【电力百科】抽水蓄能电站结构及特点
发布时间: 2023-09-23 00:24:24 作者：叶轮类
抽水蓄能在规模化储能中应用最广泛、技术最成熟，电站装机容量规模可达千兆瓦级。目前全球发展最成熟、装机顶级规模的储能是抽水蓄能。
抽水蓄能技术成熟稳定，综合效益高，常用于调峰和备用。抽水蓄能在规模化储能中应用最广泛、技术最成熟，电站装机容量规模可达千兆瓦级。根据中国能源研究会储能专业委员会的不完全统计，目前全球发展最成熟、装机顶级规模的储能是抽水蓄能。截至2019年，全球已投运储能容量达到1.8亿千瓦，抽水蓄能装机容量超过1.7亿千瓦，占全球储能总量的94%。
抽水蓄能电站利用电力系统低谷负荷时的电力抽水到高处蓄存，在高峰负荷时段放水发电。在负荷低谷时，抽水蓄能电站是用户；在负荷高峰时，它是发电厂。
抽水蓄能机组具有抽水和发电两种基本功能。机组在电力系统负荷高峰时作水轮机运行，通过调速器系统调整水轮机导叶开度，将水的势能转换为机组旋转的机械能，再通过发电机将机械能转换为电能；在电力系统负荷低谷时作水泵运行，用低谷时的电能从下水库向上水库抽水，通过调速器系统的自动调节，根据水泵扬程自动调整导叶开度，将电能转换为水的势能储存起来。
抽水蓄能电站主要承担电力系统的调峰、调频、事故备用及黑启动等，能改善和平衡电力系统负荷，提高电力系统的供电质量和经济的效果与利益，是确保电网安全、经济、稳定运行的支柱。抽水蓄能电站被喻为电网安全运作中的“稳定器”“调节器”“平衡器”。
世界抽水蓄能电站的发展的新趋势为高水头、大容量、高转速。高水头即机组向更高水头发展，大容量是指单机容量不断增大，高转速即机组采用更高的比转速。
抽水蓄能电站主要建筑物一般来说包括：上水库、下水库、输水系统、厂房和其他专用建筑物等。与常规水电站相比，抽水蓄能电站的水工建筑物有以下主要特点：
有上下两个水库。与同等装机容量的常规水电站相比，抽水蓄能电站水库库容通常比较小。
水库水位变幅大，升降频繁。为了承担电网中的调峰填谷任务，抽水蓄能电站水库水位日变幅通常比较大，一般超过10~20米，部分电站达到30~40米，而且水库水位变动速率较快，一般达到5~8米/小时，甚至达到8~10米/小时。
水库防渗要求高。纯抽水蓄能电站如因上水库渗漏等导致水量大量损失，将减少电站发电量，因此，对水库防渗要求高。同时，为避免渗水对工程区水文地质条件造成恶化、产生渗透破坏和集中渗漏，也对水库防渗提出较高要求。
水头较高。抽水蓄能电站的水头一般较高，多为200~800米。总装机容量为180万千瓦的绩溪抽水蓄能电站是我国首个650米水头段项目，总装机容量为140万千瓦的敦化抽水蓄能电站是我国首个700米水头段项目。随着抽水蓄能技术水平的持续不断的发展，我国高水头、大容量电站的数量将会慢慢的多。
机组安装高程低。为客服上浮力及渗流对厂房的影响，近年来国内外建设的大型抽水蓄能电站多采用地下厂房形式。
世界上最早的抽水蓄能电站是瑞士苏黎世的奈特拉抽水蓄能电站，建于1882年。中国抽水蓄能电站建设起步较晚。1968年在岗南水库安装了第一台斜流可逆式机组。之后，随着国内能源工业加快速度进行发展，核电和火电装机容量迅速增长，要求电力系统必须配备相应的抽水蓄能机组。
20世纪80年代起，国内开始大力兴建大型抽水蓄能电站。近年来，随着我们国家经济和电力工业的加快速度进行发展，在大型抽水蓄能机组设备自主化方面，我们国家取得了丰硕的科技成果。
截至2020年年底，我国抽水蓄能发电装机容量3149万千瓦，比上年增长4.0%。2020年，全国抽水蓄能发电量为335亿千瓦时，比上年增长5.0%；全国新增抽水蓄能发电装机容量120万千瓦。我国抽水蓄能电站投产和在建容量均居世界第一。
一直以来，国家电网有限公司格外的重视抽水蓄能发展。目前，国家电网在运抽水蓄能电站22座，在建抽水蓄能电站30座。
2016年，陕西镇安、江苏句容、辽宁清原、福建厦门、新疆阜康5个抽水蓄能电站工程开工；
2017年，河北易县、内蒙古芝瑞、浙江宁海、浙江缙云、河南洛宁、湖南平江6个抽水蓄能电站工程开工；
2019年，河北抚宁、吉林蛟河、浙江衢江、山东潍坊、新疆哈密5个抽水蓄能电站工程开工；
2020年，山西垣曲、山西浑源、浙江磐安、山东泰安二期4个抽水蓄能电站工程开工。
我国第一座机组设备完全自主化的抽水蓄能电站。2011年10月，电站成功建成，标志着我国成功掌握了抽水蓄能机组设备研制的核心技术。
2013年4月，福建仙游抽水蓄能电站正式投产发电；2016年4月，浙江仙居抽水蓄能电站单机容量37.5万千瓦机组成功并网。我国大型抽水蓄能机组自主化设备不断获得推广应用。
我国首座700米级水头抽水蓄能电站。总装机容量为140万千瓦，2021年6月4日，1号机组投产发电。
围绕抽水蓄能技术及电站建设等，《亮报》对国网新源控股有限公司发展部主任余贤华进行了专访。
《亮报》：作为目前安全、稳定、成熟的灵活调节技术，抽水蓄能在构建以新能源为主体的新型电力系统、服务碳达峰碳中和方面，将发挥哪些作用？
余贤华：随着高比例新能源大规模接入和终端电气化进程快速推进，对新型电力系统安全稳定与经济运行能力、能源配置与能源输送能力、电力平衡调节能力提出了更加高的要求。抽水蓄能具有基础性、综合性、公共性特征，可参与新型电力系统源网荷储各环节调节服务，综合效益更为显著，承载着电力系统安全供电稳定器、清洁低碳平衡器和高效运行调节器的重要功能。
一是有效应对高比例新能源渗透下电力系统可靠备用容量不够，凭借双倍容量的调峰优势，提升电力系统大容量调峰能力，缓解因新能源不稳定导致的高峰负荷供给问题和因低谷时段新能源大发导致的消纳困难，更好地促进新能源消纳。二是有效应对新能源出力特性与负荷需求不匹配，依靠快速响应的灵活调节能力，更好地适应新能源的随机性和波动性，满足新能源“靠天吃饭”带来的灵活调节需求。三是有效应对高比例新能源电力系统转动惯量不足，凭借同步发电机的高转动惯量优势，有力增强系统抗扰动能力，维持系统频率稳定。四是有效应对“双高”形态给新型电力系统带来的潜在安全影响，承担事故备用功能，凭借快速启停和快速功率爬坡能力随时响应突发调节需求。同时作为可中断负荷，以毫秒级响应安全切除抽水机组额定负荷，提升系统安全稳定运行能力。五是有效应对大规模新能源上网带来的高调节成本，通过合理的运行方式，配合火电减碳增效，减少弃风弃光，促进容量配置，提升全系统整体经济性和运行清洁性。
余贤华：国家电网公司“碳达峰、碳中和”行动方案明白准确地提出，到2025年经营区抽水蓄能装机超过5000万千瓦。按照现有开发规模和建设进度，预计2030年国家电网公司经营区抽水蓄能装机容量达到1亿千瓦，将为我国碳达峰目标提供重要支撑。
国网新源公司将认真贯彻落实国家电网公司决策部署。一是加快抽水蓄能项目开发。我们将围绕碳达峰碳中和目标，积极努力配合国家中长期规划编制，做好公司抽水蓄能规划资源选取、开发需求分析和建设时序安排，加大“十四五”特别是前三年核准开工规模，坚持开放发展，一同推动抽水蓄能开发建设。加强基建资源优化整合，统筹30个在建项目安全、质量和进度管理，大力推进机械化施工、智能化管控和标准化建设，优化施工工期，确保“十四五”期间抽水蓄能投产容量超过2000万千瓦，到2030年运行装机容量超过7000万千瓦。
二是在精益管理上下功夫。强化规划引领，围绕“双碳”目标和公司战略实施，高质量编制好抽水蓄能“十四五”发展规划。科学优化项目前期工作程序，有序推进项目可研核准。围绕安全、质量、工期、造价，大力推进工程建设智慧化管控、机械化施工和绿色建造，确保在建项目尽早发挥效益。深化设备全寿命周期管理，深化机组服务电网研究，优化机组运行策略，全力服务电网安全稳定运行。深化多维精益管理，加快现代智慧供应链建设，健全物资管理体系，科学配置资本、资源、技术、数据等生产要素，大力提质增效，全方面提升管理效率和经营效益。
三是在科学技术创新上寻求突破。深入实施科学技术创新“新跨越行动计划”，加大科研投入，提高自主创造新兴事物的能力。加大变速机组技术应用，加强400兆瓦级大容量机组研发技术，加快水泵水轮机模型实验室和仿真实验室建设，全力打造自主科学技术创新平台。优化科研布局和资源配置，加强抽水蓄能核心技术攻关，着力攻克“卡脖子”技术难题。深化“大云物移智链”等新技术应用研究，全面布局数字化智能电站建设，加快企业数字化转型。
来源：国网新源公司、《抽水蓄能机组及其辅助设备技术》丛书、中电联《中国电力行业年度发展报告2021》《国家电网报》等
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