摘要：混合式抽水蓄能電站是一種既有抽水蓄能又有徑流發(fā)電功能的水電站，是一種優(yōu)質(zhì)的長(zhǎng)時(shí)蓄能方式，有助于推動(dòng)流域水風(fēng)光蓄一體化清潔能源基地開(kāi)發(fā)。從規(guī)劃選址、工程設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、調(diào)度運(yùn)行等方面，對(duì)混合式抽水蓄能電站的建設(shè)運(yùn)行的關(guān)鍵工程技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究。研究認(rèn)為：混合式抽水蓄能電站不需要新建上、下水庫(kù)，建設(shè)征地移民少，可與原常規(guī)水電站一并打捆送出，但需要重點(diǎn)考慮對(duì)生態(tài)環(huán)境和原水庫(kù)的影響，從而合理論證裝機(jī)規(guī)模。特別要在機(jī)組設(shè)計(jì)制造、長(zhǎng)距離引水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、已建水庫(kù)進(jìn)/出水口施工、抽水可靠度與河道疏浚、一體化運(yùn)行調(diào)度方式等諸多方面深入研究論證，優(yōu)化工程投資。建議擇優(yōu)選址，因地制宜、穩(wěn)步推進(jìn)開(kāi)發(fā)混合式抽水蓄能電站。

關(guān) 鍵 詞：混合式抽水蓄能電站； 水風(fēng)光蓄清潔能源； 新型電力系統(tǒng)； 規(guī)劃選址； 調(diào)度運(yùn)行

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV743

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.11.007

0 引 言

在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)引領(lǐng)下，中國(guó)掀起了加快推進(jìn)能源革命、促進(jìn)可再生能源開(kāi)發(fā)、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的熱潮，未來(lái)電力系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高比例新能源并網(wǎng)，需要更多的調(diào)節(jié)性電源抵消風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電間歇性、波動(dòng)性的不良影響，為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供穩(wěn)定支撐。

抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)條件的清潔、靈活調(diào)節(jié)電源，具有承擔(dān)電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、儲(chǔ)能、事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能，與風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、核電等聯(lián)合運(yùn)行效果好，被稱(chēng)為電力系統(tǒng)的“調(diào)節(jié)器”和“穩(wěn)定器”。加快發(fā)展抽水蓄能，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的迫切要求，是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要支撐，是可再生能源大規(guī)模發(fā)展的重要保障，是實(shí)現(xiàn)中國(guó)雙碳目標(biāo)的當(dāng)務(wù)之急^［1］。

混合式抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)混蓄電站）是一種既有抽水蓄能又有徑流發(fā)電功能的水電站，是抽水蓄能電站的一種重要組成形式，也是一種理想的“優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)時(shí)蓄能”方式^［1-2］?；煨铍娬狙b機(jī)容量增大、調(diào)峰能力增強(qiáng)，連續(xù)發(fā)電和抽水運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，不僅能利用水電站棄水發(fā)電、提高水能利用效率，還可以進(jìn)行日、周、旬甚至季調(diào)節(jié)，在服務(wù)新能源發(fā)電方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以更好地滿(mǎn)足電力系統(tǒng)和清潔能源基地對(duì)調(diào)節(jié)能力的需要，綜合效益顯著^［3］。混蓄電站不需要新建上、下水庫(kù)，只需新建輸水發(fā)電系統(tǒng)，通常不涉及重大環(huán)境敏感對(duì)象，涉及征地移民少，地質(zhì)資料積累豐富，運(yùn)維費(fèi)用少，易于快速實(shí)施建設(shè)和發(fā)揮功能效益^［4-7］。在新型電力系統(tǒng)和新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的形勢(shì)下，混蓄電站將迎來(lái)快速發(fā)展，有效推動(dòng)流域水風(fēng)光蓄一體化清潔能源基地開(kāi)發(fā)。

中國(guó)主要流域已建、在建較多大中型梯級(jí)水電站，很多都具有建設(shè)混蓄電站的條件。目前中國(guó)已建有白山混蓄（裝機(jī)30萬(wàn)kW）^{［6，8］}、潘家口混蓄（27萬(wàn)kW）、響洪甸混蓄（8萬(wàn)kW）等。新一輪抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃也提出了一批混蓄電站，包括兩河口、葉巴灘、龍羊峽、安康、梨園阿海、關(guān)嶺光馬、雙江口、拉哇等混蓄電站均在積極推進(jìn)前期工作，目前兩河口混蓄（120萬(wàn)kW）^［9］、烏溪江混蓄（29.8萬(wàn)kW）、緊水灘混蓄（29.7萬(wàn)kW）、古田溪混蓄（25萬(wàn)kW）等均已核準(zhǔn)在建，混蓄電站迎來(lái)了大規(guī)模發(fā)展時(shí)期。

混蓄電站與常規(guī)抽水蓄能電站存在很大的不同：一方面混蓄電站需要做好與常規(guī)水電工程銜接，特別關(guān)注運(yùn)行方式、工程布置條件、機(jī)組適應(yīng)性、施工組織、環(huán)境影響等；另一方面混蓄電站設(shè)計(jì)施工更為復(fù)雜，需要針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題深入論證，例如兩河口混蓄、葉巴灘混蓄電站等就具有裝機(jī)容量大、調(diào)節(jié)庫(kù)容大、抽水發(fā)電流量大、進(jìn)/出水口埋深大、施工難度大、機(jī)組選型和設(shè)計(jì)難度大、運(yùn)行調(diào)度復(fù)雜等特點(diǎn)。

本文結(jié)合兩河口混蓄電站等實(shí)際案例的工程經(jīng)驗(yàn)，從規(guī)劃選址、工程設(shè)計(jì)、施工建設(shè)與運(yùn)行調(diào)度等方面，對(duì)混蓄電站建設(shè)運(yùn)行的關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)相關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 規(guī)劃選址方面

1.1 梯級(jí)建設(shè)條件

1.1.1 電站服務(wù)對(duì)象

混蓄電站的應(yīng)用場(chǎng)景主要是服務(wù)新能源基地，帶動(dòng)新能源開(kāi)發(fā)，常位于新能源富集地區(qū)，特別適合水電調(diào)節(jié)新能源之后還有富余的地方。若周邊電網(wǎng)網(wǎng)架比較薄弱，混蓄電站可起到重要的支撐作用。

大型混蓄電站服務(wù)電力系統(tǒng)的情況比較少見(jiàn)，主要還是中小型混蓄電站。從地理位置來(lái)看，流域梯級(jí)水電站一般位于深山峽谷，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)一般位于平原和盆地，大型混蓄電站一般遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。

1.1.2 依托的水電站水庫(kù)

通過(guò)多方案規(guī)劃比選，混蓄電站建設(shè)需首先確定合適的梯級(jí)水電站上、下水庫(kù)^［10］，主要是分析上、下庫(kù)落差是否足夠，上、下庫(kù)庫(kù)容是否富裕可利用，進(jìn)/出水口位置是否具有布置條件，增加混蓄后梯級(jí)整體流量是否協(xié)調(diào)等因素^{［2，11］}。考慮混蓄電站水頭落差需要，上水庫(kù)一般考慮壩高百米甚至200 m，因此多為大型年、季調(diào)節(jié)水庫(kù)；下水庫(kù)有條件可選擇年、季調(diào)節(jié)水庫(kù)，或者選擇有富余庫(kù)容的日調(diào)節(jié)水庫(kù)。圖1為兩河口混蓄電站布置示意。

1.1.3 工程影響因素

混蓄電站不新建水庫(kù)，不新增水庫(kù)淹沒(méi)和移民搬遷，也不涉及重大環(huán)境敏感對(duì)象，一般泥沙問(wèn)題不突出，也不存在水源問(wèn)題，主要考慮對(duì)已建水庫(kù)電站影響和生態(tài)環(huán)境影響?；煨铍娬镜木喔弑葍H作為參考，主要考慮輸水系統(tǒng)的合理布置，選擇地質(zhì)條件較好、距離較短、過(guò)流條件好的輸水線路和進(jìn)/出水口^［12］。

1.1.4 外部建設(shè)環(huán)境

主要考慮混蓄電站周邊的新能源資源條件和通道送出條件^［13］?；煨铍娬具m宜布局在風(fēng)電、光伏豐富的水庫(kù)電站，特別是在流域水風(fēng)光蓄一體化基地內(nèi)，充分發(fā)揮促進(jìn)新能源消納的儲(chǔ)能作用，通過(guò)新能源分?jǐn)偼顿Y和回收效益?；煨铍娬疽伺c常規(guī)水電電力互聯(lián)，保證輸電可靠，同時(shí)依托原常規(guī)水電的通道一并打捆送出，提高送電效率。此外，考慮開(kāi)發(fā)主體協(xié)調(diào)和利益分?jǐn)?，上、下水?kù)電站屬于同一開(kāi)發(fā)主體有利于混蓄電站開(kāi)發(fā)，或者上、下水庫(kù)不同主體共同開(kāi)發(fā)混蓄電站。

1.2 生態(tài)環(huán)境可行性

混蓄電站的開(kāi)發(fā)建設(shè)要堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先，從規(guī)劃開(kāi)始就貫徹環(huán)保理念，嚴(yán)格論證混蓄電站產(chǎn)生的環(huán)境影響，盡可能達(dá)成開(kāi)發(fā)與保護(hù)的協(xié)調(diào)。

1.2.1 水文情勢(shì)影響

（1） 對(duì)上、下水庫(kù)庫(kù)區(qū)的影響。上、下庫(kù)的庫(kù)容越大，混蓄電站利用庫(kù)容比例越小，對(duì)水庫(kù)水位的波動(dòng)越小，對(duì)庫(kù)區(qū)的水文情勢(shì)影響就越小?；煨铍娬緦?duì)于年季調(diào)節(jié)水庫(kù)的影響較小，對(duì)于日調(diào)節(jié)水庫(kù)的影響較大，混蓄電站的日內(nèi)頻繁抽水和發(fā)電運(yùn)行，不會(huì)增加日調(diào)節(jié)水庫(kù)最大消落深度，但會(huì)加大水庫(kù)的水位漲落頻率和平均水位變幅。

（2） 對(duì)下水庫(kù)下游的影響。混蓄電站發(fā)電和抽水實(shí)際上增大了下水庫(kù)的入庫(kù)流量變幅，增加了下水庫(kù)的反調(diào)峰任務(wù)，給日調(diào)節(jié)下水庫(kù)的庫(kù)容運(yùn)用和壩下游水位變幅的穩(wěn)定增加了挑戰(zhàn)。

綜上，規(guī)劃選址時(shí)應(yīng)盡可能梳理各類(lèi)抽水、發(fā)電工況，科學(xué)評(píng)價(jià)不同徑流來(lái)水條件、不同發(fā)電和抽水流量對(duì)庫(kù)區(qū)和下游的水文情勢(shì)影響。

1.2.2 水生生物的影響

（1） 對(duì)庫(kù)區(qū)的魚(yú)類(lèi)影響?；煨铍娬緯?huì)帶動(dòng)水庫(kù)的水位頻繁漲落，抽水工況在進(jìn)/出水口附近會(huì)形成反向水流，可能對(duì)洄游魚(yú)類(lèi)的生活產(chǎn)生一定影響，水庫(kù)庫(kù)容越大、混蓄電站抽水流量越小，產(chǎn)生的影響越小。

（2） 對(duì)下水庫(kù)下游的魚(yú)類(lèi)影響。針對(duì)下游存在魚(yú)類(lèi)棲息地的情況，為保障下游魚(yú)類(lèi)繁殖、魚(yú)卵孵化和幼魚(yú)發(fā)育，要求通過(guò)生態(tài)調(diào)度，保證壩下流水生境和水位的相對(duì)穩(wěn)定，水位變幅控制在一定范圍。混蓄電站的建設(shè)要充分發(fā)揮下水庫(kù)的反調(diào)節(jié)作用，通過(guò)合理的調(diào)度措施，盡可能為下游魚(yú)類(lèi)創(chuàng)造穩(wěn)定的水流環(huán)境。

綜上，混蓄電站規(guī)模越大，對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響越大，規(guī)劃選址時(shí)應(yīng)合理論證混蓄電站的裝機(jī)規(guī)模，確保發(fā)電和抽水流量能夠與魚(yú)類(lèi)的生存和繁殖相適應(yīng)。

1.2.3 水溫的影響

通?；煨铍娬旧纤畮?kù)為高壩大庫(kù)，在春季存在庫(kù)區(qū)水溫分層現(xiàn)象。以?xún)珊涌谒畮?kù)為例，4～7月表層水溫升溫最明顯，表層30 m深水體水溫可達(dá)15 ℃，底部水溫幾乎不變，維持5 ℃的低溫?；煨畛樗r會(huì)帶動(dòng)下水庫(kù)的水流向上水庫(kù)摻混，對(duì)改善水溫略有作用，但作用不顯著?；煨畎l(fā)電工況可能導(dǎo)致上水庫(kù)的底層低溫水進(jìn)入下水庫(kù)，影響下游的水溫，帶來(lái)不利的影響。必要時(shí)，可開(kāi)展水動(dòng)力與水溫耦合數(shù)值模擬，具體分析混蓄電站可能帶來(lái)的水溫影響。

考慮樞紐布置和水力過(guò)渡條件，目前抽水蓄能電站暫無(wú)水溫控制措施，而原常規(guī)水電考慮環(huán)保要求一般設(shè)置了疊梁門(mén)、表層取水措施等，應(yīng)通過(guò)合理的水溫調(diào)度措施，盡可能通過(guò)常規(guī)水電機(jī)組發(fā)電，不增加混蓄發(fā)電對(duì)水溫降低的影響。

1.2.4 開(kāi)發(fā)與保護(hù)協(xié)調(diào)案例

混蓄電站有條件通過(guò)運(yùn)行調(diào)度實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的協(xié)調(diào)。以?xún)珊涌诨煨铍娬緸槔?，兩河口水?kù)80 m消落深度帶來(lái)了機(jī)組寬變幅研發(fā)難題，推薦的定速機(jī)組方案難以保障低水頭段的發(fā)電工況穩(wěn)定運(yùn)行，建議4～7月份兩河口水庫(kù)位于低水位時(shí)，混蓄機(jī)組不發(fā)電，轉(zhuǎn)由常規(guī)水電機(jī)組代為發(fā)電。此方案的優(yōu)點(diǎn)包括：① 避免了混蓄機(jī)組和常規(guī)水電機(jī)組同步調(diào)峰帶來(lái)的發(fā)電流量疊加，可減少下水庫(kù)反調(diào)節(jié)難度，緩解下水庫(kù)消落幅度，更好保持下庫(kù)壩下游的水文情勢(shì)穩(wěn)定。② 下游魚(yú)類(lèi)的主要繁殖期也是4～7月，混蓄機(jī)組不發(fā)電更有利于下水庫(kù)壩下游的流量變幅控制，有利于生態(tài)調(diào)度的實(shí)施效果。③ 水溫分層現(xiàn)象最明顯也是在4～7月份，混蓄機(jī)組不發(fā)電避免了新增低溫水下泄，利用原常規(guī)水電的溫控措施有效減緩低溫水的影響。

1.3 對(duì)上、下水庫(kù)功能的影響

混蓄電站一般利用已建或待建的電站水庫(kù)作為上、下水庫(kù)，部分水庫(kù)具有防洪、供水、航運(yùn)等功能?；煨铍娬疽?guī)劃選址需要考慮對(duì)其防洪、供水、發(fā)電等的影響。

1.3.1 防洪影響

2023年水利部印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)水庫(kù)庫(kù)容管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》，指出為確保水庫(kù)安全運(yùn)行和防洪興利效益充分發(fā)揮，“禁止在有防洪任務(wù)的水庫(kù)建設(shè)抽水蓄能電站等侵占庫(kù)容和分隔庫(kù)區(qū)水面的行為”。因此新規(guī)劃選址的混蓄項(xiàng)目應(yīng)避免選擇具有防洪任務(wù)的水庫(kù)，已經(jīng)在建設(shè)的混蓄電站需要進(jìn)一步加強(qiáng)防洪影響專(zhuān)題論證。

混蓄電站上水庫(kù)一般為高壩大庫(kù)，調(diào)節(jié)能力多為年、季調(diào)節(jié)，混蓄電站占用的庫(kù)容相對(duì)整個(gè)水庫(kù)比例很小，日內(nèi)的抽水發(fā)電對(duì)水庫(kù)水位的影響也很小，對(duì)于原水庫(kù)的年內(nèi)運(yùn)行調(diào)度基本沒(méi)有影響，也不會(huì)改變?cè)畮?kù)的特征水位和防洪功能。例如兩河口混蓄所需的日調(diào)節(jié)庫(kù)容僅1 300～1 500萬(wàn)m3，占兩河口水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容比例僅為0.2%，日內(nèi)運(yùn)行對(duì)兩河口水庫(kù)水位的波動(dòng)影響僅0.1 m左右。混蓄電站規(guī)模越大，對(duì)原水庫(kù)的影響越大，因此混蓄電站應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化裝機(jī)規(guī)模，深入開(kāi)展防洪影響專(zhuān)題論證，提交水行政主管部門(mén)進(jìn)行審查，科學(xué)判斷混蓄電站對(duì)防洪的影響。

1.3.2 供水、航運(yùn)等影響

若混蓄電站水庫(kù)涉及灌溉供水功能，需開(kāi)展功能影響論證，分析混蓄建設(shè)是否影響灌溉供水的庫(kù)容，如有影響是否具有可行的補(bǔ)償措施，如具有可行的替代方案可否將灌溉供水功能取消等。

若混蓄電站水庫(kù)涉及航運(yùn)功能，要分析混蓄電站抽水、發(fā)電對(duì)船舶通行造成的影響，除流量與水庫(kù)水位變化分析外，必要時(shí)還可開(kāi)展進(jìn)/出水口附近河道水動(dòng)力數(shù)值模擬，分析航道范圍內(nèi)水流流場(chǎng)情況，以及是否影響航運(yùn)通行。

1.3.3 發(fā)電影響

混蓄電站的抽水和發(fā)電運(yùn)行可能影響上水庫(kù)的水位消落，下庫(kù)進(jìn)/出水口的正反向水流也可能對(duì)上水庫(kù)的發(fā)電尾水位造成影響，從而影響上水庫(kù)電站的發(fā)電水頭。由于上水庫(kù)庫(kù)容較大，發(fā)電水頭比較穩(wěn)定，混蓄電站對(duì)上水庫(kù)電站的發(fā)電影響很小。

混蓄電站的運(yùn)行將導(dǎo)致下水庫(kù)的水位消落深度增加，漲落頻次增加，從而導(dǎo)致下水庫(kù)的平均水位降低，減少下游水電站發(fā)電水頭和發(fā)電量。

綜上所述，混蓄電站規(guī)劃選址過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注梯級(jí)建設(shè)條件、生態(tài)環(huán)境可行性和對(duì)上下水庫(kù)功能影響，優(yōu)選布局位置、優(yōu)化裝機(jī)規(guī)模、堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、嚴(yán)格論證防洪影響，確保規(guī)劃的混蓄電站能夠落實(shí)開(kāi)發(fā)建設(shè)。

2 工程設(shè)計(jì)方面

2.1 機(jī)組設(shè)計(jì)制造

2.1.1 可逆式機(jī)組與抽水泵

若在梯級(jí)電站擴(kuò)建可逆式機(jī)組，則可形成混蓄電站；若擴(kuò)建抽水泵站，則形成混合式蓄能泵站^［11］。抽水泵機(jī)組僅具有抽水功能，發(fā)電功能需用原有水庫(kù)的常規(guī)水電機(jī)組來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此任務(wù)比較單一，不具備增加調(diào)峰和提高水能利用的能力。但是抽水泵機(jī)組在水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、部件材料選取、工況轉(zhuǎn)換、啟動(dòng)方式、輔助設(shè)備選擇等方面比可逆機(jī)組要求低。在進(jìn)行混蓄電站論證過(guò)程中，需要對(duì)可逆式機(jī)組與泵站機(jī)組進(jìn)行綜合比較，權(quán)衡混蓄泵站和混蓄電站的功能效益、投資造價(jià)和設(shè)計(jì)制造難度。

2.1.2 寬水頭變幅可逆式機(jī)組研發(fā)

混蓄電站常常遇到上水庫(kù)或下水庫(kù)消落深度較大的情況，其最大揚(yáng)程與最小水頭比（H_pmax/H_tmin）可能超過(guò)規(guī)范推薦值和國(guó)內(nèi)外同水頭段定轉(zhuǎn)速單級(jí)混流式水泵水輪機(jī)的上限，機(jī)組選型難度極大^［12-13］。例如兩河口水庫(kù)水位變幅達(dá)80 m，水泵水輪機(jī)最大揚(yáng)程與最小水頭比為1.54，類(lèi)似水頭段規(guī)范推薦值一般不超過(guò)1.3，國(guó)內(nèi)外已建工程一般不超過(guò)1.5。

國(guó)外類(lèi)似容量的變速機(jī)組較多，中國(guó)對(duì)抽蓄機(jī)組交流勵(lì)磁系統(tǒng)研究比較晚，目前主要集中在理論和實(shí)驗(yàn)研究階段，國(guó)內(nèi)廠家產(chǎn)品較少，且電廠對(duì)大型交流勵(lì)磁變速機(jī)組實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)少?；煨铍娬救舨捎米兯贆C(jī)組，機(jī)組設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行方面存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；但是變速機(jī)組對(duì)寬水頭變幅的適應(yīng)性?xún)?yōu)勢(shì)明顯，變速機(jī)組將成為未來(lái)混蓄電站的最終技術(shù)方案。

定轉(zhuǎn)速混流式水泵水輪機(jī)對(duì)水頭變幅比較敏感，滿(mǎn)足水泵水輪機(jī)在整個(gè)上、下庫(kù)全水頭長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行難度較大^［14］。超寬水頭變幅水泵水輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，體現(xiàn)在水輪機(jī)空載并網(wǎng)“S”特性、“無(wú)葉區(qū)”壓力脈動(dòng)、水泵空化特性等方面，要突破最大揚(yáng)程與最小水頭比的上限，同時(shí)保證水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)工況的穩(wěn)定要求和較高的能量指標(biāo)。

2.1.3 低水頭段發(fā)電

結(jié)合國(guó)內(nèi)主要機(jī)組制造廠家關(guān)于寬水頭變幅定速機(jī)組的技術(shù)研討，認(rèn)為經(jīng)過(guò)研發(fā)可以實(shí)現(xiàn)定速機(jī)組水泵工況全揚(yáng)程、發(fā)電工況中高水頭長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電工況較低水頭限制運(yùn)行，這表明目前制造水平仍難以保證混蓄電站在低水頭段的穩(wěn)定發(fā)電能力。

一種解決辦法是，在低水頭段、天然來(lái)流量小時(shí)，混蓄電站的發(fā)電功能由原上庫(kù)電站常規(guī)機(jī)組實(shí)施。以?xún)珊涌诨煨铍娬緸槔?，機(jī)組設(shè)計(jì)研發(fā)可實(shí)現(xiàn)水泵工況揚(yáng)程全覆蓋，發(fā)電工況196 m（對(duì)應(yīng)Hpmax/Htmin=1.38）及以上水頭全覆蓋，水頭196 m以下發(fā)電不考核。需要論證原常規(guī)水電站能否統(tǒng)籌混蓄機(jī)組的發(fā)電流量，是否具有足夠的富裕發(fā)電能力，是否會(huì)限制抽水工況產(chǎn)生不必要的棄風(fēng)棄光棄水。

另一種解決辦法是，通過(guò)運(yùn)行調(diào)度讓水庫(kù)保持合適的運(yùn)行水位，讓混蓄電站長(zhǎng)期處于高水頭發(fā)電工況，避免機(jī)組發(fā)電受阻，主要適用于上、下水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容都較大的情況，例如葉巴灘、龍羊峽、關(guān)嶺光馬^［15］等混蓄電站。需要論證運(yùn)行水位的控制是否能達(dá)到混蓄高水頭發(fā)電的要求，運(yùn)行水位的變化對(duì)原有水庫(kù)電站的影響是否可接受，運(yùn)行方式的變化調(diào)整是否可行等。

2.2 抽水運(yùn)行可靠度研究

2.2.1 抽水漏斗效應(yīng)

混蓄電站下水庫(kù)進(jìn)/出水口一般靠近上庫(kù)壩址下游，位于下水庫(kù)的庫(kù)尾，抽水工況將形成反向水流，且由于抽水流量較大、反向流速也較大，下水庫(kù)的回水在進(jìn)/出水口附近不僅不會(huì)壅高，反而會(huì)快速下跌，形成抽水漏斗效應(yīng)。當(dāng)下水庫(kù)為峽谷河道型水庫(kù)時(shí)，抽水漏斗效應(yīng)容易影響到下庫(kù)抽水運(yùn)行的可靠度，且進(jìn)/出水口附近水面越狹窄、抽水流量越大，水庫(kù)水位越低，抽水的可靠度也隨之越低，越容易出現(xiàn)抽水無(wú)法保證的情況，可能影響混蓄電站儲(chǔ)能效益的發(fā)揮。

根據(jù)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)，解決思路包括兩步。第一步是開(kāi)展下水庫(kù)抽水運(yùn)行與二維水動(dòng)力學(xué)模型的耦合數(shù)值模擬，建立混蓄下水庫(kù)抽水運(yùn)行調(diào)度與河道水動(dòng)力響應(yīng)之間的關(guān)系，分析不同抽水工況下的水動(dòng)力學(xué)規(guī)律。第二步是復(fù)核工程設(shè)計(jì)參數(shù)，開(kāi)展多方案比較，提出改善下水庫(kù)抽水運(yùn)行水流條件的各類(lèi)工程措施，提出下庫(kù)抽水可靠運(yùn)行的要求。

2.2.2 水動(dòng)力數(shù)值模擬

水動(dòng)力數(shù)值模擬對(duì)象是整個(gè)下水庫(kù)，一般包含三個(gè)水流交換邊界：上水庫(kù)電站的發(fā)電/出庫(kù)流量進(jìn)入，下水庫(kù)電站的發(fā)電/出庫(kù)流量流出，混蓄電站的抽水流量流出或發(fā)電流量進(jìn)入。模擬時(shí)段可以是早10：00至晚17：00的一個(gè)抽水周期，也可以是完整一天的抽水發(fā)電循環(huán)。模擬目標(biāo)是揭示抽水漏斗規(guī)律，分析河道水面反比降的范圍、出現(xiàn)漏斗的時(shí)間和影響抽水的敏感因素，判斷抽水工況是否可靠，復(fù)核最低運(yùn)行水位、調(diào)節(jié)庫(kù)容利用和連續(xù)滿(mǎn)抽小時(shí)數(shù)等^［16］。

結(jié)合兩河口混蓄的數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，在狹長(zhǎng)型河道布置下庫(kù)進(jìn)/出水口，通過(guò)適當(dāng)優(yōu)化進(jìn)/出水口位置、調(diào)整進(jìn)/出水口朝向角度，可以改善抽水的水流條件；抽水運(yùn)行可靠度與河道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e有關(guān)，并且受最窄斷面的瓶頸控制，通過(guò)擴(kuò)寬、挖深河道并保持整段過(guò)水?dāng)嗝娴耐〞?，有利于提高抽水運(yùn)行可靠度。河道擴(kuò)寬、挖深主要在進(jìn)/出水口下游的反向流河段，在進(jìn)/出水口上游河段的提升效果不顯著。

2.2.3 工程解決措施

提高抽水運(yùn)行可靠度的最直接措施是降低混蓄電站規(guī)模，降低抽水流量。另外的措施就是河道疏浚與整治，增加過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，并保持整個(gè)河道的通暢。具體方法是擬定不同的河道疏浚方案，包括疏浚河道長(zhǎng)度、疏浚寬度和深度等，結(jié)合水動(dòng)力模擬結(jié)果和施工方法措施研究，比較選擇代價(jià)最小、效果最好的河道疏浚方案。必要時(shí)，建立下水庫(kù)全庫(kù)物理模型試驗(yàn)，對(duì)水動(dòng)力特征、河道疏浚效果進(jìn)行驗(yàn)證，從而提高混蓄電站下庫(kù)抽水工況的運(yùn)行可靠度。以?xún)珊涌诨煨铍娬緸槔?，針?duì)河道疏浚方案開(kāi)展了一系列方案比較，進(jìn)行大量數(shù)值模擬，并通過(guò)物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，表明至少需疏浚約1.1 km河道才能保證較好的抽水運(yùn)行可靠度。

2.3 其他關(guān)鍵點(diǎn)

2.3.1 基礎(chǔ)資料

混蓄電站可充分依托原上、下水庫(kù)電站的設(shè)計(jì)資料，為混蓄工程設(shè)計(jì)提供便利?？梢岳迷?、下水庫(kù)電站累積的長(zhǎng)系列水文、氣象、泥沙等數(shù)據(jù)，充實(shí)基礎(chǔ)資料，也可以參考原上、下水庫(kù)電站的外業(yè)勘察成果，并適當(dāng)補(bǔ)充部分勘探工作，快速查明工程地質(zhì)條件。

2.3.2 樞紐布置

混蓄電站的樞紐布置要充分與已有上庫(kù)水電站的樞紐布置進(jìn)行協(xié)調(diào)，盡量避免對(duì)原有工程產(chǎn)生影響，也盡量避免原有工程對(duì)混蓄電站的影響。輸水系統(tǒng)的布置，除考慮自身的線路長(zhǎng)度外，還需避免對(duì)原發(fā)電機(jī)組的影響，避免原有施工洞室對(duì)混蓄工程防滲和安全的影響。地下廠房應(yīng)同原有工程建筑物保持安全距離。開(kāi)關(guān)站位置需避免原有工程泄洪霧化的影響。

結(jié)合混蓄工程本身的特點(diǎn)，樞紐布置也需統(tǒng)籌考慮。例如，混蓄工程應(yīng)協(xié)調(diào)確定水庫(kù)和電站的工程等別、建筑物級(jí)別。布置下庫(kù)進(jìn)/出水口時(shí)，盡量?jī)?yōu)化抽水水流條件，并避免泥沙淤積。輸水洞徑的選擇除考慮發(fā)電工況滿(mǎn)發(fā)流量外，還需分析不同典型抽水工況的流量。上庫(kù)進(jìn)/出水口邊坡由原有的庫(kù)區(qū)邊坡變?yōu)榻ㄖ镞吰?，安全穩(wěn)定性要求提高，需進(jìn)一步復(fù)核進(jìn)/出水口邊坡穩(wěn)定性。由于機(jī)組需要，球閥尺寸導(dǎo)致廠房開(kāi)挖跨度過(guò)大時(shí)，球閥室宜置于主廠房外部，單獨(dú)設(shè)置閥室。

2.3.3 施工設(shè)計(jì)

合理進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)。輸水發(fā)電系統(tǒng)引水隧洞長(zhǎng)、地下洞室群規(guī)模大，洞室多且在空間上交叉集中布置。施工通道布置需盡量利用永久洞室和原施工交通隧道，減少洞室數(shù)量，科學(xué)安排“平面多工序、立體多層次”的作業(yè)方法，減少施工干擾，同時(shí)應(yīng)采取措施降低或者避免對(duì)既有電站運(yùn)行的影響。施工設(shè)施如倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施等宜優(yōu)先考慮利用原有工程現(xiàn)有設(shè)施。

統(tǒng)籌施工開(kāi)挖料、渣料處理。工程主要以輸水發(fā)電系統(tǒng)為主，地下開(kāi)挖工程量較大，混凝土骨料料源宜優(yōu)先考慮利用工程開(kāi)挖料，盡可能減少工程棄渣。利用既有棄渣場(chǎng)作為混蓄電站的渣場(chǎng)或者轉(zhuǎn)存料場(chǎng)時(shí)，應(yīng)復(fù)核渣場(chǎng)規(guī)模、等級(jí)以及相關(guān)防護(hù)設(shè)施。

3 施工建設(shè)

3.1 已建水庫(kù)中新建進(jìn)/出水口施工

與常規(guī)抽水蓄能電站先施工進(jìn)/出水口后進(jìn)行水庫(kù)蓄水的情況不同，混蓄電站經(jīng)常遇到在已經(jīng)建成蓄水的水庫(kù)中新建進(jìn)/出水口的情況，其施工方法需要適應(yīng)已建水庫(kù)水位消落，并解決擋水圍堰在死水位以下部分的水下施工問(wèn)題。

3.1.1 巖坎拆除爆破法

一般情況下選擇預(yù)留巖坎、后期拆除爆破的施工方案。巖坎拆除爆破直接關(guān)系到工程的安全、質(zhì)量與進(jìn)度，根據(jù)目前的施工技術(shù)水平，水庫(kù)消落深度不大時(shí)可以實(shí)現(xiàn)。然而對(duì)于大消落深度的情況，超高巖坎導(dǎo)致開(kāi)挖方量大，爆破方量和拆除規(guī)模大，若遇到復(fù)雜的工況條件，不可避免地需開(kāi)展深水條件下的爆破和清渣，這給施工建設(shè)帶來(lái)了技術(shù)挑戰(zhàn)。

以?xún)珊涌诨煨铍娬緸槔?，上水?kù)水位變幅高達(dá)80 m，水深大大超過(guò)國(guó)內(nèi)外其他同類(lèi)巖坎，高巖坎開(kāi)挖量近200萬(wàn)m3，拆除量超過(guò)120萬(wàn)m3，爆破方量和拆除規(guī)模居同類(lèi)工程前列；此外巖坎部分地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)化卸荷嚴(yán)重，大多為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖，施工難度高；圍堰位于正在運(yùn)行的兩河口電站庫(kù)區(qū)，受水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度影響，枯水期施工時(shí)間短，施工強(qiáng)度大。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)此類(lèi)復(fù)雜地質(zhì)條件、超大開(kāi)挖規(guī)模的深水巖坎圍堰爆破的研究不多。施工過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注爆破拆除施工方案、圍堰爆破穩(wěn)定性分析、爆破器材要求、爆破拆除安全影響、圍堰拆除清渣設(shè)備和措施等。

3.1.2 巖塞爆破法

國(guó)內(nèi)外采用預(yù)留巖塞、一次爆破成型的施工方法較多。國(guó)外已實(shí)施的水下最深巖塞爆破為挪威Jukla West工程，水深達(dá)105 m，斷面面積僅10 m2。加拿大休德巴斯水電站進(jìn)水口巖塞爆破，水深15 m，巖塞直徑18 m，厚度21 m，爆破石方1萬(wàn)m3。

國(guó)內(nèi)已有的案例主要有長(zhǎng)甸改造工程（36 m水深，直徑10 m，2014年）^［17］、劉家峽泄洪排沙洞（75 m水深，直徑10 m，2015年）^［18］、蘭州水源地進(jìn)水口（25 m水深，直徑5.5 m，2019年）等，巖塞爆破最大水深為75 m，最大斷面尺寸為直徑10 m。

大消落深度下的混蓄進(jìn)/出水口若采取預(yù)留巖塞爆破法，其地質(zhì)條件、水深、斷面大小等綜合難度均已超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)水平，對(duì)于大斷面、超水深復(fù)雜地質(zhì)條件下的巖塞爆破設(shè)計(jì)、施工和安全控制方面還有很多問(wèn)題需要深入研究。施工過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注巖塞口部位圍巖穩(wěn)定性、巖塞爆破方案設(shè)計(jì)、爆破石渣流水工模型試驗(yàn)、巖塞爆破器材要求、巖塞爆破安全影響、巖塞爆破爆渣處理措施等。

需注意的是，巖塞爆破如果不能成功貫通，處理起來(lái)非常困難，將產(chǎn)生超額費(fèi)用，甚至影響工程成敗。要保證水工隧洞進(jìn)水口具有良好的水力條件和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，需要采取有效的輪廓控制爆破措施，使得巖塞進(jìn)水口爆破成型良好，并獲得較好的斷面輪廓?？傮w來(lái)看，大消落深度下的混蓄電站進(jìn)/出水口采用巖塞爆破具有較大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 河道疏浚施工

結(jié)合前述狹長(zhǎng)河道型下水庫(kù)的抽水可靠度問(wèn)題研究，需要對(duì)下庫(kù)進(jìn)/出水口下游一定范圍內(nèi)的河道進(jìn)行疏浚，擴(kuò)寬、挖深河道以增加斷面過(guò)水能力。按照施工方法，河道疏浚分為水面施工、岸邊施工和導(dǎo)流洞施工三類(lèi)。

3.2.1 水面施工

水面施工一般采用疏浚船、搭建水面作業(yè)平臺(tái)等方式，利用設(shè)備進(jìn)行水下疏浚。首先采用長(zhǎng)臂挖機(jī)先挖走大體積石渣，再采用抓斗和吸盤(pán)清理剩余小塊石料和砂礫，目前已有比較先進(jìn)的抓斗和吸盤(pán)設(shè)備，具備較好的疏浚清淤效果。這類(lèi)方法適用于水流較為平緩、河道較為寬闊的情況，常見(jiàn)于平原河流的清淤挖沙，深山峽谷地形的適用性較弱，水流湍急時(shí)疏浚船和作業(yè)平臺(tái)難以固定，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 岸邊施工

岸邊施工主要采取兩岸輪流墊渣、回退疏浚的方法，即首先向河道內(nèi)墊渣形成岸邊施工平臺(tái)，再通過(guò)長(zhǎng)臂挖掘機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖，然后不斷回退直至岸邊，河道此岸完成清淤后換到另一岸施工。該方法已經(jīng)用于沙坪一級(jí)水庫(kù)等案例^［19］，其清淤效果主要受制于施工設(shè)備的最大能力，長(zhǎng)臂挖機(jī)的最大挖深決定了清淤的深度，長(zhǎng)臂挖機(jī)的斗方量決定了清淤速度和施工周期。目前的施工機(jī)械還難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、大深度的河道疏浚，特別是河道難以持續(xù)保證低水位、低流量的施工環(huán)境時(shí)，岸邊施工平臺(tái)容易被水淹，施工效果和施工組織難以保證。

3.2.3 導(dǎo)流洞施工

當(dāng)前述兩種辦法都難以解決混蓄工程河道疏浚的問(wèn)題時(shí)，可以考慮與下庫(kù)進(jìn)/出水口施工結(jié)合起來(lái)，采用導(dǎo)流洞加上、下游圍堰的施工方案，為河道疏浚和下庫(kù)進(jìn)/出水口巖坎拆除同時(shí)提供干地施工條件。該方法不僅便于施工器械進(jìn)場(chǎng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的開(kāi)挖效率，同時(shí)也可將河道清理形成規(guī)則的過(guò)水?dāng)嗝?，將進(jìn)/出水口預(yù)留的巖坎拆除干凈，確保進(jìn)/出水口以及整個(gè)疏浚河段的水流通暢，施工過(guò)程和施工效果可控，并且施工安全的風(fēng)險(xiǎn)較小。該方法適用于疏浚河段不長(zhǎng)或者河道彎曲的情況，如果疏浚范圍超過(guò)2 km以上，導(dǎo)流隧洞施工的工程量增大，費(fèi)用代價(jià)太高。

綜上，混蓄工程若遇到下水庫(kù)進(jìn)/出水口河道疏浚施工問(wèn)題，可以根據(jù)不同情況選擇不同的施工方法，確保疏浚效果達(dá)到抽水運(yùn)行可靠度的要求。

3.3 施工與水庫(kù)調(diào)度結(jié)合

混蓄電站可以充分利用已建水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容，通過(guò)水庫(kù)的合理調(diào)度運(yùn)行，為施工提供方便。

3.3.1 延長(zhǎng)水庫(kù)枯水期施工時(shí)間

上、下水庫(kù)如果具有較大的調(diào)節(jié)庫(kù)容，可以通過(guò)合理控制水庫(kù)的水位消落周期，延長(zhǎng)水庫(kù)低水位的持續(xù)時(shí)間，為水庫(kù)進(jìn)/出水口施工提供便利。例如，將開(kāi)始蓄水的時(shí)間從5月推遲到6月，可以延長(zhǎng)枯水期的施工時(shí)間，為預(yù)留巖坎拆除爆破留有更多的時(shí)間，從而降低施工強(qiáng)度，節(jié)約工程投資。

以?xún)珊涌诨煨铍娬旧纤畮?kù)為例，為盡可能減少水下爆破拆除量，降低拆除難度，巖坎拆除爆破的速度需要與水庫(kù)水位消落速率保持一致。按照合理的拆除進(jìn)度和爆破工程量推算，巖坎拆除從10月底正常蓄水位開(kāi)始拆除，在一個(gè)水位消落期完成巖坎從上到下的拆除，最后一組爆破的最佳施工時(shí)間是在枯水期水庫(kù)位于死水位的5～6月份。鑒于兩河口混蓄電站巖坎拆除爆破方量大，在一個(gè)枯水期完成需投入大量的施工資源才能滿(mǎn)足拆除要求，如一個(gè)枯水期無(wú)法完成，需要考慮兩個(gè)枯水期完成拆除，這將產(chǎn)生額外的工程措施費(fèi)用，增加工程投資。

3.3.2 減少下水庫(kù)枯水期下泄流量

當(dāng)下水庫(kù)為河道型水庫(kù)時(shí)，進(jìn)/出水口附近的水位受上水庫(kù)發(fā)電流量的影響較大，若枯水期流量較大，不利于進(jìn)/出水口預(yù)留巖坎的拆除降低施工。若下水庫(kù)需要進(jìn)行河道疏浚，枯期流量大對(duì)于施工不利，疏浚船難以保持平穩(wěn)，岸邊施工平臺(tái)容易被水淹，導(dǎo)流洞施工會(huì)引起洞徑增加、工程量增大等。

因此，通過(guò)合理利用上水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容，減少枯水期下泄流量，有序調(diào)控下泄流量的平穩(wěn)，可以保障下水庫(kù)進(jìn)/出水口拆除和河道疏浚施工的安全，提高施工效率，減少施工費(fèi)用。

3.3.3 代價(jià)與效益的權(quán)衡

運(yùn)用水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容可以帶來(lái)較好的施工效益，但調(diào)蓄水位和下泄流量也需要占用一部分調(diào)節(jié)庫(kù)容，有可能產(chǎn)生一定的發(fā)電損失，甚至影響下游整個(gè)流域的發(fā)電效益。因此，需要梳理不同的方案，分析預(yù)留庫(kù)容的損失代價(jià)，結(jié)合施工節(jié)約的工期和投資，進(jìn)行綜合比較，權(quán)衡利弊后選擇最優(yōu)的施工方案。

4 電站調(diào)度運(yùn)行

4.1 一體化運(yùn)行調(diào)度

4.1.1 混蓄電站運(yùn)行工況分類(lèi)

混蓄電站的運(yùn)行工況可以分為5種。

（1） 先抽水后發(fā)電。存儲(chǔ)日內(nèi)多余風(fēng)光電量，在線路通道富余時(shí)發(fā)電，屬于常規(guī)的日調(diào)節(jié)運(yùn)行，較為常見(jiàn)。

（2） 利用棄水發(fā)電。當(dāng)上水庫(kù)來(lái)水較多，常規(guī)水電機(jī)組已經(jīng)滿(mǎn)發(fā)時(shí)，抽蓄機(jī)組盡可能發(fā)電，減少棄水。

（3） 只抽水不發(fā)電。結(jié)合風(fēng)光出力預(yù)報(bào)進(jìn)行跨日調(diào)節(jié)，當(dāng)風(fēng)光出力較大、調(diào)節(jié)庫(kù)容足夠時(shí)，當(dāng)日只抽水儲(chǔ)能，日蓄能量富余，上水庫(kù)存蓄富余水量，屬于日內(nèi)以?xún)?chǔ)能為主的周調(diào)節(jié)運(yùn)行。

（4） 只發(fā)電不抽水。當(dāng)風(fēng)光出力較小、調(diào)節(jié)庫(kù)容足夠時(shí)，當(dāng)日只發(fā)電保障通道輸電能力，日蓄能量虧缺，上水庫(kù)蓄水量減少，屬于日內(nèi)以發(fā)電為主的周調(diào)節(jié)運(yùn)行。

（5） 同時(shí)抽水和發(fā)電。根據(jù)電網(wǎng)需要，混蓄機(jī)組抽水存儲(chǔ)光伏電量，同時(shí)通過(guò)常規(guī)水電機(jī)組或者混蓄剩余機(jī)組發(fā)電，實(shí)現(xiàn)輸電通道內(nèi)的電能轉(zhuǎn)換，提升水電比重，并提供更多的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于保障高比例新能源送電通道的安全穩(wěn)定，但會(huì)損失一部分新能源電量。這類(lèi)工況屬于特殊情況，一般比較少見(jiàn)。

4.1.2 “2庫(kù)3站”一體化

混合式抽水蓄能電站系統(tǒng)包含上水庫(kù)、下水庫(kù)、上庫(kù)水電站、下水庫(kù)水電站和混蓄電站5部分，共同組成了“2庫(kù)3站”的電力和水力耦合系統(tǒng)，其運(yùn)行調(diào)度不僅受電調(diào)的影響，也受水調(diào)的制約。上、下水庫(kù)電站本身具備與風(fēng)光互補(bǔ)的條件（即水風(fēng)光一體化），而混蓄電站與常規(guī)抽蓄類(lèi)似，能額外互補(bǔ)富余的風(fēng)光（即風(fēng)光蓄一體化），由于混蓄與常規(guī)電站共用同一水庫(kù)，在水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容合理分配的影響和水位變化的作用下，常規(guī)水電站和混蓄電站緊密聯(lián)系在一起，形成了“2庫(kù)3站”水風(fēng)光蓄一體化的復(fù)雜運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)。

筆者對(duì)兩河口混蓄“2庫(kù)3站”一體化運(yùn)行調(diào)度開(kāi)展了相關(guān)研究。圖2（a）為上水庫(kù)兩河口水風(fēng)光一體化運(yùn)行示意圖。白天兩河口水電站降低出力，為風(fēng)光消納騰出通道，晚高峰兩河口水電站增大出力，滿(mǎn)足電力系統(tǒng)調(diào)峰需求，凌晨?jī)珊涌谒娬具m當(dāng)增加發(fā)電，白天減少的出力在凌晨彌補(bǔ)。

圖2（b）為兩河口風(fēng)光蓄一體化運(yùn)行示意圖。白天風(fēng)光出力優(yōu)先利用通道送出，富裕的風(fēng)光出力通過(guò)兩河口混蓄抽水吸收存儲(chǔ)，剩余尖峰光伏出力無(wú)法消納，考慮為合理比例的棄風(fēng)棄光，晚上兩河口混蓄利用白天抽至上庫(kù)的水量發(fā)電，滿(mǎn)足系統(tǒng)調(diào)峰需求。

圖2（c）為風(fēng)光出力較大時(shí)的兩河口風(fēng)光蓄一體化運(yùn)行示意圖。白天棄風(fēng)棄光增加，兩河口混蓄達(dá)到最大抽水能力，連續(xù)抽水達(dá)到最大時(shí)長(zhǎng)，儲(chǔ)蓄能量較多，凌晨?jī)珊涌诨煨钸€需發(fā)電。

圖2（d）為風(fēng)光出力較小時(shí)的兩河口風(fēng)光蓄一體化運(yùn)行示意圖。白天沒(méi)有棄風(fēng)棄光，兩河口混蓄僅少量抽水，儲(chǔ)能能力還有富余，儲(chǔ)蓄能量?jī)H支持晚高峰發(fā)電，凌晨不發(fā)電。

圖2（e）為耦合兩河口水風(fēng)光一體化、混蓄風(fēng)光蓄一體化及牙根一級(jí)反調(diào)節(jié)運(yùn)行的示意圖。白天兩河口水電站減少出力，混蓄電站抽水存儲(chǔ)多余風(fēng)光出力，牙根一級(jí)在滿(mǎn)足生態(tài)流量的基礎(chǔ)上，減少發(fā)電出力和下游發(fā)電流量，水庫(kù)水位持續(xù)消落；晚高峰由于兩河口水電站和混蓄電站同步調(diào)峰，發(fā)電流量疊加增大了牙根一級(jí)入庫(kù)流量，牙根一級(jí)水電站也同步調(diào)峰，并開(kāi)始蓄水；凌晨時(shí)段兩河口水電站、牙根一級(jí)水電站靈活發(fā)電，彌補(bǔ)白天減少的出力，牙根一級(jí)水庫(kù)持續(xù)蓄水直至水位達(dá)到正常蓄水位。

4.1.3 “2庫(kù)3站”打捆互聯(lián)送出

混蓄電站與上、下水庫(kù)電站共用水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容，水力聯(lián)系緊密，運(yùn)行調(diào)度深度耦合，樞紐布置和接線系統(tǒng)相互鄰近，宜作為一組電源統(tǒng)籌調(diào)度、電氣互聯(lián)、打捆送出，有利于調(diào)度管理，提高水風(fēng)光蓄一體化運(yùn)行的安全穩(wěn)定。此外，上游水電、下游水電和混蓄電站三者的通道富?？臻g還可以被進(jìn)一步充分靈活利用，增加棄風(fēng)棄光送出，提高新能源消納水平。

4.1.4 耦合優(yōu)化調(diào)度

目前國(guó)內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)學(xué)者已經(jīng)在多種能源互補(bǔ)和優(yōu)化運(yùn)行領(lǐng)域開(kāi)展了研究，總體上針對(duì)既包含常規(guī)水電與風(fēng)光互補(bǔ)又包含抽蓄與風(fēng)光互補(bǔ)，且具有水庫(kù)水力聯(lián)系的混蓄電站的多能互補(bǔ)調(diào)度研究相對(duì)較少。以往研究主要考慮水電梯級(jí)發(fā)電效益，包括提高水能利用效率^［20］、發(fā)電量和效益目標(biāo)優(yōu)化^［21-22］、水庫(kù)中長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度^［23-24］、梯級(jí)水電群調(diào)度^［25］、效益評(píng)價(jià)體系^［26］、多尺度調(diào)度策略^［27］等方面。

而隨著新能源的大規(guī)模發(fā)展，目前更多研究應(yīng)放在水光蓄多能互補(bǔ)方面，例如風(fēng)蓄互補(bǔ)短期調(diào)度，日內(nèi)互補(bǔ)運(yùn)行策略、水光蓄源荷匹配、新能源并網(wǎng)下競(jìng)價(jià)策略等。隨著更多混蓄電站建成投產(chǎn)，未來(lái)關(guān)于混蓄電站耦合優(yōu)化調(diào)度的研究將進(jìn)一步深入。

4.1.5 下水庫(kù)抽水運(yùn)行限制水位

當(dāng)下水庫(kù)庫(kù)容較大、水面開(kāi)闊，抽水漏斗效應(yīng)不明顯時(shí)，下水庫(kù)抽水運(yùn)行限制水位可參考下水庫(kù)壩前水位研究設(shè)置。

當(dāng)下水庫(kù)進(jìn)/出水口位于狹長(zhǎng)型河道內(nèi)，抽水漏斗效應(yīng)比較明顯時(shí)，抽水工況下進(jìn)/出水口水位會(huì)低于下水庫(kù)壩前水位，抽水運(yùn)行不可靠的判斷依據(jù)不宜參照下水庫(kù)壩前水位，也不宜參考下水庫(kù)剩余庫(kù)容，而是應(yīng)該根據(jù)下庫(kù)進(jìn)/出水口的水位進(jìn)行控制，研究分析后確定限制水位^［16］。

以?xún)珊涌诨煨顬槔诔掷m(xù)大流量抽水工況下，下水庫(kù)進(jìn)/出水口水位達(dá)到死水位2 598 m時(shí)，壩前水位仍保持2 600 m左右，仍可保持穩(wěn)定抽水；當(dāng)進(jìn)/出水口水位達(dá)到2 596 m（低于死水位2 m），壩前水位仍為2 599 m（高于死水位1 m）。結(jié)合水動(dòng)力模擬大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和模型試驗(yàn)驗(yàn)證，兩河口混蓄下庫(kù)進(jìn)/出水口水位低于2 596 m時(shí)，抽水流量將受到限制，可能無(wú)法保障水泵穩(wěn)定運(yùn)行，由此確定抽水運(yùn)行限制水位為2 596 m。

4.2 防洪調(diào)度

4.2.1 混蓄電站汛期運(yùn)行方式

洪水工況下，混蓄機(jī)組是否發(fā)電與上水庫(kù)電站常規(guī)機(jī)組保持一致，混蓄機(jī)組僅在低標(biāo)準(zhǔn)洪水且滿(mǎn)足特定要求時(shí)抽水。

當(dāng)遭遇低于廠房設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)的洪水時(shí)，與上水庫(kù)電站全部常規(guī)機(jī)組可參與泄洪一樣，混蓄機(jī)組在防洪安全的前提下可考慮發(fā)電泄洪運(yùn)行；同時(shí)根據(jù)電力系統(tǒng)填谷需要、新能源儲(chǔ)能需要，在上水庫(kù)泄洪能力裕度足夠、機(jī)組過(guò)機(jī)泥沙滿(mǎn)足要求的前提下，合理安排混蓄機(jī)組抽水運(yùn)行。

當(dāng)洪水達(dá)到廠房設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)、低于大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，與上水庫(kù)電站一半常規(guī)機(jī)組可參與泄洪一樣，考慮一半混蓄機(jī)組發(fā)電泄洪運(yùn)行；混蓄機(jī)組不抽水運(yùn)行。

當(dāng)遭遇大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)以上洪水時(shí)，僅考慮上水庫(kù)泄洪建筑物的泄洪能力，上水庫(kù)電站的常規(guī)機(jī)組不參與泄洪，混蓄電站的機(jī)組也不發(fā)電泄洪；混蓄機(jī)組不抽水運(yùn)行。

4.2.2 對(duì)上、下水庫(kù)防洪的影響

當(dāng)遭遇低于大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)的洪水時(shí)，上水庫(kù)常規(guī)機(jī)組和混蓄機(jī)組都可以參與發(fā)電泄洪，此時(shí)混蓄機(jī)組相當(dāng)于增加了上水庫(kù)的一個(gè)調(diào)洪通道，并不改變下泄洪水總量，僅將部分通過(guò)泄洪設(shè)施下泄的水量轉(zhuǎn)由混蓄機(jī)組下泄，并且轉(zhuǎn)移泄洪不會(huì)對(duì)上水庫(kù)電站的廠房防洪產(chǎn)生不利影響。

當(dāng)遭遇大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)以上的洪水時(shí)，僅考慮上水庫(kù)泄洪建筑物的泄洪能力，上水庫(kù)電站的常規(guī)機(jī)組和混蓄機(jī)組均不參與泄洪。

除遇低標(biāo)準(zhǔn)洪水且滿(mǎn)足特定要求時(shí)混蓄機(jī)組才可能抽水外，其余洪水工況混蓄機(jī)組抽水運(yùn)行不會(huì)增加上水庫(kù)的入庫(kù)流量或減少下水庫(kù)的入庫(kù)流量，不會(huì)改變上、下水庫(kù)大壩各自遭遇的洪峰流量，因此混蓄電站對(duì)上、下水庫(kù)的調(diào)洪運(yùn)行產(chǎn)生影響很小，相應(yīng)的洪水位不會(huì)發(fā)生變化，上、下水庫(kù)的防洪安全受到的影響很小。

4.2.3 對(duì)水庫(kù)防洪庫(kù)容的影響

混蓄電站不新增擋水建筑物，不會(huì)分割上、下水庫(kù)的庫(kù)區(qū)。當(dāng)處于汛限水位對(duì)應(yīng)時(shí)段，混蓄電站全過(guò)程不能占用預(yù)留的防洪庫(kù)容，不能超過(guò)防洪調(diào)度規(guī)程確定的汛限水位。

若洪水較大、產(chǎn)生棄水，此時(shí)混蓄電站會(huì)優(yōu)先利用棄水發(fā)電，不抽水運(yùn)行，對(duì)防洪任務(wù)影響很小，反而可以提高水能利用率。若洪水較小、沒(méi)有棄水，則混蓄電站可以結(jié)合水文氣象預(yù)報(bào)成果調(diào)整運(yùn)行方式，按照混蓄日內(nèi)調(diào)節(jié)所需的庫(kù)容，通過(guò)混蓄機(jī)組提前半天發(fā)電并預(yù)泄上水庫(kù)庫(kù)容，確保第二天上水庫(kù)具備讓混蓄抽水運(yùn)行的條件；或者通過(guò)混蓄機(jī)組提前半天抽水并降低下水庫(kù)的水位，確保第二天下水庫(kù)具備讓混蓄發(fā)電運(yùn)行的條件。

4.3 投資及效益回收

4.3.1 投資造價(jià)水平

混蓄電站通常不需要新建上、下水庫(kù)，涉及移民少，節(jié)約建設(shè)征地成本，不涉及重大環(huán)境敏感對(duì)象，只需要新建輸水發(fā)電系統(tǒng)和進(jìn)/出水口，看似比常規(guī)抽水蓄能電站的結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單、投資造價(jià)水平更低，實(shí)際由于機(jī)組設(shè)計(jì)制造、抽水運(yùn)行可靠度與河道疏浚、已建水庫(kù)進(jìn)/出水口施工、長(zhǎng)距離引水發(fā)電系統(tǒng)等因素綜合，目前正在開(kāi)展研究論證的大多數(shù)混蓄電站經(jīng)濟(jì)指標(biāo)并不占優(yōu)勢(shì)。

例如，兩河口混蓄電站單位千瓦靜態(tài)投資約6 400元，葉巴灘混蓄約6 200元，雙江口混蓄約5 900元，四川西部高原地區(qū)常規(guī)抽水蓄能平均水平約6 380元；關(guān)嶺光馬混蓄單位千瓦靜態(tài)投資約5 750元，貴州常規(guī)抽水蓄能平均水平約5 300元；梨園-阿?；煨顔挝磺哽o態(tài)投資約5 890元，云南常規(guī)抽水蓄能平均水平約5 560元；古田溪混蓄單位千瓦靜態(tài)投資約7 300元，福建近些年常規(guī)抽水蓄能平均水平約5 300元。

由于投資的規(guī)模效益，在建設(shè)條件允許情況下，混蓄的規(guī)模越大，單位千瓦投資一般呈下降趨勢(shì)，古田溪混蓄僅25萬(wàn)kW，單位千瓦投資相對(duì)較高。但混蓄規(guī)模越大，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響和對(duì)原水庫(kù)的影響越大，需要統(tǒng)籌考慮項(xiàng)目的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

4.3.2 效益回收機(jī)制

混蓄電站的效益回收主要通過(guò)新能源的發(fā)電效益分?jǐn)?，與基地新能源打捆采用綜合電量電價(jià)統(tǒng)一核算，推薦混蓄電站與周邊新能源一體化開(kāi)發(fā)。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)主體進(jìn)行混蓄項(xiàng)目的投資決策時(shí)，需要明確電價(jià)機(jī)制和政策支持，否則難以評(píng)估項(xiàng)目的效益回收，不利于項(xiàng)目推進(jìn)。

但是，目前混蓄電站缺少完善的電價(jià)疏導(dǎo)機(jī)制，依據(jù)發(fā)改價(jià)格〔2021〕633號(hào)文，混蓄電站宜作為服務(wù)特定電源的抽蓄進(jìn)行容量電價(jià)的分?jǐn)?，但具體電價(jià)機(jī)制尚未出臺(tái)實(shí)施細(xì)則。若類(lèi)比服務(wù)電力系統(tǒng)的抽水蓄能電站進(jìn)行容量電價(jià)的核算，混蓄電站可能由于受原有水電站防洪調(diào)度、生態(tài)調(diào)度、抽水可靠度等影響，無(wú)法及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度指令，核算的容量電價(jià)可能比常規(guī)抽水蓄能電站有所降低。

此外，混蓄電站宜與原上、下水庫(kù)電站打捆互聯(lián)送出，混蓄電站最好與上、下水庫(kù)電站屬于同一投資開(kāi)發(fā)主體，或者屬于不同開(kāi)發(fā)主體但成立共同的合資公司投資，確保利益協(xié)調(diào)和平衡，以便于項(xiàng)目順利推進(jìn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

混蓄電站是一種優(yōu)質(zhì)的長(zhǎng)時(shí)蓄能方式，連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，在服務(wù)新能源發(fā)電方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以更好地滿(mǎn)足電力系統(tǒng)和清潔能源基地對(duì)調(diào)節(jié)能力的需要。

混蓄電站不需要新建上、下水庫(kù)，通常涉及移民少，不涉及重大環(huán)境敏感對(duì)象，可與原常規(guī)水電站一并打捆送出，易于快速實(shí)施和發(fā)揮效益。但是相比常規(guī)抽水蓄能電站，目前大多數(shù)混蓄電站的造價(jià)水平并不占優(yōu)勢(shì)，需要在機(jī)組設(shè)計(jì)制造、抽水運(yùn)行可靠度與河道疏浚、已建水庫(kù)進(jìn)/出水口施工、長(zhǎng)距離引水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等諸多方面深入研究論證，優(yōu)化工程投資。此外，混蓄電站需要重點(diǎn)考慮對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響和對(duì)原水庫(kù)的影響，合理論證裝機(jī)規(guī)模，深入研究運(yùn)行調(diào)度方式。

總之，混蓄電站特點(diǎn)明顯，開(kāi)發(fā)效益顯著，設(shè)計(jì)建設(shè)和調(diào)度運(yùn)行復(fù)雜，存在諸如機(jī)電、施工、環(huán)保、調(diào)度等多方面關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，建議因地制宜、擇優(yōu)選址、穩(wěn)步推進(jìn)開(kāi)發(fā)。

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（編輯：鄭 毅）

Analysis on key issues in construction and operation of hybrid pumped storage power stations

BAI Rui¹，HAN Dong²，JIN Wei¹，ZHU Fangliang²

（1.PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited，Chengdu 610072，China； 2.China Renewable Energy Engineering Institute，Beijing 100120，China）

Abstract：

Hybrid pumped storage power station is a hydroelectric power station that has both pumped storage and runoff power generation functions.It is a high-quality long-term energy storage way that helps promote the development of integrated clean energy bases composed of water，wind，and solar energy in a basin.This article explores the key issues in the construction and operation of hybrid pumped storage power stations from the aspects of site selection，engineering design，construction，and operation scheduling.The hybrid pumped storage power station does not require constructing new upper and lower water reservoirs，and requires few land acquisition and none immigrations.Electricity produced by the hybrid pumped storage power station can be bundled and sent out together with the traditional hydropower station.But it is necessary to focus on the impacts on the ecological environment and the supported reservoirs，so as to reasonably recommend the installed capacity by technical and economic comparison.To optimize engineering investment，many researches are need in unit design and manufacturing，long-distance water diversion and underground powerhouse system design，construction of inlet and outlet at the existing reservoirs，the analysis of pumping reliability and river dredging，and integrated operation and scheduling scheme，etc.This article suggests optimizing site selection according to local conditions，and steadily promoting the development of hybrid pumped storage power stations.

Key words：

hybrid pumped storage power station； clean energy of water-wind-storage； new electrical power system； site selection and planning； operation scheduling