基于多能互補(bǔ)的抽水蓄能電站站址選擇的研究

任 巖，侯尚辰

[1．華北水利水電大學(xué)，河南省鄭州市 450045；2．可再生能源電力技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（ 長(zhǎng)沙理工大學(xué)），湖南省長(zhǎng)沙市 410114]

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)抽水蓄能電站飛速發(fā)展，并朝著大機(jī)組、高水頭、大容量的方向發(fā)展。目前已建成的抽水蓄能電站有29座，總裝機(jī)2527.75萬(wàn)kW[1]。抽水蓄能電站的運(yùn)行原理是在電力負(fù)荷低谷時(shí)，利用電能將下水庫(kù)中的水抽到上水庫(kù)中，即將電能轉(zhuǎn)化成水能；在電力負(fù)荷高峰時(shí)，將水放至下水庫(kù)進(jìn)行水力發(fā)電，即將水能轉(zhuǎn)化為電能。抽水蓄能電站起到調(diào)峰填谷的作用，將負(fù)荷低谷時(shí)的多余電能轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)的高價(jià)電能。

“十四五”規(guī)劃綱要提出，要構(gòu)建現(xiàn)代能源體系，加快抽水蓄能電站建設(shè)和新型儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用。抽水蓄能作為優(yōu)質(zhì)的調(diào)節(jié)能源，在促進(jìn)新能源消納方面具有突出優(yōu)勢(shì)。國(guó)家推進(jìn)“風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化”和“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”兩個(gè)一體化建設(shè)，對(duì)電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)靈活性都提出了要求[2]。修建抽水蓄能電站，首要問(wèn)題就是選址，選址是水電站管理和運(yùn)作的關(guān)鍵。站址選擇的合理性、科學(xué)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性直接影響到工程的成敗、電站的安全以及整體的運(yùn)行效益。

1 常規(guī)抽水蓄能電站選址策略

我國(guó)目前有29座已建成的抽水蓄能電站，其中有廣州、惠州、張河灣、天荒坪等裝機(jī)容量超過(guò)180萬(wàn)kW的大型電站，蒲石河、寶泉、白蓮河、仙游、桐柏、響水澗等裝機(jī)容量超過(guò)60萬(wàn)kW的中型水電站，潘家口、回龍、羊卓雍等裝機(jī)容量小于60萬(wàn)kW的小型水電站。有25座正在建設(shè)中的抽水蓄能電站，其中有豐寧、洪屏、長(zhǎng)龍山等大型電站，仙居、敦化、清遠(yuǎn)、荒溝、天池、周寧、蟠龍等中型水電站[1]。

抽水蓄能電站的站址選擇應(yīng)該從多個(gè)方面綜合考慮，比如充足水源、接入電網(wǎng)、交通運(yùn)輸、自然條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、其他設(shè)施等，盡量減少水工建筑物建造及運(yùn)行時(shí)對(duì)環(huán)境帶來(lái)的破壞。

1.1 影響因素

抽蓄站址的選擇主要考慮以下五個(gè)方面：

（1）水源充足。

雖然抽水蓄能電站是利用上、下水庫(kù)循環(huán)用水進(jìn)行發(fā)電，不需要有大量的徑流，但是電站附近需要有充足的水源作為保障，來(lái)滿(mǎn)足因蒸發(fā)、滲漏等造成的水量損失所需[3]。例如廣州抽水蓄能建設(shè)在流溪河水系上，張河灣抽水蓄能建設(shè)在甘陶河上，響水澗抽水蓄能緊靠長(zhǎng)江支流漳河等[4]。

（2）水頭適中。

抽水蓄能電站的上下庫(kù)水頭范圍應(yīng)該為200～700m之間。[5]抽水蓄能電站的水頭越高，單位水體能轉(zhuǎn)換的能量就越大，經(jīng)濟(jì)效益就越高。水頭太低會(huì)導(dǎo)致造價(jià)過(guò)高，但是受制造水平的限制，最高不超過(guò)700m。作為國(guó)內(nèi)首座700米級(jí)水頭的抽水蓄能電站，吉林敦化抽蓄于2021年6月投產(chǎn)發(fā)電[6]。

（3）距高比適中。

距高比是指抽水蓄能電站上、下水庫(kù)的水平距離與垂直高度的比值，距高比一定程度上反映了引水系統(tǒng)的長(zhǎng)度。距高比越小，引水長(zhǎng)度就越小，造價(jià)就越少，但是距高比過(guò)低會(huì)給電站的施工增加困難[7]。我國(guó)70%的抽水蓄能電站的距高比分布在2～7[4]。

（4）距離負(fù)荷中心較近。

抽水蓄能電站的選址盡量規(guī)劃在負(fù)荷中心周?chē)牡貐^(qū)，或者選在交通便利的地區(qū)，以保證電站能夠便利地給負(fù)荷中心輸送電能[8]。距離一般不宜超過(guò)200km，若站址距離可以用來(lái)接入電力系統(tǒng)的變電站過(guò)遠(yuǎn)，就會(huì)造成輸電線(xiàn)路造價(jià)高以及輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)的電量損失[9]。仙游抽水蓄能位于福建的電網(wǎng)負(fù)荷中心和電源中心，響水澗抽水蓄能臨近華東電網(wǎng)中心，白蓮河抽水蓄能位于華中電網(wǎng)用電負(fù)荷中心。

（5）地質(zhì)條件適宜。

抽水蓄能電站的建設(shè)需要有良好的高度落差，以及適合挖洞的地質(zhì)條件[10]。地質(zhì)條件不僅會(huì)影響水工建筑物建設(shè)時(shí)期的難度、工程量以及成本，還會(huì)影響運(yùn)行時(shí)期的正常工作。需要綜合考慮地質(zhì)災(zāi)害隱患、冬季凍土深度、一定深度地表的巖層結(jié)構(gòu)等因素，同時(shí)抽水蓄能電站一般地下工程較多，對(duì)于抗震等級(jí)的要求較高，所以站址選擇應(yīng)盡量遠(yuǎn)離地震帶以及穩(wěn)定性較差的區(qū)域[11]。

1.2 選址流程

抽水蓄能電站站址的選擇范圍較廣，故進(jìn)行站址選擇時(shí)要盡可能地將符合條件的優(yōu)越站址篩選出來(lái)，最后對(duì)比確定最終選擇。一般選址的程序如下[12]：

（1）依據(jù)地理因素選擇具有可行性的地點(diǎn)作為挑選范圍；

（2）在挑選范圍內(nèi)按照站址選擇的影響因素進(jìn)行初步篩選，得到幾個(gè)優(yōu)質(zhì)站址；

（3）對(duì)篩選的幾個(gè)站址進(jìn)行電站的初步設(shè)計(jì)；

（4）結(jié)合電力系統(tǒng)需求與工程投資條件，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，最終選擇抽水蓄能電站站址。

2 新型抽水蓄能電站選址策略

目前我國(guó)抽水蓄能電站多分布在東中部地區(qū)，隨著西北地區(qū)的大型風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電基地的發(fā)展與建設(shè)，十分需要建設(shè)配套的抽水蓄能電站來(lái)提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。風(fēng)能、光能是一種間歇性能源，當(dāng)其并入電網(wǎng)的比例過(guò)高，就需要對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)提高電能質(zhì)量[13]。將光伏發(fā)電、風(fēng)電、水電幾種不同類(lèi)型的電源結(jié)合在一起，利用水電調(diào)節(jié)的靈活性，平抑光伏發(fā)電、風(fēng)電出力的間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性，使得出力更加平滑穩(wěn)定，提高電能質(zhì)量，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

我國(guó)河北、內(nèi)蒙古、吉林、黑龍江、江蘇、浙江、福建、山東、廣東等省份均建設(shè)有與風(fēng)電基地配套的抽水蓄能電站，例如河北的張河灣、豐寧抽水蓄能電站，吉林的敦化抽水蓄能電站，浙江的桐柏、天荒坪抽水蓄能電站，廣東的清遠(yuǎn)抽水蓄能電站等。但是在甘肅、寧夏、新疆等省區(qū)均未建設(shè)與風(fēng)電基地配套的抽水蓄能電站[4]。

2.1 影響因素

在新能源發(fā)電的基礎(chǔ)上建設(shè)抽水蓄能電站，除了需要滿(mǎn)足常規(guī)抽水蓄能的選址條件[9]，還需要考慮以下幾個(gè)方面[14]：

（1）新能源集中分布地區(qū)。

在我國(guó)風(fēng)電資源比較豐富的西北地區(qū)，與風(fēng)電配套的抽水蓄能電站還不完善，最初主要原因是距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，經(jīng)濟(jì)比較落后。現(xiàn)階段在“十四五”規(guī)劃的支持下，可以充分利用西北、內(nèi)蒙古等地區(qū)的風(fēng)電基地[15]，構(gòu)建新型抽水蓄能電站，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能、風(fēng)能、抽水蓄能的聯(lián)合運(yùn)行[16]。

（2）負(fù)荷中心地區(qū)。

風(fēng)—光—蓄一體的新型抽水蓄電站可以向電網(wǎng)提供足量獨(dú)立的無(wú)功和有功，選在負(fù)荷中心地區(qū)能夠保障電壓和頻率的穩(wěn)定，為電網(wǎng)安全提供重要保障[17]。

（3）特高壓落端集中區(qū)域。

以特高壓為支撐的骨干電網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)資源遠(yuǎn)距離、大容量配置，也會(huì)提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和電壓跌落無(wú)功補(bǔ)償?shù)取Ｔ谔馗邏郝涠思袇^(qū)域，建設(shè)新型抽水蓄能電站，可為電網(wǎng)負(fù)荷集中區(qū)域提供大容量的無(wú)功備用支撐。

2.2 選址流程

以多能互補(bǔ)為基礎(chǔ)建設(shè)抽水蓄能電站時(shí)，站址的選擇程序與常規(guī)抽水蓄能類(lèi)似。首先以地理因素為基礎(chǔ)挑選可能性的地點(diǎn)范圍，然后根據(jù)常規(guī)抽水蓄能選址的五大影響因素選出適合的地點(diǎn)，接著考慮建設(shè)以多能互補(bǔ)為基礎(chǔ)的抽水蓄能電站的三個(gè)條件，得到幾個(gè)優(yōu)質(zhì)站址，對(duì)其開(kāi)展初步的工程設(shè)計(jì)并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，最終選定抽水蓄能電站站址。

3 研究瓶頸

（1）我國(guó)西北地區(qū)風(fēng)光資源豐富，在中國(guó)能源發(fā)展總體布局和“西電東送”戰(zhàn)略規(guī)劃中是重要的能源外送基地[18]，但由于地質(zhì)、負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)等原因，與其配套的抽水蓄能電站遲遲得不到開(kāi)發(fā)。

（2）抽水蓄能的發(fā)展與國(guó)土資源利用和環(huán)境保護(hù)的關(guān)系未能協(xié)調(diào)統(tǒng)一，致使大量?jī)?yōu)質(zhì)的抽水蓄能電站站址資源位于生態(tài)紅線(xiàn)中，嚴(yán)重限制了抽水蓄能電站的選擇。

（3）當(dāng)抽水蓄能系統(tǒng)建設(shè)于電源側(cè)時(shí)，抽水蓄能電站的調(diào)節(jié)作用就會(huì)受到限制，會(huì)影響效益，當(dāng)抽水蓄能系統(tǒng)建設(shè)于負(fù)荷側(cè)時(shí)，風(fēng)電與光電的傳輸功率就會(huì)受到限制并出現(xiàn)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，也影響效益[19]。

4 未來(lái)研究方向

（1）我國(guó)西北地區(qū)抽水蓄能工程的建設(shè)存在前期工作推進(jìn)難度大、投資高等問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，需要做好選點(diǎn)規(guī)劃工作、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)、加強(qiáng)系統(tǒng)理論研究以及建設(shè)運(yùn)行管理，加速這些地區(qū)抽水蓄能水電站的建設(shè)進(jìn)程[18]。除此之外，根據(jù)2021年國(guó)家能源局發(fā)布的《2021年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》，開(kāi)展全國(guó)新一輪抽水蓄能中長(zhǎng)期規(guī)劃，加快長(zhǎng)龍山、荒溝等抽水蓄能電站建成投產(chǎn)，推進(jìn)泰順、奉新等抽水蓄能電站核準(zhǔn)開(kāi)工建設(shè)[20]。

（2）我國(guó)已建成的大部分水電站景觀基礎(chǔ)良好，可以在發(fā)揮水電站功能的基礎(chǔ)上，開(kāi)展一些旅游類(lèi)項(xiàng)目。這就要求在選址過(guò)程中，盡量少地破壞原有的自然景觀，做到抽水蓄能與生態(tài)共同發(fā)展[21]。

（3）對(duì)抽水蓄能建設(shè)在電源側(cè)還是負(fù)荷側(cè)做進(jìn)一步分析，得到效益較高的建設(shè)方案。河南“十四五”規(guī)劃通知指出，支持抽水蓄能、風(fēng)電、光伏發(fā)電、氫能等清潔能源發(fā)展，推動(dòng)風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化和源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化，研究謀劃抽水蓄能電站[22]。

5 結(jié)語(yǔ)

抽水蓄能電站選址一般需要滿(mǎn)足水源充足、水頭適中、距高比適中、距離負(fù)荷中心近、地質(zhì)條件適宜等條件?；诙嗄芑パa(bǔ)抽水蓄能電站則需要在此基礎(chǔ)上，建設(shè)在新能源集中分布、負(fù)荷中心以及特高壓落端集中區(qū)域。關(guān)于站址的選擇流程，在考慮地理因素可行的范圍內(nèi)，以影響因素為條件進(jìn)行篩選，最后進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較得到最優(yōu)方案。未來(lái)發(fā)展需要以國(guó)家“十四五”規(guī)劃提出的政策要求作為方向，開(kāi)展新一輪抽水蓄能的規(guī)劃設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足時(shí)代發(fā)展的需要。