中小型抽水蓄能電站合理發(fā)展探討

于倩倩，楊德權，徐玲君，趙杰君

(1.水電水利規(guī)劃設計總院，北京 100120；

2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；

3.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

以“碳中和，碳達峰”戰(zhàn)略目標為驅(qū)動，可再生能源將逐步成為未來我國能源和電力工業(yè)發(fā)展的增量主體。建設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、靈活高效的運行能力，保證優(yōu)質(zhì)高效的電力供應，將是我國實現(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，在滿足新時期電力系統(tǒng)多元需求方面發(fā)揮著極為重要的作用[1]。截至2020年底，我國抽水蓄能電站已建3 149萬kW，在建5 373萬kW[2]，開發(fā)規(guī)模居世界首位，考慮電力系統(tǒng)的需求，中長期我國抽水蓄能電站裝機規(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)性嚴重受阻。隨著儲能技術和分布式新能源發(fā)展，科學評估與新型儲能設施規(guī)模相當?shù)闹行⌒统樗钅茈娬镜陌l(fā)展?jié)摿Γ治鰺狳c問題，對保證行業(yè)科學有序發(fā)展具有重要的意義。

本文以我國中小型抽水蓄能電站開發(fā)運行現(xiàn)狀為基礎，總結(jié)發(fā)展特點、功能效益和存在問題。秉持“因地制宜、需求導向、經(jīng)濟合理”的基本原則，合理評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 開發(fā)利用現(xiàn)狀

中小型抽水蓄能電站是指裝機容量小于30萬kW的抽水蓄能電站(包含混合式電站)，其中裝機容量小于5萬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性建設，以混合式電站為主，工程多結(jié)合已建水利水電工程，通過改、擴建降低單位造價。在當時的系統(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進步和國內(nèi)工程經(jīng)驗總結(jié)的基礎上，規(guī)模效益明顯的大型抽水蓄能電站成為我國發(fā)展的主流。

截至2020年底，我國已建中小型抽水蓄能電站裝機容量85萬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kW)，但根據(jù)調(diào)研該項目目前已停工。

1.2 調(diào)度運營情況

中小型抽水蓄能電站一般由省級電網(wǎng)調(diào)度，其中，小型抽水蓄能電站主要承擔調(diào)峰填谷任務，保障小系統(tǒng)尖峰負荷供應；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調(diào)相任務)。受裝機容量限制，盡管中小型抽水蓄能電站具備一定的輔助服務能力，但在區(qū)域和省級電力系統(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，依靠抽發(fā)電量的電費差值獲得相應的電量收益，較少執(zhí)行豐枯電價，電量損失自行承擔，無容量效益和其他輔助服務收入。為保證收益，運行中更傾向于采用增加抽水發(fā)電利用小時數(shù)運行，以分攤成本、創(chuàng)造利潤。但由于沒有合理的調(diào)度方式研究，部分采用早期國產(chǎn)機組的電站，機組故障率較高，維修次數(shù)多，電站虧損較嚴重。盡管少數(shù)電站開始執(zhí)行兩部制電價，但電價實施效果不明顯。我國已建中小型抽水蓄能電站運營情況見表2。

表2 我國已建中小型抽水蓄能電站運營情況

1.3 發(fā)展特點分析

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

(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)庫容較小、水頭相對較低，站址水源和地形地質(zhì)條件適應性好，站點資源豐富且布局靈活，可以接近負荷中心布置，便于更好地發(fā)揮快速響應能力，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開發(fā)格局?？删徒尤?10 kV或220 kV電網(wǎng)，滿足局部電網(wǎng)的儲能調(diào)峰需求，縮短線路走廊布局，減少輸電損失和建設投資。

(2)淹沒損失較少，生態(tài)環(huán)境友好。中小型抽水蓄能電站多結(jié)合已建水庫開發(fā)，建設征地和移民安置工作相對簡單，且由于樞紐規(guī)模小，容易避開環(huán)境敏感因素。相比大型工程，其環(huán)境評價工作便于推動，易于開展項目前期工作及建設實施。同時，對比化學儲能形式，抽水蓄能電站使用壽命長，且不存在設備回收和重金屬污染等問題，全生命周期的碳減排和生態(tài)環(huán)境效益突出。

(3)機組形式多樣，建設周期較短。中小型抽水蓄能電站機組類型可采用四機分置式、三機串聯(lián)式和二機可逆式等組合模式(即水泵、水輪機、發(fā)電機、電動機分開布置或與水泵水輪機、發(fā)電電動機組合布置)，降低機組研發(fā)、設備安裝和運行維護難度。由于電站水工建筑物等級低、樞紐布置比較簡單，建設工程量小，建設工期較短，4～5年左右可投入運行[5]，易于地方中小企業(yè)投資。

(4)功能作用受限，影響調(diào)度運營。受制于電站裝機容量較小，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，影響機組壽命?；旌鲜诫娬臼艿皆こ坦喔取⒐┧染C合利用任務限制，設計功能難以發(fā)揮。此外，由于原水庫相關樞紐等級和施工標準較低，部分電站建成后，上下游梯級電站、水利樞紐的防洪能力與中小型抽水蓄能電站不匹配，調(diào)度運行受限，進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)合已建水電梯級或水利工程建設，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、同時期、同價格水平的大型抽水蓄能電站，略好于現(xiàn)階段同等規(guī)模的化學儲能、物理儲能等其他新型儲能方式。由于電站功能定位不同于常規(guī)電源或者準公益型水利項目，已建項目主要以電量電價收益進行投資回收，損失自擔，容量電價和輔助服務收益等模式尚未全面推廣，投資后成本回收存在較高風險。

2 發(fā)展?jié)摿?/h2>

2.1 站點資源條件

截至2020年底，我國已進行了25個省(區(qū)、市)的抽水蓄能選點規(guī)劃工作，對規(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行調(diào)查。考慮電力系統(tǒng)需求、站點資源條件，通過技術經(jīng)濟綜合分析，共比選出82個推薦站點，均為大型抽水蓄能電站[3]。

目前國內(nèi)未單獨進行系統(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，綜合近年來開展的選點規(guī)劃工作基礎進行分析可知，我國中小型抽水蓄能電站的站點數(shù)量和裝機容量規(guī)模非常可觀，同時資源分布范圍較大型站點更為廣泛，呈現(xiàn)“點多面廣”的特點，但前期工作和經(jīng)濟性評估不夠深入。從分區(qū)域已開展研究的站點來看，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)蒙古等站點資源相對較少[2]，西南地區(qū)站點資源豐富，但應優(yōu)先利用常規(guī)水電調(diào)節(jié)。

2.2 系統(tǒng)需求空間

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，電力負荷增速變緩，產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(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，我國未來新增電力需求將主要依靠可再生能源尤其是新能源發(fā)電滿足。通過系統(tǒng)需求空間分析，2030年我國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)電力市場規(guī)模大，經(jīng)濟承受能力強，在接受大量區(qū)外電力的同時，本地新能源發(fā)電和核電發(fā)展快，分散式風電和分布式光伏發(fā)電占比高，是抽水蓄能電站發(fā)展的重要區(qū)域[3]。

考慮開發(fā)經(jīng)濟性和系統(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)勢較弱，但對于線路走廊開辟困難地區(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?shù)匦⌒碗娫催M行互補運行，可有效保障局部區(qū)域供電，提高電網(wǎng)分層分區(qū)運行能力。對新能源微網(wǎng)，可改善系統(tǒng)發(fā)電質(zhì)量，提供安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、清潔的電力支撐。

2.3 技術可行性

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

從建設條件來看，由于裝機規(guī)模較小，中小型抽水蓄能電站需水量少，水源充足；樞紐布置容易避開不良地質(zhì)體，工程地質(zhì)條件要求相對寬松，樞紐布置簡單，防滲處理少；施工便利，如結(jié)合已建項目，對外交通條件好，施工場地布置方便；工程量小，料源儲量和質(zhì)量較容易滿足要求，由于工期短，對已建工程運行影響不大；機電和金屬結(jié)構設備設計制造和運輸?shù)染鄬唵?；建設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，有利于項目推進實施；電壓等級較低，接入系統(tǒng)方便，輸電距離近，線路投資較小。

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

2.4 開發(fā)經(jīng)濟性

根據(jù)典型工程分析，我國中東部地區(qū)中小型抽水蓄能電站單位千瓦總投資約8 000～10 000元。與裝機容量相近的可規(guī)模化儲能調(diào)峰設施相比，中小型抽水蓄能電站單位千瓦投資高于超導磁儲能和超級電容儲能，與壓縮空氣接近；單位度電投資高于壓縮空氣儲能，但低于其他類型儲能設施。主要儲能技術對比見表3。

表3 主要儲能技術對比[6-7]

從運行資料分析，受多重因素影響，已投運的儲能電站實際轉(zhuǎn)換效率低于理論實驗值，約在65%，而已運行的抽水蓄能電站平均效率接近80%；此外，現(xiàn)階段儲能電站使用壽命約為6年，之后需要更新?lián)Q代，產(chǎn)生再投資費用?？紤]儲能設施回收和運行壽命等因素，在滿足系統(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行成本高于大型抽水蓄能電站，但與儲能項目相比依然較低。盡管未來隨著技術迅猛發(fā)展，其他新型儲能形式的經(jīng)濟性提升空間較大，但現(xiàn)階段，建設條件較好的中小型抽水蓄能電站具備與同等規(guī)模其他儲能形式的市場競爭能力。

3 發(fā)展建議

3.1 發(fā)展思路

根據(jù)電源結(jié)構特點和系統(tǒng)實際需求，結(jié)合區(qū)域范圍內(nèi)的站點資源特點、建設可行性、開發(fā)經(jīng)濟性等綜合分析，由于我國中小型抽水蓄能電站前期工作廣度與深度不足，總體經(jīng)濟性不高，暫不具備全面鋪開大規(guī)模開發(fā)的條件，暫從系統(tǒng)內(nèi)承擔的功能作用進行發(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。應當優(yōu)先深入研究優(yōu)化調(diào)度方案，利用好已、在建輔助服務設施，保證功能效益充分發(fā)揮。

(2)保障輸配電及用戶側(cè)終端用能可靠性的中小型抽水蓄能電站，根據(jù)需求可分為兩個層次。首先，各負荷中心范圍內(nèi)，應優(yōu)先布局大型抽水蓄能電站，保證電力系統(tǒng)整體運行經(jīng)濟性。其次，規(guī)模較小的獨立地方電網(wǎng)的負荷中心，可充分利用已有資源，在進行充分的技術經(jīng)濟比較，論證具備優(yōu)勢后，適當布局中小型抽水蓄能電站，實現(xiàn)分層次的合理運行調(diào)度。

(3)提升分布式發(fā)電、孤網(wǎng)、微網(wǎng)的運行能力的中小型抽水蓄能電站。從配合分布式新能源發(fā)電來看，分布式項目的主要聚集區(qū)，以系統(tǒng)統(tǒng)籌布局大型抽水蓄能電站最為經(jīng)濟有效。而在孤網(wǎng)、微網(wǎng)中，應優(yōu)先建設電網(wǎng)基礎設施和聯(lián)合供能體系，對于支撐電源無法推進實施，可合理配置中小型抽水蓄能電站，承擔支柱性電源作用。

綜上，在“因地制宜、需求導向、經(jīng)濟合理”的條件下，中小型抽水蓄能電站主要應用于以下兩個方面。一是，對于短期內(nèi)無法進行電力基礎設施連接，系統(tǒng)結(jié)構矛盾突出，嚴重影響安全穩(wěn)定運行的孤立電網(wǎng)、微電網(wǎng)、海島電網(wǎng)等缺乏支柱性電源的區(qū)域，可以研究適當配置中小型抽水蓄能電站；二是，對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，可選擇研究布局開發(fā)條件較好的中小型獨立或混合式抽水蓄能電站；支持其他綜合利用項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、水利設施等組成聯(lián)營體，創(chuàng)新投融資模式，拓寬資金來源，共同投資聯(lián)合運營，調(diào)動中小型企業(yè)參與投資的積極性。針對項目綜合利用特點，分別制定合理的運營策略，在滿足系統(tǒng)需求條件的前提下，提升開發(fā)經(jīng)濟性。

(2)統(tǒng)籌考慮電力系統(tǒng)結(jié)構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，進一步調(diào)查中小型抽水蓄能站點資源。對建設條件好，具備市場競爭力的中小型抽水蓄能電站，納入選點規(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，保證電力系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性。

(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發(fā)經(jīng)濟性較好的情況下，可研究探索將中小型抽水蓄能電站定位于新型儲能行業(yè)的可能性和可行性，沿用新型儲能設施相關政策，在電價、稅收、發(fā)電優(yōu)先權上享受同等優(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、分布式互補開發(fā)系統(tǒng)和小型綠色綜合示范中支撐電源的區(qū)域，應促進多元利用項目的聯(lián)合發(fā)展、優(yōu)勢互補，保證基礎設施集中配置，發(fā)展政策和支持機制相互協(xié)調(diào)，形成政策合力，提升補貼和扶持資金的使用效率。同時，建立示范試點項目的投資運行反饋機制，適時分析多元綜合應用的運行效果及存在問題，研究合理的推廣模式和配套措施。