混合式抽水蓄能电站的应用发展分析

混合式抽水蓄能电站的应用发展分析

孙宏健

河海大学水电学院，南京（210098）

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摘 要：面对着人们对水电的愈加珍视和水电可开发资源日益减少这种困状，我们急需调整对水电资源开发利用的思维模式。本文对混合式抽水蓄能电站的建设做一些分析，并对梯级水电开发中可逆机组的运用进行一些初步探讨。

关键词：混合式电站，梯级开发，电网

1. 混合式抽水蓄能电站的发展史

自从1882年首座抽水蓄能电站在瑞士诞生后，到上世纪六、七十年代抽水蓄能电站才开始迅速发展，而这期间建设的大部分都是混合式电站（基本上都是水头较低，装机容量较小的电站）；到上世纪八十年代初期，西欧如法国和意大利还有部分混合式抽水蓄能电站在建（因为站址优异，水头一般很大，电站装机容量也较大）。然而，从经济性出发抽水蓄能电站必将向高水头、大容量的纯抽水蓄能电站方向发展，混合式抽水蓄能电站因水头受自然条件的限制，已经很难满足电网需要。从七十年代后期开始建设的抽水蓄能电站，大部分都为纯抽水蓄能电站，从此进入了纯抽水蓄能电站阶段。

表1为意、法、日、中各国六十到七十年代投产抽水蓄能电站和混合式电站的数量统计

[1]：

表1 各国六、七十年代建成抽蓄电站情况

混合式电站抽蓄电站装混合式电站装机（万机（万kW ）数量（座）kW ） 国家

意大利

法国

日本

中国

万kW 。

抽蓄电站数量（座） 电站比重 装机比重 注：1991年和2000年，潘家口和响哄甸两座混合式抽水蓄能电站投入运行，总可逆装机容量达到35

如今，抽水蓄能技术和电网技术取得了很大的进步，人们对抽水蓄能电站的认识也步入了新的境界。在许多发达国家的电网中，抽水蓄能电站的调峰填谷作用已经不是其主要效益来源（如美国的汤姆索克抽水蓄能电站装机容量年利用小时数仅为34小时，卡宾溪抽水蓄能电站也只有216小时），它更主要的是充当电力系统的管理工具：调频、调相、负荷跟踪和事故备用等，以提高供电质量和维持电力系统的稳定安全运行为主。随着可开发利用水利资源日趋枯竭，和人们对环境保护、生态保护要求的不断增高，电网中水电比例日趋下降；此时，在常规水电站中增加可逆机组以形成混合式抽水蓄能电站，终于显示出了优势。动态效益所占比重的增加使混合式电站的经济效益有了进一步的保障，自身建设对环境的“零”污染使其更容易立项，建设周期的大大缩短使其更易于满足电网的需要。相信，混合式电站将得到一定规模的再次开发。

2. 混合式水电站的优点

2.1 我国已建常规水电站中引入可逆机组的意义

建国以来，我国建造了许多大中型水电站。西部许多地区的电网中，水电至今仍占据比较大的份量。它们在我国的经济困难时期以及近30年来的经济腾飞中发挥了举足轻重的作用。

随着国民经济的快速发展，电网装机容量飞速增加，现在我国已经形成了火主水辅的电网格局，特别是东部经济相对发达但又缺乏水电资源的华东等地区，电网中水电比例极低，电网调峰主要依靠火电、燃气电站和少量常规水电站；虽然近年陆续建成一批大中型抽水蓄能电站，缓解了调峰填谷的矛盾，但随着经济的不断蓬勃发展、人民生活水平的不断提高，以及核电、风电、太阳能电的不断开发，电网中调峰容量的需求必将日益扩大。华东华南等地区有相当数量的抽水蓄能电站正在建设或者已经立项；但这些地区的可开发水电资源已近枯竭，长远来看电网调峰电源仍显不足，抽蓄装机在电网中所占比例也将远远低于其8%~14%的合理比例。

考虑到当初规划设计时的局限，许多老式常规水电站增机扩容已成为一种共识；像这样已扩、待扩的电站有很多，如新安江电站，近年来其装机容量就从原先的66.25万kW 扩增到了81多万kW 。纵观中国电网发展的趋势，各地区电网必将联合成全国性的电网，以增强各地区之间的互补和协调。考虑将电网中已建常规水电站扩建为混合式电站就具有了现实意义：它可以为地区电网甚至是全国电网提供调峰、调频、调相和备用服务，具有发展价值。

由于这些年推行电力系统体制改革，但两部制电价的具体定位较难，施行进程较慢，抽水蓄能电站的投资风险加大，在一定程度上将影响到抽水蓄能电站建设的步伐。此时，电站的建设和运行成本对于抽水蓄能电站越来越重要，在已建水电站特别是梯级开发的已建水电站中适当扩建可逆机组以满足电网发展的需求，不仅解决了实际问题，而且具有非常大的经济优势，可视为将来抽水蓄能电站的一条出路和延续。

常规水电站增加可逆机组可以有效解决部分电网扩容的需求，减少火电装机，并提高火电机组的利用率；同时，抽蓄具有火电、核电、燃气电站等无法比拟的灵活运行能力和强大的调峰能力。并且，已经建成的水库，可以直接用于抽蓄机组蓄水发电，只需增建水道和厂房系统，因而可大大减少投资。因为可以利用已建电站的现有地质资料和施工记录，可缩短前期勘测、设计工作周期。增机完工后，还可以适当借助原电站的输变电系统，吸收部分已建电站的运行、维护和管理人才，从而大大降低可逆机组的运行维护费用；同样，这对于已建常规电站降低运行成本并向现代化管理调度方向改进是一个非常好的契机。

增建可逆机组，可以置换出电网中用以调峰的火电机组，从而降低电网中的单位煤耗率，并且可以减少火电系统中CO2、CO 、SO2等废气排放量，减轻电力系统在环境保护方面的投资压力；同时，增建可逆机组还可以置换出原电站的重复容量、备用容量，大大减少原先电网中的弃水调峰现象，避免水资源的浪费，并且提高了常规装机容量的利用率。另外，在已建常规水电站中扩建可逆机组，因为一般不需增加库容，不需建新坝（不另建水库时），不会引起局部环境的改变，故社会压力较小，工程进展将较顺利。

常规电站扩建为混合式电站为电网中建设大调节容量、长调节周期蓄能电站，提供了更加广阔的选择空间。因为混合式电站一般都可以利用具有较大容量的水库，其调节周期更长，可以进行周、旬、甚至是月调节，因而可以更充分地发挥抽水蓄能电站的作用。它对电网的调节能力更强，故对于火电机组的稳定运行、电网的安全运行和保证电网的输电质量都显得

更为重要，整个电网的节煤效应也将更加明显 。

2.2 潘家口、响洪甸混合式电站的经验分析

潘家口抽水蓄能电站是我国第一座实际意义上的大型混合式电站，它分为上池和下池两部分。上池大坝中安装有一台常规水轮机组和三台抽水蓄能机组，总装机容量为420MW （150+90×3）；下池大坝中安装有两台贯流式机组，装机容量10MW 。潘家口水利枢纽原初步设计是一座常规水电站，总装机容量为3×60MW，多年平均发电量为3.56亿kWh 。其中替代容量为93MW ，峰荷电量 1.32亿kWh ，非峰电量2.24亿kWh ，在系统中的作用是以水定电、调峰运行。从初步设计与现实对比中可以看出，潘家口抽水蓄能电站现状较初步设计扩大装机容量2.3倍；年发电量由3.56亿kWh 增加到5.93亿kWh ，是原设计的1.7倍；峰荷电量由1.32亿kWh 增加到4.82亿kWh ，是原设计的3.7倍；替代容量由93MW 增加到235.5MW ，增加2.5倍[2]。

因为电站的改造扩容，可逆装机与常规机组在高峰期同时顶峰工作，将非峰电量大量转移到峰荷时段；另外，可逆装机直接置换出了常规电站里的备用装机，洪水期或者来水量大时，直接作为常规机组利用弃水发电。因而，电站的发电方式也扩大到三种：抽水蓄能发电1273亿kWh ；将常规机组所发的非峰电量转换成峰荷电量16068亿kWh ；利用弃水发电1273亿kWh ；合计40418亿kWh ，抽水发电综合效率为79.8%。电站的峰荷发电增量与蓄能机组抽水耗电相比为140%。

另外，潘家口抽水蓄能电站，在电力系统中调峰填谷调节容量约344MW ，使调峰出力增加了4.6倍，保障了火电机组更好地处于高效运行状态，减少了火电机组因参与调峰填谷时产生的能耗比率增高所造成的损失，每年可为国家节约燃料费用约0.72亿元；节约替代电站基本建设费2.4亿元以上。仅此收益，推算可在12年内回收总投资；综合收益效益更大。

响洪甸水库位于安徽省大别山区的西淠河上，与佛子岭水库、磨子潭水库和白莲崖水库构成一混联水库群。抽水蓄能工程以响洪甸水库为上库，在下游河道上筑低坝形成下库，扩建装机容量为8万kW 的可逆机组，与已建的4万kW 常规机组构成12万kW 的混合式抽水蓄能电站。本工程是国内已建的第二座大型混合式抽水蓄能电站。

水库群中的响洪甸、佛子岭、磨子潭及白莲崖水库共同承担灌溉及下游城市供水任务，因佛子岭、响洪甸电站原有发电流量共计200m3/s左右，小于灌溉渠道设计流量(300m3/s)，水库群灌溉水量和流量的分配受到发电流量限制，不能实行水库群内的合理调度。根据设计计算和近年来水库运行统计，响洪甸水库平均年弃灌溉水1.3亿-1.5亿m 3，佛子岭水库年均弃灌溉水0.6亿-1.0亿m 3，两水库发电水量利用率仅70%-75%，发电效益受到很大影响。响洪甸电站原有4万kW 常规发电机组，年发电量为0.9亿kWh ，电站没有保证出力，不能承担电力系统正常的调峰任务。

响洪甸水库扩建蓄能电站以后，发电流量增加到300 m3/s，相当于灌区渠首工程最大引进流量，与佛子岭水库配合，完全能满足灌溉放水流量的需要，水库群可根据各水库的蓄水量、来水量和库容等条件，实行联合补偿调度，合理地分配灌溉供水流量和水量。

电站扩建8万kW 可逆机组以后，原常规机组季节性发电容量4万kW 也可转化为电力系统替代容量，共可调峰12万kW ，抽水填谷10.8万kW ，电力系统每年可节省煤耗3.9万t ，除具有纯抽水蓄能电站的一般作用和效益外，每年还可增加来水发电量约4000万kWh ，以电力系统每天要求本电站调峰发电4h 计算，蓄能发电量9396万kWh ，抽水填谷用电量

13818万kWh 。在水库实行综合调度的基础上，混合式抽水蓄能电站以“常蓄结合”方式运行，除蓄能发电量9396万kWh 为电力系统高峰电量外，还可使原出库水季节性电量和低谷电量中8124万kWh 转化为高峰发电量。另外，由于抽水蓄能电站的建设，有利于电站所在水库群更好地实行联合补偿调度，改善了库群中其它水电站的运行状况，使佛子岭电站、磨子潭电站等共增加发电量800多万kWh, 增幅为3%左右，其中保证电量共增1950万kWh ，保证电量增幅为20%[3]。

综上，扩建响洪甸为混合式抽水蓄能电站，可增加的高峰电量与输入的低谷电量之比达

1.41，即使考虑原电站低谷电量有所减小，增加高峰电量与消减低谷电量之比也达1.0，可见建设混合式抽水蓄能电站的优势。

除发电效益增大外，因扩建可逆机组，增加了一条新的发电泄水通道，水库增加放水流量近200m 3/s，更利于水库的防洪调度，大幅提高了水库的安全程度；同时，可满足最大灌溉放水流量的要求，避免了响洪甸水库和佛子岭水库灌溉期泄流能力不足、需要泄洪隧洞补充泄水灌溉的问题，减少灌溉弃水年均2.4亿m 3，方便了灌溉放水的运行，减少了灌溉用水与发电用水的矛盾，有利于泄洪建筑物的安全和水库管理。同时，抽水蓄能电站的建设还有利于所在水库群实行合理的联合调度，年均增加水库群灌溉供水量300多万m 3。随着灌溉及城市供水量的增加，其联合调度增加供水量的效益将进一步提高。

从响洪甸混合式抽水蓄能电站可以看出，梯级电站中扩建可逆机组将产生更大的综合效益，佛磨混合式抽水蓄能电站的建成投产验证了在梯级电站中扩建可逆机组的经济可行性。

3. 梯级电站群中增加可逆机组的的意义

前文所述，在已建常规水电站群中，适度增加部分可逆机组，是一种比较理想的选择。梯级水电站群因为众多水电站的关联效应，其调节能力更强，综合运用也更加复杂。但是，只要辅以适当的运行方式，同样可以发挥出优势。注意到梯级电站中已有的上下游水库，在下游水库消落水深和库容满足要求时，我们可以直接利用已建水库，只增建、改建输水系统

。这样和厂房、输变电系统，电站即可投入运行，佛磨混合式电站就是这种情况[4]（见图1）

不仅进一步减少了建设成本，还使得电站能够更快地投入电网运行。淠河上响洪甸和佛磨梯级电站先后改建，并且都取得了可观的经济效益和社会效益，这给了我们一些思考和启发，值得借鉴。

磨子潭大坝

正常蓄水位

常规机组

厂房

输水系统佛子岭大坝小坝

厂房

常规机组

可逆机组

图1 佛磨混合式电站剖面示意图

东部除了安徽淮河流域外，浙江新安江上也有梯级电站；西部长江流域、黄河流域更是拥有数量众多的梯级电站。条件可行时，在这些梯级电站群中扩建一些混合式电站，具有积极意义。这种扩建工程，投资少、收益快，可以快速增加电网蓄能装机容量的比例，提高电网的调节能力。在充分考虑电网需要和各地区的经济发展状况下，结合梯级电站群的水库容量及周围的地形、地质条件，可以适当扩建一些混合式电站。

考虑西部水电东送、北部火电南送，输电方和受电方都需要多建设一些蓄能电站[5]，从而优化电源结构，改善电网运行环境。从输电方角度考虑：在非高峰期，受电方不需要电时，输电方必须尽可能将多余电能储蓄起来，以减少水电弃水、提高水能利用程度，或者提高火电机组的运行效率及其年利用小时数，从而改善输电方电源的运行环境；从受电方角度考虑：在低谷时期，要能按照合同的受电容量接受输电方的供电量，就必须有足够多的蓄能电站将多余电量储蓄起来，以节约成本并提高电网安全系数，同时，增建蓄能电站还提高了输电线路的利用率、降低了输电成本，并加强了受电方的电网调节能力。条件适合的情况下，在梯级电站中扩建混合式电站不仅节约投资和建设时间，还拥有“天然”的大水库和众多可选梯级电站，故对于考虑改建混合式电站有非常大的吸引力。除了上面提到的利用梯级电站中的两个水库（如佛磨电站模式），混合式电站还有其它两种开发形式：单独利用上库，单独利用下库（见下图）。另外，在同时利用梯级电站中的两个水库的情况下，两个水库可以是不相邻的。

新建

输水系统输水系统

下游

可逆机组可逆机组

新建图2 梯级电站中可逆机组的两种布置形式

事实上，除了出于西电东送考虑外，对于中西部水电比重较大的电网（如湖北电网），本身也需要一定的抽蓄装机参与电网调峰，白莲河抽水蓄能电站的建成就充分说明了这点。这种电网丰水期水电比重大但缺乏调节能力，抽水蓄能电站调峰填谷作用能替代相应容量的火电机组，减少水电弃水调峰；枯水期峰谷差大，在充分利用常规水电调峰的基础上，抽水蓄能电站是优于火电的调峰设施，可提高系统火电利用小时，确保电网安全、稳定、经济运行和供电质量。而这些地区往往多流域性的梯级电站，经过详细的调研，若能将部分梯级电站适当扩建、改建为混合式电站，经济意义一定显著。

一般情况下，梯级电站水头不太大，只适宜扩建一些中小型的抽蓄电站；这些可逆装机容量可以为地方电网的调节提供很大的便利，创造很好的经济效益（如宁波溪口电站）。对一些条件较好的电站，可以扩建一些大中型的混合式电站；这些电站可以直接为整个地区电网服务，甚至在将来的国家电网中发挥重要作用。

4. 常规电站扩建为混合式电站时应注意的问题

我们在进行常规水电站的改建过程中，如果过于强调利用已建水库作为可逆机组的下库时，容易遇到许多问题。如水头低、水道长、水库水位变幅大，导致抽水蓄能机组运行水头范围受到相当大的限制。一般，抽水蓄能机组的最小水头和最大水头之比，最好能在0.8-0.9，以0.85以上为佳。如果水头变化大，抽水蓄能效率和抽水量将显著降低，并限制了出力和可发电量，机械运行不稳定，产生各种振动问题。虽然可以通过使用变速机组提高发电、抽水两种工况的效率，并提高机组的运行稳定性，但从使用变速机组最成熟的日本抽水蓄能电站的建设经验来看，变速发电机的价格约为恒速发电机的1.5倍，再加上交流变频励磁设备比普通变频启动设备增加的费用，这两部分设备费用合计将增加70%左右，顾不宜大量使用[6]。因此，对于如何利用已建水库，应做全面的经济分析。同时，我们还要考虑到利用已建水库增建可逆机组的进/出水口时对水库运行产生的影响。

在进行常规水电站的改建、扩建过程中，不能为了尽量充分利用已建水库的大容量、较大的水头落差，而不顾地方实际发展需要，刻意扩建一些大容量的可逆机组，从而造成浪费。

如一原本为地方发展需要而建设的可逆装机，因为容量太大，直接为地方电网服务会得不到充分利用，故作为大电网的调节容量，反过来再从大电网中对地方电网进行调节；容量的变换自然会产生能量损失，并且这还要受到变压器容量的限制，将大大降低电站的经济价值。故，在扩建混合式电站时要注意考虑电网中大、中、小型抽蓄电站的统筹布局和整体规划。

还有一个值得注意的问题。若拟利用的已建电站水库为中、小型水库，改建成大型抽水蓄能电站后，建筑物级别需要加高，相应大坝的安全系数、泄洪标准、施工质量要求等也要提高，原来的建筑物可能需要做加固处理。

在已建水电站中扩建抽蓄机组，在我国还处在起步阶段，如何处理好可逆机组的发电效益和综合利用各方面的关系，也是一个非常重要的问题，必须认真研究。

因此，利用已建水电站扩建为混合式电站，应根据具体情况进行具体分析，对其利弊做出综合评价，进行经济比较后再做出结论。

5. 结语

从电网的发展看，当水电发展到一定程度，因受水能资源的限制，不能与其他电源同步增长时，电网中峰谷差将加大。尖峰时缺电而低谷时有多，这种现象将会与日俱增。这不仅影响电网供电质量，还影响电力工业的可持续发展。抽水蓄能作为水电的补充，弥补了常规水电的不足，使电力系统中低谷时剩余电能转换成尖峰时的宝贵电能，减缓了电网中火电机组的深度调峰和水电弃水现象，稳定了电网的安全运行。实质上其作用相当于使电网中日益增长的、如不用反会带来负面影响的剩余电能转换成了可再次利用的电能，其作用巨大，十分有利于水电和整个电网的可持续发展。而混合式电站作为抽水蓄能电站在新时期的发展，不仅在经济上有其无与伦比的巨大优势，同时，作为水电的延续和长期发展，也有其无法替代的现实意义。

随着我国电网技术的不断发展和电网运行经验的不断丰富，各地区电网的联合调度运行步伐加快。并且国民经济不断发展，社会对电网安全性能和输电质量的要求也不断提高。长远来看，混合式抽水蓄能电站作为电网中的备用电源和强有力的管理工具，它在水电资源丰富且已建水电站较多的地区，必将获得长足的发展。这也符合国家发改委规定的抽水蓄能电站主要由电网企业建设并经营管理的要求和发展趋势。

在待开发或正在开发的水电站群中引入或预留可逆机组的位置，具有同样的优势。当然，这方面还需要许多深入细致的研究，此处只作为建议。另外，建议在条件可行的情况下，进一步考虑混合式电站与附近的火电或者核电、风电等联合运行；这样，既进一步保证了可逆机组的抽水电量，又提高了其它电源机组的利用率，其综合效益将更佳。

参考文献

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[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

邱彬如. 世界抽水蓄能电站新发展. 中国电力出版社.2005.p:1-45,88-91 沈晓霞. 我国第一座混合式抽水蓄能电站. 天津科技.2000,3 王平. 响洪甸混合式抽水蓄能工程的运行方式和综合效益. 水利水电技术.2000,2 曹楚生. 抽水蓄能在发展循环经济中的作用.2006年抽水蓄能学术年会论文集.p:5-11 李仪峰, 林章岁, 刘峻, 张英等. 抽水蓄能电站的 经营模式与配套政策探讨. 福建电力与电工.2005,12 杨宝善. 日本抽水蓄能电站建设与运行实例分析. 吉林电力技术.1994,3

Analysis on Development of Mixed Pumped-Storage Power

Plant

Sun Hongjian

Hohai University, Nanjing, Jiangsu (210098)

Abstract

Facing the growing appreciation of hydropower resources, we need to adjust the mode of thinking. In this paper, the construction of mixed pumped-storage power plant has been analysied.

Keywords: Mixed pumped-storage power plant, Cascaded development, Power grid