房 蒙，陳 艇，孟 克

(1.杭州亞太水電設(shè)備成套技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310012；2.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

0 引 言

為實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，我國正大力發(fā)展風(fēng)電、太陽能等新能源，積極構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，但由于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源的隨機性、波動性和間歇性，難以保障電網(wǎng)安全可靠運行和滿足電力負(fù)荷實際變動的需求；而抽水蓄能電站響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、運行工況多，是技術(shù)成熟、成本相對較低且運行可靠的調(diào)峰、調(diào)頻、儲能備用電源。在現(xiàn)有分布式小水電和區(qū)域水文地理條件的基礎(chǔ)上，對比分析微型抽蓄電站改造前后的經(jīng)濟可行性，可為小水電站的改造提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 概 述

小水電一般是指裝機容量5萬kW及以下的水電站，在容量角度上處于所有水電站的末端，世界小水電在整個水電的比重大約在5%～6%。我國河流眾多，水力資源充沛，全國水能資源理論蘊含量達(dá)6.94億kW，其中技術(shù)可開發(fā)量約5.42億kW，約占全世界水能資源總量的六分之一，居世界第一位。另外，我國的小水電資源分布較廣泛，特別是在因地制宜可開發(fā)利用的偏遠(yuǎn)山區(qū)和廣大農(nóng)村地區(qū)，建成后的小水電站既可以解決當(dāng)?shù)赜秒娎щy的問題，又可以發(fā)展地方經(jīng)濟，并給投資人帶來相應(yīng)的回報效益；但隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，小水電產(chǎn)生的負(fù)面影響日益突出。小水電站裝機容量小，正常情況下在豐水期只發(fā)有功，在枯水期只發(fā)無功甚至停運，影響了電網(wǎng)調(diào)度運行和電能質(zhì)量。因此，改造小水電使其適應(yīng)現(xiàn)代社會的發(fā)展需求迫在眉睫。

2 微型抽蓄電站的作用

抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調(diào)節(jié)電源，與風(fēng)電、太陽能發(fā)電、核電、火電等配合效果較好。加快發(fā)展抽水蓄能，是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的迫切要求，是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要支撐，是可再生能源大規(guī)模發(fā)展的重要保障[1]。

在水電與風(fēng)、光等可再生能源的互補中，抽水蓄能作為一種儲能方式，可以配合風(fēng)電等可再生能源大規(guī)模發(fā)展，平抑風(fēng)電等可再生能源的隨機性、波動性、間歇性缺點，提高電力系統(tǒng)對風(fēng)電等可再生能源的消納能力。同時，又能保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平，提高供電質(zhì)量。

在電力系統(tǒng)運行中，抽水蓄能電站具有以下特點：一是既可以作為電力用戶消納負(fù)荷，又可以作為發(fā)電站生產(chǎn)電能。二是可作為電網(wǎng)優(yōu)良的事故備用容量，可對負(fù)荷的急劇變化作出快速反應(yīng)，不僅效率高，而且運行靈活、可靠，并具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、自啟動等作用，能更好地保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。三是單位輸出電力成本最低，且具有易調(diào)控的特性，可很好地平衡因新能源對氣候要求比較高、發(fā)電不穩(wěn)定、不易準(zhǔn)確預(yù)計、隨氣象波動、無法很好地服從電力調(diào)度等問題。四是水能利用效能高，在用電低谷時，消納負(fù)荷做水泵工況運行抽水蓄能；在用電高峰時，放水發(fā)電承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷需求。

3 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)

根據(jù)國家能源局最新發(fā)布的《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，到2025年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模較“十三五”翻一番，達(dá)到6 200萬kW以上；到2030年，抽水蓄能總投產(chǎn)規(guī)模較“十四五”再翻一番，達(dá)到1.2億kW左右。與此同時，國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動方案》目標(biāo)要求，到2030年，非化石能源消費比重達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量達(dá)到12億kW以上，這意味著風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上增加2.4倍。

我國具有庫容10萬m3及以上水庫的小水電站共有10 363座，其中庫容10萬m3(含)～100萬m3電站4 213座，庫容100萬m3(含)～1 000萬m3電站3 535座，庫容1 000萬m3及以上電站2 615座，詳見圖1。

圖1 小水電站庫容分布

小水電站的庫容調(diào)節(jié)可以增加電網(wǎng)柔韌性，如能結(jié)合風(fēng)光等新能源開發(fā)利用，將其改造成抽水蓄能電站，可促進(jìn)隨機性可再生能源的消納，這類形式將是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要組成部分。

抽水蓄能電站雖然初始投資大，受地理環(huán)境因素限制，但建成以后穩(wěn)定營運期一般超過50 a，甚至長達(dá)100 a。根據(jù)澳洲國立大學(xué)研究團隊的成本模型數(shù)據(jù)：使用100%可再生能源電力系統(tǒng)(抽水蓄能儲能)發(fā)電成本約206元/MW·h，總度電成本約340元/MW·h(約合人民幣0.34元/kW·h)。電化學(xué)儲能雖然裝機成本低，但壽命短，當(dāng)前成本較低的磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命只有5 000次左右，導(dǎo)致其度電成本約0.62～0.82元/kW·h，是抽水蓄能電站的2倍。未來以風(fēng)電、太陽能為主要電力來源，配合抽水蓄能、特高壓、智能電網(wǎng)[3]，能以較為經(jīng)濟的成本構(gòu)建起以可再生能源為主的新型電力系統(tǒng)，詳見圖2。

圖2 新型電力系統(tǒng)(可再生能源)

4 案例分析

浙江省某地在運小水電站裝機容量3 200 kW(2×1 600 kW)，發(fā)電設(shè)計流量2.687 m3/s，上水庫庫容450萬m3；下水庫庫容約128萬m3。經(jīng)過測算，選擇2臺功率為2 240 kW的抽水水泵。

在不改變其水輪發(fā)電機組裝機容量的前提下，結(jié)合現(xiàn)有實際條件將其改造為抽水蓄能電站。根據(jù)該電站歷年數(shù)據(jù)得知：其實際多年平均發(fā)電量約為625萬kW·h，多年平均利用小時約為2 000 h，其中峰電時間約占90%，即峰電時段約為1 800 h，谷電時段約200 h。

根據(jù)浙江省某市優(yōu)化后的峰谷時段劃分：高峰時段由8∶00—22∶00調(diào)整為7∶00—11∶00、13∶00—23∶00；低谷時段由22∶00—次日8∶00調(diào)整為11∶00—13∶00、23∶00—次日7∶00。即高峰時段為每天14 h，全年365×14=5 110 h；谷電時段為每天10 h，全年365×10=3 650 h。

抽水蓄能電站運行時間一般為谷電時段抽水，峰電時段發(fā)電，因其水輪發(fā)電機組容量沒有增加，故抽水、發(fā)電時段不擠占原有發(fā)電時間；具體為梅雨期、臺風(fēng)期及上庫水位較高時段，電站停止抽水運行，水電站發(fā)電運行主要利用自然徑流。

在理想情況下，電站可為抽水蓄能騰出的發(fā)電時間(峰電)為5 110-1 800=3 310 h，考慮80%的可利用系數(shù)，實際抽水蓄能發(fā)電時間為3 310×80%=2 648 h；抽水時間與發(fā)電時間按1∶1考慮，抽水時間也為2 648 h。因此，其抽水蓄能全年運行時間為2 000+2 648+2 648=7 296 h，還有8 760-7 296=1 464 h可用于機動，詳見表1。

表1 改造為抽蓄電站后運行時間比較

結(jié)合優(yōu)化后的分時電價體系，采用夜間低谷時段抽水，白天高峰時段發(fā)電，所不同的是電價政策。電量電價方面，發(fā)電時作為小水電站，執(zhí)行小水電站峰段發(fā)電電價0.595元/kW·h；抽水時作為大工業(yè)用戶，執(zhí)行低谷電價0.266 1元/kW·h。容量電價方面，與保障常規(guī)大工業(yè)用戶電力需求消耗調(diào)節(jié)資源不同，小微型抽水蓄能增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，節(jié)約上一電壓等級電網(wǎng)的輸送容量，暫不考慮收取變壓器容量費，因此抽蓄和電網(wǎng)互相不收容(需)量電費。理想條件下，改造后年峰谷價差收入較之前增加約173.3萬元。結(jié)合上下庫天然來水量，抽水蓄能電站在低谷時段用電成本將會減少，這個收益還會有所增加。

5 結(jié) 語

隨著日益凸顯的全球氣候變暖和化石能源匱乏等問題，開發(fā)利用綠色可再生能源供電已然迫在眉睫；隨著微型抽蓄電站的改造建成，一定程度上可提升其設(shè)備的利用效率，使當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的調(diào)峰能力得以改善，又能重復(fù)利用水資源，也對促進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源加快發(fā)展、有效消納提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)。