基于平抑風(fēng)光波動(dòng)的礦坑抽水蓄能電站出力與機(jī)組特性研究

摘要：由于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，現(xiàn)有抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模無法滿足黃河流域的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型以及風(fēng)、光資源大規(guī)模消納的需求，同時(shí)由于采礦工作的結(jié)束，產(chǎn)生了大量廢棄礦坑。以鄂爾多斯附近的廢棄礦坑為研究對(duì)象，借助鄂爾多斯域內(nèi)的黃河水資源，結(jié)合抽水蓄能電站的建設(shè)條件，選出4對(duì)符合抽水蓄能電站建設(shè)要求的礦坑。對(duì)待建抽水蓄能電站附近的風(fēng)光資源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，借助Meteonorm、Matlab以及Simulink等軟件進(jìn)行出力模擬，并對(duì)出力特性進(jìn)行分析，證實(shí)抽水蓄能電站是風(fēng)電、光伏發(fā)電的良好補(bǔ)充資源。由于水泵水輪機(jī)的國(guó)內(nèi)外制造商沒有成形的型譜系列，所以分別從抽水蓄能電站水輪機(jī)選型要點(diǎn)、抽水蓄能電站水輪機(jī)主要特征參數(shù)的選擇、礦坑抽水蓄能電站水輪機(jī)選型實(shí)例3個(gè)角度對(duì)不同礦坑特性下的抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行合理選型。該研究對(duì)我國(guó)黃河流域抽水蓄能電站的建設(shè)、后續(xù)廢棄礦坑的利用以及礦坑抽水蓄能機(jī)組的選型具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站;廢棄礦坑;風(fēng)光出力特性;水庫(kù)建設(shè);資源利用

中圖分類號(hào)：TV743文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-6792（2025）01-0020-12

我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)擁有豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，是風(fēng)電、光伏開發(fā)的熱土。在“雙碳”目標(biāo)［1］和綠色發(fā)展理念的指導(dǎo)下［2］，風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量及發(fā)電量在內(nèi)蒙古自治區(qū)可再生能源總裝機(jī)容量及發(fā)電量中占比較大，大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)項(xiàng)目規(guī)模達(dá)到2 020萬kW，占比超過20%，位居全國(guó)首位［3］。研究表明［4］，2030年，內(nèi)蒙古可能產(chǎn)生約2 000億kW·h棄風(fēng)棄光量。在該背景下，對(duì)內(nèi)蒙古的風(fēng)光資源進(jìn)行整合利用有助于實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標(biāo)［5］。然而風(fēng)電、光伏具有極強(qiáng)烈的間歇性和波動(dòng)性［6］，為了克服風(fēng)光發(fā)電功率輸出不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，一般建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電-光伏系統(tǒng)組成互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)［7］。相比其他儲(chǔ)能方式，抽水蓄能電站運(yùn)行安全可靠、容量大、壽命長(zhǎng)，適用于大規(guī)模儲(chǔ)能場(chǎng)景［8］。黃河流域已建成的抽水蓄能電站僅有2座，在建的僅3座，現(xiàn)有裝機(jī)規(guī)模無法滿足黃河流域的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型以及風(fēng)、光資源大規(guī)模消納的需求［9］。因此，以“雙碳”目標(biāo)、黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略［10］為契機(jī)，結(jié)合黃河流域的水資源，充分發(fā)揮黃河流域的風(fēng)光資源優(yōu)勢(shì)，建設(shè)風(fēng)電-光伏-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，以有效解決風(fēng)電和光伏大規(guī)模并網(wǎng)問題，是一種新型的發(fā)電模式［11］。規(guī)劃建設(shè)抽水蓄能電站前首先要考慮選址［12］，選址的合理性直接影響到電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行［13-15］。

在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的背景下，隨著采礦業(yè)的結(jié)束，產(chǎn)生了大量的廢棄礦坑［16］，預(yù)計(jì)到2 030年，我國(guó)關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量達(dá)到15 000座，包含大約90億m3的地下空間資源［17］。露天廢棄礦坑的利用以改造成水庫(kù)后配合風(fēng)光發(fā)電為主［18］，利用廢棄礦坑所具有的修建水庫(kù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)來建造抽水蓄能電站［19］具有廣闊的經(jīng)濟(jì)前景和社會(huì)效益［20］。位于黃河“幾”字彎地區(qū)的鄂爾多斯是我國(guó)最大的產(chǎn)煤炭城市之一［21］，其內(nèi)廢棄的采煤礦坑區(qū)域是一個(gè)潛在的抽水蓄能電站建設(shè)地點(diǎn)。此礦坑區(qū)域臨近黃河，可方便利用黃河水資源，礦坑區(qū)多山地丘陵，地勢(shì)起伏較大［22］，為建設(shè)上下水庫(kù)提供了天然的高度差。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者提出對(duì)于礦坑改建抽水蓄能電站的構(gòu)想，但目前缺少實(shí)際工程應(yīng)用。美國(guó)的新薩米特抽水蓄能電站，將廢棄礦井改造為下水庫(kù)，其規(guī)劃裝機(jī)1 500 MW［23］。德國(guó)的下薩克森州能源研究中心計(jì)劃利用廢棄的金屬礦巷道建設(shè)抽水蓄能電站［24］。澳大利亞的北昆士蘭州設(shè)計(jì)利用露天金礦建設(shè)抽水蓄能電站［25］。西班牙研究利用某煤礦建設(shè)半地下抽水蓄能電站［26］，南非約翰內(nèi)斯堡計(jì)劃利用廢棄的深井金礦建設(shè)抽水蓄能電站［27］。我國(guó)的河北灤平抽水蓄能電站利用磁鐵礦坑做下水庫(kù)，遼寧阜新抽水蓄能電站利用海州廢棄礦坑做下水庫(kù)，2個(gè)站址已納入抽水蓄能選點(diǎn)規(guī)劃報(bào)告［28］。

在研究風(fēng)電-光伏-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，很多學(xué)者常運(yùn)用Meteonorm、Matlab和Simulink等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、出力模擬和分析。文獻(xiàn)［29］對(duì)幾種不同的光資源數(shù)據(jù)來源進(jìn)行分析，結(jié)果證明Meteonorm軟件中采集到的輻照度數(shù)據(jù)與實(shí)際光伏電站的輻照度數(shù)據(jù)最接近，可信度更高。文獻(xiàn)［30］基于Matlab/Simulink搭建了小功率離網(wǎng)型風(fēng)-光-柴儲(chǔ)混合發(fā)電系統(tǒng)模型，根據(jù)仿真模型的輸出波形分析該模型的有效性。本研究中借助Meteonorm軟件采集風(fēng)、光的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，借助Matlab、Simulink軟件構(gòu)建相應(yīng)的出力模型，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

廢棄礦坑的利用以及礦坑抽水蓄能電站的建設(shè)能夠產(chǎn)生多方面的影響，包括但不限于對(duì)資源利用率的影響、對(duì)環(huán)境的影響、可能產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)以及可持續(xù)性問題等。本研究從電力能源的角度展開，主要考慮建設(shè)礦坑抽水蓄能電站對(duì)風(fēng)、光等清潔能源利用率產(chǎn)生的影響。利用廢棄的采煤礦坑改造成水庫(kù)來建設(shè)抽水蓄能電站，利用礦坑附近的黃河水資源為上下水庫(kù)提供水源保障，是有效利用廢棄礦坑的創(chuàng)新方式，提高風(fēng)電、光伏資源的消納率，降低由風(fēng)電-光伏接入電網(wǎng)帶來的沖擊。目前，如何根據(jù)不同的礦坑特性對(duì)抽水蓄能電站進(jìn)行選型，是亟須解決的一個(gè)難題。

1礦坑特性

我國(guó)的廢棄礦坑主要分布在晉、陜、蒙、寧、甘、云、貴、川以及東北地區(qū)［31］。截至目前，地下礦井多被用于瓦斯開采，露天礦坑多被配合用于風(fēng)光發(fā)電、生態(tài)修復(fù)等［32-33］。根據(jù)原水利電力部頒布的《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（山丘、丘陵區(qū)部分）（SDJ 12—78）的試行規(guī)定［34］，水利水電樞紐根據(jù)其工程規(guī)模、效益和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性劃分為5個(gè)等級(jí)。參考抽水蓄能水庫(kù)庫(kù)容等級(jí)劃分，對(duì)礦坑庫(kù)容以10億為數(shù)量級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)，礦坑庫(kù)容小于0.01億m3的為最小等級(jí)，庫(kù)容大于10億m3為最高等級(jí)。根據(jù)礦坑的海拔，將其分為低、中、高3個(gè)等級(jí)，其中海拔小于1 200 m的定義為低等級(jí)，海拔位于區(qū)間［1 200，1 300］ m的定義為中等級(jí)，海拔高于1 300 m定義為高等級(jí)。根據(jù)不同礦坑的海拔，將礦坑之間的相對(duì)高度劃分為3個(gè)等級(jí)，分別為小于200 m、［200，700］ m以及大于700 m。根據(jù)礦坑之間的距離和相對(duì)高度對(duì)礦坑之間的距離和高度比（距高比）進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)水庫(kù)大壩基坑開挖的施工要點(diǎn)規(guī)定，通常礦坑挖掘深度為10～20 m，在可行開挖深度范圍內(nèi)對(duì)礦坑進(jìn)一步深挖，滿足距高比條件下的礦坑即為滿足礦坑抽水蓄能電站建設(shè)條件的廢棄礦坑。

在對(duì)廢棄礦坑的特性進(jìn)行分析之后，以鄂爾多斯附近的廢棄礦坑為例，借助鄂爾多斯域內(nèi)的黃河水資源，選取4處符合建設(shè)要求的礦坑，標(biāo)記為地點(diǎn)A、B、C、D，其中C地點(diǎn)和D地點(diǎn)處的抽水蓄能電站的上、下水庫(kù)均為利用廢棄礦坑資源改造的水庫(kù)，A地點(diǎn)和B地點(diǎn)處的抽水蓄能電站則是將廢棄礦坑作為上水庫(kù)，同時(shí)利用黃河水資源建設(shè)下水庫(kù)，其地理位置如圖1所示。

2風(fēng)光波動(dòng)下抽水蓄能電站出力特性

2.1風(fēng)電出力特性

2.1.1風(fēng)資源狀況

風(fēng)電出力的主要影響因素為風(fēng)速，風(fēng)速受到季節(jié)、溫度等因素的影響，具有強(qiáng)隨機(jī)性與波動(dòng)性。以典型年8 760 h的風(fēng)電單位出力為依據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。圖2中地點(diǎn)C處整體風(fēng)速較大，其余3處的風(fēng)速變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為3月份風(fēng)速較高，出現(xiàn)最大值，最高風(fēng)速超過12 m/s。

以地點(diǎn)A為例進(jìn)行分析，選取各季節(jié)典型日數(shù)據(jù)繪制各季節(jié)典型月風(fēng)速變化圖和典型日風(fēng)速圖，分別如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可發(fā)現(xiàn)：風(fēng)速變化趨勢(shì)在季節(jié)上表現(xiàn)較為不明顯，從總體趨勢(shì)來看，差別不大，春秋兩季風(fēng)速略高于夏冬兩季的;四季均表現(xiàn)出夜里風(fēng)速較大、白天風(fēng)速較低的特點(diǎn)，尤其在午后，風(fēng)速處于日內(nèi)較低水平。

2.1.2出力特性分析

2.1.2.1年出力特性分析

典型年8 760 h風(fēng)電單位出力如圖5所示。由圖5可以看出，各風(fēng)電場(chǎng)整體出力水平與風(fēng)電場(chǎng)所在的地理位置密切相關(guān)。對(duì)A、B、C、D 4處的風(fēng)電年出力特性進(jìn)行分析可知：A處3—4月份、12月份風(fēng)速較大，單位出力可達(dá)0.8以上;7—8月份風(fēng)速較小，單位出力大部分在0.4左右。B處4月份左右風(fēng)速較大，單位出力可達(dá)0.8以上;8—9月份風(fēng)速較小，單位出力大部分在0.3左右。C處的整體風(fēng)速偏大，單位出力也較大，全年有1/3時(shí)間的單位出力達(dá)0.6以上，主要在3—4月份、11—12月份;單位出力較低數(shù)值出現(xiàn)在7—8月份，大部分單位出力在0.4左右。D處的整體風(fēng)速偏低，單位出力的變化趨勢(shì)與其余3處的類似。

2.1.2.2典型日出力特性分析

以A處為例，對(duì)該處風(fēng)電場(chǎng)的日出力特性進(jìn)行分析，選取3個(gè)典型日數(shù)據(jù)，第1個(gè)為最大出力日，即全年發(fā)電量最大的一天;第2個(gè)為最小出力日，即全年發(fā)電量最小的一天;第3個(gè)為一般出力日，即選取日發(fā)電量平均值，其日發(fā)電量=年發(fā)電量/365。這3個(gè)典型日的出力特性如圖6所示。

由圖6可以看出，最大出力日的風(fēng)電單位出力保持在0.4～0.8，一般出力日的保持在0.0～0.4，最小出力日的幾乎為0.0，全天停止發(fā)電。最大出力日與一般出力日的變化趨勢(shì)表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，走勢(shì)較為一致，具有明顯的峰谷特征，在3：00至4：00、14：00至16：00和19：00至20：00出現(xiàn)出力高峰階段。

由于風(fēng)電出力具有高度的隨機(jī)性，典型日的出力特性代表性不足，所以利用各季節(jié)的典型月數(shù)據(jù)（圖7）進(jìn)一步分析。

圖7進(jìn)一步證實(shí)最大出力日與一般出力日的出力具有相關(guān)性，在最小出力不為零的情況下，最大出力日、一般出力日和最小出力日的3條出力曲線類似。風(fēng)電單位出力情況較為理想的月份為3月和9月，即春、秋兩季風(fēng)電出力較為理想，夏、冬季節(jié)出力較低，這與前文的結(jié)果一致。

2.2光伏出力特性

2.2.1光資源狀況

光伏電站的出力影響因素主要是輻照度，它由季節(jié)、天氣、晝夜等因素決定，表現(xiàn)出強(qiáng)不確定性。白天有光照，夜間無光照;晴天時(shí)輻照量大，陰天時(shí)無輻照量或輻照量較小。以典型年8 760 h的輻照量與溫度為依據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

由圖8—9可看出：A、B、C、D處的輻照度數(shù)值與變化趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為4—8月的輻照度數(shù)據(jù)較大，最高可超過1 000 W/m2，當(dāng)年11月至次年1月的輻照度偏小，大部分低于600 W/m2;溫度變化趨勢(shì)大致呈“n”形并伴有振蕩，表現(xiàn)為夏季溫度高、冬季溫度低。

以A處為例，選取各季節(jié)典型日數(shù)據(jù)，繪制出各季節(jié)典型月輻照度變化曲線和典型日輻照度變化曲線分別如圖10和圖11所示。

由圖10和圖11可知：太陽(yáng)輻照度在季節(jié)性上的表現(xiàn)比較明顯，春季、夏季的輻照度高于秋季、冬季的，其中夏季輻照度最高;各季節(jié)的輻照度變化趨勢(shì)基本一致，每天的12：00—15：00是一天內(nèi)輻照度最高的時(shí)間段，在21：00至次日6：00，因?yàn)樘幱诤谝?，無光照，所以輻照度為0。

2.2.2出力特性分析

2.2.2.1年出力特性分析

A、B、C、D處的光伏年出力變化趨勢(shì)（圖12）基本一致，4—8月份的輻照度較高，其最高單位出力可達(dá)0.8以上;1月份和12月份的輻照度較低，其單位出力大部分維持在0.4左右。光伏電站出力因?yàn)榧竟?jié)變化受到約束，在春天和夏天的時(shí)候，光伏單位出力相對(duì)較大，秋季和冬季單位出力較小。

2.2.2.2典型日出力特性分析

光伏出力具有規(guī)律性和間歇性，為了進(jìn)一步分析不同季節(jié)不同月份下光伏的日出力特性，以A處為例，繪制各月最大出力日的特性曲線，如圖13所示。

由圖13可以看出：因季節(jié)的差異，各月份的光照時(shí)長(zhǎng)不同，光伏出力也不同。1、2、11、12月份的最大出力日的有效光照時(shí)長(zhǎng)為9～11 h，3、4、9、10月份的最大出力日有效光照時(shí)長(zhǎng)為12～13 h，5、6、7和8月份的最大出力日有效光照時(shí)長(zhǎng)為15 h左右，總體表現(xiàn)為夏季光照時(shí)間長(zhǎng)、輻照度大，相應(yīng)的光伏單位出力值也較高。12個(gè)月份均在日內(nèi)表現(xiàn)為在13：00左右出現(xiàn)出力峰值，日出力曲線呈現(xiàn)出規(guī)則的拋物線形態(tài)。除此之外，光伏日出力在晴天、陰天、雨天的差別較為明顯。

7月份不同天氣下的光伏24 h單位出力特性曲線如圖14所示。夏季輻照度大，天氣變化較快，因光伏出力受輻照度、溫度等的影響較大，所以圖14中光伏出力在不同天氣下差別明顯，晴天的出力明顯高于陰天的，雨天因光照強(qiáng)度較低，基本無出力。

2.3風(fēng)光互補(bǔ)后平抑波動(dòng)出力需求

光伏出力主要依靠太陽(yáng)輻照度，光伏出力特性表現(xiàn)為在中午時(shí)出力最大，夜間無出力;風(fēng)電出力主要依靠風(fēng)速，風(fēng)電出力特性表現(xiàn)為在夜間和傍晚出力較大。雖然風(fēng)電出力和光伏出力都具有波動(dòng)性和間歇性，但是風(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源具有天然的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，即白天光強(qiáng)、夜間風(fēng)大，故白天光伏出力大，夜間風(fēng)電出力大。根據(jù)系統(tǒng)出力波動(dòng)度最小、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)原則形成風(fēng)光互補(bǔ)出力，彌補(bǔ)了獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電和獨(dú)立光伏發(fā)電的不足，使出力更加平穩(wěn)可靠。以A處為例，通過風(fēng)光出力互補(bǔ)的方式降低風(fēng)電、光伏出力波動(dòng)，互補(bǔ)后8 760 h的出力如圖15所示，風(fēng)光互補(bǔ)后各季節(jié)典型日的出力如圖16所示。

由圖15和16可知：雖然在風(fēng)速低時(shí)輻照度大，在輻照度為零時(shí)風(fēng)速高，由于風(fēng)光資源具有不穩(wěn)定、隨機(jī)性等特點(diǎn)，風(fēng)光出力互補(bǔ)后仍然具有強(qiáng)烈的波動(dòng)，其變化趨勢(shì)基本與光伏出力相同，大致呈現(xiàn)正態(tài)分布，比風(fēng)電出力略微平滑。

2.4抽水蓄能電站調(diào)度出力特性

為了使發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率更加穩(wěn)定，需要引入儲(chǔ)能設(shè)備，與風(fēng)電、光伏組合形成穩(wěn)定的電源，故構(gòu)建風(fēng)電-光伏-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其中抽水蓄能電站為大型儲(chǔ)能裝置，在用電高峰期時(shí)發(fā)電補(bǔ)充功率缺額，在用電低谷期時(shí)儲(chǔ)存電能，起到削峰填谷的作用，從而達(dá)到平抑風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的波動(dòng)，減少棄風(fēng)棄光率的目的。在本研究中，風(fēng)光電場(chǎng)出力與輸電通道之間的差值為抽水蓄能電站的工作空間。當(dāng)風(fēng)光電場(chǎng)的發(fā)電量充足時(shí)，超過輸電通道容量的部分為多余的電能，抽水蓄能電站利用該部分電能進(jìn)行抽水，將電能以水能的形式儲(chǔ)存起來。當(dāng)風(fēng)光電場(chǎng)的發(fā)電量不足時(shí)，低于輸電通道容量的部分為缺少的電能，此時(shí)抽水蓄能電站放水發(fā)電，補(bǔ)齊電能缺額。這樣將間歇性的能源轉(zhuǎn)化為可調(diào)可控的穩(wěn)定能源，能夠有效地降低風(fēng)電光伏并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本研究以鄂爾多斯區(qū)域內(nèi)廢棄礦坑為基礎(chǔ)，設(shè)置了2組上、下水庫(kù)，均為廢棄礦坑改造而成的抽水蓄能電站，同時(shí)設(shè)置了2組利用廢棄礦坑作為上水庫(kù)、引用黃河水資源建設(shè)下水庫(kù)的抽水蓄能電站，將4處抽水蓄能電站分別聯(lián)合其附近的風(fēng)電光伏資源，組成風(fēng)電-光伏-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。借助Meteonorm、Matlab以及Simulink等軟件對(duì)系統(tǒng)出力進(jìn)行仿真，得到A、B、C、D地區(qū)風(fēng)電-光伏-抽水蓄能互補(bǔ)后的出力，如圖17所示。A地區(qū)風(fēng)電-光伏-抽水蓄能互補(bǔ)后的出力局部如圖18所示。

由圖18可直觀地看出：風(fēng)電光伏出力與抽水蓄能電站互補(bǔ)后雖仍有少量棄風(fēng)棄光，總體出力較為平穩(wěn)，說明抽水蓄能電站是風(fēng)電、光伏互補(bǔ)發(fā)電的良好補(bǔ)充資源。通過利用廢棄礦坑和黃河水資源來建設(shè)抽水蓄能電站，不僅可以合理利用廢棄礦坑以及黃河水資源，還能夠降低風(fēng)電、光伏直接接入電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)造成的沖擊，提高新能源的消納能力。

3不同礦坑特性下的抽水蓄能機(jī)組選型

3.1抽水蓄能電站水輪機(jī)選型

常規(guī)水輪機(jī)具有成形的型譜系列，根據(jù)已知的水電站水頭，直接從水輪機(jī)系列型譜中選出幾種適用的型號(hào)，使選型工作變得簡(jiǎn)化與標(biāo)準(zhǔn)化［35］。與常規(guī)水輪機(jī)不同的是，水泵水輪機(jī)沒有成形的型譜系列，所以常規(guī)水輪機(jī)的設(shè)計(jì)方法不能完全適用于水泵水輪機(jī)的設(shè)計(jì)中。水泵水輪機(jī)的選型應(yīng)該根據(jù)發(fā)電水頭（最大水頭、最小水頭、平均水頭和額定水頭）、運(yùn)行特點(diǎn)、削峰填谷需求等因素，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。在確定水輪機(jī)的臺(tái)數(shù)和單機(jī)容量時(shí)，需要在綜合考慮所有因素后，至少擬定3個(gè)組合方案，然后通過技術(shù)確定最終方案。

3.2抽水蓄能電站水輪機(jī)主要特征參數(shù)的選擇

3.2.1水泵水輪機(jī)機(jī)型的選擇

水泵水輪機(jī)機(jī)型需要根據(jù)發(fā)電水頭、運(yùn)行特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)制造水平等因素，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定［36］。根據(jù)《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T10072—2018）中關(guān)于機(jī)型選擇的論述，水頭高于800.0 m時(shí)，選擇組合式水輪機(jī)或多級(jí)式水泵水輪機(jī);水頭位于區(qū)間［50.0，800.0］ m時(shí)，選擇單級(jí)混流式水泵水輪機(jī);水頭低于50.0 m時(shí)，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選擇混流式、軸流式或者貫流式水泵水輪機(jī)。

3.2.2水輪機(jī)臺(tái)數(shù)和單機(jī)容量的選擇

由抽水蓄能電站削峰填谷的作用可知，抽水蓄能電站的裝機(jī)容量首先取決于電網(wǎng)低谷的電量以及調(diào)峰容量的需求。除此之外還需考慮電站所處的位置，包括上下水庫(kù)的容積、高度差以及水源是否充裕等情況。目前國(guó)外單機(jī)容量最大，已經(jīng)達(dá)到475 MW。我國(guó)已建和在建抽水蓄能機(jī)組單機(jī)容量以300 MW為主，近年來已有投產(chǎn)的機(jī)組單機(jī)容量達(dá)到400 MW，在建機(jī)組單機(jī)容量達(dá)到425 MW。根據(jù)工程實(shí)例可知，單機(jī)容量一般以25 MW作為一個(gè)數(shù)量級(jí)進(jìn)行遞增。根據(jù)《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10072—2018）中的規(guī)定可知，選擇機(jī)組單機(jī)容量時(shí)，為了降低成本，在滿足機(jī)組設(shè)計(jì)、制造難度、制造水平的前提下，選擇單機(jī)容量大、臺(tái)數(shù)少（臺(tái)數(shù)一般大于2臺(tái)）的方案。

3.2.3水輪機(jī)額定水頭的選擇

抽水蓄能電站額定水頭影響著抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的作用及水輪機(jī)的正常運(yùn)行，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式分析可得，額定水頭應(yīng)盡可能靠近平均水頭，上限低于平均水頭4%，下限高于平均水頭1%。提高額定水頭不僅能夠改善水泵水輪機(jī)的運(yùn)行效率，還可以擴(kuò)大水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的范圍，有利于水輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3礦坑抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)選型實(shí)例

礦坑抽水蓄能電站位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯的黃河流域，以廢棄礦坑為基礎(chǔ)改建抽水蓄能電站。根據(jù)上述選型流程對(duì)A、B、C、D處抽水蓄能電站進(jìn)行選型，結(jié)果見表1。

與風(fēng)電-光伏互補(bǔ)系統(tǒng)相比，風(fēng)電-光伏-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在棄風(fēng)棄光率、系統(tǒng)出力波動(dòng)度、項(xiàng)目收益等方面均會(huì)有所改善。根據(jù)系統(tǒng)中配置的風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量的不同，具體的風(fēng)電-光伏-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的效益也不一樣。故在這4處抽水蓄能電站的選型確定后，可進(jìn)一步研究風(fēng)電-光伏-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的容量配置，以抽水蓄能電站容量為已知前提，根據(jù)抽水蓄能電站附近的風(fēng)光資源對(duì)抽水蓄能電站可消納的風(fēng)電、光伏資源進(jìn)行配置。合理的容量配置不僅能夠使抽水蓄能電站削峰填谷的功能發(fā)揮到最大化，也使風(fēng)電-光伏-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的效益最高。

4結(jié)語(yǔ)

1）構(gòu)建的基于廢棄礦坑的抽水蓄能電站能減少抽水蓄能電站的初始投資、降低地形地貌的限制，同時(shí)也是對(duì)廢棄礦坑的再利用?；趶U棄礦坑改造的抽水蓄能電站可在其他廢棄礦坑區(qū)根據(jù)不同礦坑的類型結(jié)合抽水蓄能電站的建設(shè)條件進(jìn)行建設(shè)。

2）新能源接入電力系統(tǒng)導(dǎo)致發(fā)電量的波動(dòng)大大增加。通過對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)和風(fēng)電-光伏-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的出力進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)抽水蓄能電站能夠改善新能源并網(wǎng)時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)造成的沖擊，提高新能源的消納能力。本文構(gòu)建的風(fēng)電-光伏-抽水蓄能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能夠適用于其他風(fēng)資源與光資源豐富的地區(qū)，可以借助抽水蓄能電站削峰填谷的作用調(diào)節(jié)風(fēng)光出力的波動(dòng)，起到消納風(fēng)、光等清潔能源的作用，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

3）黃河“幾”字彎礦坑抽水蓄能電站的建設(shè)，一方面可以提高廢棄礦坑的利用率，另一方面對(duì)消納鄂爾多斯地區(qū)的風(fēng)光資源、促進(jìn)可再生能源的高質(zhì)量上網(wǎng)提供了重要保障，同時(shí)也提高了對(duì)黃河水資源的利用率。對(duì)抽水蓄能電站機(jī)組選型研究將會(huì)對(duì)抽水蓄能電站的工程設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

4）本文從電力能源的角度展開研究，接下來可以進(jìn)一步考慮建設(shè)礦坑抽水蓄能電站可能產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和可持續(xù)性問題，進(jìn)而完善對(duì)建設(shè)礦坑抽水蓄能電站的綜合評(píng)估。另外，由于黃河水資源十分短缺，抽水蓄能電站的建設(shè)需要引用部分黃河水資源，同時(shí)抽水蓄能電站的建設(shè)提高了新能源的消納比例，減少火電和煤炭行業(yè)等高耗水產(chǎn)業(yè)對(duì)水資源的占用，因此下一步應(yīng)研究在水資源剛性約束條件下，如何通過水權(quán)交易實(shí)現(xiàn)水用途的轉(zhuǎn)換，為抽水蓄能電站的建設(shè)運(yùn)行提供水資源保證，為黃河流域抽水蓄能電站的發(fā)展提供決策依據(jù)。

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Study on the Output and Unit Characteristics of Pumped Storage Power

Station Utilizing Abandoned Mine Pits for Smoothing the Fluctuation of

Wind and Photovoltaic Outputs

REN Yan， HOU Shangchen， HAN Yuping， ZHANG Haonan， SUN Ketao， XING Xinyang

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract：

Due to the adjustment of China′s energy structure， the existing pumped storage power station scale installed capacity cannot meet the demand for energy structure transformation and large-scale consumption of wind and solar resources in the Yellow River Basin， at the same time，a large number of abandoned pits have been produced due to the end of mining work. Taking the abandoned mine pits near Ordos as the research object， and with the help of the Yellow River water resources in the Ordos area， combined with the construction conditions of "pumped storage power plants， four pairs of pits that meet the requirements for the construction of pumped storage power plants are selected. The wind and solar resource data near the proposed pumped storage power station to be built are collected， and the output simulations are carried out with the help of Meteonorm， Matlab and Simulink software， and the output characteristics are analyzed， which confirms that the pumped storage power station is a good complementary resource for wind power and photovoltaic power generation. Since the domestic and foreign manufacturers of pump turbines do not have a well-established type series， a reasonable selection of pumped storage units under different pit characteristics is conducted from three perspectives： the main points of pumped storage power station turbine selection， the selection of main characteristic parameters of pumped storage power station turbine， and the example of pumped storage turbine selection of a certain mine pit. This study is of guiding significance for the construction of pumped storage power stations in the Yellow River Basin of China， the subsequent utilization of abandoned mine pits and the selection of mine pit pumped storage units.

Keywords：

pumped storage power station; abandoned mine pit; wind and photovoltaic output characteristics; reservoir construction; resource utilization

（編輯：杜明俠）

收稿日期：2024-03-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFC3209404）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（220506429133218）;河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（23B480001）。

第一作者：

任巖（1979—），女，教授，碩導(dǎo)，博士，從事新能源發(fā)電及抽水蓄能技術(shù)等方面的研究。E-mail：renyan@ncwu.edu.cn。

通信作者：

韓宇平（1975—），男，教授，博導(dǎo)，博士，從事水資源系統(tǒng)工程方面的研究。E-mail：Hanyp@ncwu.edu.cn。