chǎn)200 GW、到2035年投產(chǎn)總規(guī)模300 GW的發(fā)展目標，并明確提出了“十四五”“十五五”“十六五”重點實施項目。雖然在9月9日發(fā)布的《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》(下稱《規(guī)劃》)中，將到2030年抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較《征求意見稿》的200 GW降低到120 GW左右。但是《征求意見稿》中提到的重點實施項目依然可以視為經(jīng)過初步選點的抽水蓄能規(guī)劃發(fā)展重點，可以基于此分析抽水蓄能的發(fā)展趨勢。

對《征求意見稿》進行統(tǒng)計，得到各容量裝機情況，如圖2和圖3所示?？梢钥吹剑呀ǔ傻某樗钅茈娬局?，小型電站(裝機容量小于600 MW)數(shù)量超過20%；隨著大中型抽水蓄能電站建設(shè)技術(shù)水平提高和電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求增加，在建的抽水蓄能電站全部為大中型抽水蓄能電站，從“十四五”至“十六五”，裝機容量在1800 MW以上的大型抽水蓄能電站數(shù)量和裝機容量均快速增加。

圖2 各容量裝機抽水蓄能電站數(shù)量發(fā)展趨勢

圖3 各容量裝機抽水蓄能電站總裝機發(fā)展趨勢

目前，中國在建單機容量最大的抽水蓄能電站為廣東陽江抽水蓄能電站，單機容量400 MW[17]；總裝機最大為河北豐寧抽水蓄能電站，裝機容量為3600 MW[18]。

2.2 抽水蓄能電站建設(shè)從負荷側(cè)向電源側(cè)轉(zhuǎn)移

圖4 各地區(qū)抽水蓄能電站總裝機容量發(fā)展趨勢

2.3 變速抽水蓄能電站將快速發(fā)展

變速抽水蓄能技術(shù)是抽水蓄能發(fā)展的重要方向，是最具代表性的國際前沿技術(shù)之一[5]，尚屬卡脖子技術(shù)。目前，中國正在建設(shè)的河北豐寧抽水蓄能電站[19]主要引進國外機組，采用雙饋式變速模式，得益于變速機組具有的快速響應、寬調(diào)節(jié)范圍、無功支撐等優(yōu)點，非常適合與新能源進行互補聯(lián)合發(fā)電，特別是補償新能源快速功率波動[20-22]。

為突破變速抽水蓄能關(guān)鍵技術(shù)，國家重點研發(fā)計劃“十三五”智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點專項安排了兩個項目進行技術(shù)攻關(guān)：1)由中國南方電網(wǎng)有限責任公司承擔的“海水抽水蓄能電站前瞻技術(shù)研究”項目，該項目研發(fā)了10 MW雙饋式變速抽水蓄能機組樣機，并開發(fā)試驗平臺[23-26]；2)由國網(wǎng)四川省電力公司牽頭的“分布式光伏與梯級小水電互補聯(lián)合發(fā)電技術(shù)研究及應用示范”項目，該項目將研發(fā)國內(nèi)首臺全功率變速恒頻抽水蓄能機組，并在220 kV春廠壩電站擴建5 MW全功率變速抽水蓄能示范電站[27-30]。

研究表明，為保證系統(tǒng)靈活性和經(jīng)濟性，抽水蓄能應占系統(tǒng)總裝機容量的10%～15%，其中，變速抽水蓄能機組容量應占抽水蓄能機組裝機容量的25%以上[5]。在未來新能源快速增長的形勢下，隨著中國裝備技術(shù)的突破，變速抽水蓄能必將迎來快速發(fā)展。

2.4 基于常規(guī)梯級水電改/擴建抽水蓄能電站成為快速發(fā)展模式之一

由于常規(guī)大型抽水蓄能電站建設(shè)周期長，一般需要6～8年，短期內(nèi)很難滿足新能源爆發(fā)式增長的需要。為了盡量滿足新能源并網(wǎng)需求，可通過對常規(guī)梯級水電進行改/擴建，利用原有的引水系統(tǒng)和上下水庫，可大幅節(jié)約投資成本，且建設(shè)期一般在2年以內(nèi)，有以下兩種模式：

1)通過對梯級水電進行改造，在年調(diào)節(jié)及多年調(diào)節(jié)水電站中增加抽水泵或者擴建抽水蓄能機組，形成具有季調(diào)節(jié)能力的大型抽水蓄能電站，實現(xiàn)跨季節(jié)的削峰填谷，減少棄水，提高枯水期發(fā)電能力，同時增強系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力。這是短期內(nèi)增強系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的重要手段之一。

2)隨著電力電子設(shè)備成本下降，以全功率變速恒頻抽水蓄能機組技術(shù)為基礎(chǔ)，對常規(guī)梯級小水電進行改/擴建，形成中小型變速抽水蓄能電站。作為一種優(yōu)質(zhì)的儲能資源，其具有建設(shè)周期短、響應速度快、調(diào)節(jié)范圍廣、運行效率高、無功支撐能力強等優(yōu)點[31]，非常適合與新能源進行互補聯(lián)合發(fā)電，是未來抽水蓄能發(fā)展的重要方向之一[32]。

3 四川電網(wǎng)應用抽水蓄能前景分析

3.1 四川電網(wǎng)電源情況

四川水電資源豐富，技術(shù)可開發(fā)量為148 GW，經(jīng)濟可開發(fā)量為145 GW。截止2020年年底，四川電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機101.05 GW，其中水電占主導地位，裝機容量78.92 GW，占78.1%；新能源裝機比例較小，僅為6.17 GW，占6.11%，如圖5所示。隨著雙碳目標的提出，四川新能源也迎來爆發(fā)式增長，根據(jù)規(guī)劃，到“十四五”末，四川風電、光伏均將達到10 GW，新能源裝機容量比例達到13.25%；到2030年，新能源裝機容量將超過40 GW ，比例超過20%。雖然總體而言，四川新能源裝機容量比例不高，但是由于四川新能源資源主要集中在川西地區(qū)(如圖6所示)，特別是在河流、峽谷地帶，風、光資源豐富，使得四川在川西局部地區(qū)新能源比例高，給局部電網(wǎng)安全運行帶來極大挑戰(zhàn)。

圖5 四川電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)及增長趨勢

圖6 四川電網(wǎng)河流及光照資源分布

3.2 四川電網(wǎng)面臨的主要問題

1)水電豐枯期特性差異明顯、調(diào)節(jié)能力不足

四川水電站以無調(diào)節(jié)和日調(diào)節(jié)的徑流式水電站為主，如圖7所示，圖中外環(huán)表示各類型電站數(shù)量占比，內(nèi)環(huán)表示各類型電站裝機容量比例?？梢钥吹剑瑥难b機容量看，徑流式水電比例約50%，季調(diào)節(jié)水電比例為25%，具有年及多年調(diào)節(jié)能力的不超過30%，整體調(diào)節(jié)性能較差。由于河流天然來水的豐枯差異大，四川電網(wǎng)水電枯水期發(fā)電能力僅為豐水期的1/4～1/3左右，水電發(fā)電量明顯不足。

圖7 四川電網(wǎng)水電站主要調(diào)節(jié)性能比例

2)豐水期少棄水和保外送的聯(lián)合作用下，調(diào)峰能力不足

四川電網(wǎng)豐水期(6月—10月)水電發(fā)電能力富裕，需要大規(guī)模外送消納，截止2020年年底四川水電外送能力34 GW，跨省外送能力全國第一。一方面，徑流式水電站豐水期都具備滿發(fā)的能力，參與調(diào)峰必然棄水，一般承擔基荷；另一方面，為了減輕受端電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，水電跨省外送曲線應避免出現(xiàn)“反調(diào)峰”特性。因此，在少棄水和保外送的聯(lián)合作用下四川電網(wǎng)豐水期存在調(diào)峰能力不足的問題。

3)負荷中心電源空心化，高峰時段供電能力不足

隨著川西大量新增水電投產(chǎn)，并經(jīng)過梯格型網(wǎng)架接力式送出，成都、川南負荷中心穿越潮流加重。在“雙碳”政策背景下，負荷中心新建常規(guī)能源難度極大，呈現(xiàn)“電源空心化”特點，導致重負荷、大外送方式下電壓調(diào)節(jié)困難，電壓穩(wěn)定水平不足。

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，成渝中心城市帶負荷增長迅速，城市配電網(wǎng)建設(shè)速度無法滿足高峰負荷供電需求。以成都為例，2020年，最高負荷達到15.026 GW，較2019年增長12.6%，但最大負荷超過14 GW僅2天，最大負荷超過12 GW只有21天，單純依靠新增電網(wǎng)投資滿足高峰負荷用的需求會造成大量的投資浪費。

3.3 四川電網(wǎng)抽水蓄能的應用分析

3.3.1 四川抽水蓄能電站現(xiàn)狀

1993年1月13日，中國第一座自行設(shè)計、制造的混流可逆式抽水蓄能電站——寸塘口抽水蓄能電站，在四川省蓬溪縣建成投產(chǎn)，發(fā)電裝機容量為2000 kW，抽水容量為2500 kW[33]。該電站已停止運行，當前四川電網(wǎng)沒有在運的抽水蓄能電站。

作為國家重點研發(fā)計劃項目的示范工程，四川正在建設(shè)春廠壩變速抽水蓄能電站，電站位于阿壩州小金縣，春廠壩原常規(guī)機組裝機容量54 MW，利用原春廠壩電站引水管道擴建1臺5 MW全功率變速抽蓄機組，如圖8所示。

圖8 春廠壩常規(guī)水電擴建抽水蓄能機組

電站建成后，將與木坡、贊拉、猛固橋三座梯級小水電以及美興光伏電站互補運行，構(gòu)成梯級水光蓄互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，為支撐大規(guī)模新能源并網(wǎng)，助力實現(xiàn)“雙碳”目標建立工程樣板，示范工程如圖9所示。

圖9 梯級水光蓄互補聯(lián)合發(fā)電示范工程

3.3.2 四川抽水蓄能電站應用場景

根據(jù)《征求意見稿》中提到的重點實施項目，四川規(guī)劃抽水蓄能電站裝機容量總計約10.10 GW，主要分布在甘孜、成都、阿壩和綿陽等地區(qū)。結(jié)合四川電網(wǎng)特點，未來抽水蓄能電站將在電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)發(fā)揮重要作用。

1)電源側(cè)：通過建設(shè)抽水蓄能電站與規(guī)?；履茉催M行互補，四川新能源比例雖然不高，但大多分布在“三州一市”的川西地區(qū)，與水力資源在地理上存在天然的互補性，在風電、光伏等新能源出力高峰時段進行抽水，并通過抽水蓄能的快速響應特性補償新能源的快速功率波動，解決新能源大規(guī)模接入帶來的間歇性和波動性問題，提升新能源并網(wǎng)友好性。并且，由于抽水蓄能作為一種大容量、長周期儲能，可通過共享儲能等輔助服務模式解決新能源并網(wǎng)對儲能的需求。此外，還可以建設(shè)季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，實現(xiàn)天然來水的季節(jié)性轉(zhuǎn)移，提高梯級水電站群枯水期的發(fā)電量。

2)電網(wǎng)側(cè)：通過在成都、綿陽等負荷中心新建抽水蓄能電站，可以在負荷低谷時段抽水、高峰時段發(fā)電，達到削峰填谷的作用，可有效延緩輸配電網(wǎng)投資。能夠提高電網(wǎng)調(diào)峰能力，減少調(diào)峰棄水電量，保證水電外送曲線符合受端電網(wǎng)需求。更重要的是，作為負荷中心具有快速響應能力的優(yōu)質(zhì)電源，抽水蓄能電站具有調(diào)頻、調(diào)相功能，可對負荷中心起到無功電壓支撐、緊急事故備用、黑啟動等作用，確保負荷中心安全穩(wěn)定供電。

4 結(jié) 論

上面對抽水蓄能發(fā)展現(xiàn)狀進行總結(jié)，重點分析了抽水蓄能的發(fā)展趨勢，指出電源側(cè)、大容量、可變速、梯級水電融合改造將是抽水蓄能未來發(fā)展的重點方向。分析了四川電網(wǎng)電源裝機容量特點和存在的問題，結(jié)合抽水蓄能的發(fā)展趨勢，提出了四川應用抽水蓄能的主要場景和模式。通過在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)建設(shè)抽水蓄能電站，將有助于解決四川電網(wǎng)面臨的水電調(diào)節(jié)能力不足、少棄水和保外送矛盾、高峰時段供電能力不足以及電源空心化等問題。隨著“雙碳”目標的提出和新型電力系統(tǒng)的加快構(gòu)建，抽水蓄能迎來更為廣闊的發(fā)展天地。