抽水蓄能電站容量配置的優(yōu)化設(shè)計(jì)因素與效益分析

林芳名，陳 鵬

(1.國(guó)網(wǎng)新源公司豐滿培訓(xùn)中心，吉林 吉林 132108；2.國(guó)網(wǎng)新源公司牡丹江抽水蓄能電站，黑龍江 牡丹江 157000)

如今人們意識(shí)到全球氣候變化對(duì)人類生存構(gòu)成重大威脅，越來(lái)越多的國(guó)家提出了無(wú)碳未來(lái)的愿景，清潔低碳能源成為未來(lái)能源利用的主體。我國(guó)水能資源極大豐富，可開(kāi)發(fā)的水能3.79億kW，但我國(guó)從20世紀(jì)60年代后期才開(kāi)始研究抽水蓄能電站的開(kāi)發(fā)，科技進(jìn)步與理論研究的成熟使抽水蓄能發(fā)展逐步拓展完善最終適應(yīng)了我國(guó)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和新能源發(fā)展的要求。未來(lái)國(guó)家和企業(yè)更會(huì)積極推進(jìn)抽水蓄能開(kāi)發(fā)建設(shè)，2021年3月國(guó)家電網(wǎng)有限公司宣布“十四五”期間，開(kāi)工建設(shè)2000萬(wàn)kW以上裝機(jī)規(guī)模的抽水蓄能電站項(xiàng)目；2021年4月國(guó)家能源局在全國(guó)新一輪抽水蓄能中長(zhǎng)期規(guī)劃中提出到2025年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模達(dá)6200萬(wàn)kW以上；預(yù)計(jì)到2030年，投產(chǎn)總規(guī)模達(dá)1.2億kW左右。鑒于容量配置為抽水蓄能電站發(fā)展的一項(xiàng)基本要素，本文從多角度分析如何優(yōu)化抽水蓄能電站容量配置及電力市場(chǎng)如何影響容量配置。

1 影響抽水蓄能電站容量的優(yōu)化配置因素與效益分析

1.1 抽水蓄能容量的優(yōu)化配置要考慮與可再生能源消納能力相匹配

2020年我國(guó)提出了“雙碳”目標(biāo)，采用清潔低碳能源不僅是未來(lái)能源供應(yīng)增量的主體也是未來(lái)各個(gè)國(guó)家發(fā)展的重要戰(zhàn)略。近年來(lái)，我國(guó)新能源發(fā)展迅速，僅2019年新增并網(wǎng)的風(fēng)電為2574萬(wàn)kW，光伏發(fā)電為3011萬(wàn)kW，合計(jì)占全國(guó)新增裝機(jī)容量的54.9%。[1]伴隨著新能源迅速發(fā)展，一些地區(qū)的風(fēng)、光電站由于建設(shè)速度過(guò)快與配電網(wǎng)規(guī)劃不協(xié)調(diào)以及地區(qū)市場(chǎng)消納能力有限等種種原因，進(jìn)而出現(xiàn)了新的問(wèn)題即棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴(yán)重。如果能將這些棄置的可再生能源多消納，將提高能源發(fā)展質(zhì)量和效益，促進(jìn)我國(guó)清潔能源行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，有助于滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和民生需求。為此抽水蓄能電站在新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)中扮演了非常重要的角色，抽水蓄能電站的發(fā)電機(jī)組本身適應(yīng)性強(qiáng)、電能穩(wěn)定，作為優(yōu)質(zhì)的調(diào)節(jié)電源還可以在系統(tǒng)中發(fā)揮削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和事故備用等重要功能，保障大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高供電質(zhì)量；抽水蓄能電站可以最大限度地實(shí)現(xiàn)新能源的消納，其快速轉(zhuǎn)變的靈活性，可以彌補(bǔ)風(fēng)電等其他新能源的波動(dòng)性、隨機(jī)性和不確定性，突破電網(wǎng)規(guī)模對(duì)新能源容量的限制，減少新能源涌入電網(wǎng)帶來(lái)的大沖擊，為電網(wǎng)接納更多新能源打好基礎(chǔ)；抽水蓄能電站與特高壓輸電配合，促進(jìn)清潔能源大范圍輸送和跨區(qū)跨省消納，節(jié)能減排改善大氣環(huán)境，為大力發(fā)展新能源創(chuàng)造條件。

1.2 抽水蓄能容量的優(yōu)化配置要考慮與可再生能源技術(shù)相聯(lián)合

(1)風(fēng)電-抽水蓄能電站聯(lián)合，提高能源利用率。電力系統(tǒng)最大可接納風(fēng)電能力主要受系統(tǒng)調(diào)峰容量因素制約，抽水蓄能電站可有效增加系統(tǒng)調(diào)峰容量，兩者的協(xié)調(diào)運(yùn)行能有效減少電網(wǎng)棄風(fēng)，由此在分配抽水蓄能容量時(shí)要配合具有一定裝機(jī)容量的風(fēng)電電網(wǎng)。因?yàn)橛糜跍p少風(fēng)電棄風(fēng)的抽水蓄能容量是存在上限的，對(duì)于風(fēng)電容量一定的系統(tǒng)，所需的調(diào)峰容量也是一定的，當(dāng)對(duì)抽水蓄能容量的配置超過(guò)所需的調(diào)峰容量后，系統(tǒng)的調(diào)峰約束不再是造成風(fēng)電棄風(fēng)的因素，那就要考慮可與之相匹配的對(duì)應(yīng)抽水蓄能容量，兩者協(xié)調(diào)運(yùn)行使得電網(wǎng)棄風(fēng)最小，最大效率提高系統(tǒng)的風(fēng)電接納能力，提高風(fēng)電的利用率，顯著提高社會(huì)效益。

(2)光電-抽水蓄能電站聯(lián)合，節(jié)省環(huán)境資源。瑞典公司Ngonyezi Projects早在2020年以前就已經(jīng)與津巴布韋國(guó)家水務(wù)局簽訂了一份名為非消耗性用水的協(xié)議，按協(xié)議將在馬尼卡蘭德省奧茲河上安裝2000MW·h的抽水蓄能設(shè)施和300MW的浮動(dòng)太陽(yáng)能光伏電站。水能和太陽(yáng)能的結(jié)合可以彌補(bǔ)在各種天氣條件下發(fā)電力的不足，將為當(dāng)?shù)靥峁┏掷m(xù)的電力。該漂浮式光伏項(xiàng)目將鋪設(shè)太陽(yáng)能電池板覆蓋在蓄水池表面，可節(jié)省光伏電站建設(shè)消耗的土地資源；依托于浮體架臺(tái)漂浮在水面上的光伏面板在水的冷卻作用下，可比傳統(tǒng)的地面集中式電站和屋頂分布式光伏電站獲得更多發(fā)電量；水面由于面板的覆蓋，大量的水體被遮蔽，將抑制藻類的生長(zhǎng)和每年減少約2000萬(wàn)m3的蒸發(fā)量。那我們由此可得到啟發(fā)，利用抽水蓄能電站的蓄水庫(kù)鋪設(shè)浮動(dòng)光伏面板建立水面電站，光伏面板依附于水體，可隨水體浮動(dòng)，當(dāng)抽水或發(fā)電時(shí)引起的水位上升或下降并不會(huì)導(dǎo)致光伏面板折損。

1.3 市場(chǎng)在抽水蓄能容量配置中的作用

(1)通過(guò)市場(chǎng)方式鼓勵(lì)社會(huì)資本投資，實(shí)現(xiàn)多贏。2015年國(guó)家能源局在發(fā)布的《關(guān)于鼓勵(lì)社會(huì)資本投資水電站的指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確了通過(guò)市場(chǎng)方式參與資源配置，鼓勵(lì)通過(guò)市場(chǎng)方式配置水電資源和確定項(xiàng)目開(kāi)發(fā)主體，調(diào)動(dòng)社會(huì)資本市場(chǎng)的積極性。同時(shí)還指出完善社會(huì)資本投資的政策措施，要實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益和企業(yè)效益雙贏，就要充分發(fā)揮政府投資引導(dǎo)作用。在政府宏觀調(diào)控和市場(chǎng)監(jiān)管共同配合下，完善水電開(kāi)發(fā)政策，創(chuàng)新投融資體制機(jī)制并建立利益共享機(jī)制。

(2)通過(guò)市場(chǎng)方式鼓勵(lì)多企業(yè)合作，實(shí)現(xiàn)多贏。抽水蓄能項(xiàng)目的建設(shè)要因地制宜，合理布局。因此在建設(shè)選址的時(shí)候移民安置、環(huán)保安全是基礎(chǔ)工作，同時(shí)要充分考慮資源地利益，在保障水資源開(kāi)發(fā)綜合利用效益充分發(fā)揮的同時(shí)，投資者、地方政府、移民群眾也能多方受益。馬邊彝族自治縣的企業(yè)合作就是很好的例子，該縣擁有豐富的水能資源，全縣可開(kāi)發(fā)水能資源有56萬(wàn)kW。當(dāng)?shù)匾呀ǔ赏懂a(chǎn)電站13個(gè)，裝機(jī)總?cè)萘?.786萬(wàn)kW。在建電站7個(gè)，裝機(jī)總?cè)萘?.7萬(wàn)kW。開(kāi)工準(zhǔn)備階段電站7個(gè)，裝機(jī)總?cè)萘?3.22萬(wàn)kW。規(guī)劃階段電站22個(gè)，裝機(jī)總?cè)萘?0.544萬(wàn)kW。勘察設(shè)計(jì)階段電站4個(gè)，裝機(jī)總?cè)萘?.2萬(wàn)kW。該縣地處山區(qū)，礦產(chǎn)資源豐富尤以磷礦最為豐富，儲(chǔ)量24.76億t。當(dāng)?shù)卣l(fā)揮引導(dǎo)作用，利用水能資源優(yōu)勢(shì)，支持推動(dòng)水電企業(yè)與磷化工企業(yè)協(xié)商簽訂協(xié)議引導(dǎo)電力資源優(yōu)化配置。

1.4 容量電價(jià)對(duì)抽水蓄能容量配置的影響

抽水蓄能電站面向市場(chǎng)化運(yùn)行，不得不涉及成本收益問(wèn)題，電價(jià)的核定機(jī)制和容量的分?jǐn)偡绞降戎萍s抽水蓄能行業(yè)發(fā)展。2021年國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)進(jìn)一步完善抽水蓄能價(jià)格的形成機(jī)制，以期最大程度發(fā)揮抽水蓄能電站綜合效益。在新電廠的容量配置方面，需要參考容量電價(jià)這一指標(biāo)，應(yīng)該通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的方式形成電價(jià)。

政府部門或電網(wǎng)企業(yè)預(yù)測(cè)出市場(chǎng)對(duì)用電的需求有所增加，而現(xiàn)有電廠又無(wú)法滿足用電需求時(shí)，電廠投資者會(huì)根據(jù)公布的用電需求情況測(cè)算需要增加的裝機(jī)容量和機(jī)組類型，報(bào)出將建電廠的容量電價(jià)，計(jì)算公式為:

D=d/R

(1)

式中,D—容量電價(jià)；d—容量電費(fèi)；R—機(jī)組的實(shí)際可用容量。

d=K×(Z+C)

(2)

式中，K—比例系數(shù)，根據(jù)各市場(chǎng)供求關(guān)系確定；Z—折舊，按政府價(jià)格主管部門確定的計(jì)價(jià)折舊率核定；C—財(cái)務(wù)費(fèi)用，按平均投資成本80%的貸款比例計(jì)算確定。

電網(wǎng)公司將與容量電價(jià)較低的電廠經(jīng)營(yíng)商簽訂購(gòu)電合同。簽訂購(gòu)電合同后，電廠經(jīng)營(yíng)商開(kāi)始建設(shè)電站。通過(guò)這種方式，將會(huì)規(guī)范和制約電廠投資，降低電廠成本造價(jià)。

2 實(shí)施抽水蓄能電站容量配置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 以促進(jìn)能源消納為首要任務(wù)

新能源消納的責(zé)任主體在新能源所在省，每年的消納任務(wù)由能源局下達(dá)給各省，抽水蓄能電站總裝機(jī)容量較大的省份可以更好地完成新能源消納的任務(wù)。在保障自身電網(wǎng)安全的情況下，有富余能力的抽水蓄能電站還可以向區(qū)外輸送新能源促進(jìn)消納。對(duì)于未達(dá)到消納指標(biāo)的省份，繼續(xù)推動(dòng)開(kāi)發(fā)可再生能源，同時(shí)考慮更大范圍內(nèi)資源優(yōu)化配置，合理布局抽水蓄能電站建設(shè)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域抽水蓄能協(xié)調(diào)發(fā)展。

2.2 以發(fā)揮技術(shù)聯(lián)合為最大優(yōu)勢(shì)

抽水蓄能電站與風(fēng)電、光電的聯(lián)合不但提升電力系統(tǒng)性能，充分發(fā)揮水利工程效益也避免了能源損耗、環(huán)境容量限制。根據(jù)系統(tǒng)中不同裝機(jī)容量的風(fēng)電、光電合理規(guī)劃抽水蓄能電站容量，使可再生能源效益優(yōu)化到最大。

2.3 以遵守市場(chǎng)機(jī)制為基礎(chǔ)規(guī)范

水電站的投產(chǎn)運(yùn)行既是一項(xiàng)公益性舉措，又兼具市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)特性，因此營(yíng)造一個(gè)公平良好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境和投資環(huán)境、公正規(guī)范的交易方式、出臺(tái)合理的電價(jià)改革機(jī)制等政策措施有利于水電站的開(kāi)發(fā)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)資源綜合有效利用。

2.4 以利用資源優(yōu)勢(shì)為效益手段

我國(guó)的實(shí)體經(jīng)濟(jì)用能量巨大、用能成本相對(duì)較高，降低能源成本為降低實(shí)體經(jīng)濟(jì)企業(yè)成本途徑之一。對(duì)于抽水蓄能電站本身來(lái)說(shuō)，由于受省電力公司調(diào)度，公司為減少成本，能不用則盡量不用抽水蓄能電站，一般都把開(kāi)啟電站作為最后調(diào)峰措施，使得抽水蓄能電站利用率與最初設(shè)計(jì)指標(biāo)相比，相對(duì)較低。像馬邊彝族自治縣這種利用當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢(shì)，通過(guò)推動(dòng)水電企業(yè)與其他產(chǎn)業(yè)協(xié)商簽訂協(xié)議的方式就可以達(dá)到降低實(shí)體經(jīng)濟(jì)用能成本，同時(shí)讓各方資源利益共享實(shí)現(xiàn)多贏。

3 結(jié)論

我國(guó)水能資源分布很不均勻，抽水蓄能電站在建設(shè)分布上又由于行業(yè)的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)格局和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻配置，大型水電項(xiàng)目的規(guī)劃容量確定在能源消耗容量方面，要考慮與可再生能源技術(shù)聯(lián)合使得效益最大化或是促進(jìn)可再生能源消納滿足系統(tǒng)調(diào)峰的需求；在環(huán)境承載容量方面要考慮工程建設(shè)的地質(zhì)條件能否符合環(huán)保安全可行性，在企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益方面考慮市場(chǎng)干預(yù)手段下項(xiàng)目建設(shè)投入資金允許情況等以及最終實(shí)現(xiàn)資源利益共享風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)。